發布日期：2023-08-29 點擊率：129
生活中我們對電的危害印象多為電擊電傷人員和火光四射的短路故障。關于人員觸電的危害及預防在之前的分享中已經做了介紹。今天我們來來聊聊這個“火光四射”。在實際生活中我們能看到的電弧并不多，電焊機是利用電弧進行工作的積極應用，而在影視節目中關于電弧引發嚴重事故災難的信息是非常多的。在電網運行中電弧是非常有害的，如何抑制和減少電弧帶來的負面影響一直是電氣設計人員在努力探求的。下面我們先來看看在斷路器內部的電弧的產生與熄滅的原理，從而熟悉滅弧室的一般設計是什么樣的，使得我們對斷路器有更深入的認識。
電弧的產生
電弧是一種氣體放電的特殊形式。氣體放電的形式很多，有電暈放電、輝光放電、火花放電和電弧放電等等。產生電弧的條件是電路內的電流和電壓必須大于某一最小起弧電流和最小起弧電壓。電弧的產生是由于氣體（包含金屬蒸汽）的游離。游離的原因有熱發射、冷發射、碰撞游離和熱游離。
熱發射：動靜觸頭分開過程中，觸頭間的電阻變大，觸頭表面溫度劇增，由于熱運動，金屬內的自由電子克服了金屬內正離子的吸力而從陰極表面發射，這就是熱發射。
冷發射：即高電場發射。觸頭剛分開，在氣隙間形成高電場，將電子從陰極拉出。
碰撞游離：從陰極發射出來的電子，在電場作用下獲得能量再加速，碰撞中性氣體分子而使其游離；
熱游離：電弧燃燒時，電弧溫度很高（如弧柱可達 6000℃及以上），氣體分子在高溫作用下，由于強烈的熱運動互相碰撞而游離。
電弧的熄滅
電弧的熄滅是由于氣體的消游離，消游離主要是通過復合和擴散。
1 、復合就是正負離子互相結合而中和。復合速度受溫度影響極大，溫度越高、復合幾率越小；反之，則復合幾率大。因此利用液體（如變壓器油）或氣體（如）人工冷卻電弧或將電弧擠入絕緣材質（陶瓷等）做成的窄縫，用鐵板制作的滅弧柵片內，迅速導出電弧內部的熱量，降低電弧的溫度，減少離子的運動速度，加速復合速度，以此將電弧熄滅。
2 、擴散就是電弧表面的離子擴散到周圍低溫介質中去。溫度高、密度大的氣體分子總是向溫度低、密度小的介質中擴散，擴散出來的離子因溫度降低從而相互結合成中性分子（中性分子是不導電的）。
以上便是電弧的產生與熄滅原理。總之，電弧的熄滅是在消游離的速度超過游離的速度來實現的。因此，從電的方面來說，要求介質恢復成中性分子的速度大于觸頭兩端的電壓恢復速度，使電弧不致因冷發射和碰撞游離而重燃；在熱的方面要求散熱速度大于發熱速度，使電弧不致因發熱形成的熱發射和熱游離而復燃。
基于電弧熄滅的原理，來合理的選擇滅弧系統，即滅弧室的結構設計。
一般的交流斷路器的熄弧措施有下面幾點：
1）依靠動靜觸頭觸頭的迅速分開，在交流電流自然過零時滅弧；
2）利用導體回路電動力（現在斷路器多采用限流結構提升產品的分斷能力）或磁吹、使電弧迅速移動和拉長；
3）利用滅弧室的機構形成一個向外排放氣體的腔體，將高溫氣體快速排出去，同時也可以加快電弧進入滅弧室；
4）采用金屬柵片將電弧分割成許多串聯的短弧，降低各短弧的電壓從而息弧；
5）將電弧拉入滅弧室，利用柵片將其冷卻以增大電弧電阻。
一般來說靠交流電流自然過零的熄弧常常是適用于小電流，如產品的正常負荷電流。而對大的短路電流，則需要通過的滅弧室來實現。目前低壓斷路器采用最多的是金屬柵片滅弧室。金屬柵片滅弧室的結構是：滅弧室內裝有一定數量、厚度1~2.5mm的鋼板（屬磁性材料）沖成的柵片。柵片表面鍍鋅、鍍銅或鍍鎳等，電鍍的作用不僅是為了防銹，同時也能增大滅弧能力（鋼片鍍銅，因鍍層僅 幾μm或十幾μm，不會影響鋼片的導磁性能）。通過大量的試驗表明，鍍銅和鍍鋅的在分斷電流的作用基本效果相同，但鍍銅時，電弧的熱量將使銅末子跑到觸頭上，變成銅銀合金，后果不好。鍍鎳性能佳，但價格高。安裝時，上下柵片錯開，柵片之間的距離根據不同的斷路器和不同的短路分斷能力進行優化設計。當動靜觸頭打開時產生電弧，電弧電流在周圍空間產生磁通，將導磁柵片磁化。因此它的磁通路徑發生了變化，電弧受到了一種將其拉入滅弧室的吸力。柵片分冊錯開放置可以有效減少電弧進入柵片的阻力。電弧進入柵片后，它被分割成許多串聯的短弧，在原來冷狀態的導磁柵片貼緊短弧后，使電弧電阻增大、電弧電壓上升。當電弧電壓大于觸頭兩端的工頻恢復電壓時，電弧就被熄滅了。
鍍鎳的金屬柵片
鍍銅的金屬柵片
滅弧柵片的形狀多數設計成v字形，其作用是電弧進入時，可減少阻力，也可以優化磁路，增強電弧受到的吸力。設計滅弧室時，關鍵的是柵片的厚度，片間的距離和柵片的數量。
現在斷路器的需求趨勢要求是：短路分斷能力強、產品體積小。小體積的斷路器無法任意加大滅弧室的尺寸，也就是必須在一定的滅弧室體積下，研究最良好的滅弧功能從而熄滅大短路電流而產生的電弧。
試驗表明：縮短滅弧柵片與觸頭系統的距離，可增強吹弧磁場和吸弧的電動力。一方面使電弧在觸頭上的停滯時間減少；另一方面也使電弧在進入滅弧室的運動速度加快，即使電弧運動的時間減少。使電弧從觸頭到滅弧室的距離變短有利于改善熄弧的條件。
當電弧被驅入滅弧室后，柵片越多，電弧被分割的短弧就越多，受柵片冷卻的面積就大，有利于息弧。但是，當斷路器尺寸確定后，柵片數量不能過大，柵片數大，片間間隙小，就會對電弧進入柵片時產生很大阻力，甚至使電弧不能進入，柵片會被燒損。當前的一些雙斷點結構的斷路器就是變相的增加了滅弧室的大小，通過進出線端都設置一個滅弧室使得斷路器的分斷能力得以提升。
滅弧柵片之間的間隙盡量窄點有好處（窄一點可使短弧數增加，也可使電弧貼緊冷鐵板），但是太窄會使滅弧片受熱彎曲，以至于產生上下片熔接，為此柵片的厚度厚一些是有利的，目前多數柵片的厚度在1.5~2mm之間，材料為熱軋鋼板（10#號鋼或Q235A）。
由于滅弧時， （電弧的）排氣是在電源接線端子的上面，而不是在端子處，就要求在鉚柵片時要有一定的傾斜，這樣排氣情況就比較好。滅弧柵片做成傾斜也有利于在滅弧室內進一步將短弧拉長，加快息弧。
傾斜的滅弧柵片
引弧角的設計：引弧角是滅弧機構中很重要的零件，它裝在離靜觸頭一定距離，靠近滅弧室。它必須有一定的傾斜角。引弧角的設置是為了將電弧引入滅弧室。不設引弧角，靜觸頭與設置引弧角的位置處將產生嚴重的燒損。同時為了減少開斷短路電流時，燒傷靜觸頭，靜觸頭的觸點與觸桿（刀）焊接時，其焊料盡可能平，不要形成三角堆積，以減少電弧對觸點的燒損。
圖中黃色元件為引弧角
滅弧柵片的支撐件，又稱為滅弧室的隔弧板或滅弧柵片支架。滅弧柵支架的材料，據《低壓電器設計手冊》介紹，是采用三聚氰玻璃布板， 三聚氰胺甲醛塑粉、紅鋼紙板和陶瓷等。而國外較多采用的是鋼紙板（紅、白）、聚酯板、三聚氰胺板，瓷器（陶瓷）等材料。鋼紙板耐熱性差，品質也較差，但鋼紙板在電弧燒灼下會釋放一種氣體，有助于滅弧；三聚氰胺板性能較好，造價相對高，而陶瓷無法加工，價格也昂貴。不過聚酯和三聚氰胺壓彎加工比較困難，沖孔和鉚合也易脆裂，應在工藝上增加一些輔助措施。
小型斷路器的滅弧室采用的是紅鋼紙板
在滅弧室內增加阻擋氣體向產品內側排放的部件有利于高壓氣體向產品外部排放，有利于電弧進入滅弧室內部。對該零件的要求是具有較高的耐熱性與機械強度。現在也有一些廠家采用的是熱固性塑料加工的支架，將滅弧柵片放置在支架之間，并將支架鉚接到一起，具有更強的強度。且熱固性材料的模具加工型好，可制成各種形狀來影響氣流的運動，更加有利于滅弧。
在動觸頭側增加阻擋高溫氣體向內大量排放器件（黑色部件）
柵片支架（隔弧板）與柵片的鉚接是很重要的工藝環節。如果鉚得不牢，可能會因電動力的破壞，使柵片彎曲，從而降低柵片間的距離（間隙）。一般不要采取兩片柵片焊接一起，因為兩片焊接易受熱并且由于片間的電動力，使兩片產生彎曲。
金屬柵片鉚接在柵片支架上
一般滅弧室結構設計是：斷路器的滅弧室多數采用柵片滅弧方式，柵片用10號鋼板或Q235沖壓而成，為防銹可表面鍍銅或鍍鋅，有些產品鍍鎳。柵片及滅弧室中的柵片尺寸是：柵片（鐵板）厚度為1.5~2mm，片間間隙（間隔）為2~3mm，柵片片數10~13 片。
為提高滅弧性能，在與靜觸頭一定距離處，增設引弧角。柵片支撐（支架），短路電流 較小的的可使用鋼紙板材料（小型斷路器多采用此方案），短路電流較大的可選聚酯層壓板或三聚氰胺層壓板（后者性能好、但價格高）。
同時現在不少斷路器，為了增大滅弧效果，在靜觸桿下面裝了一塊導磁體（導磁材料制成），它能增強觸頭區域自勵吹弧磁場。這一措施對增大靜觸頭弧根部分吹弧磁場特別有效，大大有助于電弧的熄滅。
下一篇： IGBT模塊無空洞真空焊
上一篇： 脫扣器分類及原理分析
