开关电器断电路时产生电弧的过程

2025-09-29 理论教育版权反馈

【摘要】：开关电器不仅在开断电路时可能产生电弧，在触头闭合过程中，如果相关条件得到满足，如动触头发生所谓的“弹跳”现象，被接通电路的电路参数满足起弧条件，同样也会在触头间隙中产生电弧。开关电器开断电路时，电弧产生的过程如下。随着动触头的运动，触头间隙不断增大，再加之弧隙带电粒子的增多和金属蒸气的存在，使弧隙间的电压以及电场强度降低，导致电场电离减弱。

当开关电器触头在大气中开断直流电路时，如果被开断的电流和电路开断后加在触头间隙上的电压超过表3-1所示的最小起弧电流和最小起弧电压，则触头间隙中便会产生电弧放电（以下简称电弧）现象。当开断交流电路时，如果电路参数满足表3-2所示的最小起弧电流和最小起弧电压，触头间隙中也会产生电弧。如果被分断电路中电源的功率太小或负载阻抗太大，则开断此电路时触头间隙中会产生火花放电现象。由此可见，除弱电领域外，开关电器在大多数应用场合中开断电路时，触头间隙中必然会产生电弧。换句话说，电弧是开关电器开断电路时所产生的一种物理现象，其对开关电器的性能及使用寿命有很大的影响。

开关电器不仅在开断电路时可能产生电弧，在触头闭合过程中，如果相关条件得到满足，如动触头发生所谓的“弹跳”现象，被接通电路的电路参数满足起弧条件，同样也会在触头间隙中产生电弧。

开关电器开断电路时，电弧产生的过程如下。

设触头闭合时电路中的电流大于表3-1或表3-2所示的最小起弧电流。当动触头在操动机构的推动下开始做分开运动时，随着时间的推移，动触头与静触头间的压力及接触面积将逐渐减小，导致触头实际接触处的电流密度逐渐增大，进而造成该触头区域的触头材料（通常是耐弧导电金属材料或合金材料）被强烈加热。在触头分开瞬间，接触处的金属先是熔化，形成液态金属桥。当液态金属桥被拉断后，一部分金属变成气态进入触头间隙中。在此期间，由于触头表面已被剧烈加热，所以炽热的触头金属表面将产生电子的热发射；同时，动、静触头刚分开时距离还很小，触头间隙中的电场强度非常高，因此阴极表面将产生强烈的场致发射。

表3-1　大气中开断直流电路时部分触头材料的最小起弧电流和最小起弧电压(https://www.chuimin.cn)

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表3-2　大气中开断交流电路时部分触头材料的最小起弧电流

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由场致发射和热发射所产生的大量电子从阴极表面进入弧隙中，在电场的作用下，又会通过电场电离使弧隙中产生更多的电子和正离子。电子进入阳极与正电荷复合放出能量并加热阳极表面。正离子奔向阴极，一方面在阴极附近产生高的电场并撞击阴极，从而产生二次电子；另一方面又会在阴极附近区域与电子发生复合并释放能量（光子），加热阴极以维持电子的热发射。另外，一部分正离子和电子也会在弧隙空间复合，并发出光辐射或使得气体粒子的热运动得以加强，这又有利于气体分子的电离或激励。其结果将导致弧隙中气体温度迅速升高，当电弧温度达到4 000 K后，已存在于弧隙中的金属蒸气首先被热电离（金属的电离能低）。当电弧温度达到8 000 K后，弧隙中的气体分子将发生强烈的热电离。随着动触头的运动，触头间隙不断增大，再加之弧隙带电粒子的增多和金属蒸气的存在，使弧隙间的电压以及电场强度降低，导致电场电离减弱。而弧隙温度已足够高，在电离过程中，热电离起主导作用。如果弧隙中产生剧烈的热电离，则弧隙中气体分子将不可逆转地被加热并被电离过程不断加强，从而导致弧隙中带电粒子数越来越多，弧隙电导率越来越大，弧隙两端的电压越来越小，直至电弧进入稳定燃烧阶段。

开关电器断电路时产生电弧的过程

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