第4章电弧的基本理论

第4章-电弧的基本理论

电弧的实质是高温等离子体。

等离子体：由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正

负电子组成的离子化气体状物质，它是除去固、液、气外，物质存在

的第四态。

等离子体分为：高温等离子体和低温等离子体。电弧是高温等离

子体。

电弧的特点：导电性能强、能量集中、温度高、亮度大、质量轻、

易变形等。

4.1电弧的形成与去游离

放电的形式：非自持式放电和自持式放电。

非自持式放电：需要外部游离因素来维持的放电形式，主要指在

气体环境下，放电持续需要依靠外界游离因素所造成的原始游离才能

实现。

它的特点：

1.外因影响放电，外界游离因素消失，放电也会衰减直至停止；

2.具有饱和性，稳定的外部因素单位时间里游离出的带电粒子数

目是稳定的，于是形成饱和形式的放电现象。

自持式放电：指当电场强度（场强）达到或超过一定值时，出现

的电子崩可仅由电场的作用而自行维持和发展，不必再依赖外界游离

因素的放电现象。

电弧是一种自持式放电现象，即电极间的带电质点不断产生和消

失，处于一种动态平衡状态。

自持式放电：

1.放电不再依赖外界游离因素；

2.自持放电的条件是：电源的能量足以维持电弧的燃烧；

3.放电电流迅速增加，放电间隙电压迅速降低；

4.伴随有强光和高温。

4.1.1介质中电弧形成的机理

电弧的形成过程：介质向等离子体态的转化过程；

电弧的产生和维持：弧隙里中性质点（分子和原子）被游离的结

果，游离就是中性质点转化为带电质点的过程。

从电弧的形成过程来看，游离过程分三种形式：

1.强电场发射：是在弧隙间最初产生电子的原因；

2.碰撞游离》：由英国物理学家汤森德在1903年提出（汤森德机

理）

3.热游离：电弧产生之后，弧隙的温度很高，在高温作用下，气

体的不规则热运动速度增加；具有足够动能的中性质点互相碰撞，又

可能游离出电子和离子。

还有光游离、热电子发射、金属气化等。

4.1.2电弧的去游离过程

去游离的主要形式：复合和扩散。

1.复合去游离

复合：指正离子和负离子互相吸引，结合在一起，电荷互相中和

的过程。

2.扩散夫游离

扩散：指带电质点从电弧内部逸出而进入周围介质的现象。

弧隙内的扩散去游离的形式：

浓度扩散和温度扩散。

游离和去游离是电弧燃烧中两个相反的过程。

游离过程使弧道中的带电离子增加，有助于电弧的燃烧；

去游离过程使弧道中的带电离子减少，有利于电弧的熄灭。

由焊接电源供给的，在两极间产生强烈而持久的气体放电现象一

叫电弧。电弧是由于电场过强，气体发生电崩溃而持续形成等离子体,

使得电流通过了通常状态下的绝缘介质（例如空气）所产生的瞬间火

花现象。1808年汉弗里・；戴维（HumphryDavy）利用此一现象发

明第一盏〃电灯〃一电弧灯（voltaic

arclamp）。

主要分类

(1)按电流种类可分为：交流电弧、直流电弧和脉冲电弧。

(2)按电弧的状态可分为：自由电弧和压缩电弧(如等离子弧)o

<3)按电极材料可分为：熔化极电弧和不熔化极电弧。

特点用途

导电性强、能量集中、温度高、亮度大、质量轻、易变性等。

电弧可作为强光源如弧光灯，紫外线源如太阳灯或强热源如电弧

炉。电弧具有热效应。

主要作用

电弧是高温高导电率的游离气体，它不仅对触头有很大的破坏作

用，而且使断开电路的时间延长。

产生电流

当用开关电器断开电流时，如果电路电压不低于10—20伏，电流

不小于80~100mA,电器的触头间便会产生电弧。

因此，在了解开关电器的结构和工作情况之前，首先来看看其是

如何产生和熄灭的。

电弧的形成是触头间中性质子(分子和原子)被游离的过程。开关触

头分离时,触头间距离很小,电场强度E很高(E=U/d)e当电场强度

超过3x10八6V/m时，阴极表面的电子就会被电场力拉出而形成触头

空间的自由电子。这种游离方式称为：强电场发射。

从阴极表面发射出来的自由电子和触头间原有的少数电子，在电

场力的作用下向阳极作加速运动，途中不断地和中性质点相碰撞。只

要电子的运动速度v足够高,电子的动能A=l/2mv八2足够大,就可

能从中性质子中打出电子，形成自由电子和正离子。这种现象称为碰

撞游离。新形成的自由电子也向阳极作加速运动，同样地会与中性质

点碰撞而发生游离。碰撞游离连续进行的结果是触头间充满了电子和

正离子，具有很大的电导；在外加电压下，介质被击穿而产生电弧，

电路再次被导通。

触头间电弧燃烧的间隙称为弧隙。电弧形成后，弧隙间的高温使

阴极表面的电子获得足够的能量而向外发射，形成热电场发射。同时

在高温的作用下（电弧中心部分维持的温度可达10000℃以上）,气体中

性质点的不规则热运动速度增加。当具有足够动能的中性质点相互碰

撞时，将被游离而形成电子和正离子，这种现象称为热游离。

随着触头分开的距离增大，触头间的电场强度E逐渐减小，这时

电弧的燃烧主要是依靠热游离维持的。在开关电器的触头间，发生游

离过程的同时，还发生着使带电质点减少的去游离过程。

电弧放电

两个电极在一定电压下由气态带电粒子，如电子或离子，维持导

电的现象。激发试样产生光谱。电弧放电主要发射原子谱线，是发射

光谱分析常用的激发光源。通常分为直流电弧放电和交流电弧放电两

种。

气体放电中最强烈的一种自持放电。当电源提供较大功率的电能

时，若极间电压不高（约几十伏），两极间气体或金属蒸气中可持续

通过较强的电流（几安至几十安），并发出强烈的光辉，产牛高温（几千

至上万度），这就是电弧放电。电弧是一种常见的热等离子体（见等

离子体应用）。

电弧放电最显著的外观特征是明亮的弧光柱和电极斑点。电弧的

重要特点是电流增大时,极间电压下降，弧柱电位梯度也低，每厘米长电

弧电压降通常不过几百伏，有时在1伏以下。弧柱的电流密度很高，每

平方厘米可达几千安，极斑上的电流密度更高。

电弧放电可分为3个区域：阴极区、弧柱和阳极区。其导电的机

理是：阴极依靠场致电子发射和热电

子发射效应发射电子；弧柱依靠其中粒子热运动相互碰撞产生自

由电子及正离子，呈现导电性，这种电离过程称为热电离”日极起收

集电子等作用，对电弧过程影响常较小。在弧柱中，与热电离作用相

反，电子与正离子会因复合而成为中性粒子或扩散到弧柱外，这一现

象称为去电禺。在稳XE电弧放电中，电高速度与去电禺速度相同/形

成电离平衡。此时弧柱中的平衡状态可用萨哈公式描述。

能量平衡是描述电弧放电现象的又一重要定律。能量的产生是电

弧的焦耳热，能量的发散则通过辐射、对流和传导三种途径。改变散

热条件可使电弧参数改变，并影响放电的稳定性。

电弧通常可分为长弧和短弧两类。长弧中弧柱起重要作用。短弧

长度在几毫米以下，阴极区和阳极区起主要作用。

根据电弧所处的介质不同又分为气中电弧和真空电弧两种。液体

（油或水）中的电弧实际在气泡中放电，也属于气中电弧。真空电弧实际

是在稀薄的电极材料蒸气中放电。这二种电弧的特性有较大差别。

电弧是一束高温电离气体，在外力作用下，如气流，外界磁场甚

至电弧本身产生的磁场作用下会迅速移动（每秒可达几百米），拉长、

卷曲形成十分复杂的形状。电弧在电极上的孳生点也会快速移动或跳

动。

在电力系统中,开关分断电路时会出现电弧放电。由于电弧弧柱

的电位梯度小，如大气中几百安以上电弧电位梯度只有15伏/厘米左

右。在大气中开关分断100千伏5安电路时，电弧长度超过7米。电

流再大，电弧长度可达30米。因此要求高压开关能够迅速地在很小的

封闭容器内使电弧熄灭，为此，专门设计出各种各样的灭弧室。灭弧

室的基本类型有：①采用六氟化硫、真空和油等介质；②采用气吹、

磁吹等方式快速从电弧中导出能量；③迅速拉长电弧等。直流电弧要

比交流电弧难以熄灭。

电弧放电可用于焊接、冶炼、照明、喷涂等。这些场合主要是利

用电弧的高温、高能量密度、易控制等特点。在这些应用中，都需使

电弧稳定放电。目前的电子产品,如等离子电视、等离子显示器其显

示原理也是依赖电弧放电。

（-）电弧现象

电弧实际上是一种气体游离的放电现象。当断路器切断有电流的

电路时，如果触头间的电压大于10-20V、电流大于80-100mH,在

切断电路的瞬间，触头就会产生电弧。此时因触头间存在电弧，断开

的电路仍然处于接通状态。只有待电弧熄灭后，电路才算真正断开。

在配电网络各种配电设备(如发电机、变压器、电动机、架空和电缆

线路等)正常运行时，需要可靠地接通或断开；在改变运行方式时，

又需要灵活地进行切换操作；当网络发生故障时，又必须迅速地切除

故障部分，使无故障部分继续运行。这些断开和接通电路的任务必须

由开关电器来承担。在配电网络中承担这项任务的有断路器、隔离开

关、熔断器、自动开关、接触器和负荷开关等。而这些开关电器在断

开具有一定电压和电流的电路时，相互分开的开关触头之间产生一种

强烈的白光，这种白光称为电弧。

由于电弧能量集中、温度高、亮度强，当用10kV少油断路器断开

20kA,的电流时，电弧功率可高达lOOOOkW以上,这样高的能量几乎

全部变为热能。所以电弧持续不息，就会烧坏设备触头和触头附近的

绝缘，这不仅延长了断路时间，甚至使断路器内部压力剧增，引起油

断路器爆炸。因此，高压开关电器在切断高压电路时，怎样使电弧迅

速熄灭是一个重要问题，为此我们首先应了解电弧是怎样形成的。

(—)形成电弧的四因素

1.强电场发射

当开关触头刚分开的瞬间，触头之间的距离很近，所以分开的缝

隙间电场强度E很大，在此强电场作用下，电子从阴极表面被拉出而

奔向阳极，这种现象称为强电场发射。电场强度愈大，这种金属表面

发射电子量也愈增加。但随着触头的逐渐分开，触头之间的距离增大,

电场强度E随之减小，发射电子量也就迅速减小了。

2.热电发射

奔向阳极的自由电子，因具有很大的动能，在运动的过程中，如

果碰到中性原子，所持的一部分动能就传给原子；若自由电子所持能

量足够大时，可将中性原子的外围电子撞击出来，使它也变为自由电

子。新产生的自由电子和原来电子一起继续受到电场的作用而运动，

又继续获得新的动能，再次碰撞出新的自由电子。如此继续碰撞，在

弧隙中的自由电子和离子浓度不断增强，成为游离状态，这种游离过

程称为碰撞游离。当开关触头间积聚的自由电子和离子达到一定浓度

时，触头间有足够大的电导，使触头间的介质击穿，开始弧光放电，

此时电路仍有电流通过，这就是电弧产生的主要原因。

3.碰撞游离

奔向阳极的自由电子，因具有很大的动能，在运动的过程中，如

果碰到中性原子，所持的一部分动能就传给原子；若自由电子所持能

量足够大时，可将中性原子的外围电子撞击出来，使它也变为自由电

子。新产生的自由电子和原来电子一起继续受到电场的作用而运动，

又继续获得新的动能，再次碰撞出新的自由电子。如此继续碰撞，在

弧隙中的自由电子和离子浓度不断增强，成为游离状态，这种游离过

程称为碰撞游离。当开关触头间积聚的自由电子和离子达到一定浓度

时，触头间有足够大的电导，使触头间的介质击穿，开始弧光放电，

此时电路仍有电流通过，这就是电弧产生的主要原因。

4.热游离

热游离是维持电弧燃烧的主要原因。在弧光放电和触头拉开距离

增大后，弧柱的电场强度减小，碰撞游离减弱。这时由于弧光放电产

生的高温使弧心有大量的电子移动，弧心的温度可达100000C以上，

而电弧表面的温度可达到3000-4000C以上。电弧的高温，依靠通过

它的电流所产牛的热来维持，即依靠电网的电能来维持。因为弧心部

分的气体（介质）温度很高，在弧心区域内，气体中的质点将发生迅

速而又不规则的热运动在这样高温下，如果具有足够动能的高速中性

质点互相碰撞时，中性质点将会被电离，

形成自由电子和正离子，这种现象称为气体的热游离，弧柱的导

电性主要靠这种现象来维持。

上述电弧形成的四因素，实际上是个连续过程。当触头刚开始分

开时，强电场发射和热电发射所产生的自由电子，在电场作用下移向

阳极。以后，电子在运动的过程中，产生碰撞使弧道中的气体游离，

进而产生电弧。由于游离现象的存在和电弧的产生又使热游离继续进

行，电弧持续不断的燃烧。其实，电弧形成的这些因素都是贯穿在电

弧形成的整个过程中，只不过在某一过程中哪个因素起主要作用而已,

切不要把电弧的形成过程误解为一个单独因素作用的结果。

电弧的特点是：

(1)起弧电压、电流数值低

(2)电弧能量集中，温度很高

(3)电弧是一束质量很轻的游离态气体，在外力作用下，很易弯

曲、变形。

(4)电弧有良好的导电性能、具有很高的电导：

(5)电弧有阴极区(包括阴极斑点)、弧柱区(包括弧柱、弧

焰)、阳极区(包括阳极斑点)三部分组成。

游离作用：

当开关工作时1介质会由绝缘状态变成导电状态。介质的放电现

象是由于电场、热、光的作用下，介质里的中性质点产生自由电子、

正、负离子的结果。这种现象我们称为游离作用。在介质中产生的游

离作用达到一定程度时，介质将被击穿，而产生电弧放电。

电弧的形成是由于介质的游离而发生的。

电弧游离的方式有利用气体或油熄灭可弧。在开关电器中利用各

种形式的灭弧室使气体或油产生巨大的压力并有力地吹向弧隙，电弧

在气流或油流中被强烈地冷却和去游离，并且其中的游离物质被未游

离物质所代替，电弧便迅速熄灭。气体或油吹动的方式有纵吹和横吹

两种，纵吹使电弧冷却变细，然后熄灭;横吹是把电弧拉长切断而熄灭。

不少断路器采用纵横混合吹弧方式，以取得更好灭弧效果。

采用多断口。高压断路器常制成每相有两个或多个串联的断口，

使加于每个断口的电压降低，电弧易于熄灭。

4.2熄灭电弧的措施

熄灭电弧的基本方法是削弱游离作用和加强去游离作用。

熄灭电弧的主要方法及相应的灭弧装置：

1.采用优良的灭弧绝缘介质

电力系统设备中常用的灭弧介质：

气体介质：六氟化硫气体、氢气、空气等；

液态介质：开关油(常用25号变压器油)；

固态介质：石英砂。

2.采用难熔的金属作开关触头

采用金属铝或其合金作为引弧触头；

3.迅速拉长电弧

采用强力分闸弹簧装置；

4.吹弧

吹弧的方式：纵吹和横吹。

5.利用短弧原理灭弧

常用于低压开关电器中，采用金属栅片作为灭弧装置；

6磁吹

低压开关电器广泛应用的是利用电磁力驱动和拉长电弧至固体介

质灭弧罩或金属栅片灭弧罩中灭弧。目前磁吹主要的额灭弧方式有：

弯曲的电弧产生的电动力、邻近铁磁材料的影响、有串联线圈的磁吹

等；

7.利用固体介质的狭缝和狭沟灭弧

常见的固体介质有绝缘栅片、灭弧罩和石英砂填料等；

8.米用多断口灭弧

减少开关电器的尺寸和成比例地提高可开断的总电压；为了防止

各断口处因电压分布不均匀造成电弧重燃现象的发牛，在各断口处应

加装均压电容或均压电阻。

9.真空灭弧

通过前面的一系列理论分析，我们可以找出加速电弧熄灭的很多

方法，例如：拉长电弧、降低温度、将长弧变为短弧、将电弧放置于

特殊介质中，增大电弧周围气体介质的压力等。为了减少电弧对触头

的烧损和限制电弧扩展的空间，通常要将这些方法加以应用，为此而

采用的装置称为灭弧装置。一个灭弧装置可以采用某一种方法进行熄

弧。但在大多数情况下，则是综合采用几种方法，以增加灭弧效果。

例如拉长和冷却电弧往往是一起运用的。

一、拉长电弧

电弧拉长以后,电弧电压就增大，改变了电弧的伏安特性。在直

流电弧中，其静伏安特性上移，电弧可以熄灭。在交流电弧中，由于

燃弧电压的提高，电弧重燃困难。

电弧的拉长可以沿电弧的轴向（纵向）拉长，也可以沿垂直于电弧轴

向（横向）拉长，如图2-12所示。

1.机械力拉长

电弧沿轴向拉长的情况是很多的，电器触头分断过程实际上就是

将电弧不断地拉长。刀开关中闸刀的拉开也拉长电弧，电焊过程中将

焊钳提高可使电弧拉长并熄灭C

2.回路电动力拉长

图2-13触头回路电动力吹弧

（a）常用触头回路电动力吹弧；（b）增磁型触头回路电动力吹

弧

1-触头桥；2-动触头；3-电弧；4-静触头;5-静触头座；6

-磁性片。

载流导体之间会产生电动力，如果把电弧看作为一根软导体，那

么受到电动力它就会发生变形，即拉长。如图2-13所示，在一对桥

式双断点结构型式的触头断开时，电弧受回路电动力F的作用被横向

拉长,也就是图2-12中受F2作用力的情况。横向拉长时电弧与周围

介质发生相对运动而加强了冷却，这样就加速了电弧的熄灭。有时为

了使磁场集中，在触头上添加磁性片6,以增大吹弧力，如图2・13

（b）所示。因利用回路本身灭弧的电动力不够大，电弧拉长和运动的

速度都较小，所以这种方法一般仅用于小容量的电器中。开断大电流

时，为了有较大的电动力而专门设置了一个产生磁场的吹弧线圈，这

种利用磁场力使电弧运动而熄灭的方法称为磁吹灭弧。如图2-14所

示。由于这个磁场力比较大，其拉长电弧的效果也较好，如图2・12

中F3所示的情况。

图2・14磁吹灭弧装置示意图

1-磁吹铁心；2-导弧角；3-灭弧罩；4-磁吹线圈；

5-铁夹板;6-静触头；7-动触头;8-绝缘套。

磁吹线圈4是接在弓I出线和静触头6之间，通过绝缘套与磁吹铁

芯绝缘，导弧角2和静触头6固装在一起。磁吹线圈4中的磁吹铁芯

1两端各装有一片导磁夹板5,磁夹板5同时夹于灭弧室两侧，用来加

强弧区磁场。设在灭弧室中的动静触头就处在磁板之间。

当触头分开有电弧燃烧时，磁吹线圈和电弧本身均在电弧周围产

生磁场。由图可见，在弧柱下方一侧，磁吹线圈的磁通和电弧的磁通

是相叠加的，而在弧柱上方一侧，两磁通是相削弱的，因此就产生磁

吹力。电弧在磁吹力的作用下发生运动，电弧被拉长，电弧的根部离

开静触头而移到导弧角2上，进一步拉长电弧，使电弧迅速熄灭。

导弧角2是根据回路电动力原理设置的，用来引导电弧很快离开

触头且按一定方向运动，以保护触头接触面免受电弧的烧伤。

由于磁吹线圈与电路的连接方式不同而形成串激线圈和并激线圈

之分。

上述所介绍的这种磁吹线圈和触头相串联的激磁方法称为串激法。

它的优点是：电流流向改变但磁吹力方向不变，即磁吹方向不随电流

极性的改变而改变。具有这种磁吹的电器称为〃无极性电器〃。同时

因为是串激，通过磁吹线圈的电流与弧电流相同，因此弧电流越大则

灭弧效力就越强；反之弧电流小时，灭弧效力就弱。所以串激法适用

于切断大电流的电器中。

在熄灭直流电弧时，外加磁场除了串激法外，还有并激法和它激

法。它们的工作原理相同。

并激法的磁吹线圈不是和负载回路串联，而是直接跨接在电源上。

它的优点是，可产生一个与回路电流无关的恒定磁场。这样，在一定

的恒定磁场下，不论开断大电流或小电流，都可使电弧很快熄灭。但

是由此产生的缺点是使电器的接线带有极性，即当触头上电流反向时,

必须同时改变并激线圈的极性，否则磁吹力就会反向，所以使用中不

太方便。

所谓它激法，就是用永久磁铁来代替并激法的磁吹线圈，它的磁

吹特性和并激法相似。不同点是无需线圈和电源，因而结构更趋简单。

二、灭弧罩

灭弧罩是让电弧与固体介质相接触，降低电弧温度，从而加速电

弧熄灭的比较常用的装置。其结构型式是多种多样的，但其基本构成

单元为〃缝〃。我们将灭弧罩壁与壁之间构成的间隙称作〃缝〃。根

据缝的数量可分为单缝和多缝。根据缝的宽度与电弧直径之比可分为

窄缝与宽缝。缝的宽度小于电弧直径的称窄缝，反之，大于电弧直径

的称宽缝。根据链的轴线与电弧轴线间的相对位置关系可分为纵缝与

横缝。缝的轴线和电弧轴线相平行的称为纵缝，两者相垂直的则称为

横缝。

1.纵缝灭弧罩

图2-15所示为一纵向窄缝的灭弧情况，当电弧受力被拉入窄缝

后，电弧与缝壁能紧密接触。在继续受力情况下，电弧在移动过程中

能不断改变与缝壁接触的部位，因而冷却效果好，对熄弧有利。但是

在频繁开断电流时，缝内残余的游离气体不易排出，这对熄弧不利。

所以此种形式适用于操作频率不高的场合。

图2-15纵向窄缝式灭弧罩

图2-16所示为一纵向宽缝的灭弧情况，宽缝灭弧罩的特点与窄

筵的正好相反，冷却效果差，但排出残余游离气体的性能好。图2-

16中所示情况是将一宽绛中又设置了若干绝缘隔板，这样就形成了纵

向多缝。电弧进入灭弧罩后，被隔板分成两个直径较原来小的电弧，

并和缝壁接触而冷却，冷却效果加强，熄弧性能提高。此外，由于缝

较宽，熄弧后残存的游离气体容易排出，所以这种结构型式适用于较

频繁开断的场合。

图2-17纵向曲缝式灭弧罩

图2-17所示为纵向曲缝式灭弧罩的灭弧情况。纵向曲缝式又称

迷宫式，它的缝壁制成凹凸相间的齿状，上下齿相互错开。同时，在

电弧进入处齿长较短，愈往深处，齿长愈长。当电弧受到外力作用从

下向上进入灭弧罩的过程中，它不仅与缝壁接触面积越来越大，而且

长度也愈来愈长。这就加强了冷却作用，具有很强的灭弧能力。但是,

也正因为绛隙愈往深处愈小，电弧在缝内运动时受到的阻力愈来愈大。

所以，这种结构的灭弧罩，一定要配合以较大的让电弧运动的力。否

则，其灭弧效果反而不好。

2.横缝灭弧罩

为了加强冷却效果，横筵灭弧罩往往以多缝的结构型式使用，也

就是称为横向绝缘栅片，如图2-18所示。当电弧进入灭弧罩后，受

到绝缘栅片的阻挡，电弧在外力作用下便发生弯曲，从而拉长了电弧，

并加强了冷却。为了分析电弧与绝缘栅片接触时的情况，以图2・19

来放大说明：设磁通方向为垂直向里，电弧AB、BC和CD段所受的

电动力都使电弧压向绝缘棚片顶部，而DE^所受的电动力使电弧拉长,

CD段和EF段相互作用产生斥力。这样一些力的作用，使电弧拉长并

与缝壁接触面增大而且紧密，所以能收到比较好的灭弧效果。

由于灭弧罩要受电弧高温的作用，所以对灭弧罩的材料也有一定

的要求，如：受电弧高温作用不会因热变形、绝缘性能不能下降，机

械强度好且易加工制造等。灭弧罩材料过去广泛采用石棉水泥和陶土

材料。现在逐渐改为采用耐弧陶瓷和耐弧塑料，它们在耐弧性能与机

械强度方面都有所提高。

图2-18横向绝缘栅片式灭弧罩

1-灭弧罩；2-电弧。

图2-19电弧在横向绝缘栅片灭弧罩中的放大图

三、油冷灭弧装置

油冷灭弧是将电弧置于液体介质（一般为变压器油）中，电弧将油汽

化、分解而形成油气。油气中主要成分是氢，在油中以气泡的形式包

围电弧。氢气具有很高的导热系数，这就使电弧的热量容易散发。另

外，由于存在着温度差，所以气泡产生运动，又进一步加强了电弧的

冷却。若再要提高其灭弧效果，可在油箱中加设一定机构，使电弧定

向发生运动，这就是油吹灭弧。由于电弧在油中灭弧能力比大气中拉

长电弧大得多，所以这种方法一般用于高压电器中，如油开关。

四、气吹灭弧装置

气吹灭弧是利用压缩空气来熄灭电弧的。压缩空气作用于电弧，

可以很好地冷却电弧、提高电弧区的压力、很快带走残余的游离气体,

所以有较高的灭弧性能。按照气流吹弧的方向，它可以分为横吹和纵

吹两类。横吹灭弧装置的绝缘件结构复杂，电流小时横吹过强会引起

很高的过电压，故已被淘汰。图2-20表示了纵吹（径向吹）的一种形

式。压缩空气沿电弧径向吹入，然后通过动触头的喷口、内孔向大气

排出，电弧的弧根能很快被吹离触头表面，因而触头接触表面不易烧

损。因为压缩空气的压力与电弧本身无关，所以使用气吹灭弧时要注

意熄灭小电流电弧时容易引起过电压。由于气吹灭弧的灭弧能力较强,

故一般运用在高压勇器中，例如韶山系列机车的空气断路器（主断路

器）。

图2-20气吹灭弧装置

1-动触头；2-灭弧室瓷罩；3-静触头；4-压缩空气；5-电

弧。

图2-21横向金属栅片灭弧罩结构、原理示意图

（a）电弧在横向金属栅中状况；（b）横向金属栅对电弧的作用；

（c）横向金属栅灭弧原理。

1-入栅片前的电弧；2-金属栅；3-入栅片后的电弧。

五、横向金属栅片灭弧

横向金属栅片又称去离子栅，它利用的是短弧灭弧原理。用磁性

材料的金属片置于电弧中，将电弧分成若干短弧，利用交流电弧的近

阴极效应和直流电弧的近极压降来达到熄灭电弧的目的。

横向金属栅片灭弧情况如图2-21所示。栅片的材料一般采用铁。

当电弧靠近铁栅片时，由于铁片为磁性材料，所以栅片本身就具有一

个把电弧拉入栅片的磁场力(当电弧移近金属栅的上沿时，铁栅片又

具有把电弧拉回的特性，可防止电弧逸出栅外，烧损它物)。当电弧

被这个磁场力或外力作用刚进入铁片栅中时，由于磁阻较大，铁片栅

对电弧的吸力不大。为了减小电弧刚进入铁栅片时的空气阻力，铁栅

片作成楔口并交叉装配，如图2-21(b)所示，即只让电弧先进入一半

铁片栅中以增大最初接触电弧的铁片片距。随着电弧继续进入铁片栅

中，磁阻减小，铁片对电弧的拉力增大，足以使电弧进入所有的铁片

栅中。电弧进入栅片后分成许多串联短弧，电流回路产生作用于各短

弧上的电动力使短弧继续发生运动。此时应注意短弧被拉回向触头方

向运动的力，它会使电弧重燃并烧损触头。为了消除这种现象，可以

采用凹形栅片和。形栅片。铁栅片在使用时一般外表面要镀上一层铜,

以增大传热能力和防止铁片生锈。

横向金属栅片灭弧装置主要用于交流皂器，因为它可将起始介质

强度成倍的增长。对于直流电弧而言，因无近阴极效应，只能靠成倍

提高极旁压降来进行灭弧。由于极旁压降值较小，要想达到较好的灭

弧效果，金属栅片的数量太大，会造成灭弧装置体积庞大。所以直流

电器中很少采用。

六、真空灭弧装置

真空灭弧是使触头电弧的产生和熄灭在真空中进行，它是依据零

点熄弧原理，以真空为熄弧介质工作的。在真空中气体很稀薄，电子

的自由行程远大于触头间的距离。当真空度为10-5mm汞柱时，电

子的自由行程达43m。自由电子在弧隙中作定向运动时几乎不会和气

体分子或原子相碰撞，不会产生碰撞游离。所以将触头置于真空中断

开时产生的电弧则是由于阴极发射电子和产生的金属蒸气被电离而形

成的。当电弧电流接近零时，阴极发射的电子和金属蒸气减少，弧隙

中残留的金属蒸气和等离子体向周围真空迅速扩散。这样，弧隙可以

在数微秒之内由导电状态恢复到真空间隙的绝缘水平。因此，在真空

中触头有很高的介质恢复速度、绝缘能力和分断电流的能力。

真空电弧按其电流的大小可分为扩散弧和收缩弧两种。扩散弧的

电流较小（几百至几千安培），此时电弧分裂为许多并联的支弧。每一支

弧有自己的阴极斑点和弧柱，阴极斑点互相排斥且均匀分布在阴极上。

在电磁场的作用下阴极斑点不断地沿左旋方向运动，触头表面的平均

温度较低且分布均匀。阳极此时不存在阳极斑点。阴极斑点既发射电

子又产生金属蒸气。当电流接近于零值时，最终只剩下一个斑点。电

流过零时，电弧自行熄灭。当扩散弧的电流增加到足够大时，阴极斑

点相互聚成一团，运动速度很小甚至不再运动。阴极表面不但产生大

量的金属蒸气，而且有一部分金属直接以颗粒或液滴的形式向弧隙喷

射。阳极此时也出现炽热的阳极斑点且蒸发和喷射一定数量的金属，

触头的电磨损迅速增加。当真空灭弧装置中出现收缩弧后，就不能再

开断电路。电弧由扩散弧转变为收缩弧的电流，也就是该真空灭弧装

置的极限开断电流，它随触头材料和直径大小而不同。

在开断交流电路时，当被开断的电流减小到某一数值时，扩散弧

会发生电流突然被截断的现象，称之为截流。这样，在开断感性负载

电流时，弧隙上将产牛很高的过电压，这是使用真空灭弧装置应注意

的问题。

4.3电弧的特性及其分析

4.3.1直流电弧

直流电弧：在直流电路中产生的电弧。

直流电弧静态伏安曲线的分析：

1.=0时，电路参数使电弧稳定燃烧；

2>0时，电路参数使电弧电流有增加的趋势；

3.<0时，电路参数使电弧电流有减少的趋势；

增大该区间的方法主要有：

1.增高弧隙的静态伏安曲线，即加大弧隙间距、将长弧分割成短

弧、横吹拉长电弧、增强电弧的表面冷却等；

2.降低电源的电压或增大回路中电阻值；

直流电路不宜采用灭弧能力强的开关电器，防止出现操作过电压。

4.3.2交流电弧

交流电弧：交流电路中产生的电弧。

电弧两次自然熄灭，甲流电路较直流电路易于切断。

热击穿：当电流过零、电弧暂时熄灭时，弧隙温度继续下降，去

游离作用继续加强，弧隙介质绝缘强度继续回升，但因热惯性而使弧

隙温度仍然较高，甚至游离也未完全停止，当游离作用强过去游离作

用时，电弧可以重燃。

电击穿：电流过零后，弧隙中也同时存在着弧隙介质绝缘强度的

恢复过程和弧隙电压的恢复过程，在恢复过程中，若恢复电压高于介

质的绝缘强度，电弧将重燃。

交流电路电弧熄灭后，应注意：

1.加强弧隙间的冷却，防止热击穿；

2.加强弧隙间的绝缘恢复，防止电击穿；

4.4接触电阻的概念

4.4.1电气触头

电气触头：两个或几个导体之间互相接触的部分。

根据工作情况及在电路中的作用，触头可分为三类：

1.固定触头

固定触头：连接两金属导体的端接部分相对固定不动的触头，如

母线的连接、载流导体和设备的连接等的触头。

作用：安全可靠地传送工作电流，并在必要时为电气连接的装、

拆提供方便；

2.可动触头

可动触头的两个部分（即动触头和静触头）可以相对运动，但始

终不脱离接触，如电机中的滑环与炭刷。作用：在动静触头相对运动

的接触面之间安全可靠地通过长期工作电流和短时的短路电流。

3.可断触头

由静触头和可以操动的动触头组成，在工作中可以分断和关合。

根据其分断和关合时所起的作用，分为：

不带电流分断和关合的可断触头；

可带负荷电流分断和关合的可断触头；

可带短路电流分断和关合的可断触头。

可断触头可在最困难的条件下进行工作。

4.4.2触头的接触电阻及接触原理

触头是电气装置中的关键部分，对装置工作的可靠性具有重大的

影响。

触头的接触形式分为点接触、线接触和面接触三种。

接触电阻，为金手指与接连器的接触点。〃接触对〃导体件呈现

的电阻称为接触电阻。

一般要求接触电阻在10-20MO以下。有的开关则要求在100-

500uohm以下。有些电路对接触电阻的变化很敏感。应该指出，开关

的接触电阻是在开关在若干次的接触中的所允许的接触电阻的最大值。

相关资料ContactArea接触电阻

在电路板上是专指金手指与连接器之接触点，当电流通过时所呈

现的电阻之谓。为了减少金属表面氧化物的生成，通常阳性的金手指

部份，及连接器的阴性卡夹子皆需镀以金属，以抑抵其〃接载电阻〃

的发牛。其他电器品的插头挤入插座中，或导针与其接座间也都有接

触电阻存在。

接触电阻产生的原因

物体电阻的产生是因为在电场作用下，物体内部电子的振动与原

子内其他物质的振动相互碰撞引起的（这里说得比较简洁，具体情况

非常复杂），而接触点由于是两种物质的接触，自然会有更多的杂质

和其他物质，这样接触电阻就会产生。

无论使用哪一种接触，导体接触的不连续性会产生一个附加的电

阻—称为〃接触电阻〃。所以接触电阻可以定义为电流通过接触点

时在接触处产生的电阻，一般它是收缩电阻和膜电阻之和。它比接触

器自身的电阻（在没有接触面存在时）要大。这个电阻值将决定连接的质

量，因为：接触电阻阻值越高，则接触电阻上的压降越大，因而接触

点释放的热量将越多。如果温度上升到一定的极限，接触点就会损坏。

温度越高，损坏就越快。一般要求接触电阻在10-20mohm以下。有

的开关则要求在100-500uohm以下。有些电路对接触电阻的变化很

敏感。

接触电阻产生原因

接触电阻产生的原因有两个：

第一，由于接触面的凹凸不平，金属的实际接触面减小了，这样，

当电流流过导体时，使电流线在接触面附近发生了严重的收缩现象，

即在接触面附近导体有效的导电截面大大缩小，因而造成电阻的增加，

这个电阻称为收缩电阻。

第二，接触面在空气中可能迅速形成一层导电性能很差的氧化膜

附着于表面，也使可阻增大了，这部分电阻称为膜电阻。因此，接触

电阻是由收缩电阻和膜电阻组成。

接触电阻组成部分

接触电阻应由以下几部分组成

1）集中电阻

电流通过实际接触面时，由于电流线收缩（或称集中）显示出来的电

阻。将其称为集中电阻或收缩电阻。

2）膜层电阻

由于接触表面膜层及其他污染物所构成的膜层电阻。从接触表面

状态分析;表面污染膜可分为较坚实的薄膜层和较松散的杂质污染层。

故确切地说，也可把膜层电阻称为界面电阻，或表面电阻。

3）导体电阻

实际测量电连接器接触件的接触电阻时，都是在接点引出端进行

的，故实际测得的接触电阻还包含接触表面以外接触件和弓I出导线本

身的导体电阻。导体电阻主要取决于金属材料本身的导电性能，它与

周围环境温度的关系可用温度系数来表征。为便于区分，将集中电阻

加上膜层电阻称为真实接触电阻。而将实际测得包含有导体电阻的称

为总接触电阻。

接触电阻原理

触点有四种工作状态，即：闭合状态、断开过程、断开状态、闭

合过程。在理想情况下，触点闭合时其接触电阻为零;触点断开时接触

电阻为无穷大;在闭合过程中接触电阻瞬时由无穷大变为零;在断开过程

中接触电阻瞬时由零变为无穷大。但实际上，在闭合状态时耦合触点

间有接触电阻存在，若接触电阻太大，就可能导致被控电路压降过大

或不通;在断开状态时要求触点间有一定的绝缘电阻，若绝缘电阻不足

就可能导致击穿放电，致使被控电路导通;在闭合过程中有触点弹跳现

象，可能破坏触点的可靠闭合;在断开过程中可能产生电弧破坏触点可

靠断开

接触电阻测量

除用毫欧计外，也可用伏-安计法，安培-电位计法。

在连接微弱信号电路中，设定的测试数条件对接触电阻检测结果

有一定影响。因为接触表面会附有氧化层，油污或其他污染物，两接

触件表面会产生膜层电阻。由于膜层为不良导体，随膜层厚度增加，

接触电阻会迅速增大。膜层在高的接触压力下会机械击穿，或在高电

压、大电流下会发生电击穿。但对某些小型连接器设计的接触压力很

小，工作电流电压仅为mA和mV级，膜层电阻不易被击穿，接触电

阻增大可能影响电信号的传输。

接触电阻磨损机理

磨损机理有以下四个主要步骤：

1.在黏附力作用下，产生磨损微粒

2.这些磨损微粒在表面的微观小孔里氧化和积累

3.被氧化的微粒由于接触面的磨擦运动从小孔中飞出

4.形成一层薄的碎片，这层碎片然后转化为粉末，这种粉末起到

润滑剂的作用，减少磨损的效率

接触电阻影响因素

主要受接触件材料、正压力、表面状态、使用电压和电流等因素

影响。

接触电阻主要受接触件材料、接触压力、接触形式、表面状态、

温度、使用电压和电流等因素影响。

1）接触件材料

电连接器技术条件对不同材质制作的同规格插配接触件，规定了

不同的接触电阻考核指标。构成电接触的金属材料的性质直接影响接

触电阻的大小，这些性质包括金属材料的电阻率P、布氏硬度HB、化

学性能以及金属化合物的机械强度和电阻率等。材料的电阻率或硬度

越大，则接触电阻也越大。

2）接触压力/正压力

接触件的正压力是指彼此接触的表面产生并垂直于接触表面的力。

随正压力增加，接触微点数量及面积也逐渐增加，同时接触微点从弹

性变形过渡到塑性变形。由于集中电阻逐渐减小，而使接触电阻降低。

接触正压力主要取决于接触件的几何形状