交流电弧放电对高压断路器的影响

郭小燕 胡旭喆 朱伯涛

【摘要】文章中介绍了交流电弧的特点、电弧中自由电子的来源，分析了交流电弧熄灭的原理、条件和方法，最后阐述了交流电弧放电对高压断路器的危害，以及交流电弧可利用的一面。

【关键词】交流电弧;高压断路器;电弧熄灭

引言

高压断路器在电力系统广泛应用，高压断路器能够接通和断开回路、切除和隔离故障。它不仅可以切断或闭合高压电路中的空载电流和负荷电流，而且当系统发生故障时，通过继电保护装置的作用，切断过负荷电流和短路电流，它具有相当完善的灭弧结构和足够的断流能力，又称高压开关[1]。

电弧是指大多数载流子为原电子发射产生的电子的一种自持气体放电[2]。

高压断路器内部电弧的形成过程：断路器触头刚分离时突然解除接触压力，阴极表面立即出现高温炽热点，产生热电子发射; 同时，由于触头的间隙很小，使得电压强度很高，产生强电场发射，从阴极表面逸出的电子在强电场作用下，加速向阳极运动，发生碰撞游离，导致触头间隙中带电质点急剧增加，温度骤然升高，产生热游离并且成为游离的的主要因素，此时，在外加电压作用下，间隙被击穿，形成电弧。

电弧由三部分组成[3]，包括阴极区、阳极区和弧柱区。电弧温度很高，功率很强;电弧是一种自 持放电现象;电弧是一束游离的气体;电弧是等离子体，质量极轻，极容易改变形状。

1.交流电弧

1.1 交流电弧的特点

交流电路中产生的电弧叫交流电弧。其特点是电弧电压和电弧电流的大小及相位都是随时间作周期性变化，每一周期内有两次过零值;电流过零时电弧自动熄灭，而后随着电压的增大电弧又重新点燃，即交流电弧的伏安特性;由于弧柱的受热温升或散热降温都有一定过程，跟不上快速变化的电流，电弧温度的变化总是滞后于电流的变化，即电弧的热惯性。

1.2 交流电弧中自由电子的主要来源

热电子发射。当断路器的动、静触头分离时，触头间的接触压力及接触面积逐渐缩小，接触电阻增大，使接触部位剧烈发热，导致阴极表面温度急剧升高而发射电子，形成热电子发射。

强电场发射。分闸的瞬间，由于动、静触头的距离很小，触头间的电场强度就非常大，使触头内部的电子在强电场作用下被拉出来，就形成强电场发射。

碰撞游离。从阴极表面发射出的电子在电场力的作用下高速向阳极运动，在运动过程中不断地与中性质点（原子或分子）发生碰撞。当高速运动的电子积聚足够大的动能时，就会从中性质点中打出一个或多个电子，使中性质点游离，这一过程称为碰撞游离。

热游离。弧柱中气体分子在高温作用下产生剧烈热运动，动能很大的中性质点互相碰撞时，将被游离而形成电子和正离子，这种现象称为热游离。弧柱导电就是靠热游离来维持的。

2.交流电弧的熄灭

2.1 弧隙介质强度和弧隙恢复电压

弧隙介质能够承受外加电压作用而不致使弧隙击穿的电压称为弧隙的介质强度。 当电弧电流过零时电弧熄灭，而弧隙的介质强度要恢复到正常状态值还需一定的时间， 此恢复过程称之为弧隙介质强度的恢复过程，以耐受的电压Uj（t）表示。

电流过零前，弧隙电压呈马鞍形变化，电压值很低，电源电压的绝大部分降落在线路和负载阻抗上。电流过零时，弧隙电压正处于马鞍形的后峰值处。电流过零后，弧隙电压从后峰值逐渐增长，一直恢复到电源电压，这一过程中的弧隙电压称为恢复电压，其电压恢复过程以Uhf（t）表示。

2.2 交流电弧熄灭的条件

交流电弧过零后弧隙间介质强度的恢复和电压的恢复是两个对立的过程。因为介质强度恢复过程主要是弧隙内部带电粒子不断减少的过程，而电压恢复过程恰相反，它使弧隙中的气体产生新的游离而使带电粒子不断增加。那么可以简单地确定交流电弧熄灭条件为：交流电弧电流过零后，如果弧隙介质强度恢复的速度超过了弧隙电压恢复的速度，则电弧熄灭;反之，电弧重燃。

2.3 交流电弧的熄灭方法

提高触头的分闸速度。 迅速拉长电弧， 有利于迅速减小弧柱中的电位梯度，增加电弧与周围介质的接触面积，加强冷却和扩散的作用。

采用多断口。在熄弧时，多断口把电弧分割成多个相串联的小电弧段。多断口使电弧的总长度加长，导致弧隙的电阻增加;在触头行程、分闸速度相同的情况下，电弧被拉长的速度成倍增加，使弧隙电阻加速增大，提高了介质强度的恢复速度，缩短了灭弧时间。采用多断口时，加在每一断口上的电压成倍减少，降低了弧隙的恢复电压，有利于熄灭电弧。

吹弧。用新鲜而且低温的介质吹弧时，可以将带电质点吹到弧隙以外，加强扩散，并代之以绝缘性能高的新鲜介质，同时，由于电弧被拉长变细，使弧隙的电导下降。吹弧还使电弧的温度下降，热游离减弱，复合加快。

短弧原理灭弧。在交流电路中，当电流自然过零时，所有短弧几乎同时熄灭，而每个短弧都在新阴极附近产生150～250V的起始介质强度。在直流电路中，每一短弧的阴极区有8～11V电压降。如果所有串联短弧阴极区的起始介质强度或阴极区的电压降的总和永远大于触头间的外施电压，电弧就不再重燃而熄灭。

利用固体介质的狭缝狭沟灭弧。触头间产生电弧后，在磁吹装置产生的磁场作用下，将电弧吹入灭弧片构成的狭缝中，把电弧迅速拉长的同时，使电弧与灭弧片的内壁紧密接触，对电弧的表面进行冷却和吸附，产生强烈的去游离。

用耐高温金属材料制作触头。触头材料对电弧中的去游离也有一定影响，用熔点高、导热系数和热容量大的耐高温金属制作触头，可以减少热电子发射和电弧中的金属蒸汽，从而减弱了游离过程，有利于熄灭电弧。

用优质灭弧介质。灭弧介质的特性，如导热系数、电强度、热游离温度、热容量等， 对电弧的游离程度具有很大影响，这些参数值越大，去游离作用就越强。

3.交流电弧的危害

电弧的存在延长了高压断路器开断故障电路的时间。

电弧产生的高温将使断路器的触头表面熔化和蒸化，烧坏绝缘材料，对充油断路器还可能引起着火、爆炸等危险。

电弧在电动力、热力作用下能移动，易造成飞弧短路和伤人，使事故扩大。

电弧虽然对电力设备不同形式的危害，但是，也存在可以利用的一面，在采用自能式灭弧室的断路器中，就利用了电弧燃烧时产生的能量对压气缸进行建压，然后利用有压力的气体再进行吹弧和灭弧。

4.结语

交流电弧是高压断路器在操作过程客观存在的，采用更加有效的方法降低交流电弧对高压断路器的危害，将会大大减少高压断路器的故障率，提高设备的运行可靠性。

参考文献

[1]河北省电力公司组编.变电检修现场技术问答[M].北京：中国电力出版社，2013.

[2]上海超高压输变电公司.变电设备检修[M].北京：中国电力出版社，2008.

[3]国家电网公司人力资源部.变电检修[M].北京：中国电力出版社，2010.

作者简介：胡旭喆（1974—），男，工程师，主要从事电气设备检修工作。