交流短弧熄灭原理及作用机制

2025-09-29 理论教育版权反馈

【摘要】：在空气中，交流短弧的熄灭原理与长弧的熄灭原理根本不同。在交流短弧的熄灭过程中，起主要作用的是阴极的介质恢复强度。根据斯列宾的数据，从电弧电流过零时起，近阴极空间几乎立即恢复介质强度160～250V，这称为短弧的初始介质恢复强度。他认为熄灭短弧的去离子栅灭弧室的作用在于，金属栅片的良好导热性和相当大的热容量使电弧熄灭。低电压交流开关电器中，熄灭电弧的方法基本上与直流开关电器相同。

在空气中，交流短弧的熄灭原理与长弧的熄灭原理根本不同。在交流短弧的熄灭过程中，起主要作用的是阴极的介质恢复强度。在电流过零后0.1～1μs之间，在阴极区域就恢复介质强度，这称为近阴极效应。

在有电弧燃炽的空间中，当电流过零时，在间隙中仍有正和负的带电体，可假定这些带电体是沿间隙均匀分布的。当在电极上开始出现电压时，比正离子速度大1000倍的电子就向阳极运动，并可认为阴极附近的电子立即进入阳极。与电子相比较，正离子可认为是不动的，因此，在阴极附近形成正空间电荷。这时，在阴极附近没有电子存在，这一层空间可认为是不导电的。为了使阴极上重新出现电子，就必须在阴极表面有足够大的电场强度。根据斯列宾的数据，从电弧电流过零时起，近阴极空间几乎立即恢复介质强度160～250V，这称为短弧的初始介质恢复强度。

在有正空间电荷情况下，电弧阴极区电压分布是不均匀的，电位梯度在阴极表面附近急剧增加，而向阳极方程方向减少，如图6-18所示。

下式给出了阴极表面上（x=0）的电位梯度与电极间外加电压U_c的数值关系：

式中 U——以距阴极距离x为函数的电压值（V）；

x——距阴极的距离（cm）；

n_i——离子密度（cm³）。(https://www.chuimin.cn)

由此可见，的数值与电极间电压U_c有关，并且与离子密度n_i有关。当电流接近零时，离子密度n_i等于初始值n_i0，n_i0值在电流不很小时与电流关系不大。当电流小于50A且过零时，n_i0显著下降；当电流大于1000A时，n_i0变化不大。

图6-18 短弧间隙中电压及电位梯度的分布

假定n_i值与电流关系不大，就可从式（6-44）得出结论：对于所有相同的短间隙，其初始介质恢复强度应当是常数。例如，根据斯列宾的数据，铜的冷电极是250V，而铜的热电极则是160V。

在电流过零初始介质恢复强度以后的几百μs中，间隙中正负离子复合，带电粒子向电极表面和周围的空间扩散，因此，离子密度下降而介质恢复强度上升，很快达到间隙击穿强度的80%～90%。以后，间隙温度降低较慢，介质强度恢复也较慢，大约到0.01s才全部恢复。

2025年塔也夫发表了对铜电极短间隙介质恢复强度研究的结果。他认为熄灭短弧的去离子栅灭弧室的作用在于，金属栅片的良好导热性和相当大的热容量使电弧熄灭。而斯列宾认为，去离子栅灭弧室的熄弧作用主要是依靠近阴极效应。实际上按照塔也夫的结论，这已不属于熄灭短弧的原理，短弧的定义不仅在于它的间隙短、电压低，主要在于电极的作用和近阴极效应在过程中起决定作用，而弧柱中的过程并不起主要作用。

低电压交流开关电器中，熄灭电弧的方法基本上与直流开关电器相同。从灭弧室来说，可分为两类，即去离子栅式和狭缝式。

交流短弧熄灭原理及作用机制

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