断路器开合时电弧

在电力网络中，利用断路器来开断载流电路，其触头的分断并不意味着电路的真正断开。用断路器来切断电路时，如果电路中的电流大于80～100mA，且断路器的动、静触头在分离瞬间具有大于10～20V的电压，则触头间就会出现电弧。电弧是高温、高导电率的等离子体，所谓等离子体是带正电荷和带负电荷的粒子数量相等的粒子集团状态，是与固体、液体、气体并列的物质第四态。电弧对触头有很大的破坏作用，而且电弧继续维持着电路的接通，只有将其熄灭，才能使电路真正切断。因此，断路器一般都具有专门的灭弧装置，使断路器动、静触头之间所产生的电弧迅速、可靠地熄灭，这是保证断路器正常工作的重要条件之一。
电弧的形成是触头间中性质点（分子和原子）被游离的过程，主要有以下几种方式：
(1)强电场发射。通有电流的断路器触头分离之初，触头间距离很小，电场强度很高，阴极表面电场强度大于3×106V/m时，阴极表面的电子将被拉出，并在电场力的作用下向阳极加速运动。
(2)碰撞游离。被拉出的高速运动的电子，获得足够的动能后，与触头间介质的原子或分子碰撞时，使原子核周围的电子释放，介质的中性质点游离为自由电子和正离子，称为碰撞游离。碰撞游离连续进行的结果使触头间带电粒子大量增加，当数量积累到一定程度时，介质的导电性质发生变化，由绝缘体变为导体，在外加电压作用下，介质被击穿而引起电弧。
(3)热游离。电流通过弧隙（即触头间电弧燃烧的间隙）会产生大量的热量，使电弧中心部分维持很高的温度，在高温的作用下，介质中性质点的不规则热运动的速度增加，当其具有足够动能且相互碰撞时，便游离出新的电子和正离子，称为热游离。热游离形成的带电质点分别向阴极和阳极运动。正离子向阴极移动的过程中不断碰撞阴极，保持阴极的电子连续发射，于是电流就以电弧的形态在已分开的触头间持续流通。
(4)热电子发射。电弧产生后，由于它的温度很高，高温下的金属触头会使其内部的自由电子飞出金属表面，提供传导电流的电子，称为热电子发射。
电弧的形成是一个复杂连续的过程。当断路器跳闸，触头刚断开时，触头间距离很小，电场强度很大，阴极产生强电场发射，提供起始自由电子，电子在强电场作用下向阳极加速运动并产生碰撞游离，于是有更多的电子产生更多的碰撞游离，使触头间带电粒子大量增加，介质被击穿，产生电弧，电弧产生的高温，又造成热游离和阴极的热电子发射。当触头距离拉大时，电场强度减小，主要是热游离和热电子发射起维持电弧的作用。由于电弧放电主要靠热游离和热电子发射维持，因此，维持电弧燃烧的电压就不需要很高。
在电弧中，发生游离的同时，还进行着带电质点减少的去游离过程，使电弧减弱。当游离和去游离过程达到平衡时，电弧处于稳定燃烧状态。去游离的主要方式是复合和扩散。
(1)复合。复合是指异性带电质点相互吸引，结合在一起，电荷相互中和的现象。要完成复合过程，两个异性带电质点需要在一定的时间内处于很近的范围内，它们的相对速度越大，复合越困难。电子质量小，容易加速，运动速度远快于离子，所以正、负离子间的复合要比电子和正离子间的复合容易得多。通常电子先附着在中性质点上形成负离子，然后与正离子复合。另外一种方式是，电子首先附着在固体介质表面，然后再吸引正离子进行中和。复合的速度与离子的浓度、温度、压力、电场强度等因素有关。
(2)扩散。扩散是指带电质点从电弧内部逸出而进入周围介质中的现象，是由于带电质点的不规则热运动而引起的。电弧和周围介质的温度差及离子浓度差越大，扩散作用越强。
可见，游离和去游离是一对矛盾，共存于电弧这个统一体中，贯穿于电弧产生和熄灭的整个过程。当电弧形成时，游离是矛盾的主要方面。创造一定的条件，使去游离转化为矛盾的主要方面，就便于电弧的熄灭。影响游离和去游离的主要因素有电弧的冷却方式、触头间介质的特性、触头的材料、触头两端电压幅值及变化特性等。