生活中我們對(duì)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(lái)來(lái)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(lái)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(lái)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(duì)斷路器有更深入的認(rèn)識(shí)。
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(kāi)過(guò)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(chǎng)發(fā)射。觸頭剛分開(kāi)，在氣隙間形成高電場(chǎng)，將電子從陰極拉出。
碰撞游離：從陰極發(fā)射出來(lái)的電子，在電場(chǎng)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(guò)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??；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?gòu)?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(lái)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?？傊娀〉南缡窃谙坞x的速度超過(guò)游離的速度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此，從電的方面來(lái)說(shuō)，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(lái)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(kāi)，在交流電流自然過(guò)零時(shí)滅??；
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?、使電弧迅速移?dòng)和拉長(zhǎng)；
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??；
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(lái)說(shuō)靠交流電流自然過(guò)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(duì)大的短路電流，則需要通過(guò)的滅弧室來(lái)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(guò)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?，但鍍銅時(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(kāi)，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(kāi)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(cè)錯(cuò)開(kāi)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(lái)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(shì)要求是：短路分?jǐn)嗄芰?qiáng)、產(chǎn)品體積小。小體積的斷路器無(wú)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(chǎng)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(guò)大，柵片數(shù)大，片間間隙小，就會(huì)對(duì)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(guò)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(hào)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(zhǎng)，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(kāi)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(duì)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(cè)》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(guó)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??；三聚氰胺板性能較好，造價(jià)相對(duì)高，而陶瓷無(wú)法加工，價(jià)格也昂貴。不過(guò)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(duì)該零件的要求是具有較高的耐熱性與機(jī)械強(qiáng)度?，F(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(lái)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(hào)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(chǎng)。這一措施對(duì)增大靜觸頭弧根部分吹弧磁場(chǎng)特別有效，大大有助于電弧的熄滅。
