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第五章电弧电弧的静态伏安特性电弧的动态伏安特性交流电弧的伏安特性直流电弧稳定燃烧的条件及熄灭措施5 电弧◆第一节：概述◆第二节：电弧的产生和物理特性◆第三节：直流电弧◆第四节：交流电弧◆第五节：空气电弧的熄灭原理◆第六节：油中电弧的熄灭原理了解◆第七节：SF6气体的基本特性及其灭弧原理◆第八节：真空电弧的特性及其熄灭原理5.1 概述开关设备中，只要电路的电压或者电流不是很小（大于几十V 或者上百mA ），在分断时就会产生电弧。
◆气体放电的一种形式，具有强光和很高的热力学温度（几千到几万K ）生活中电弧的应用有哪些例子？焊接、熔炼、照明24v 以上（起步电压）5.2 电弧的产生和物理特性一、弧光放电及其特点（低气压）非自持放电与自持放电自持放电有多种形式，取决于气体压力、电流密度、电极形状、电极间距离等因素。
5.2 电弧的产生和物理特性自持放电形式1.如果电场比较均匀，电源的功率足够，击穿后转换为弧光放电；2.电场比较均匀，气体压力较低时，气隙击穿后，先出现辉光放电，随着电流的增加，将转换为电弧放电；3.极不均匀电场中，气体的压力较高且回路的阻抗较大时，表面的电场集中区域先出现电晕放电，电压达到一定值后形成弧光放电。
●弧光放电：电流密度大，伴随高温强光，阴极位降低（10V）●电晕和辉光放电：电流密度小，阴极位降高，200-300V电弧是一种能量集中，温度很高，亮度很大的气体自持放电现象，是一束导电性很好的游离气体。
5.2 电弧的产生和物理特性二、电弧的组成部分除了正负两个电极外，整个电弧可分为三个区域：阴极位降区、弧柱和阳极位降区。
阴阳级K12000~6000阴极位降区域阳极位降区域UUh0ElcmV101065~cmV5010~度的分布电弧的电位降及电位梯图26 阴极斑点：非常集中，面积很小的光亮区域，电流密度很大，是电弧放电中强大的电子流的主要来源空间电荷：形成阴极和阳极位降区位降区长度：10-4cm ，但电位梯度高弧柱区：电位梯度几乎不变阳极斑点：接收从阴极来的电子弧柱区：高温、游离了的气体形成的等离子体短弧：弧芯长度在几个毫米以下，弧压降主要由阴极和阳极位降构成长弧：电弧较长，电弧电压主要由弧柱压降构成5.2 电弧的产生和物理特性三、电弧弧柱的游离过程游离：围绕原子核运动的电子从轨道上脱离出来并成为自由电子。
直流开关灭弧应用原理：直流断路器的燃弧及熄弧过程与交流断路器是不同的。
交流断路器分断时产生的交流电弧每秒钟有2f（f为电网频率）次经过零点。
通过近极效应，使电弧熄灭。
交流断路器只要解决电弧重燃问题，即解决由导电状态恢复到介质绝缘状态的介质强度恢复过程。
电动机的灭弧原理是在发电机真空断路器分断瞬间，由于两触头间的电容存在，使触头间绝缘击穿，产生真空电弧。
由于触头形状和结构的原因，使得真空电弧柱迅速向弧柱体外的真空区域扩散。
当被分断的电流接近零时，触头间电弧的温度和压力急剧下降，使电弧不能继续维持而熄灭。
电弧熄灭后的几μs 内，两触头间的真空间隙耐压水平迅速恢复。
同时，触头间也达到了一定距离，能承受很高的恢复电压。
所以，一般电流在过零后，不会发生电弧重燃而被分断。
这就是其灭弧的原理。
刀开关灭弧的原理刀开关在分断有负载的电路时，在触刀与静插座之间会产生电弧，而且电压等级越高，分断电流越大，产生的电弧越严重。
这种极高温度的电弧，轻则将触刀或静插座灼伤或烧毁，重则会产生相间短路，造成重大事故。
在刀开关分断过程中，触刀和静插座之间的电弧，一方面沿切线方向被机械地拉长，另一方面还要受到经过触刀和它本身的所谓电弧电流产生的磁场（电弧电流上方磁场进入纸面，电弧电流下方磁场穿出纸面）的影响，在该磁场所产生的电动力的作用下，沿法线运动，这两种运动都有利于电弧的熄灭。
高压断路器的任务就是保证将断路器分闸时产生的电弧,能尽快地熄灭,使其不再重燃。
油断路器的灭弧方式大体分为：横吹灭弧,纵吹灭弧,横纵吹灭弧以及去离子栅灭弧等。
横吹灭弧：分闸时动静触头分开,产生电弧,电弧热量将油气化并分解,使消弧室中的压力急剧增高,此时气体收缩储存压力,当动触头继续运行喷口打开时,高压油和气喷出,横吹电弧,使电弧拉长、冷却熄灭。
纵吹灭弧：分闸时中间触头、定触头先分断,中间触头、动触头后分断。
前者分断时形成激发弧,使灭弧上半室的活塞压紧,当动触头继续向下移动形成被吹弧时,室内由于激发弧的压力油以很高的速度自管中喷出,把被吹弧劈裂成很多细弧,从而使之冷却熄灭。
各种电弧灭弧原理、条件及措施的比较1. 开关电弧灭弧的基本原理：首先使触头间的介质成为良好电导率的电弧，进而使电弧冷却，迅速降低其电导率，最终使其转变为良好的绝缘体。
单位体积内的能量平衡： 电源提供的能量=电弧的能量增量— v ٠gradp （由对流引起的散热功率）—s (T) （由辐射引起的散热功率）— div Χ٠gradT （由广义热传导引起的散热功率）应根据不同条件、不同场合，提高后三项的散热功率。
2.直流电弧灭弧条件：稳态电路方程与电弧伏安特性无交点灭弧措施：（1）拉长电弧→Ua ↗；（2）冷却电弧→Ua ↗（加装灭弧室，选用好的介质）；（3）制造电流过零点3.交流电弧交流电弧的熄灭措施：实质上是防止电弧重燃：利用电流过零点的有利时机，使U d >Utr措施：提高U d 及其上升率，同时降低Utr 及其上升率具体措施：（略）4.SF 6电弧灭弧原理：使大量SF 6分子与电弧接触而分解吸热，冷却电弧。
散热方式：以弧柱的热传导和对流换热为主，散热条件良好。
实际上防止重燃的方法：利用电流过零点的有利时机，使U d >Utr 。
gradT div T s gradp v dtdh E ⋅--⋅-=χρσ)(25.真空电弧散热方式：以辐射和经电极与屏蔽罩的热传导为主，散热条件较差。
只要保持为扩散型电弧，电流过零后，在微秒级内带电粒子即可消散而恢复间隙的绝缘强度。
实际上防止重燃的方法：利用电流过零点的有利时机，使U d >Utr，纵向磁场的特点：（1）延缓离子贫乏现象、阳极斑点的产生，使集聚电流值提高；（2）降低了电弧电压：一方面：不利于增大电弧电压的灭弧措施；另一方面，降低了电弧能量，电极的温度可降低，不易形成阳极斑点。
（3）不能使阳极斑点在阳极表面快速移动，局部熔融严重。
不同形式横向磁场的特点：（1）纵向电流自身产生的角向磁场（自箍缩磁场）：有助于形成集聚型电弧。
（2）径向磁场：使电弧在电极表面快速移动，避免局部温度过高；且可在工频后半周使集聚型电弧转变为扩散型电弧。
开关电器中电弧的产生的原因和熄灭方法浅析作者：张月华来源：《硅谷》2010年第09期摘要: 电弧是电力系统及电能利用工程常见的物理现象,对开关电器中开断电路时产生的电弧进行了解、分析,采取有效的措施熄灭电弧,这对电力系统的正常操作与安全运行有很重要的意义。
关键词: 开关电器;电弧;去游离;弧光放电中图分类号:TM91文献标识码:A文章编号:1671-7597(2010)0510032-01开关电器是用来接通或开断电路的电气设备。
在发电厂与变电所中运行的发电机、变压器、进出线等回路,经常需要进行投入运行或退出运行,因此在发电厂与变电所中需装设必须的开关电器。
在开关电器触头接通或分开时,触头间可能出现电弧,电弧是电力系统及电能利用工程常见的物理现象。
对电弧的了解、分析,采取有效的措施熄灭电弧,这对电力系统的正常操作与安全运行有很重要的意义。
1 电弧的危害和特点电弧实际上是一种气体放电现象。
是在某些因素作用下,气体强烈游离、由绝缘变为导通的过程。
电弧形成后,由电源不断地输送能量,维持它燃烧,并产生很高的高温。
电弧燃烧时,中心区温度可达到10000K以上,表面温度也有3000～4000K。
同时发出强烈的白光,故称弧光放电为电弧。
电弧的高温,可能烧坏电器触头和触头周围的其他部件。
如果电弧较长时间不能熄灭,将会引起电器被烧毁甚至有爆炸的可能,危及电力系统的安全运行,造成人员的伤亡和财产的重大损失。
由于电弧是一种气体导电现象,所以在开关电器中,虽然电器触头已经分开,但是在出头间只要有电弧的存在,电路就没有断开,回路电流仍然存在,即开关电器失去了开断电路的作用。
影响电力系统的可靠运行。
2 电弧的产生和熄灭条件电弧的产生和熄灭过程,实际上是气体介质由绝缘变为导通和由导通又变为截止的过程。
2.1 电弧的产生条件。
1)触头开断初瞬间自由电子的生成。
触头刚分离时,由于触头间的间隙很小,在电压作用下其间形成很高的电场强度,当电场强度超过3×106V/m时,阴极触头表面的自由电子在强电场力的作用下,被拉出金属表面,强电场发射电子;同时,触头刚刚分离时,触头间的接触压力和接触面减小、接触电阻增大,使接触表面剧烈发热,局部高温,使此处电子获得动能发射出来。
开关电器中电弧产生原因及灭弧方法在使用开关电器时，电器接触点之间产生的电弧是一个常见的问题。
电弧不仅会对电器开关造成损坏，还可能引起事故。
本文将讨论开关电器中电弧产生的原因以及如何灭弧。
电弧产生原因1.负载开关：当电器开关负载开关时，开关接点会形成瞬时火花，产生电弧。
2.电器开关操作：当人工操作电器开关时，因为手指与开关通电，造成飞跃电弧，会导致接触点燃烧甚至爆炸。
3.负载线路开关：线路切换时出现的电容反击现象，会造成瞬间高电压并产生电弧。
4.非正常负荷的开关：如果未关闭负载而斩断电线，那么负载会引起绕组过热或烧坏，从而产生电弧。
电弧灭除方法1.电弧灭除器：电弧灭除器是一种专业用于灭弧的设备。
它使用电容器和电磁线圈来“吞噬”电弧。
该装置能够将电弧熄灭并迅速将电路分离，从而保护电器和参与者的安全。
2.使用交流电源：交流电源每半周期都会变换极性，这样电弧可以在短时间内自然熄灭。
但在直流电源中，极性不变，电弧会持续存在，危险性更大。
3.开关电流下降：通过使开关电流下降来控制电弧的产生。
因为电弧只在电流大于零时存在，一旦电路的电流足够小，电弧就会熄灭。
4.开关电器的选择：为了减少电弧产生的可能性，应选择合适的开关电器。
耐压和断电容量等参数应符合负载要求，而且开关应具有防止弹簧松动的功能。
5.气体灭弧技术：在某些情况下，气体灭弧技术也可以用于灭弧。
例如，在高压电路中，气体灭弧技术通常用于避免大电流引起的短路现象。
在这种情况下，在电流大到一定程度时，气体会发生离子化，抑制电流。
结论在选择和使用开关电器时，我们应该考虑电器的设计和使用特性，避免过载和过时使用。
并选择适当的灭弧方法保障电路的稳定和使用安全。
电弧的产生与熄灭(一)电弧的产生与危害电弧是由强电场发射的电子点燃的。
当开关的触头拉开很小的距离时，触头间的电场强度很大，足以将阴极触头上的电子吸引出来，这就是强电场发射。
电子高速奔向阳极,途中碰撞空气或其他气体介质的分子，使中性分子分离成自由电子和正离子，称为碰撞游离。
碰撞游离的连锁反应，使弧道中的自由电子和正离子增多，形成弧光放电。
弧通中温度升高，气体分子的外层电子热运动速度加刷，跳出原来运动执道形成自由电子和正离子，称为热游离。
靠它维持连续不断的弧光，这就是电弧形成的过程。
游离，是中性气体分子分解成带电的正、负离子的过程，它有利于电弧的继续维持。
电弧的温度很高，可能烧坏开关设备的触头。
在充油的开关设备中，电弧的高温可能使油汽化，产生高压油汽体，使高压开关爆炸引起火灾。
在电动力作用下，电弧的飞溅还能引起短路事故，危及人身安全。
电弧还会破坏电力生产的稳定性。
所以要求开关设备能迅速，可靠地熄灭电弧。
(二)电弧熄灭的方法触头间的电弧是由中性气体被游离成为电子和正、负离子参予导电的结果。
若使电弧熄灭，必须设法使电子和正、负离子从弧道中消失，这叫去游离。
去游离的方式有复合和扩散两种。
复合是将带负电的离子和带正电的离子中和成中性介质的过程。
扩散是引道中正、负离子逸出弧道的现象。
一般是由带电离子的浓度较高的区域向浓度较低的区域扩散。
弧道愈长，电弧与周围介质的温差愈大，扩散愈快。
电弧中的游离和去游离过程是同时存在的。
若游离的趋势大于去游离的趋势，电弧增强。
反之电弧减弱，这时有利于电弧的熄灭。
要迅速地灭弧，就要加强去游真的过程而前弱游离的过程。
交流电弧每半个周期过一次零值，这是熄灭电弧的良好时机。
因此，交流电弧比直流电弧便于熄灭。
在开关设备中，常用的灭弧方法有下列几种:(1提高头的分离速度迅速拉长电弧，使电弧易于熄灭。
(2)利用气体吹弧图71所示为利用气体纵吹或横吹电弧，既拉长电弧，又可冷却炉灭电弧。
(3)利用多断开口灭弧。
直流断路器的灭弧原理和灭弧过程一、PRB系列直流断路器的灭弧原理PRB系列直流断路器的燃弧及熄弧过程与交流断路器是不同的，交流断路器分断时产生的交流电弧每秒钟有2f（f为电网频率）次经过零点。
通过近极效应，使电弧熄灭。
交流继电器只要解决电弧重燃问题，即解决由导电状态恢复到介质绝缘状态的介质强度恢复过程，这里不再详述。
PRB系列直流断路器分断时产生的直流电弧恒定不变，电流愈大，时间常数俞大，电弧就愈难熄灭。
PRB系列直流断路器的触头接通和长期承载电流的性能与一般交流断路器相似，无特殊要求。
但直流断路器与交流断路器分断电流的差异较大，PRB系列直流断路器的触头分断时要熄灭直流电弧，现将直流电弧的特性和熄灭直流电弧的措施简介如下：断路器的触头分断时，在动静触头间立即产生电弧，这不仅有碍于电路的及时分断，还会使触头烧损，此时的主要问题是触头的电烧损，这对交直流回路的情况是一样的。
为了解直流断路器的切断电弧性能，首先要分析电弧的产生过程和灭弧能力。
当分断时，触头刚开始分离时，其间隙很小，电场强度极大，易产生高热和强场，金属内部的自由电子从阴极表面逸出，奔向阳极。
同时这自由电子在电场种撞击中性气体分子，使之激励和游离，产生正离子和电子，电子在强电场作用下继续向阳极移动时，还要撞击其他中性分子，因此，在触头间隙中产生大量的正离子和电子的带点粒子。
使气体导电形成炽热的电子流，即电弧。
PRB系列直流断路器的电弧产生后，有游离与去游离因素，游离作用是由于在弧隙中产生大量的热能，主要是使气体热游离，特别是当触头表面的金属蒸汽进入弧隙后，气体热游离作用更为显著。
电压越高，电流越大，即电弧功率越大，弧区温度越高，电弧的游离因素就越强，去游离是因为已游离的正离子和电子在空间相遇时要复合，重新形成中性的气体分子，而高密集的高温离子电子，也要向其周围密度小和温度低的介质方面扩散，其结果弧隙内离子和自由电子的浓度降低，电弧电阻增大，电弧电流减少，从而消弱热游离。
电弧的形成与熄灭及灭弧方法电弧是在电气设备或电气装置中，当导体之间的绝缘被破坏或电流过大时所产生的一种放电。
电弧的形成是因为在两个导体之间，电压足够高以使空气中的电子与离子被电场加速，电子进入导体而离子被吸引至另一极板。
当电子与离子在高速下碰撞时，会产生大量的热能与光能，形成了所谓的电弧。
电弧放电不仅会带来设备的破坏，还会产生温度、声响、火灾等危险。
为了避免电弧放电的危害，有必要学习电弧的熄灭和灭弧方法。
电弧的熄灭是指将电弧放电过程中产生的高温、高能量状态改造为电弧停止放电的状态，以避免任何危险。
以下是一些常见的电弧熄灭方法：1.手动分闸手动分闸是通过将电路打开或开关关闭的方式来熄灭电弧。
电弧放电时，可以迅速关闭电路开关，中断电流，使电弧停止放电。
手动分闸主要适用于小型布线系统或非自动控制设备。
2.空气熄弧器空气熄弧器是一种利用高速喷出的空气来迅速冷却电弧、稀释电弧气体而熄灭电弧的装置。
空气熄弧器将空气喷到电弧放电部位，使电弧气体被稀释，冷却温度被降低，从而使电弧熄灭。
空气熄弧器适用于低电流高电压系统。
3.油浸熄弧装置油浸熄弧装置是一种利用液体绝缘体的性质来熄灭电弧的装置。
当电弧放电时，油浸熄弧装置通过喷洒绝缘油，迅速将电弧温度降低到电弧停止放电的温度。
油浸熄弧装置适用于较高电压系统。
4.磁场熄弧装置磁场熄弧装置是一种利用磁场的力量来压制电弧，使电弧熄灭的装置。
当电弧放电时，磁场熄弧装置产生一个强大的磁场，通过引导电弧产生力线圈，使电弧受到磁场的力量压制，从而熄灭电弧。
电弧的熄灭是为了使设备安全工作，但有时电弧难以熄灭或过程中会伴有背压、高温等危险状况，为了避免进一步危害，需要采取灭弧方法。
以下是一些常见的灭弧方法：1.直流灭弧法直流灭弧法是将电弧用与电弧放电方向相反的目标电流短时间通过电弧，以达到灭弧的效果。
通过增加设备电压或通入专门的电流源，电弧间的电流方向发生改变，从而使电弧不能持续放电，达到灭弧的目的。
电弧的形成及灭弧措施电弧的热效应在实际生产中应用很充分，比如：电焊机、电弧炼钢炉等，都是利用电弧产生的巨大热量使金属熔化。
但在电器中，电弧的存在却是百害而无一利。
电弧产生的高温会使触头熔化、变形，进而影响其接通能力，大大降低电器工作的可靠性和使用寿命，因而在电器中，必须采取适当的灭弧措施。
1、电弧的产生电弧的产生实际上是弧光放电到气体游离放电的一个演变过程。
触头分离时，触头导电截面由面到点发生变化，在触头即将分离的瞬间，全部负载电流集中于未断开的一个点，从而形成极高的电流密度，产生大量热量，使触头的自由电子处于活跃状态。
触头分离后的那一刻，两触头间间隙极小，形成了极高的电场强度。
活跃的电子在强电场力的作用下，由阴极表面逸出，向阳极发射，这个过程产生了弧光放电。
高速运动的电子撞击间隙中的气体分子，使之激励和游离，形成新的带电粒子和自由电子，使运动电子的数量进一步增加。
这个过程如同滚雪球一般，会在触头间隙中形成大量的带电粒子，使气体导电而形成了炽热的电子流即电弧。
后面的过程就是气体游离放电过程。
电弧一经产生，便在弧隙中产生大量的热量，使气体的游离作用占主导地位，特别是当高温产生的金属蒸气进入弧隙后，气体热游离作用更为显著。
所以电压越高、电流越大，电弧区的温度就越高，电弧的游离因素也就越强。
与此同时，也存在抑制气体游离的因素。
一方面，已经处于游离状态的正离子和电子会重新复合，形成新的中性气体分子；另一方面，高度密集的高温离子和电子，要向周围密度小、温度低的介质扩散，使弧隙内离子和自由电子的浓度降低，电弧电阻增加、电弧电流减小，热游离减弱。
当以上去游离过程与气体热游离过程平衡时，电弧将处于稳定燃烧状态。
电弧的应用就是保持这种状态。
2、灭弧措施对电器来讲，尽快熄灭电弧，防止电弧对触头系统造成损害是必需的。
那么，如何熄灭电弧呢？先看维持电弧燃烧的条件。
维持电弧燃烧的条件主要有两点，一是保持电弧的燃烧温度，从而保持足够的自由电子浓度；二是保持维持整个弧柱的电动势，从而保持电子的高速运动。
电弧的产生、危害及消除措施一．电弧的产生当断路器开断电路时，只要电路中电压大于10～2OV。
电流大于 80～100mA。
动、静触头间就会出现电弧。
此时触头虽已分开，但是电流通过触头间的电弧继续流通，一直到触头分开到足够的距离，电弧熄灭后，电路才开断．因此，电弧是高压断路器开断过程中产生的现象。
开关触头分离时，触头间距离很小，电场强度E很高(E = U/d)。
当电场强度超过一定数值时，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。
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 = mv2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。
当高压断路器开断高压有载电路时之所以产生电弧，原因在于触头本身及其周围的介质中含有大量可被游离的电子。
当分断的触头间存在足够大的外施电压条件下，电路电流也达到最小生弧电流时，会因强烈的游离而产生电弧。
电弧的形成是触头间中性质子(分子和原子)被游离的过程。
这种有强烈的声、光和热效尖的弧光放电，就是电弧的形成过程。
所以，电弧实质上就是一种能导电的电子、离子流，其中还包括燃烧着的铜分子流。
二．电弧的特性电孤是一种气体放电现象，电弧放电现象的主要特性如下。
1.电孤是种能量集中、温度高、亮度大的气体放电现象。
如前所述，10kV少油断路器开断20KA时，电弧功率高达一万千瓦已上。
这样大的能量在很短的时间内几乎全部变成热能，造成电弧及其附近区域强烈物理、化学变化。
2.电弧由三部分组成：阴极区、阳级区和弧柱区。
在电弧的阴极和阳极区，温度常超过金属气化点，弧柱是在阳极、阴极之间明亮的光柱，弧柱中心温度可高达七干度，弧柱的直径很小，一般只有几毫米到几个厘米。
