生活中我們對電的危害印象多為電擊電傷人員和火光四射的短路故障。關(guān)于人員觸電的危害及預(yù)防在之前的分享中已經(jīng)做了介紹。今天我們來來聊聊這個(gè)“火光四射”。在實(shí)際生活中我們能看到的電弧并不多，電焊機(jī)是利用電弧進(jìn)行工作的積極應(yīng)用，而在影視節(jié)目中關(guān)于電弧引發(fā)嚴(yán)重事故災(zāi)難的信息是非常多的。在電網(wǎng)運(yùn)行中電弧是非常有害的，如何抑制和減少電弧帶來的負(fù)面影響一直是電氣設(shè)計(jì)人員在努力探求的。下面我們先來看看在斷路器內(nèi)部的電弧的產(chǎn)生與熄滅的原理，從而熟悉滅弧室的一般設(shè)計(jì)是什么樣的，使得我們對斷路器有更深入的認(rèn)識。
一、電弧的產(chǎn)生和熄滅
電弧的產(chǎn)生
電弧是一種氣體放電的特殊形式。氣體放電的形式很多，有電暈放電、輝光放電、火花放電和電弧放電等等。產(chǎn)生電弧的條件是電路內(nèi)的電流和電壓必須大于某一最小起弧電流和最小起弧電壓。電弧的產(chǎn)生是由于氣體（包含金屬蒸汽）的游離。游離的原因有熱發(fā)射、冷發(fā)射、碰撞游離和熱游離。
熱發(fā)射：動(dòng)靜觸頭分開過程中，觸頭間的電阻變大，觸頭表面溫度劇增，由于熱運(yùn)動(dòng)，金屬內(nèi)的自由電子克服了金屬內(nèi)正離子的吸力而從陰極表面發(fā)射，這就是熱發(fā)射。
冷發(fā)射：即高電場發(fā)射。觸頭剛分開，在氣隙間形成高電場，將電子從陰極拉出。
碰撞游離：從陰極發(fā)射出來的電子，在電場作用下獲得能量再加速，碰撞中性氣體分子而使其游離；
熱游離：電弧燃燒時(shí)，電弧溫度很高（如弧柱可達(dá) 6000℃及以上），氣體分子在高溫作用下，由于強(qiáng)烈的熱運(yùn)動(dòng)互相碰撞而游離。
電弧的熄滅
電弧的熄滅是由于氣體的消游離，消游離主要是通過復(fù)合和擴(kuò)散。
1 、復(fù)合就是正負(fù)離子互相結(jié)合而中和。復(fù)合速度受溫度影響極大，溫度越高、復(fù)合幾率越小；反之，則復(fù)合幾率大。因此利用液體（如變壓器油）或氣體（如）人工冷卻電弧或?qū)㈦娀D入絕緣材質(zhì)（陶瓷等）做成的窄縫，用鐵板制作的滅弧柵片內(nèi)，迅速導(dǎo)出電弧內(nèi)部的熱量，降低電弧的溫度，減少離子的運(yùn)動(dòng)速度，加速復(fù)合速度，以此將電弧熄滅。
2 、擴(kuò)散就是電弧表面的離子擴(kuò)散到周圍低溫介質(zhì)中去。溫度高、密度大的氣體分子總是向溫度低、密度小的介質(zhì)中擴(kuò)散，擴(kuò)散出來的離子因溫度降低從而相互結(jié)合成中性分子（中性分子是不導(dǎo)電的）。
以上便是電弧的產(chǎn)生與熄滅原理。總之，電弧的熄滅是在消游離的速度超過游離的速度來實(shí)現(xiàn)的。因此，從電的方面來說，要求介質(zhì)恢復(fù)成中性分子的速度大于觸頭兩端的電壓恢復(fù)速度，使電弧不致因冷發(fā)射和碰撞游離而重燃；在熱的方面要求散熱速度大于發(fā)熱速度，使電弧不致因發(fā)熱形成的熱發(fā)射和熱游離而復(fù)燃。
基于電弧熄滅的原理，來合理的選擇滅弧系統(tǒng)，即滅弧室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
二、滅弧室的設(shè)計(jì)
一般的交流斷路器的熄弧措施有下面幾點(diǎn)：
1）依靠動(dòng)靜觸頭觸頭的迅速分開，在交流電流自然過零時(shí)滅弧；
2）利用導(dǎo)體回路電動(dòng)力（現(xiàn)在斷路器多采用限流結(jié)構(gòu)提升產(chǎn)品的分?jǐn)嗄芰Γ┗虼糯怠⑹闺娀⊙杆僖苿?dòng)和拉長；
3）利用滅弧室的機(jī)構(gòu)形成一個(gè)向外排放氣體的腔體，將高溫氣體快速排出去，同時(shí)也可以加快電弧進(jìn)入滅弧室；
4）采用金屬柵片將電弧分割成許多串聯(lián)的短弧，降低各短弧的電壓從而息弧；
5）將電弧拉入滅弧室，利用柵片將其冷卻以增大電弧電阻。
一般來說靠交流電流自然過零的熄弧常常是適用于小電流，如產(chǎn)品的正常負(fù)荷電流。而對大的短路電流，則需要通過的滅弧室來實(shí)現(xiàn)。目前低壓斷路器采用最多的是金屬柵片滅弧室。金屬柵片滅弧室的結(jié)構(gòu)是：滅弧室內(nèi)裝有一定數(shù)量、厚度1~2.5mm的鋼板（屬磁性材料）沖成的柵片。柵片表面鍍鋅、鍍銅或鍍鎳等，電鍍的作用不僅是為了防銹，同時(shí)也能增大滅弧能力（鋼片鍍銅，因鍍層僅 幾μm或十幾μm，不會(huì)影響鋼片的導(dǎo)磁性能）。通過大量的試驗(yàn)表明，鍍銅和鍍鋅的在分?jǐn)嚯娏鞯淖饔没拘Ч嗤冦~時(shí)，電弧的熱量將使銅末子跑到觸頭上，變成銅銀合金，后果不好。鍍鎳性能佳，但價(jià)格高。安裝時(shí)，上下柵片錯(cuò)開，柵片之間的距離根據(jù)不同的斷路器和不同的短路分?jǐn)嗄芰M(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。當(dāng)動(dòng)靜觸頭打開時(shí)產(chǎn)生電弧，電弧電流在周圍空間產(chǎn)生磁通，將導(dǎo)磁柵片磁化。因此它的磁通路徑發(fā)生了變化，電弧受到了一種將其拉入滅弧室的吸力。柵片分冊錯(cuò)開放置可以有效減少電弧進(jìn)入柵片的阻力。電弧進(jìn)入柵片后，它被分割成許多串聯(lián)的短弧，在原來冷狀態(tài)的導(dǎo)磁柵片貼緊短弧后，使電弧電阻增大、電弧電壓上升。當(dāng)電弧電壓大于觸頭兩端的工頻恢復(fù)電壓時(shí)，電弧就被熄滅了。
鍍鎳的金屬柵片
鍍銅的金屬柵片
滅弧柵片的形狀多數(shù)設(shè)計(jì)成v字形，其作用是電弧進(jìn)入時(shí)，可減少阻力，也可以優(yōu)化磁路，增強(qiáng)電弧受到的吸力。設(shè)計(jì)滅弧室時(shí)，關(guān)鍵的是柵片的厚度，片間的距離和柵片的數(shù)量。
現(xiàn)在斷路器的需求趨勢要求是：短路分?jǐn)嗄芰?qiáng)、產(chǎn)品體積小。小體積的斷路器無法任意加大滅弧室的尺寸，也就是必須在一定的滅弧室體積下，研究最良好的滅弧功能從而熄滅大短路電流而產(chǎn)生的電弧。
試驗(yàn)表明：縮短滅弧柵片與觸頭系統(tǒng)的距離，可增強(qiáng)吹弧磁場和吸弧的電動(dòng)力。一方面使電弧在觸頭上的停滯時(shí)間減少；另一方面也使電弧在進(jìn)入滅弧室的運(yùn)動(dòng)速度加快，即使電弧運(yùn)動(dòng)的時(shí)間減少。使電弧從觸頭到滅弧室的距離變短有利于改善熄弧的條件。
當(dāng)電弧被驅(qū)入滅弧室后，柵片越多，電弧被分割的短弧就越多，受柵片冷卻的面積就大，有利于息弧。但是，當(dāng)斷路器尺寸確定后，柵片數(shù)量不能過大，柵片數(shù)大，片間間隙小，就會(huì)對電弧進(jìn)入柵片時(shí)產(chǎn)生很大阻力，甚至使電弧不能進(jìn)入，柵片會(huì)被燒損。當(dāng)前的一些雙斷點(diǎn)結(jié)構(gòu)的斷路器就是變相的增加了滅弧室的大小，通過進(jìn)出線端都設(shè)置一個(gè)滅弧室使得斷路器的分?jǐn)嗄芰Φ靡蕴嵘?/p>
滅弧柵片之間的間隙盡量窄點(diǎn)有好處（窄一點(diǎn)可使短弧數(shù)增加，也可使電弧貼緊冷鐵板），但是太窄會(huì)使滅弧片受熱彎曲，以至于產(chǎn)生上下片熔接，為此柵片的厚度厚一些是有利的，目前多數(shù)柵片的厚度在1.5~2mm之間，材料為熱軋鋼板（10#號鋼或Q235A）。
由于滅弧時(shí)， （電弧的）排氣是在電源接線端子的上面，而不是在端子處，就要求在鉚柵片時(shí)要有一定的傾斜，這樣排氣情況就比較好。滅弧柵片做成傾斜也有利于在滅弧室內(nèi)進(jìn)一步將短弧拉長，加快息弧。
傾斜的滅弧柵片
引弧角的設(shè)計(jì)：引弧角是滅弧機(jī)構(gòu)中很重要的零件，它裝在離靜觸頭一定距離，靠近滅弧室。它必須有一定的傾斜角。引弧角的設(shè)置是為了將電弧引入滅弧室。不設(shè)引弧角，靜觸頭與設(shè)置引弧角的位置處將產(chǎn)生嚴(yán)重的燒損。同時(shí)為了減少開斷短路電流時(shí)，燒傷靜觸頭，靜觸頭的觸點(diǎn)與觸桿（刀）焊接時(shí)，其焊料盡可能平，不要形成三角堆積，以減少電弧對觸點(diǎn)的燒損。
圖中黃色元件為引弧角
滅弧柵片的支撐件，又稱為滅弧室的隔弧板或滅弧柵片支架。滅弧柵支架的材料，據(jù)《低壓電器設(shè)計(jì)手冊》介紹，是采用三聚氰玻璃布板， 三聚氰胺甲醛塑粉、紅鋼紙板和陶瓷等。而國外較多采用的是鋼紙板（紅、白）、聚酯板、三聚氰胺板，瓷器（陶瓷）等材料。鋼紙板耐熱性差，品質(zhì)也較差，但鋼紙板在電弧燒灼下會(huì)釋放一種氣體，有助于滅弧；三聚氰胺板性能較好，造價(jià)相對高，而陶瓷無法加工，價(jià)格也昂貴。不過聚酯和三聚氰胺壓彎加工比較困難，沖孔和鉚合也易脆裂，應(yīng)在工藝上增加一些輔助措施。
小型斷路器的滅弧室采用的是紅鋼紙板
在滅弧室內(nèi)增加阻擋氣體向產(chǎn)品內(nèi)側(cè)排放的部件有利于高壓氣體向產(chǎn)品外部排放，有利于電弧進(jìn)入滅弧室內(nèi)部。對該零件的要求是具有較高的耐熱性與機(jī)械強(qiáng)度。現(xiàn)在也有一些廠家采用的是熱固性塑料加工的支架，將滅弧柵片放置在支架之間，并將支架鉚接到一起，具有更強(qiáng)的強(qiáng)度。且熱固性材料的模具加工型好，可制成各種形狀來影響氣流的運(yùn)動(dòng)，更加有利于滅弧。
在動(dòng)觸頭側(cè)增加阻擋高溫氣體向內(nèi)大量排放器件（黑色部件）
柵片支架（隔弧板）與柵片的鉚接是很重要的工藝環(huán)節(jié)。如果鉚得不牢，可能會(huì)因電動(dòng)力的破壞，使柵片彎曲，從而降低柵片間的距離（間隙）。一般不要采取兩片柵片焊接一起，因?yàn)閮善附右资軣岵⑶矣捎谄g的電動(dòng)力，使兩片產(chǎn)生彎曲。
金屬柵片鉚接在柵片支架上
一般滅弧室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是：斷路器的滅弧室多數(shù)采用柵片滅弧方式，柵片用10號鋼板或Q235沖壓而成，為防銹可表面鍍銅或鍍鋅，有些產(chǎn)品鍍鎳。柵片及滅弧室中的柵片尺寸是：柵片（鐵板）厚度為1.5~2mm，片間間隙（間隔）為2~3mm，柵片片數(shù)10~13 片。
為提高滅弧性能，在與靜觸頭一定距離處，增設(shè)引弧角。柵片支撐（支架），短路電流 較小的的可使用鋼紙板材料（小型斷路器多采用此方案），短路電流較大的可選聚酯層壓板或三聚氰胺層壓板（后者性能好、但價(jià)格高）。
同時(shí)現(xiàn)在不少斷路器，為了增大滅弧效果，在靜觸桿下面裝了一塊導(dǎo)磁體（導(dǎo)磁材料制成），它能增強(qiáng)觸頭區(qū)域自勵(lì)吹弧磁場。這一措施對增大靜觸頭弧根部分吹弧磁場特別有效，大大有助于電弧的熄滅。
