直流电弧的特性与熄灭

直流电弧的特性与熄灭

邱志武  翁炼  高俊杰  关泽洲  李信  张剑贾艳辉

华润电力（仙桃）有限公司 湖北省仙桃市  433000

摘要：本文阐述直流电弧的产生，使用近似电路研究了直流电弧静态、动态特性。并根据其特性研究了直流电弧熄灭的条件，并对其常用方法进行了研究分析。

关键词：直流电弧 静态特性 动态特性 熄灭条件 常用方法

0  引言

电弧是一种气体放电现象，属于自持放电的弧光放电类型。根据电流性质，电弧可分为直流电弧和交流电弧。在空气中，少量的带电离子在电压作用下定向加速运动，并在碰撞中产生游离，逐步增加数量，从而形成电流。电流通过气体时，根据焦耳定律，大电流会产生大量热量，剧烈的发热进一步使通道内的气体电离，形成高能等离子体。这种伴随着强烈的光、巨大的声和剧烈的发热过程就是电弧的形成过程。它实际上是大量的离子流在空间内快速定向移动，当然伴随着发热蒸发金属，其内部还包含部分燃烧的金属分子流。实验证明，当在空气中开断或闭合电流达到0.1A、电压达到10V及以上的电路时，在其开断间隙内就会引起气体的电离而导通电路，并发出大量的光和热，此现象即为电弧。在开关电器设备瞬间，触头间会产生电弧，它瞬间产生的热量足以引起触头损坏，甚至破坏设备绝缘，严重情况下造成回路短路、设备烧损，甚至危及人员和设备安全，所以必须对电弧采取一定的措施进行抑制。

1  直流电弧的产生

通过特殊仪器对电弧进行观测，可以发现除两个电极外，电弧可分为阳极区、弧柱区及阴极区。近阳极区特性：该区域度大约是近阴极区区域的三倍。在电场作用下，自由电子向阳极移动并被阳极持续吸收，形成电流。这一区域聚集大量电子，形成负空间电荷层，导致阳极压降，其值随阳极材料的不同而异，但变化较小。由于阳极区的长度较长，其电场强度相对较低。阴极和阳极的压降值几乎与电流大小无关，可视为常数。如图所示：

当金属触头开始分离时，随着弧根与触头接触面积的减小，造成接触电阻增大、接触处的电流密度剧增。根据焦耳定律可知，接触处产生大量的热效应，触头金属在高温下逐步融化，并部分汽化成金属蒸汽，从而进一步稳定电弧。在初始阶段，因为间隙很小，电场强度大，阴极内部的电子被拉出并向弧隙移动，场强发射。这些电子在高电场强度下加速运动，与弧隙中的分子碰撞产生游离，形成大量的带电质子，最终形成持续燃烧的电弧。

2  直流电弧的特性：

直流电弧在静态情况下可以用以下类似的电路来测量直流电弧伏-安特性，如图：

其中电源电势为E、可变电阻为R、电流为Ih、弧隙电压为Uh。调整可变电阻使触头1和2之间燃起电弧，并通过调整电阻R大小，来调整电弧电流Ih的大小。在保持弧隙距离一定的情况下，在给定每一个电流Ih后，需要稳定一段时间，待电弧稳定后测量触头1和2的电压Uh。改变电弧长度，重复检测绘制出不同弧长电弧的静态伏安特性曲线。

直流电弧的静态伏安特性相关的因素还有很多。除上述与电弧长短外还与触头材料类型、绝缘介质种类、绝缘介质压力、相对运行速率等等因素有关。电弧的静态伏安特性一定的试验来进行模拟测量，当然测出的仅为某一具体条件下电弧的静态伏安特性。通过大量的试验，总结出相近的试验公式作参考。如下列公式所示：

Uh   = U0   +

通过计算可知，，画出某一特定条件时的电弧静态伏安特性曲线仅有一条，而动态伏安特性曲线却随着电弧电流大小变化速率不同而不同，当电弧电流变化速度变化时，电弧动态伏安特性也会变得多样化。

3  直流电弧的燃烧状态

在直流电路中产生电弧可以用以下模型电路表示。通常直流线路中等效电容C不是太大，当电压保持稳定或者变化不大时，对系统的影响可以忽略不计。使触头1 、2之间燃烧起电弧，此模型电路可列出以下微分方程：

E = L + RIh   + Uh

L = E - RIh   - Uh

根据此方程使用图解法，用曲线A-A表示一定条件时直流电弧的静态伏安特性曲线，水平线ab为电源电势E，令夹角α=tan-1R，则可用ac高度来表示E-RIh（如下图）。ac直线和伏安特性A-A曲线交于1和2。在点1前方和点2后方，斜线ac的高度低于曲线A-A的高度，可理解为E-RIh-Uh<0，代入方程式可得LdIh/dt<0。由此可以看出在此区域内，电弧电流Ih是逐渐减小的，电弧的燃烧状态不稳定，逐步趋于熄灭。在点1点2之间，直线ac的高度高于曲线A-A的高度，可理解为E-RIh-Uh>0，代入方程式得LdIh/dt>0，可以得出在这一区域内，电弧电流Ih是向上增大的趋势。而在1和2这两个点上E-RIh-Uh=0，此时LdIh/dt=0，从而使得Ih是保持不变的。此状态Ih不随时间变化，此时电弧持续稳定燃烧。

4  直流电弧的熄灭

而现实中需要使电弧迅速熄灭就是要确保电弧不能处于稳定燃烧的状态。代入上图来说，就希望电1和点2不存在。通过分析上图，使弧迅速熄灭可从以下几个方面来采取一定的措施：

（1）增大等效电路中的等效电阻。如在断开电路过程中，快速将一合适电阻串入电路。此时α角增大，使直线ac偏移到伏安特性曲线A-A以下，从而使它不与伏安特性曲线A-A相交，使直流电弧不能维持而逐渐熄灭。

（2）增加电弧之间的电阻，从而增大电弧压降，提高直流电弧的静态伏-安特性，使伏安特性曲线A-A上移到直线ac上方，避免其遇直线的相交，电弧也将逐渐熄灭。通过前面的电弧特性可知，电弧近极压降串联电弧弧柱压降总体构成了电弧压降，可通过改变这两个压减来改变电弧压降。通常使用以下方法：1）可以使用许多的金属栅片依次排列将电弧依次分割为多个短弧，因为所有的短弧都各有阳极压降和阴极压降，串联起来总的电弧压降便大大增加。2）加长电弧的长度，一般可以采用以下几种方法：①采用机械方法快速将触头拉长，增大触头距离；②使电弧横向拉长；③调整磁场力方向使弧根快速的在出点上移动，快速拉长电弧。

（3）增大电场强度E，通常采用的方法可分下列几种： ①提高绝缘介质的压力，增大其密度；②提高流体介质的运动速度，如在开断时压迫气体吹动电弧；③增强散热效果，使电弧与散热较快的绝缘材料密切接触，使电弧快速冷却，从而使E增大。

5  直流电路中常用的灭弧措施

在直流电路中，为减少电弧对设备的损害，通常需要采取一定的措施来加强其灭弧能力，而常用的灭弧措施有以下几点：

(1)利用绝缘介质熄灭电弧。在开断过程中使灭弧室产生压力，使绝缘介质快速移动吹灭电弧。
    (2)开断过程使用多个断口，开断时多个断口串联，这样分别施加于施加于各个断口的能量得到均分，相对电压降低，从而熄灭电弧。
    (3)加装并联电阻。利用并联在电阻的分流作用，使能量快速消耗，电弧熄灭。

(4)采用灭弧性能优越的介质，并提高介质的压力。
    (5)利用金属灭弧栅使电弧隔断为多个短弧，从而熄灭电弧。

(6)利用石英砂等固体颗粒绝缘介质，使用固体介质来促进电弧冷却，进一步熄灭电弧。

6  结束语

电弧所带来的危害是极其严重的，其中心温度可以达数千摄氏度，如果电弧不立即熄灭，就可能造成设备损坏，甚至发生爆炸，严重威胁操作人员生命和公司设备财产安全，固需要采取一定的措施对其进行限制，使其能量得到较快的释放，进而熄灭电弧。而一个好的灭弧装置是需要综合采用多种灭弧原理的，综合加强其灭弧效果。在具体的电路甚至开关设备中，具体采用哪一种装置甚至哪几种方式进行灭弧，需要在考虑满足现场技术要求的条件下，还要综合考虑所安装部位的体积、使用环境，甚至于设备的设计使用周期、成本等等方面，都需要综合的进行考虑，选用合适的方案。

参考文献

[1]刘新宇. 外磁场对直流接触器开断电弧特性影响的研究 沈阳工业大学 硕士论文2017年第08期

[2]邓元实 刘凤莲 朱军 吴驰. 持续性大电流直流电弧熄弧试验研究  电瓷避雷器 2017年第06期

[3]郑立新. 直流电弧燃弧特性影响因素的仿真研究  电工电气 2013年第01期

[4]张志劲 蒋兴良 胡建林 孙才新. 低气压下的直流电弧特性  高电压技术 2009年第04期

[5]任万滨 崔黎 王鹏 孙守超 翟国富. 触点材料直流电弧静态伏安特性试验研究  电工材料 2012年第01期

[6]一种新型灭磁开关研究 华中科技大学硕士研究论文

[7]电器学原理 曹云东