一、直流電弧的伏安特性

直流電弧是指產(chǎn)生電弧的電路電源為直流。當(dāng)直流電弧穩(wěn)定燃燒時(shí)，電路仍是導(dǎo)通的，因而電弧中有電弧電流，電弧兩端有電弧壓降。電弧的伏安特性就是指電弧電壓與電弧電流之間的關(guān)系曲線，它實(shí)質(zhì)上是反映電弧內(nèi)的物理過(guò)程，是電弧重要特性之一。由于影響電弧伏安特性的因素很多，通?？捎脤?shí)驗(yàn)方法求得。

如圖2－2中電路圖所示，在兩極中有一穩(wěn)定燃燒的電弧。我們?nèi)羰峭ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)可變電阻R的值非常緩慢地調(diào)節(jié)回路電流(→0)，在這個(gè)過(guò)程中分別測(cè)量電弧電流和電弧兩端電壓，可繪出其伏安特性，如圖2－2中曲線1。

圖2－2　直流電弧及其伏安特性

此伏安特性稱(chēng)為直流電弧的靜伏安特性(簡(jiǎn)稱(chēng)靜特性)。靜特性是指在電弧穩(wěn)定燃燒(=0)條件下，電弧不受熱慣性影響時(shí)，電弧電流與電弧壓降的關(guān)系。

從曲線1可見(jiàn)，觸頭在開(kāi)斷直流電路時(shí)所產(chǎn)生的電弧，相當(dāng)于在電路中串入一個(gè)非線性電阻，當(dāng)電弧電流增加時(shí)，電弧電壓減小。這和我們熟知的普通電路的情況相反。在普通電路中，當(dāng)電流增加時(shí)，電阻上的電壓也增加，這是因?yàn)殡娐分械碾娮柚挡蛔兊木壒?。但在弧隙中，電弧電阻是隨著電弧電流而變化。隨著電流的增大，電弧內(nèi)的游離作用越來(lái)越激烈，離子濃度越來(lái)越大，導(dǎo)電性越好，其對(duì)外所呈現(xiàn)的電阻值愈小，從而維持電弧穩(wěn)定燃燒所需的電壓也相應(yīng)減?。环粗?，當(dāng)電弧電流減少時(shí)，維持電弧穩(wěn)定燃燒所需的電壓相應(yīng)增大。

若調(diào)節(jié)可變電阻R來(lái)調(diào)節(jié)回路電流，讓回路電流以一定速度增加(>0)或減少(<0)，則可得曲線3和2。這時(shí)所得的伏安特性稱(chēng)直流電弧的動(dòng)伏安特性(簡(jiǎn)稱(chēng)動(dòng)特性)。動(dòng)特性是指在電弧不穩(wěn)定燃燒條件下，電弧電流變化快，其熱慣性對(duì)電弧有影響時(shí)，電弧電流與電弧壓降的關(guān)系。根據(jù)電流變化速度不一樣，動(dòng)特性曲線有許多條。從圖2－2中可得出，伏安特性曲線1、2、3并不重合，而且電流增加過(guò)程的伏安特性3位于靜伏安特性1之上方，電流減小過(guò)程的伏安特性2位于靜伏安特性1的下方。其原因是因?yàn)楫?dāng)回路電流以一定速度變化時(shí)，電弧內(nèi)部有保持原來(lái)熱狀態(tài)(游離和消游離狀態(tài))的熱慣性作用，致使電弧內(nèi)部狀態(tài)的變化總是滯后于回路電流的變化。當(dāng)回路電流變化速度愈大時(shí)，這種熱慣性作用就愈明顯。電弧的電阻也就不同于相應(yīng)點(diǎn)應(yīng)有的電阻值，電弧的壓降同樣就和相應(yīng)點(diǎn)的壓降不同。

在圖2－2中，靜特性曲線1與縱軸交點(diǎn)的電壓值稱(chēng)為燃弧電壓，用表示。所謂燃弧電壓，就是產(chǎn)生電弧所必需的最低電壓，電壓低于此值，就不足以點(diǎn)燃電弧。伏安特性曲線2與縱軸交點(diǎn)的電壓值稱(chēng)為熄弧電壓，用表示。所謂熄弧電壓，就是指熄滅電弧的最高電壓，電壓高于此值，電弧將不能熄滅。熄弧電壓總是小于燃弧電壓的，其原因是燃弧前弧隙中介質(zhì)強(qiáng)度高，即游離程度小，要形成電弧就必須具有較高的電壓。燃弧電壓應(yīng)比維持電弧所需的最低電壓要高。電弧在燃燒過(guò)程中游離程度高，介質(zhì)強(qiáng)度低，維持其燃燒的最低電壓就低，而熄弧電壓應(yīng)比這個(gè)電壓還要低，所以熄弧電壓，總是小于燃弧電壓。

電弧的靜伏安特性與弧長(zhǎng)有關(guān)。在其它條件相同時(shí)，弧長(zhǎng)L愈長(zhǎng)，靜伏安特性愈向上移，如圖2－2中曲線4所示。其原因如下：在同一電流情況下，電弧單位長(zhǎng)度的電阻值不變，電弧拉長(zhǎng)后的總電阻增加，因而電弧的電壓就增大了。由于靜伏安特性向上平移，燃弧電壓和熄弧電壓也都要增加。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，拉長(zhǎng)電弧，可以加速電弧的熄滅。

二、直流電弧的熄滅

設(shè)有如圖2－3(a)所示典型的直流電弧電路，E為電源電勢(shì)，L和R分別為電路中和電弧串聯(lián)的電感和電阻。根據(jù)克希荷夫第二定律，可寫(xiě)出電壓平衡方程式

   　　　　          （2－1）

由于電弧的電阻呈非線性的特點(diǎn)，以采用圖解法為便。將式(2－1)中各項(xiàng)的伏安特性表示在同一坐標(biāo)系中，以便分析其相互間的關(guān)系。如圖2－3(b)所示，曲線2為電弧的靜伏安特性，直線1為E－iR。從圖中可以得出：直線1與曲線2相交于A、B兩點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的電流值為與。

圖2－3　開(kāi)斷電感電路的直流電弧及其熄滅

（a）直流電?。唬╞）直流電弧的熄滅。

一個(gè)直流電弧能夠穩(wěn)定燃燒的條件是有穩(wěn)定燃燒點(diǎn)，即=0。那么，要想使直流電弧熄滅，就應(yīng)該做到消除穩(wěn)定燃燒點(diǎn)，且<O。從圖形來(lái)看就應(yīng)該是曲線1與直線2沒(méi)有交點(diǎn)且曲線1位于直線2的上方。要想達(dá)到這個(gè)目的，圖形上的變化可有很多種，但結(jié)合實(shí)際來(lái)考慮，將曲線1向上平移至3的作法最為可行。從其代表的物理意義上來(lái)講，就是將電弧拉長(zhǎng)。所以拉長(zhǎng)電弧對(duì)熄滅直流電弧是最常用的方法，而且拉長(zhǎng)的方式也有多種。

圖2－4　電弧并聯(lián)電阻電路及其伏安特性

 還有一種方法也能使直流電弧熄滅，那就是在電弧兩端并聯(lián)電阻，如圖2－4所示。從圖形上看，由于，使得電弧兩端的伏安特性發(fā)生了變化，滿(mǎn)足了直流電弧熄滅的條件，電弧將熄滅。這種方法有一定的缺陷，那就是電弧雖熄滅了，但電路并未斷開(kāi)。所以要利用這種方法，還必須安裝附加開(kāi)關(guān)以分?jǐn)嗖⒙?lián)電阻電路。

三、斷開(kāi)感性電路的過(guò)電壓

為了減小電弧對(duì)觸頭及電器的燒損，通常希望熄弧時(shí)間越短越好。但是在斷開(kāi)感性電路時(shí)，若熄弧時(shí)間過(guò)短，電感中將產(chǎn)生很大的自感電勢(shì)，也就是L的值很大。其數(shù)值常比電源電壓大好多倍，通常稱(chēng)之為過(guò)電壓。為了區(qū)別于大氣過(guò)電壓，稱(chēng)之為內(nèi)部過(guò)電壓(或操作過(guò)電壓)。過(guò)電壓產(chǎn)生后，一方面可能將電氣設(shè)備的絕緣擊穿，引起破壞性故障；另一方面，可能擊穿弧隙，使電弧重燃。為此必須加以防止和限制。

斷開(kāi)感性電路產(chǎn)生過(guò)電壓的根本原因，在于貯存在電感中的磁場(chǎng)能量要在非常短暫的時(shí)間內(nèi)釋放出來(lái)并消耗掉。如果能將磁場(chǎng)能量逐漸地消耗在電阻上就可以控制此時(shí)的過(guò)電壓。

 以下幾種方法均能將電感中的磁場(chǎng)能量逐漸地消耗在電阻上或者延長(zhǎng)電路電流變化的時(shí)間，起到抑制過(guò)電壓的作用。圖2－5(a)中所表示的方法其缺點(diǎn)是在正常工作時(shí)，附加電阻有功率損耗。圖2－5(b)中的情況在正常工作時(shí)電容充電達(dá)到電源電勢(shì)，在附加電阻上沒(méi)有功率消耗。圖2－5(c)所示情況在正常工作時(shí)二極管的反向電流很小，其上的功率損耗亦很小。

圖2－5　減小直流電弧熄滅時(shí)過(guò)電壓的方法

（a）并聯(lián)電阻法；（b）并聯(lián)RC支路法；（c）并聯(lián)整流二極管法。