铁道机车车辆专业（机车方向）毕业论文
绪论
电弧是一种气体放电现象，电流通过某些绝缘介质（例如空气）所产生的瞬间火花。
当用开关电器断开电流时，如果电路电压不低于10—20伏，电流不小于80~100mA，电器的触头间便会产生电弧。因此，在了解开关电器的结构和工作情况之前，首先来看看其是如何产生和熄灭的。电弧的形成是触头间中性质子(分子和原子)被游离的过程。开关触头分离时，触头间距离很小，电场强度E很高(E = U/d)。当电场强度超过3×10^6V/m时，阴极表面的电子就会被电场力拉出而形成触头空间的自由电子。这种游离方式称为：强电场发射。
从阴极表面发射出来的自由电子和触头间原有的少数电子，在电场力的作用下向阳极作加速运动，途中不断地和中性质点相碰撞。只要电子的运动速度v足够高，电子的动能A=1/2mv^2足够大，就可能从中性质子中打出电子，形成自由电子和正离子。这种现象称为碰撞游离。
新形成的自由电子也向阳极作加速运动，同样地会与中性质点碰撞而发生游离。碰撞游离连续进行的结果是触头间充满了电子和正离子，具有很大的电导；在外加电压下，介质被击穿而产生电弧，电路再次被导通。
触头间电弧燃烧的间隙称为弧隙。电弧形成后，弧隙间的高温使阴极表面的电子获得足够的能量而向外发射，形成热电场发射。同时在高温的作用下(电弧中心部分维持的温度可达5000℃以上)，气体中性质点的不规则热运动速度增加。当具有足够动能的中性质点相互碰撞时，将游离而形成电子和正离子，这种现象称为热游离。
随着触头分开的距离增大，触头间的电场强度E逐渐减小，这时电弧的燃烧主要是依靠热游离维持的。
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在开关电器的触头间，发生游离过程的同时，还发生着使带电质点减少的去游离过程。
第一章 灭弧原理
1. 电弧的概念
当开关电器开断电路时，电压和电流达到一定值时，触头刚刚分离后，触头
之间就会产生强烈的白光，称为电弧。电弧是一种气体游离放电（带电质点）现象。电弧的存在说明电路中有电流，只有当电弧熄灭，触头间隙成为绝缘介质时，电路才算断开。开关触点间的电压为10~20V，电流为80~100mA断开电路时，即可产生电弧。例如：断路器要开断1500V，电流为1500-2000A的电路时，产生电弧，这些电弧可拉长至2m仍然继续燃烧不熄灭，对人员及设备都可能产生重大危害和损失。故灭弧是高压断路器必须解决的问题。
灭弧的原理主要是冷却电弧减弱热游离，另一方面通过吹弧拉长电弧加强带电粒子的复合和扩散，同时把弧隙中的带电粒子吹散，迅速恢复介质的绝缘强度。
电弧的实质是一种气体放电现象。
2.电弧放电的特征
阴极区阳极区弧柱
图1-2-1
（1）电弧由三部分组成。包括阴极区、阳极区和弧柱区。弧柱处温度最高，可达6~7千到1万度以上。弧柱周围温度较低，亮度明显减弱的部分叫弧焰，电流几乎都从弧柱内部流过。
（2）电弧温度很高。（例：10kvQF断开20kv的电流，电弧功率达到一万kw以上）
（3）电弧是一种自持放电现象，维持电弧燃烧的电压很低。在大气中，1cm长的直流电弧的弧柱电压仅15~30v，在变压器油中，1cm长的直流电弧的弧柱电压仅100~220v。
（4）电弧是一束游离的气体，质量极轻，极易变形。电弧在气体或液体的流动作用下或电动力作用下，能迅速移动、伸长或弯曲，这也是灭弧的必要条件。
3.电弧的危害
（1）电弧的存在延长了开关电器开断故障电路的时间，加重了电力系统短
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路故障的危害。
（2）电弧产生的高温，将使触头表面熔化和蒸化，烧坏绝缘材料。对充油电气设备还可能引起着火、爆炸等危险。
（3）由于电弧在电动力、热力作用下能移动，很容易造成飞弧短路和伤人，或引起事故的扩大。
第二章 电弧的形成
（1）热电子发射
当断路器的动、静触头分离时，触头间的接触压力及接触面积逐渐缩小，接触电阻增大，使接触部位剧烈发热，导致阴极表面温度急剧升高而发射电子 ，形成热电子发射。 （2）强电场发射
开关电器分闸的瞬间，由于动、静触头的距离很小，故电场强度很大(电场强度达到3x106V/m), 使触头内部的电子在强电场作用下被拉出来 ，就形成强电场发射。 （3）碰撞游离
从阴极表面发射出的电子在电场力的作用下高速向阳极运动，在运动过程中不断地与中性质点（原子或分子）发生碰撞。当高速运动的电子积聚足够大的动能时，就会从中性质点中打出一个或多个电子，使中性质点游离，这一过程称为碰撞游离。 （4）热游离
弧柱中气体分子在高温作用下产生剧烈热运动，动能很大的中性质点互相碰撞时，将被游离而形成电子和正离子，这种现象称为热游离。弧柱导电就是靠热游离来维持的。 热电子发射加速????磁撞游离???温度??热游离???电弧 强电场发射
2-1 碰撞游离过程示意图
第三章 电弧的熄灭
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1.电弧的去游离形式
弧隙间的电子和正离子在电场力的作用下，运行方向相反。运动中的自由电
子和正离子相互吸引也会发生复合．使弧隙间的自由电子减少——去游离。 电子的运动速度远大于正离子，二者相遇时快速碰撞很难复合。游离和去游离过程同时存在于弧隙中。当两者达到动态平衡时，电弧能够稳定燃烧。由于弧隙中温度高，离子浓度大，所以离子将向温度低浓度小的周围介质中扩散。扩散使弧隙中的电子、离子数减少．有利于熄灭电弧、扩散出去的离子，因冷却而更易复合。
由此可见，熄灭电孤，要减弱游离过程。加强去游离过程就是实际断路器中的灭弧装置原理。 3-1-1 复合
复合是正、负带电质点相互结合变成不带电质点的现象。由于弧柱中电子的运动速度很快，约为正离子的1000倍，所以电子直接与正离子复合的几率很小。一般情况下，先是电子碰撞中性质点时，被中性质点捕获变成负离子，然后再与质量和运动速度相当的正离子互相吸引而接近，交换电荷后成为中性质点。还有一种情况就是电子先被固体介质表面吸附后，再被正离子捕获成为中性质点。 3-1-2 扩散
扩散是弧柱中的带电质点逸出弧柱以外，进入周围介质的现象。 扩散有三种形式：
（1）温度扩散，由于电弧和周围介质间存在很大温差，使得电弧中的高温带电质点向温度低的周围介质中扩散，减少了电弧中的带电质点；
（2）浓度扩散，这是因为电弧和周围介质存在浓度差，带电质点就从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，使电弧中的带电质点减少；
（3）利用吹弧扩散，在断路器中采用高速气体吹弧，带走电弧中的大量带电质点，以加强扩散作用。
2. 电弧的影响去游离的因素
3-2-1 电弧温度
电弧是由热游离维持的，降低电弧温度就可以减弱热游离，减 少新的带 电质点的的产生。同时，也减小了带电质点的运动速度，加强了复合作用。通过快速拉长电弧，用气体或油吹动电弧，或使电弧与固体介质表面接触等，都可以降低电弧的温度。 3-2-2介质的特性
电弧燃烧时所在介质的特性在很大程度上决定了电弧中去游离的强度，这些特性包括：导热系数、热容量、热游离温度、介电强度等。若这些参数值大，则去游离过程就越强，电弧就越容易熄灭。 3-2-3 气体介质的压力
气体介质的压力对电弧去游离的影响很大。因为，气体的压力越大，电弧 中质点的浓度就越大，质点间的距离就越小，复合作用越强，电弧就越容易熄灭。在高度的真空中，由于发生碰撞的几率减小，抑制了碰撞游离，而扩散作用却很强。因此，真空是很好的灭弧介质。 3-2-4触头材料
触头材料也影响去游离的过程。当触头采用熔点高、导热能力强和热容量大
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的耐高温金属时，减少了热电子发射和电弧中的金属蒸汽，有利于电弧熄灭。
除了上述因素以外，去游离还受电场电压等因素的影响。
第四章 交流电弧的特性及熄灭
在交流电路中，电流瞬时值随时间变化，因而电弧的温度、直径以及电弧电压也随时间变化，电弧的这种特性称为动特性。由于弧柱的受热升温或散热降温都有一定过程，跟不上快速变化的电流，所以电弧温度的变化总滞后于电流的变化，这种现象称为电弧的热惯性。
对图1-4-1的分析，可见交流电弧在交流电流自然过零时将自经过动熄灭，但在下半周随着电压的增高，电弧又重燃。如果电弧过零后，电弧不发生重燃，电弧就此熄灭。
图 4-1
4-1 交流电弧的熄灭条件
4-1-1 弧隙介质介电强度的恢复
弧隙介质能够承受外加电压作用而不致使弧隙击穿的电压称为弧隙的介质强度。当电弧电流过零时电弧熄灭，而弧隙的介质强度要恢复到正常状态值还需一定的时间，此恢复过程称之为弧隙介质强度的恢复过程，以耐受的电压Uj（t）表示。
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