在電力網(wǎng)絡(luò)中,利用斷路器來(lái)開(kāi)斷載流電路,其觸頭的分?jǐn)嗖⒉灰馕吨娐返恼嬲龜嚅_(kāi)。用斷路器來(lái)切斷電路時(shí),如果電路中的電流大于80~100ma,且斷路器的動(dòng)、靜觸頭在分離瞬間具有大于10~20v的電壓,則觸頭間就會(huì)出現(xiàn)電弧。電弧是高溫、高導(dǎo)電率的等離子體,所謂等離子體是帶正電荷和帶負(fù)電荷的粒子數(shù)量相等的粒子集團(tuán)狀態(tài),是與固體、液體、氣體并列的物質(zhì)第四態(tài)。電弧對(duì)觸頭有很大的破壞作用,而且電弧繼續(xù)維持著電路的接通,只有將其熄滅,才能使電路真正切斷。因此,斷路器一般都具有專(zhuān)門(mén)的滅弧裝置,使斷路器動(dòng)、靜觸頭之間所產(chǎn)生的電弧迅速、可靠地熄滅,這是保證斷路器正常工作的重要條件之一。
電弧的形成是觸頭間中性質(zhì)點(diǎn)(分子和原子)被游離的過(guò)程,主要有以下幾種方式:
(1)強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射。通有電流的斷路器觸頭分離之初,觸頭間距離很小,電場(chǎng)強(qiáng)度很高,陰極表面電場(chǎng)強(qiáng)度大于3×106v/m時(shí),陰極表面的電子將被拉出,并在電場(chǎng)力的作用下向陽(yáng)極加速運(yùn)動(dòng)。
(2)碰撞游離。被拉出的高速運(yùn)動(dòng)的電子,獲得足夠的動(dòng)能后,與觸頭間介質(zhì)的原子或分子碰撞時(shí),使原子核周?chē)碾娮俞尫?,介質(zhì)的中性質(zhì)點(diǎn)游離為自由電子和正離子,稱(chēng)為碰撞游離。碰撞游離連續(xù)進(jìn)行的結(jié)果使觸頭間帶電粒子大量增加,當(dāng)數(shù)量積累到一定程度時(shí),介質(zhì)的導(dǎo)電性質(zhì)發(fā)生變化,由絕緣體變?yōu)閷?dǎo)體,在外加電壓作用下,介質(zhì)被擊穿而引起電弧。
(3)熱游離。電流通過(guò)弧隙(即觸頭間電弧燃燒的間隙)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量,使電弧中心部分維持很高的溫度,在高溫的作用下,介質(zhì)中性質(zhì)點(diǎn)的不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的速度增加,當(dāng)其具有足夠動(dòng)能且相互碰撞時(shí),便游離出新的電子和正離子,稱(chēng)為熱游離。熱游離形成的帶電質(zhì)點(diǎn)分別向陰極和陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)。正離子向陰極移動(dòng)的過(guò)程中不斷碰撞陰極,保持陰極的電子連續(xù)發(fā)射,于是電流就以電弧的形態(tài)在已分開(kāi)的觸頭間持續(xù)流通。
(4)熱電子發(fā)射。電弧產(chǎn)生后,由于它的溫度很高,高溫下的金屬觸頭會(huì)使其內(nèi)部的自由電子飛出金屬表面,提供傳導(dǎo)電流的電子,稱(chēng)為熱電子發(fā)射。
電弧的形成是一個(gè)復(fù)雜連續(xù)的過(guò)程。當(dāng)斷路器跳閘,觸頭剛斷開(kāi)時(shí),觸頭間距離很小,電場(chǎng)強(qiáng)度很大,陰極產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射,提供起始自由電子,電子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下向陽(yáng)極加速運(yùn)動(dòng)并產(chǎn)生碰撞游離,于是有更多的電子產(chǎn)生更多的碰撞游離,使觸頭間帶電粒子大量增加,介質(zhì)被擊穿,產(chǎn)生電弧,電弧產(chǎn)生的高溫,又造成熱游離和陰極的熱電子發(fā)射。當(dāng)觸頭距離拉大時(shí),電場(chǎng)強(qiáng)度減小,主要是熱游離和熱電子發(fā)射起維持電弧的作用。由于電弧放電主要靠熱游離和熱電子發(fā)射維持,因此,維持電弧燃燒的電壓就不需要很高。
在電弧中,發(fā)生游離的同時(shí),還進(jìn)行著帶電質(zhì)點(diǎn)減少的去游離過(guò)程,使電弧減弱。當(dāng)游離和去游離過(guò)程達(dá)到平衡時(shí),電弧處于穩(wěn)定燃燒狀態(tài)。去游離的主要方式是復(fù)合和擴(kuò)散。
(1)復(fù)合。復(fù)合是指異性帶電質(zhì)點(diǎn)相互吸引,結(jié)合在一起,電荷相互中和的現(xiàn)象。要完成復(fù)合過(guò)程,兩個(gè)異性帶電質(zhì)點(diǎn)需要在一定的時(shí)間內(nèi)處于很近的范圍內(nèi),它們的相對(duì)速度越大,復(fù)合越困難。電子質(zhì)量小,容易加速,運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)快于離子,所以正、負(fù)離子間的復(fù)合要比電子和正離子間的復(fù)合容易得多。通常電子先附著在中性質(zhì)點(diǎn)上形成負(fù)離子,然后與正離子復(fù)合。另外一種方式是,電子首先附著在固體介質(zhì)表面,然后再吸引正離子進(jìn)行中和。復(fù)合的速度與離子的濃度、溫度、壓力、電場(chǎng)強(qiáng)度等因素有關(guān)。
(2)擴(kuò)散。擴(kuò)散是指帶電質(zhì)點(diǎn)從電弧內(nèi)部逸出而進(jìn)入周?chē)橘|(zhì)中的現(xiàn)象,是由于帶電質(zhì)點(diǎn)的不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)而引起的。電弧和周?chē)橘|(zhì)的溫度差及離子濃度差越大,擴(kuò)散作用越強(qiáng)。
可見(jiàn),游離和去游離是一對(duì)矛盾,共存于電弧這個(gè)統(tǒng)一體中,貫穿于電弧產(chǎn)生和熄滅的整個(gè)過(guò)程。當(dāng)電弧形成時(shí),游離是矛盾的主要方面。創(chuàng)造一定的條件,使去游離轉(zhuǎn)化為矛盾的主要方面,就便于電弧的熄滅。影響游離和去游離的主要因素有電弧的冷卻方式、觸頭間介質(zhì)的特性、觸頭的材料、觸頭兩端電壓幅值及變化特性等。