低压电气和低压电器技术——开关电器触头开断过程是什么样的？-北极星输配电网

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许多朋友想了解开关电器触头开断的过程。

触头分断包括四个过程：

第一个过程：刚开始分离

当触头开始分离时，动触头朝着与静触头分离的方向运动。由于超程的原因，电路并未断开，但超程和接触压力在逐渐减小，接触点也在减小，直至剩下最后一个接触点。此接触点内电流密度很大，温升剧烈升高，以至于触头熔融。

专有名词解释：

1.动触头和静触头

开关电器闭合和分断时始终处于静态的触头称为静触头，见上图中右侧的触头；

开关电器闭合和分断时执行合分操作的触头称为动触头，见上图中左侧的触头。

2.开距

开距指的是触头处于打开状态时，动静触头之间的距离。

开距与触头组合的介电能力有关，与熄弧过程也有关。

3.超程

上图中，当动静触头闭合后，把静触头抽走，动触头能够继续运动的距离叫做超程。

超程很重要。当触头合金因为多次合分被电磨损磨平，也即电寿命终了时，超程决定了开关电器仍然能执行闭合操作。也因此，电寿命与超程结下了不解之缘。

另外，超程与接触压力有关。

第二个过程：形成液态金属桥并拉断

动静触头已经脱离，但熔融的金属形成液态金属桥。由于金属桥的电阻大于固体金属，而热量又高度集中在桥内，使得金属桥的温度达到沸点，随后金属桥发生爆炸性断裂，触头间隙就此形成。

这一段文字好理解。不过这里有一个小问题：为何液态金属桥的电阻大于固体金属？

答案是：一般的金属材料都具有正电阻温度系数，温度越高，电阻越大。

第三个过程：触头断裂形成电弧

触头刚断裂瞬间，间隙中充满金属蒸汽和空气。由于电流被瞬间切断，因此产生过电压，将空气介质和金属蒸汽击穿，并形成电弧。

为何电流被瞬间切断后会产生过电压？

答案是：因为线路中存在感性元件，电感产生了反向电动势E，且有：

E=-LdI/dt

开断过程越快，反向电动势就越高，由此形成过电压。

第四个过程：电弧熄灭完成开断操作

随着触头间隙继续扩大，各种熄灭电弧的因素在起作用，随着电弧电流和温度降低，电弧最终转化为非自持放电并且熄灭。触头间隙恢复为绝缘体，触头分断过程就此结束。

这一段文字中的概念比较多。主要有：

直流电弧的熄灭条件、交流电弧的熄灭条件、交流电弧的零休现象、低压电器的交流电弧近阴极效应、气体的自持放电及非自持放电等等。

我逐一解释。

第一：关于直流电弧的熄灭条件

图1是电路图。当电弧出现后，如果电弧稳定燃烧，它的电流Ih不变，于是电感上的电压LdIh/dt=0。图4中可看见两处满足条件，即点1和点2，但仅点2是电弧稳定燃烧点。

为了不让电弧稳定燃烧，有两个办法，其一是增大线路电阻，也即把图4中的EK线变成EK'线，使得电弧电流脱离点2，实现灭弧；其二是用栅格等方法把电弧切断，使得电弧曲线上升，也即让图中的电弧曲线H1上升为H2，以此脱离点2，实现灭弧。

第二：关于交流电弧的熄灭条件

交流电弧存在过零的也即零休现象。零休时，电弧熄灭。

当电压反相后，弧隙电压Uvf迅速升高，同时弧隙中的气体温度在降低，介质的恢复作用Ujf也在增强。

如果Uvf>Ujf，则交流电弧一定重燃；反之，如果Uvf

第三：低压交流电弧的近阴极效应

这个现象在以前解释过，此处不再重复。近阴极效应是低压电器所特有的，它能帮助低压电器灭弧。

近阴极效应只能用于低压电器。

第四：气体的非自持放电和自持放电

看下图：

图中蓝色区域OC为非自持放电，而CF为自持放电区。其中DE为电弧放电区。

当触头间隙中的气体因为弧温降低，使得气体的击穿状态进入到非自持区域时，只要生弧条件不满足，则电弧熄灭。

延伸阅读：

低压电气和低压电器技术之9——与电气知识密切相关的时钟

低压电气和低压电器技术之3——浅谈低压空气开关中的“空气”和灭弧原理

低压电气和低压电器技术之7——浅谈低压断路器的限流技术

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