【正文】 第二章 電接觸與電弧理論n 電路的通斷和轉(zhuǎn)換是通過電器中的執(zhí)行部件、主要是其觸頭和滅弧裝置來實(shí)現(xiàn)的 。觸頭接通和分?jǐn)嚯娏鞯倪^程每每伴隨著氣體放電現(xiàn)象和電弧的產(chǎn)生及熄滅。 電弧對(duì)電器多半有害 。例如，電弧出現(xiàn)會(huì)延緩電路的分?jǐn)噙^程、燒傷觸頭、縮短觸頭乃至整個(gè)電器的壽命，甚至還會(huì)引起火災(zāi)和人身傷亡事故。然而， 電弧又是電路所儲(chǔ)電磁能量泄放的主要途徑 ，非此難以降低電路分?jǐn)鄷r(shí)出現(xiàn)的過電壓。觸頭既是一切有觸點(diǎn)電器的執(zhí)行元件，同時(shí)又是其中 最薄弱的環(huán)節(jié) 。其工作優(yōu)劣不僅直接影響到整個(gè)電器的性能，還將影響到一個(gè)系統(tǒng)的工作可靠與否。n 觸頭的工作與電弧密切相關(guān)，它在工作過程中將被高溫電弧所灼傷，并因之而發(fā)生質(zhì)量轉(zhuǎn)移和電侵蝕。因此，本章將討論 電弧的產(chǎn)生原因、性質(zhì)、熄滅方法以及電器中常用的滅弧裝置 ，同時(shí)還要討論電接觸現(xiàn)象的本質(zhì)、觸頭在各種工作狀態(tài)下的行為、以及延長觸頭壽命和改善觸頭工作性能的技術(shù)措施。第一節(jié) 電接觸與觸頭n 任何電工裝置皆由彼此間以任意方式聯(lián)系著的單元構(gòu)成，其中賴以保證電流流通的導(dǎo)體間的聯(lián)系稱為電接觸，它是一種物理現(xiàn)象。通過互相接觸以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電的具體物件稱為 電觸頭 (簡稱觸頭 ) ，它是接觸時(shí)接通電路、操作時(shí)因其相對(duì)運(yùn)動(dòng)而斷開或閉合電路的兩個(gè)或兩個(gè)以上的導(dǎo)體。一、觸頭的分類(一 )連接觸頭 連接觸頭是以機(jī)械方式一 焊接 、 鉚接 和 栓接 來連接電路的不同環(huán)節(jié)，使電流得以自一環(huán)節(jié)流向另一環(huán)節(jié)。這種觸頭在工作過程中無相對(duì)運(yùn)動(dòng)，它 永遠(yuǎn)閉合 著。連接觸頭除栓接式 為可卸式外， 其余為不可卸式。 對(duì)連接觸頭的基本要求對(duì)連接觸頭的基本要求 是在其所在裝置的使用期限內(nèi)，應(yīng)能完整無損地長期通過正常工作電流和短時(shí)通過規(guī)定的故障電流。為此，它的電阻應(yīng)當(dāng)不大而且穩(wěn)定。這就要求它能耐受周圍介質(zhì)的作用，又能耐受溫度變化引起的形變和通過短路電流時(shí)所產(chǎn)生的電動(dòng)力。(二 )換接觸頭 換接觸頭是電器中用以接通、分?jǐn)?及 轉(zhuǎn)換電路 的執(zhí)行部件，并且總是以動(dòng)觸頭和靜觸頭的形式 成對(duì) 地出現(xiàn)。它具有多種形式，諸如楔形觸頭、刷形觸頭、指形觸頭、 橋式觸頭 和瓣式觸頭等。 對(duì)換接觸頭的基本要求對(duì)換接觸頭的基本要求是 電阻小而穩(wěn)定，并且耐電弧、抗熔焊和電侵蝕 。顧及到有觸電器的故障很大一部分是觸頭工作不良所致，且后果往往還較嚴(yán)重，故對(duì)此決不可掉以輕心。二、換接觸頭的工作狀態(tài)和基本參數(shù)n 換接觸頭有 兩種穩(wěn)定的工作狀態(tài) : 對(duì)應(yīng)于電路通路的閉合狀態(tài) 。 對(duì)應(yīng)于電路斷路的斷開狀態(tài)。 換接觸頭還有 兩種過渡工作狀態(tài) ： 從斷開狀態(tài)向閉合狀態(tài)過渡的接通過程 。 從閉合狀態(tài)向斷開狀態(tài)過渡的分?jǐn)噙^程。n 四個(gè)基本參數(shù) :開距、超程、初壓力和終壓力 ：n 開距 是觸頭處于斷開狀態(tài)時(shí)其動(dòng)靜觸頭間的最短距離，其值是由它能否耐受電路中可能出現(xiàn)的過電壓以及能否保證順利熄滅電弧來決定的。n 超程 是觸頭運(yùn)動(dòng)到閉合位置后、將靜觸頭移開時(shí)動(dòng)觸頭還能移動(dòng)的距離，其值取決于觸頭在期限內(nèi)遭受的電侵蝕。n 初壓力 是觸頭剛閉合時(shí)作用于它的正壓力。n 終壓力 是觸頭閉合終止位置的壓力，其值由許多因素，諸如溫升、熔焊等所決定。第二節(jié) 電弧及其產(chǎn)生過程一、載流電路的開斷過程 動(dòng)靜觸頭的接觸原本是許多個(gè)點(diǎn)在接觸，而接觸壓力一般是由彈簧產(chǎn)生的。由于超程的存在，觸頭開始分?jǐn)鄷r(shí)，電路并沒開斷，僅僅是動(dòng)觸頭朝著與靜觸頭分離的方向運(yùn)動(dòng)。這時(shí)， 超程和接觸壓力都逐漸減小，接觸點(diǎn)也減少。及至極限狀態(tài)、即僅剩一個(gè)點(diǎn)接觸時(shí)，接觸面積減至最小，電流密度非常巨大，故電阻和溫升劇增。以致觸頭雖仍閉合，但接觸處的金屬已處于熔融狀態(tài)。 此后，動(dòng)觸頭繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，終于脫離，但動(dòng)靜觸頭間并未形成間隙，而由熔融的液態(tài)金屬橋所維系著。液態(tài)金屬的電阻率遠(yuǎn)大于固體金屬的，故金屬橋內(nèi)熱量高度集中，使其溫度達(dá)到材料的沸點(diǎn)，并隨即發(fā)生爆炸形式的金屬橋斷裂過程，觸頭間隙也形成了。 金屬橋剛斷裂時(shí)，間隙內(nèi)充滿著空氣或其他介質(zhì)及金屬蒸氣，它們均具有絕緣性質(zhì)。于是，電流被瞬時(shí)截?cái)啵a(chǎn)生過電壓，將介質(zhì)和金屬蒸氣擊穿，使電流以火花放電乃至電弧的形式重新在間隙中流通。此后，隨著動(dòng)觸頭不斷離開靜觸頭以及各種熄弧因素作用，電弧終將轉(zhuǎn)化為非自持放電并最終熄滅，使整個(gè)觸頭間隙成為絕緣體，觸頭分?jǐn)噙^程亦告終結(jié)至此，觸頭已處于斷開狀態(tài)。二、電弧的形成過程 兩個(gè)觸頭行將接觸或開始分離時(shí)，只要它們之間的電壓達(dá) 12 ~20V、電流達(dá) ~ lA,觸頭間隙內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生高溫弧光，這就是 電弧 。 壞處： 因?yàn)槠錅囟冗_(dá)成千上萬 K足以燒傷觸頭、使之迅速損壞 。它也能使觸頭熔焊、破壞電器的正常工作，甚或釀成火災(zāi)刀人員傷亡等嚴(yán)重事故 。 它還會(huì)產(chǎn)生干擾附近的通信設(shè)施的高次諧波。 益處： 電弧焊、電弧熔煉和弧光燈等是專門利用電弧的設(shè)備，電器本身可借助電弧以防止產(chǎn)生過高的過電壓和限制故障電流。(一 )氣體的電離 電子是在一定能級(jí)的軌道上環(huán)繞原子核旋轉(zhuǎn)。離原子核越遠(yuǎn)，軌道能級(jí)越高。若電子吸收了外界能量、但仍不足以脫離原子核束縛，它只能躍遷到能級(jí)更高的軌道上，處于激勵(lì)狀態(tài)。電子在激勵(lì)狀態(tài)只能延續(xù) ~1us。在此期間，電子再獲得外界能量，它便將脫離原子核的束縛而逸出，成為 自由電子 ，否則，它將按量子規(guī)律釋放多余能量而返回原軌道。 當(dāng)電子受激勵(lì)躍遷到特殊能級(jí)的軌道時(shí)，它能在激勵(lì)狀態(tài)持續(xù) ~10ms。這就更易再次吸收外界能量而逸出。此類狀態(tài)稱為 亞穩(wěn)態(tài) ，它在電離過程中起著主要作用。 如果電子獲得足以脫離原子核束縛的能量，它便逸出成為自由電子，而失去電子的原子則成為正離子。這種現(xiàn)象稱為 電離 。發(fā)生電離所需能量稱為 電離能 Wi。 n 使一個(gè)電子激勵(lì)所需能量稱為激勵(lì)能 We，它與電離能 Wi均以電子伏 eV為單位。表 21中列舉了部分氣體和金屬蒸氣的 We和 Wi值。電離形式表面發(fā)射空間電離場致發(fā)射光發(fā)射二次電子發(fā)射熱發(fā)射光電離碰撞電離熱電離發(fā)生于金屬電極表面發(fā)生于觸頭間隙內(nèi)場致發(fā)射光發(fā)射二 次電子發(fā)射熱發(fā)射光電離碰撞電離熱電離熱發(fā)射出現(xiàn)于電極表面被加熱到 2022 ~2500K時(shí)。此時(shí)電極表面的自由電子就因獲得足以克服表面晶格電場產(chǎn)生的勢壘而逸出到空間 。場致發(fā)射是因電極表面存在強(qiáng)電場 ,使表面墊壘厚度減小而令電子借隧道效應(yīng)逸出的。光發(fā)射是光和各種射線照射于金屬表面。使電子獲得能量而逸出的現(xiàn)象。二次電子發(fā)射是指正離子高速撞擊陰極、或電子高速撞擊陽極引起的表面發(fā)射。 一般陰極表面的二次電子發(fā)射較強(qiáng)，并在氣體放電過程中起著重要作用。光電離發(fā)生在 hvWi時(shí)，光頻率 v越高，光電離便越強(qiáng)?？梢姽馔ǔ２灰鸸怆婋x。帶電粒子在場強(qiáng)為 E的電場中運(yùn)動(dòng)時(shí)，它在兩次碰撞之間的自由行程上可獲得動(dòng)能 W=qEλ，若該能量大于或等于中性粒子的電離能，該粒子被碰撞后即電離。由于電子的自由行程大，故引起碰撞電離的主要是電極發(fā)射或空間中性粒子電離時(shí)釋放的電子。有時(shí)碰撞能量不足以使中性粒子電離，只能使之處于激勵(lì)狀態(tài)或使電子附于中性粒子上成為負(fù)離子。實(shí)際電離過程絕非單一形式的，而是各種電離形式的綜合表現(xiàn)(二 )消電離及其形式 電離氣體中的帶電粒子自身消失或失去電荷而轉(zhuǎn)化為中性粒子的現(xiàn)象稱為消電離 。電離與消電離是同時(shí)存在也同時(shí)消亡的矛盾統(tǒng)一體 。 消電離主要有兩種形式 復(fù)合和擴(kuò)散 。 復(fù)合 :兩帶異性電的帶電粒子彼此相遇后失去電荷成為中性粒子的現(xiàn)象稱為復(fù)合。 復(fù)合有 表面復(fù)合 與 空間復(fù)合 兩種形式。 擴(kuò)散： 帶電粒子自高溫高濃度處移向低溫低濃度處的現(xiàn)象稱為擴(kuò)散。它能使電離空間內(nèi)的帶電粒子減少，所以有助于熄滅電弧。表面復(fù)合電子進(jìn)入陽極或負(fù)離子接近陽極把電子轉(zhuǎn)移給陽極、以及正離予接近陰極從它取得電子時(shí)，這些帶電粒子均失去電荷化為中性粒子。還有，當(dāng)電子接近、不帶電的金屬表面 (圖 23a)或負(fù)離子接近之 (圖 23b)時(shí)，它們將因金屬表面感應(yīng)而生的異性電荷作用被吸附于其上，一旦附近出現(xiàn)帶異性電的帶電粒子，這些粒子便互相吸引，復(fù)合形成中性粒子。即使帶電粒子到達(dá)絕緣體表面，由于感應(yīng)所生極化電荷的作用，也會(huì)發(fā)生類似于出現(xiàn)在金屬表面的復(fù)合過程。上述這些發(fā)生在帶電或不帶電物體表面的表面的復(fù)合過程，統(tǒng)稱為表面復(fù)合?？臻g復(fù)合若正離子和電子在極間空隙內(nèi)相遇 (圖 23c)，它們將復(fù)合成為一個(gè)中性粒子，這就空間復(fù)合。若電子在空間運(yùn)動(dòng)中為一中性粒子俘獲形成一負(fù)離子，然后再與正離子相遇復(fù)合成為兩個(gè)中性粒子 (圖 23d)，這就是間接空間復(fù)合。 另外，復(fù)合的概率與氣體性質(zhì)及純度有關(guān)。例如，惰性氣體和純凈的氫氣及氮?dú)舛疾粫?huì)與電子結(jié)合成為負(fù)離子，而氟原子及其化合物 (如SF6氣體 )就具有極強(qiáng)的俘獲電子的能力。因此 SF6被稱為負(fù)電性氣體，它是一種良好的滅弧介質(zhì)。 帶電粒子在復(fù)合時(shí)將釋放出部分能量，后者或被用以加熱物體的表面 (表面復(fù)合時(shí) )；或被用以增大所形成中性粒子的運(yùn)動(dòng)速度及以光量子形式向周圍空間輻射 (空間復(fù)合時(shí) )。(三 )氣體放電過程 若在兩電極之間施加電壓，當(dāng)逐漸增大電壓 u至一定值時(shí)，便發(fā)生了間隙內(nèi)的氣體放電現(xiàn)象。圖 24所示即為直徑 I0cm、間隙為數(shù)厘米、氣壓約 133Pa的低氣壓放電管氣體放電的靜態(tài)伏安特性。 在 OA段，外施電壓甚低，由外界催離素 (如陰極被加熱和各種射線的作用 )產(chǎn)生的帶電粒子尚難以全部到達(dá)陽極，故電流 i雖隨電壓 u上升而增大，但其值極微小。在AB段，隨著電壓增大，電流已達(dá)飽和值，但該值仍由外界催離素的作用自陰極釋放的電子數(shù)所決定。在 BC和 CD段，由于電壓繼續(xù)增大已導(dǎo)致場致發(fā)射和二次電子發(fā)射以及不甚強(qiáng)的碰撞電離，故電流又在增大，開始很慢 (BC段 )、然后較快 (CD段)。然而，在整個(gè) OD段，若無外界催離素的作用，間隙內(nèi)就沒有白由電子，放電亦將終止，故此階段被稱為非自持放電階段。OD段：非自持放電階段DH段：自持放電階段從 D點(diǎn)起，場致發(fā)射及二次電子發(fā)射的電子已甚多，以致除去外界電離因素后仍可借空間的碰撞電離維持放電，故氣體放電已有質(zhì)的變化，進(jìn)入了自持放電階段。于是，電流增長迅速，且放電伴隨有不強(qiáng)的聲光效應(yīng)。對(duì)應(yīng)于 D點(diǎn)的電壓是決定自持放電的主要因素，它稱為氣隙的擊穿電壓 Ub在氣體間隙的擊穿過程中，先是陰極發(fā)射的電子在電場作用下向陽極運(yùn)動(dòng)，并于此中過碰撞產(chǎn)生許多新的電子和正離子。電子運(yùn)動(dòng)速度大，多集中于前進(jìn)方向端部 。正則反之，處于尾部。這種形式的分布稱為 電子雪崩 。隨著雪崩數(shù)量增多及其端部和尾部分別向陽極和陰極發(fā)展，間隙內(nèi)就形成了自陰極至陽極的離子化通道，即 氣隙的擊穿 。CE段：湯遜放電區(qū)湯遜最先研究了 CE段的放電現(xiàn)象，所以該段被稱為湯遜放電區(qū)。但即使是自持性湯逾放電也是無光的，故稱作無光放電或黑暗放電。EF段：過度階段從 E點(diǎn)至 F段稱為過渡階段，放電由無光轉(zhuǎn)向有輝光，電流也在增大。但由于碰撞電離增強(qiáng)，為維持放電所需的電壓反而反而降低了。此階段內(nèi)，陰極附近的正離子部分被中和，陰極區(qū)電壓降也逐漸降低。FG段在 FG段，放電電電流繼續(xù)增大，輝光放電向著擴(kuò)張到整個(gè)陰極表面發(fā)展，故電流密度不大 (約 )，而且穩(wěn)定，并使陰極區(qū)電壓降也較穩(wěn)定，其值約數(shù)百伏。GH段：異常放電階段在 GH段，由于電流和電流密均在增大，陰極區(qū)電壓降和維持放電所需電壓亦增大。這個(gè)階段被稱作異常輝光放電階段。H點(diǎn)后從 H點(diǎn)開始，氣體放電已進(jìn)入弧光放電階段，它伴隨著強(qiáng)烈的聲光和熱效應(yīng)。這時(shí)，電流密度已高達(dá) 107A/m2以上，故放電通道溫度極高 (在 6000K以上 )。放電形式以熱電離為主，陰極區(qū)電壓降較小，僅數(shù)十伏。自持放電形式很多，諸如無光放電、輝光放電、電暈放電、火花放電，弧光放電 (電弧 )等，但它們是否轉(zhuǎn)化為弧光放電以及如何轉(zhuǎn)化，則受到許多客觀因素的影響。三、電弧的外觀與本質(zhì)n 從外表來看，電弧是存在于電極 (觸頭 )間隙內(nèi)的一團(tuán)光度極強(qiáng)、溫度羅極高的火焰。電弧形成時(shí)，陰極表面有一塊或若干塊光度特別強(qiáng)的區(qū)域 陰極斑點(diǎn)。它的溫度常為陰極材料的氣化溫度，電流密度亦達(dá) 10A/mm2以上。在電弧電流本身磁場作用下，此斑點(diǎn)在陰極表面不斷移動(dòng)，并發(fā)射電子。臨近斑點(diǎn)的一段極短的電弧區(qū)（越等于電子的平均自由行程、即 〈 106m)稱為 近陰極區(qū) 。其中電弧光度較小，電壓降卻很大。陰極發(fā)射的電子在此區(qū)域內(nèi)被電場加速后具