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電弧是一種氣體放電現象，電流通過某些絕緣介質（例如空氣）所產生的瞬間火花。電弧是一種自持氣體導電（電離氣體中的電傳導），其大多數載流子為一次電子發(fā)射所產生的電子 [1]  。觸頭金屬表面因一次電子發(fā)射（熱離子發(fā)射、場致發(fā)射或光電發(fā)射）導致電子逸出，間隙中氣體原子或分子會因電離（碰撞電離、光電離和熱電離）而產生電子和離子。另外，電子或離子轟擊發(fā)射表面又會引起二次電子發(fā)射。當間隙中離子濃度足夠大時，間隙被電擊穿而發(fā)生電弧

簡介

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開關電器的基本功能就是能夠在所要求的短時間內分合電路，即起所謂開關的作用，機械式開關設備是用觸頭來開斷電路電流的，在大氣中開斷電路時，只要電壓超過12—20V，被開斷的電流超過0.25—1A，在觸頭間隙(也稱弧隙)中通常產生一團溫度*、發(fā)出強光且能夠導電的近似圓柱形的氣體，這就是電弧 [2]  。

一直到電弧熄滅，觸頭間隙成為絕緣介質后，電流才被開斷。發(fā)生在開關設備中的電弧簡稱為開關電弧。這種開關電弧現象，也即電弧燃燒和熄滅過程是開關電器重要的內容。

開關電弧是等離子體的一種形式，屬低溫等離子體。開關電器中電弧的熄滅就是要積極地利用電弧等離子體的溫度控制來實現，對于高電壓大電流電路來說、只有產生電弧、才能實現對電弧等離子體的溫度控制。對于開關電器而言，希望它反有如下特件 [3]  ；

（1）電導率的變化范圍盡可能大，即要在導體與*絕緣體之間變化；

（2）電導率的變化速度盡可能快。

前一項特性在本質上決定于等離子體的材料，因此，引進新的滅弧介質是取得技術進步的關鍵。后一項特性雖然也在較大程度上決定于等離子體的材料，但更易于受到等離子體控制方法的影響，作為開關電器核心部分的滅弧室的作用正在于對電弧等離子體的控制，加速其電導率的變化。

電弧放電

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電弧是一種氣體放電現象，也是一種等離子體。等離子體是與固體、液體、氣體并列的物質第四態(tài)。以50000K為界，等離子體可分為高溫等離子體和低溫等離子體兩大類，電弧屬于后者。實際上，宇宙中約90%的物質都是等離子體。

等離子體是物質的第四態(tài) [4] 

等離子體是物質的第四態(tài)

開關電弧是電弧等離子體的一種。開關電弧的主要外部特征有 [2]  ：

(1)電弧是強功率的放電現象 在開斷幾十千安短路電流時，以焦耳熱形式發(fā)出的功率可達l0000kW。與此有關，電弧可具有上萬攝氏度或更高的溫度及強輻射，在電弧區(qū)的任何固體、液體或氣體在電弧作用下都會產生強烈的物理及化學變化。在有的開關中．電弧燃燒時間比正常情況只多一二十毫秒，開關就會出現嚴重燒損甚至爆炸。在用滅弧能力很弱的隔離開關開斷負荷電路時(屬于誤操作)，電弧能使操作者大面積燒傷。

(2)電弧是一種自持放電現象 不用很高的電壓就能維持相當長的電弧穩(wěn)定燃燒而不熄滅。如在大氣中，每厘米長電弧的維持電壓只有15V左右。在大氣中，在100kV電壓下開斷僅5A的電流時，電弧長度可達7m。電流更大時，可達30m。因此，單純采用拉長電弧來熄滅電弧的方法是不可取的。

(3)電弧是等離子體，質量極輕、極容易改變形狀 電弧區(qū)內氣體的流動，包括自然對流以及外界甚至電弧電流本身產生的磁場都會使電弧受力，改變形狀，有的時候運動速度可達每秒幾百米。設計人員可以利用這一特點來快速熄弧并預防電弧的不利影響及破壞作用。

兩個電極在一定電壓下由氣態(tài)帶電粒子，如電子或離子，維持導電的現象。激發(fā)試樣產生光譜。電弧放電主要發(fā)射原子譜線，是發(fā)射光譜分析常用的激發(fā)光源。通常分為直流電弧放電和交流電弧放電兩種。

氣體放電中強烈的一種自持放電。當電源提供較大功率的電能時，若極間電壓不高（約幾十伏），兩極間氣體或金屬蒸氣中可持續(xù)通過較強的電流（幾安至幾十安）,并發(fā)出強烈的光輝,產生高溫（幾千*萬度），這就是電弧放電。電弧是一種常見的熱等離子體（見等離子體應用）。

電弧放電顯著的外觀特征是明亮的弧光柱和電極斑點。電弧的重要特點是電流增大時,極間電壓下降,弧柱電位梯度也低，每厘米長電弧電壓降通常不過幾百伏，有時在1伏以下?；≈碾娏髅芏群芨?每平方厘米可達幾千安，極斑上的電流密度更高。

電弧放電可分為 3個區(qū)域：陰極區(qū)、弧柱和陽極區(qū)。其導電的機理是：陰極依靠場致電子發(fā)射和熱電子發(fā)射效應發(fā)射電子；弧柱依靠其中粒子熱運動相互碰撞產生自由電子及正離子，呈現導電性，這種電離過程稱為熱電離；陽極起收集電子等作用，對電弧過程影響常較小。在弧柱中，與熱電離作用相反，電子與正離子會因復合而成為中性粒子或擴散到弧柱外，這一現象稱為去電離。在穩(wěn)定電弧放電中，電離速度與去電離速度相同，形成電離平衡。此時弧柱中的平衡狀態(tài)可用薩哈公式描述。

能量平衡是描述電弧放電現象的又一重要定律。能量的產生是電弧的焦耳熱，能量的發(fā)散則通過輻射、對流和傳導三種途徑。改變散熱條件可使電弧參數改變，并影響放電的穩(wěn)定性。

電弧通常可分為長弧和短弧兩類。長弧中弧柱起重要作用。短弧長度在幾毫米以下，陰極區(qū)和陽極區(qū)起主要作用。

根據電弧所處的介質不同又分為氣中電弧和真空電弧兩種。液體(油或水)中的電弧實際在氣泡中放電，也屬于氣中電弧。真空電弧實際是在稀薄的電極材料蒸氣中放電。這二種電弧的特性有較大差別。

電弧是一束高溫電離氣體， 在外力作用下， 如氣流，外界磁場甚至電弧本身產生的磁場作用下會迅速移動（每秒可達幾百米），拉長、卷曲形成十分復雜的形狀。電弧在電極上的孳生點也會快速移動或跳動。

在電力系統(tǒng)中，開關分斷電路時會出現電弧放電。由于電弧弧柱的電位梯度小，如大氣中幾百安以上電弧電位梯度只有15伏/厘米左右。在大氣中開關分斷100千伏5安電路時，電弧長度超過7米。電流再大，電弧長度可達30米。因此要求高壓開關能夠迅速地在很小的封閉容器內使電弧熄滅，為此，專門設計出各種各樣的滅弧室。滅弧室的基本類型有：

①采用六氟化硫、真空和油等介質；

②采用氣吹、磁吹等方式快速從電弧中導出能量；

③迅速拉長電弧等。直流電弧要比交流電弧難以熄滅。

電弧放電可用于焊接、冶煉、照明、噴涂等。這些場合主要是利用電弧的高溫、高能量密度、易控制等特點。在這些應用中，都需使電弧穩(wěn)定放電。目前的電子產品，如等離子電視、等離子顯示器其顯示原理也是依賴電弧放電。

電弧不單單只是對人有壞處，某些大型舞臺的燈光師利用電弧放電原理而制造成七彩斑斕的電弧花，以滿足人們對于電弧的稀奇。

電弧具有*的電力，能瞬間使心臟停跳，所以，利用電弧而工作的人們需要小心。

電弧的組成部分

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電弧通常分為三個區(qū)域：陰極區(qū)、弧柱區(qū)、陽極區(qū) [5] 

電弧的組成部分

陰極和陰極區(qū)

電弧中的電流從微觀上看是電子及正離子在電場作用下移動的結果，其中電子的移動構成電流的主要部分。陰極的作用是發(fā)射大量電子，在電場的作用下趨向陽極方向從而構成陰極區(qū)的電流。

電弧的陰極區(qū)對電弧的發(fā)生和物理過程具有重要的意義，形成電弧放電的大部分電子是在陰極區(qū)產生或由陰極本身發(fā)射的。電弧放電時，實際上并不是整個陰極全部參加放電過程，陰極表面的放電只集中在幾個很小的區(qū)域，這個小區(qū)域稱為陰極斑點，它是一個非常集中，面積很小的光亮區(qū)域，其電流密度很大．是電弧放電中強大電子流的來源。

陰極發(fā)射電子的機制有兩種：熱發(fā)射和場致發(fā)射。

弧柱

陰極表面電于發(fā)射只形成陰極區(qū)的電流，弧柱部分導電需要在弧柱區(qū)域也能出現大量自由電子，這就需要使弧柱區(qū)的氣體原子游離。氣體原子游離的方式通常有電場游離和熱游離兩種。

與可逆化學反應相似。在電弧中一方面由于熱游離使得正離子與電子不斷增多。同時也存在去游離的作用，使正離子和電子減少。去游離包括復合和擴散兩種方式。

弧柱的特性和物理過程對電弧起著重要的作用。開關電弧中主要研究的就是弧柱的特性。

陽極和陽極區(qū)

可把陽極分為被動型和主動型兩種。

在被動型中。陽極只起收集電子的作用。在主動型中，陽極不但收集電子而且產生金屬蒸氣，因而也可以向弧柱提供帶電粒子。

陽極表面也存在陽極斑點。

上述三個區(qū)域對電弧的作用因電弧的情況不同而不同。對于長度只有幾個毫米的電弧。電弧電壓主要由陰極區(qū)壓降和陽極區(qū)壓降組成，其中的物理過程對電弧起主要作用。這種電弧稱為短弧。而對于長度較大的電弧，弧柱則起主要作用，陰極、陽極的過程不起主要作用甚至可以忽略，這種電弧稱為長弧。在開關中的電弧一般屬于長弧。

電弧發(fā)生的條件

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1、電路開斷時電弧的發(fā)生 [6] 

在觸頭開始分離時．作用在它們之間的接觸壓力將減少，接觸面積也縮小，接觸電阻和觸頭中放出的熱量就增加。熱量集中在很小的體積中，金屬被加熱到高溫而熔化。在觸頭之間形成液態(tài)金屬橋，后金屬橋被拉開，在觸頭之間形成過渡的或穩(wěn)定的電弧。如果放電是穩(wěn)定的，就是所謂的開斷電弧。放電穩(wěn)定性與很多因素有關，如在開斷的的電流、觸頭電路的特性、觸頭分離的速度等。為了使電弧點燃，某一低電流值是必需的。

2、觸頭閉合時電弧的發(fā)生

3、真空和氣體間隙的擊穿

4、從輝光放電到電弧放電的轉變

5、從火花放電到電弧放電的轉變

分類

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<1>按電

電弧噴金屬防腐

流種類可分為：交流電弧、直流電弧和脈沖電弧。 [2] 

<2>按電弧的狀態(tài)可分為：自由電弧和壓縮電?。ㄈ绲入x子?。?。

<3>按電極材料可分為：熔化極電弧和不熔化極電弧。

產生

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當用開關電器斷開電流時，如果電路電壓不低于10—20伏，電流不小于80~100mA，電器的觸頭間便會產生電弧。

因此，在了解開關電器的結構和工作情況之前，首先來看看其是如何產生和熄滅的 [7]  。

電弧的形成是觸頭間中性質子(分子和原子)被游離的過程。開關觸頭分離時，觸頭間距離很小，電場強度E很高(E = U/d)。當電場強度超過3×10^6V/m時，陰極表面的電子就會被電場力拉出而形成觸頭空間的自由電子。這種游離方式稱為：強電場發(fā)射。

從陰極表面發(fā)射出來的自由電子和觸頭間原有的少數電子，在電場力的作用下向陽極作加速運動，途中不斷地和中性質點相碰撞。只要電子的運動速度v足夠高，電子的動能A=1/2mv^2足夠大，就可能從中性粒子中打出電子，形成自由電子和正離子。這種現象稱為碰撞游離。新形成的自由電子也向陽極作加速運動，同樣地會與中性質點碰撞而發(fā)生游離。碰撞游離連續(xù)進行的結果是觸頭間充滿了電子和正離子，具有很大的電導；在外加電壓下，介質被擊穿而產生電弧，電路再次被導通。

觸頭間電弧燃燒的間隙稱為弧隙。電弧形成后，弧隙間的高溫使陰極表面的電子獲得足夠的能量而向外發(fā)射，形成熱電場發(fā)射。同時在高溫的作用下(電弧中心部分維持的溫度可達5000℃以上)，氣體中性質點的不規(guī)則熱運動速度增加。當具有足夠動能的中性質點相互碰撞時，將被游離而形成電子和正離子，這種現象稱為熱游離。

隨著觸頭分開的距離增大，觸頭間的電場強度E逐漸減小，這時電弧的燃燒主要是依靠熱游離維持的。

在開關電器的觸頭間，發(fā)生游離過程的同時，還發(fā)生著使帶電質點減少的去游離過程。

特點及用途

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導電性強、能量集中、溫度高、亮度大、質量輕、易變性等 [5]  。

電弧可作為強光源如弧光燈，紫外線源如太陽燈或強熱源如電弧爐。

電弧具有熱效應。

危害

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電弧是高溫高導電的游離氣體，它不僅對觸頭有很大的破壞作用，而且使斷開電路的時間延長 [6]  。

滅弧過程

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電弧對供配電系統(tǒng)的安全運行有很大的影響。開關電器在結構設計上要保證其操作時電弧能迅速地熄滅 [6]  。

交流電弧每一個周期要暫時熄滅兩次。

真空滅弧室可以迅速恢復間隙絕緣能力以及耐受系統(tǒng)瞬態(tài)恢復電壓的能力，終將電弧熄滅。