導(dǎo)讀：“中國(guó)制造2025”背景下的低壓電器產(chǎn)業(yè)發(fā)展與提升，以創(chuàng)新技術(shù)加速企業(yè)生產(chǎn)力更新?lián)Q代，以智能制造牽引低壓電器產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備及工藝升級(jí)。

　　低壓電器產(chǎn)品量大面廣，是用電環(huán)節(jié)中最靠近終端用戶側(cè)的電氣裝置，其應(yīng)用的可靠性對(duì)終端用戶的意義極大。

　　低壓電器的智能化發(fā)展將不斷推進(jìn)我國(guó)輸配電產(chǎn)業(yè)的向前發(fā)展。

　　當(dāng)我們家里的配電箱壞了，我們請(qǐng)維修人員來(lái)維修時(shí)，他會(huì)告訴我們：“請(qǐng)您去五金店購(gòu)買(mǎi)XXA的空氣開(kāi)關(guān)”。而當(dāng)我們來(lái)到五金店并說(shuō)明來(lái)意時(shí)，店家會(huì)拿出一只微型斷路器，并且告訴我們，這就是XXA的空氣開(kāi)關(guān)。

　　空氣開(kāi)關(guān)這個(gè)名詞用的如此之廣，盡管它的定義不是十分清晰，并且也不符合相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，但卻為我們廣大老百姓們所接受。

　　我們來(lái)看國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)如何定義。這部標(biāo)準(zhǔn)是：GB14048.2-2008《低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第2部分：斷路器》。其中有關(guān)的定義是：

　　空氣斷路器aircircuit-breaker：觸頭在大氣壓力的空氣中斷開(kāi)和閉合的斷路器。

　　題圖中我們看到的是MNS3.0低壓抽屜式開(kāi)關(guān)柜中的電動(dòng)機(jī)抽屜，還看到安裝在其中的微型斷路器MCB。下圖是一只ABB的微型斷路器：

　　從圖中MCB的線圈右上方，可見(jiàn)到觸頭，我們看見(jiàn)，包圍觸頭的絕緣介質(zhì)是空氣。這也是空氣開(kāi)關(guān)的由來(lái)。

　　這篇短文，打算從三個(gè)側(cè)面讓大家來(lái)了解開(kāi)關(guān)電器中的空氣介質(zhì)特性及熄弧方法。這三個(gè)側(cè)面是：空氣的放電伏安特性、直流電弧的特性及熄弧方法、交流電弧的特性及熄弧方法。

　　好，我們就此開(kāi)始。

　　第一部分：空氣放電的伏安特性

　　我們來(lái)看下圖：

　　圖左側(cè)是測(cè)試電路。我們看到了直流電源，看到了調(diào)整電極電壓的可變電阻，還看到了電極?，F(xiàn)在我們接通電路，并且開(kāi)始調(diào)節(jié)可變電阻R，使得電極間的電壓從零開(kāi)始上升。

　　我們發(fā)現(xiàn)從O到C，這一段的空氣擊穿特性是非自持的。只要外界條件發(fā)生改變，則空氣的擊穿現(xiàn)象立刻就終止。

　　OA段的電壓很低，但氣隙中的空氣在宇宙射線或者光照的激發(fā)下，有很少的氣體被電離。電離后的氣體成為正離子和電子，正離子向陰極運(yùn)動(dòng)，而電子則向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)。但由于被電離的分子占空氣總量的比值過(guò)小，所以離子還沒(méi)運(yùn)動(dòng)到電極處，絕大部分就被復(fù)合掉了。因此電流很小。

　　電離分子與空氣總量之比稱(chēng)為電離度。

　　在AB區(qū)，電壓增高了不少，有部分離子終于到達(dá)電極處了，因而電流也略微增大一些。由于離子的產(chǎn)生原因是宇宙射線，而宇宙射線的總量是固定不變的，因此AB區(qū)盡管電壓變化較大，但電流變化很小。

　　在BC區(qū)，電子(也即負(fù)離子)從電場(chǎng)中獲得的能量已經(jīng)夠大，因而開(kāi)始形成電場(chǎng)電離。

　　設(shè)電子的質(zhì)量為m，其運(yùn)動(dòng)速度為v，Wi為電離能，若電子動(dòng)能大于電離能，也即：

　　則電子在前進(jìn)途中，會(huì)撞擊它所遇見(jiàn)的中性氣體分子并使之電離，因而氣隙空氣中的電離度大增，電流急劇增大。

　　與此同時(shí)，正離子也沒(méi)閑著。正離子的能量更大，當(dāng)它到達(dá)電極區(qū)并狠狠地撞擊電極時(shí)，把電極金屬中的電子給撞出來(lái)。這叫做電子的逸出功。逸出的電子加入負(fù)離子的隊(duì)伍，也向正極前進(jìn)。

　　終于，在曲線的C點(diǎn)，空氣被擊穿了。C點(diǎn)的電壓也因此被稱(chēng)為擊穿電壓。

　　從C到F，空氣的電離是自持的，即使沒(méi)有宇宙射線，電離也能維持。

　　DE區(qū)，空氣的放電產(chǎn)生輝光：

　　上圖是稀有氣體的輝光放電，下圖是電子管中的輝光放電。純凈而又美艷的藍(lán)光，攝人眼簾，漂亮吧?

　　從E點(diǎn)往右，就是弧光放電了，也就是我們已經(jīng)熟知的電弧。

　　這是帶電拉閘刀開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的電?。?/p>

　　這是電焊產(chǎn)生的電?。?/p>

　　還有雷電產(chǎn)生的電?。?/p>

　　空氣被擊穿電離后，由于溫度極高，大約為6000K，因而產(chǎn)生大量的熱。這些熱既能用來(lái)電焊，但也能對(duì)開(kāi)關(guān)電器產(chǎn)生破壞作用。

　　對(duì)于低壓電器來(lái)說(shuō)，我們當(dāng)然希望能把電弧迅速地消除掉。

　　氣體放電和擊穿理論內(nèi)容很多，有流注理論、湯遜放電理論等等，限于篇幅，對(duì)于空氣的放電和擊穿我們只能介紹到這里。

　　第二部分：直流電弧的特性及熄弧方法

　　在這部分討論中，我們先來(lái)看看電弧穩(wěn)定存在的條件，然后再來(lái)考慮熄滅電弧的方法。具體討論如下：

　　我們來(lái)看下圖：

　　先看左上的圖1：

　　圖中我們看到是一個(gè)很簡(jiǎn)單的電路。電路中有直流電源E，有電感L，有可變電阻R，還有由斷路器開(kāi)斷后的動(dòng)、靜觸點(diǎn)構(gòu)成的兩個(gè)電極1和2，以及它們中間的電弧。

　　現(xiàn)在我們來(lái)看左下的圖2：

　　圖2中的試驗(yàn)條件是：我們先把電感去除，然后讓斷路器開(kāi)斷形成電弧，再調(diào)節(jié)可變電阻R，構(gòu)成兩條電弧的伏安特性曲線H1和H2。

　　解釋一下：

　　我們知道電弧其實(shí)是一條熾熱的等離子體氣體。電弧氣體越熱，它的等效電阻就越小，電弧電流也就越大。因此，電弧的伏安特性曲線具有負(fù)阻特性。

　　注意：電弧的伏安特性曲線具有負(fù)阻特性，這一點(diǎn)非常重要，是我們討論的基礎(chǔ)。

　　圖2中出現(xiàn)了兩條電弧伏安特性曲線H1和H2。我們很容易判斷出，比較高的H2曲線在相同電弧電壓條件下，它的電流更大，電弧溫度更高;當(dāng)然，在相同的電弧電流條件下，H2的電弧電壓也越高。

　　現(xiàn)在我們來(lái)看下部中間的圖3：

　　圖中我們看到了一條電弧伏安特性曲線A，設(shè)它的電弧電流是I1，此時(shí)電弧在1點(diǎn)穩(wěn)定燃燒。我們快速地調(diào)小可變電阻R，使得電流由I1增大為I2。結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)，電弧的電壓居然跑到3點(diǎn)，然后再回到正常的第4點(diǎn);如果我們快速地調(diào)大可變電阻R，使得電流由I1減小為I3，我們發(fā)現(xiàn)電弧電壓先到5點(diǎn)，然后才到正常的第6點(diǎn)。

　　奇怪!為什么會(huì)這樣?

　　道理是這樣的：電弧是一團(tuán)熾熱的氣體，它的溫度不允許突變，也就是說(shuō)，電弧對(duì)電流變化有一定的限流特性。因此當(dāng)電弧電壓迅速變化后，電弧電流的變化相對(duì)遲滯，存在過(guò)渡過(guò)程。

　　這個(gè)結(jié)論也很重要。再次強(qiáng)調(diào)一下：由于電弧的溫度不允許突變，因此電弧具有一定的限流能力。

　　現(xiàn)在我們來(lái)看最重要的圖4。為了看圖方便，我把圖4單獨(dú)列出，如下：

　　圖4的試驗(yàn)條件是：電感已經(jīng)接入，可變電阻R調(diào)整到某值，斷路器已經(jīng)閉合，其動(dòng)靜觸點(diǎn)處于閉合狀態(tài)?，F(xiàn)在開(kāi)斷斷路器，于是在動(dòng)靜觸頭間出現(xiàn)電弧。我們?cè)O(shè)，電弧在觸頭間穩(wěn)定地燃燒。電弧的伏安特性曲線是紅色的實(shí)線，我們看到它具有負(fù)阻特性。

　　我們對(duì)整個(gè)電路用基爾霍夫電壓定律KVL求解，得到下式：

　　當(dāng)電流為零時(shí)，斷路器動(dòng)靜觸頭之間的電壓等于電源電動(dòng)勢(shì)E;同時(shí)，我們令：

　　于是，我們就繪出了圖4中的斜線EK。它在電壓軸上的截距是E，在電流軸上的截距是K，它的高度是E-RIh。

　　EK這條線實(shí)質(zhì)上就是負(fù)載線，它與電弧伏安特性的交點(diǎn)就是系統(tǒng)在生弧條件下的工作點(diǎn)。

　　現(xiàn)在我們來(lái)仔細(xì)看圖4：

　　在電弧伏安特性曲線左側(cè)的1點(diǎn)往左，以及右側(cè)的2點(diǎn)往右，斜線EK的高度低于電弧伏安特性曲線，也即E-RIh-Uh<0，故LdIh/dt<0，所以在這兩個(gè)區(qū)域中，電弧電流Ih將隨著時(shí)間的變化而減小。

　　在1點(diǎn)和2點(diǎn)的中間，斜線EK的高度高于電弧伏安特性曲線，也即E-RIh-Uh>0，故LdIh/dt>0，所以在這個(gè)中間區(qū)域中，電弧電流Ih將隨著時(shí)間的變化而增大。

　　什么意思呢?左側(cè)的1點(diǎn)為電弧的不穩(wěn)定點(diǎn)，右側(cè)的2點(diǎn)為電弧的穩(wěn)定工作點(diǎn)。也即：2點(diǎn)為電弧真正的燃燒穩(wěn)定工作點(diǎn)。

　　如果我們希望電弧熄滅，我們就必須讓2點(diǎn)不存在。

　　這個(gè)結(jié)論就是在直流電路中熄滅觸頭電弧的關(guān)鍵點(diǎn)，也是我們?cè)O(shè)計(jì)各種熄滅直流電弧措施的出發(fā)點(diǎn)。

　　從圖4看，解決問(wèn)題的方法是：

　　第一：加大線路電阻，使得斜線在電流軸上的截距由K點(diǎn)移動(dòng)到K'點(diǎn)。這樣一來(lái)，2點(diǎn)自然就不存在了。

　　第二：提高電弧的伏安特性曲線到圖4中的虛線位置，使得新工作曲線在斜線EK之上，2點(diǎn)也就不存在了。

　　我們來(lái)看看實(shí)際的熄滅直流電弧的方法：

　　圖1采取電阻滅弧的方法，對(duì)應(yīng)于方法1;圖2采取在電感線圈的反向電動(dòng)勢(shì)回路中增加泄放二極管和電阻串聯(lián)的方式，此法亦為方法1;圖3采用阻容吸收的方式，圖4與圖2類(lèi)似，常用于晶體管開(kāi)關(guān)電路;圖5是配電和繼保線路中常見(jiàn)方式，采取同類(lèi)觸點(diǎn)串聯(lián)，使得短弧變?yōu)殚L(zhǎng)弧，以對(duì)電弧降溫熄弧。

　　說(shuō)到直流熄弧，一定要談到滅弧柵。如下：

　　此法采用與圖5類(lèi)似的把短弧變?yōu)殚L(zhǎng)弧的方法，以降溫熄弧。

　　第三部分：交流電弧的特性及熄弧方法

　　我們來(lái)看下圖：

　　上圖是電阻性負(fù)載的電壓和電流波形圖，下圖是電感性負(fù)載的電壓和電流波形圖。注意到感性負(fù)載時(shí)電壓超前電流90度。

　　區(qū)別于直流電弧，交流電弧在電流過(guò)零的時(shí)刻，電弧會(huì)自動(dòng)熄滅，而在電流過(guò)零后，如果條件具備，則又重新起弧。

　　這種在電流過(guò)零前后電弧熄滅的情況，被稱(chēng)為交流電弧的零休現(xiàn)象。見(jiàn)下圖：

　　當(dāng)電流過(guò)零后，電弧熄滅。但是觸頭間的氣隙仍然是灼熱的，其中殘存著部分電離氣體。這些殘存的陽(yáng)離子和陰離子需要時(shí)間來(lái)恢復(fù)成正常的空氣分子。

　　我們看電阻性負(fù)載的零休現(xiàn)象：零休后，由于殘留電離氣體形成了剩余電流，再加上電壓恢復(fù)的程度比較快，使得電弧重燃。

　　顯見(jiàn)，如果我們能設(shè)法讓介質(zhì)(也即空氣)恢復(fù)強(qiáng)度大于電壓恢復(fù)強(qiáng)度，則電弧就不會(huì)重燃。

　　我們?cè)倏措姼行载?fù)載的零休現(xiàn)象：當(dāng)反向波形的電弧電流進(jìn)入零休并過(guò)零時(shí)，正向電壓已經(jīng)到達(dá)最大值，因此電感性負(fù)載的電弧重燃會(huì)提前。由此可知，電感性負(fù)載的交流電弧更加難以熄滅。

　　由此我們總結(jié)出一個(gè)非常重要的結(jié)論：

　　交流電弧不重燃的條件是：介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度Ujf大于電壓恢復(fù)強(qiáng)度Uhf。也即：

　　看下圖：

　　上圖中交流電弧過(guò)零后不會(huì)重燃，下圖則會(huì)重燃。

　　相信知友們看到這里，一定能夠體會(huì)和感覺(jué)到這里面的知識(shí)量十分豐富。這里有對(duì)氣體性質(zhì)的研究，包括六氟化硫氣體、空氣和真空;還有電壓恢復(fù)與電路結(jié)構(gòu)的關(guān)系，以及各種氣體的擊穿理論。

　　對(duì)于以空氣作為絕緣介質(zhì)的低壓電器來(lái)說(shuō)，已經(jīng)找到了某種材料，用它作為電弧隔板時(shí)，電弧的熱量會(huì)使得這種材料釋放出類(lèi)似六氟化硫的氣體，加強(qiáng)介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度，使得交流電弧不再重燃。

　　目前，國(guó)內(nèi)外有些空氣斷路器內(nèi)已經(jīng)安裝有這種材料，取得良好的效果。

　　工作在交流電流下的開(kāi)關(guān)電器，其滅弧方法很多，有柵片滅弧、磁吹滅弧、縱縫滅弧等等。限于篇幅，不再介紹。

　　低壓電器中的交流電弧，還有一個(gè)很重要的”特色“，就是近陰極效應(yīng)。

　　設(shè)電流過(guò)零前，靜觸頭是陽(yáng)極，動(dòng)觸頭是陰極。陽(yáng)極發(fā)射陽(yáng)離子到陰極，而陰極這發(fā)射電子到陽(yáng)極。陽(yáng)離子比電子重得多因而跑得慢，所以在陽(yáng)極附近有大量的陽(yáng)離子存在。

　　電流過(guò)零后，靜觸頭變?yōu)樾玛帢O，其附近的陽(yáng)離子還存在，于是對(duì)新陰極發(fā)射電子產(chǎn)生了阻擋作用。其結(jié)果在很短的一段時(shí)間內(nèi)，阻止了起弧。這段時(shí)間長(zhǎng)度大約為150微秒。

　　近陰極效應(yīng)由于時(shí)間短，對(duì)于中壓的長(zhǎng)弧不起任何作用，但對(duì)于低壓電弧來(lái)說(shuō)，能起到很好的限制起弧和限流作用。