电弧的形成过程和熄灭方法

当电路打开时，会以电弧的形式发生放电。对于电弧的出现，当电路中的电流为 0.1 A 或更大数量级时，触点电压超过 10 V 就足够了。在电压和电流很大的情况下，电弧内的温度可以达到 3-15000 °C，因此触点和带电部件会熔化。

在 110 kV 及以上的电压下，电弧长度可达数米。因此，电压高于 1 kV 的电弧是一个很大的危险，尤其是在大功率电路中，尽管电压低于 1 kV 的装置也可能产生严重后果。因此，在电压高于和低于 1 kV 的电路中，必须尽可能多地控制电弧并迅速将其熄灭。

电弧的原因

形成电弧的过程可以简化如下。当触点发散时，接触压力首先减小，接触面相应增大， 过渡电阻 （电流密度和温度 - 局部（在接触区域的某些区域）开始过热，这进一步促进了热电子辐射，当在高温的影响下，电子的速度增加并且它们从电极表面爆发。

在触点分离的瞬间，即电路断开时，触点间隙中电压迅速恢复。由于在这种情况下触点之间的距离很小，所以有 电场 电子从电极表面撤出的影响下的高电压。它们在电场中加速，当它们撞击中性原子时，它们会赋予它动能。如果这种能量足以从中性原子的壳层撕下至少一个电子，那么就会发生电离过程。

形成的自由电子和离子构成电弧主干的等离子体，即电弧燃烧的电离通道，确保粒子的连续运动。在这种情况下，带负电的粒子（主要是电子）沿一个方向（朝向阳极）移动，而失去一个或多个电子的气体原子和分子——带正电的粒子——沿相反方向（朝向阴极）移动。

等离子体电导率接近金属。

大电流在电弧轴中流动并产生高温。电弧筒的这种温度导致热电离——由于具有高动能的分子和原子在高速运动时发生碰撞而形成离子的过程（电弧燃烧介质的分子和原子分解成电子并积极地带电离子）。强烈的热电离保持高等离子体电导率。因此，沿电弧的电压降很小。

在电弧中，两个过程不断发生：除了电离之外，还有原子和分子的去离子。后者主要通过扩散发生，即将带电粒子转移到环境中，电子和带正电的离子重新结合，随着分解时消耗的能量返回，电子和带正电的离子重新组合成中性粒子。在这种情况下，热量被排放到环境中。

因此，可以区分所考虑过程的三个阶段：电弧点火，当由于冲击电离和阴极发射电子时，电弧放电开始并且电离强度高于去离子强度，电弧稳定燃烧当电离和去离子强度相同时，弧筒内发生热电离，当去离子强度高于电离强度时，电弧消失。

电气开关设备中的电弧熄灭方法

要断开电路元件并排除对开关设备的损坏，不仅需要打开其触点，还需要熄灭它们之间出现的电弧。交流电和直流电的灭弧过程以及燃烧过程是不同的。这是由以下事实决定的：在第一种情况下，电弧中的电流每半个周期通过零。在这些时候，电弧中的能量释放停止，电弧自发熄灭，然后每次都重新点燃。

实际上，电弧中的电流比过零稍微早一点接近零，因为随着电流的减小，提供给电弧的能量减少，电弧的温度相应降低，热电离停止。在这种情况下，去离子过程在弧隙中集中地继续。如果此时打开并迅速打开触点，则可能不会发生后续的电气中断，电路将断开而不会产生电弧。然而，在实践中，这是极其困难的，因此采取了特殊措施来加速电弧的熄灭，以确保电弧空间的冷却并减少带电粒子的数量。

作为去离子的结果，间隙的介电强度逐渐增加，同时其中的恢复电压增加。这些值的比例取决于彩虹是否会在下半段时间点亮。如果间隙的介电强度增加得更快并且大于恢复电压，则电弧将不再点燃，否则将提供稳定的电弧。第一个条件定义了灭弧问题。

开关柜采用不同的灭弧方法。

延长圆弧

如果在电路断开期间触头分开，则产生的电弧会被拉长。同时，电弧的冷却条件得到了改善，因为它的表面积增加了，燃烧需要更多的电压。

将长弧拆分为一系列短弧

如果将触点打开时形成的电弧分成K个短电弧，例如拉入金属栅格，就会熄灭。通常，在栅板中由涡流引起的电磁场的影响下，电弧被引入金属栅格中。这种灭弧方法广泛用于1kV以下的开关设备，特别是自动空气开关。

窄槽中的电弧冷却

有助于熄灭小电弧。因此，在 开关设备 具有纵向槽的灭弧室被广泛使用（纵向槽的轴线与弧筒的轴线方向重合）。这种间隙通常形成在由绝缘耐弧材料制成的腔室中。由于电弧与冷表面接触，会发生强烈冷却，带电粒子在环境中扩散，因此会快速去离子。

除了具有平面平行壁的槽之外，还使用具有肋、突出部、延伸部（口袋）的槽。所有这些都会导致电弧筒变形并增加其与腔室冷壁的接触面积。

通常通过与电弧相互作用的磁场将电弧拉入窄槽，可以将电弧视为载流导体。

外部的 磁场 移动电弧通常由与触点串联的线圈提供，在触点之间产生电弧。窄槽灭弧适用于所有电压的设备。

高压灭弧

在恒定温度下，气体的电离度随压力的增加而降低，而气体的热导率增加。在所有其他条件相同的情况下，这会改善电弧冷却。由电弧本身在密闭腔室中产生的高压灭弧广泛用于保险丝和许多其他设备。

油中电弧淬火

如果 开关触点 放在油中，打开时产生的电弧会导致油的强烈蒸发。结果，在电弧周围形成气泡（包络），主要由氢气 (70 ... 80%) 和油蒸气组成。排出的气体高速直接进入电弧筒区域，导致气泡中冷气和热气混合，提供强烈冷却，并相应地对弧隙进行去离子。此外，气体的去离子能力增加了油快速分解过程中产生的气泡内的压力。

电弧与油接触得越近，油相对于电弧移动的速度越快，油中灭弧过程的强度越大。鉴于此，弧隙由封闭的绝缘装置 - 灭弧室限制......在这些腔室中，油与电弧产生更紧密的接触，并在绝缘板和放电孔的帮助下形成工作通道通过其中油和气体的运动，提供强烈的电弧熄灭（blowout）。

根据操作原理，灭弧室分为三个主要组：自吹式，当由于电弧中释放的能量在电弧区域产生高压和气体运动速度时，借助特殊的泵送液压机构强制吹油，油中磁淬，当电弧在磁场作用下，进入狭窄的间隙。

最有效和最简单的自充气灭弧室......根据通道和排气口的位置，腔室是不同的，其中气体-蒸汽混合物和油沿电弧流强烈吹气（纵向吹气）或通过电弧（横向吹气）提供）。所考虑的灭弧方法广泛用于1kV以上电压的断路器。

电压高于 1 kV 的设备中的其他灭弧方法

除了上述灭弧方法外，他们还使用： 压缩空气，其气流沿或穿过电弧吹动，确保其强烈冷却（而不是空气，使用其他气体，通常从固体气体产生材料——纤维、乙烯基塑料等——以燃烧电弧本身分解为代价）， SF6（六氟化硫），它具有比空气和氢气更高的电气强度，因此即使在大气压下，在这种气体中燃烧的电弧也会迅速熄灭，当触点打开时，高度稀薄的气体（真空），电弧不会在电流第一次通过零后不会点燃（熄灭）。