一、交流電弧的伏安特性
交流電弧與直流電弧有所不同，交流電流的瞬時值隨時間變化，每周期內(nèi)有兩次過零點。電流經(jīng)過零點時，弧隙的輸入能量等于零，電弧溫度下降，電弧自然熄滅。而后隨著電壓和電流的變化，電弧重新燃燒。因此，交流電弧的燃燒，實際上就是電弧的點燃、熄滅周而復(fù)始的過程。這個特點也反映在它的伏安特性中。
圖2－6 交流電弧的伏安特性
圖2－6為交流電弧在一周內(nèi)的伏安特性。圖中箭頭方向表示了電流變化和方向。從O點開始，因電弧還未產(chǎn)生，所以隨著電壓的增加只有小量的由陰極發(fā)射產(chǎn)生的電流。到A點時電弧點燃，再隨著電流的增大，電弧電阻減小，電弧壓降也下降，直到B點，此時弧電流達(dá)到峰值。在B點后隨著電流的減小，弧電阻增加，電弧壓降上升。變化到C點時，電弧電流趨近于零，電壓達(dá)到熄弧電壓，電弧熄滅。當(dāng)電流過零點后，在第三象限重復(fù)上述規(guī)律。
顯然，由于交流電弧自身所具有的不斷變化值，它的伏安特性都是動特性。由于熱慣性作用，弧電流絕對值從小到大的特性曲線與弧電流絕對值從大變小的特性曲線不重合，這種現(xiàn)象稱為“弧滯”。
按照交流電弧的上述特性，交流電弧電流通過零點時，由于電源停止供給電弧能量，熱游離迅速下降，為電弧的最終熄滅創(chuàng)造了最有利的條件，此時只要采取一定的消游離措施，使少量的剩余離子復(fù)合，就能防止電弧在下半周重燃，使電弧最終熄滅。因此，交流電弧比直流電弧容易熄滅。我們通常把利用電弧電流自然過零的特點進(jìn)行的熄弧稱為零點熄弧原理。
二、交流電弧過零后的物理過程
交流電弧由于弧電流過零時，電源停止供給能量，電弧自然熄滅。但是交流電弧過零自然熄滅后，還會重新燃燒。所以怎樣防止電弧重燃就是研究交流電弧的重點。為此，我們將研究在電流通過零點時弧隙中存在的物理過程，了解哪些因素能使電弧重新點燃，哪些因素抑制電弧重燃，從這一觀點出發(fā)，凡是抑制電弧重新點燃的因素，或是加強(qiáng)不利于電弧重新點燃的因素，都可以促使交流電弧熄滅。
交流電弧電流過零期間，同時存在兩個對立的基本過程，一是介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)過程，一是弧隙電壓恢復(fù)過程。
1．介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)過程
交流電弧過零熄滅后，由于弧電流值下降至零，弧隙溫度迅速下降，促進(jìn)了消游離作用，使弧隙由原來的導(dǎo)電狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻^緣介質(zhì)狀態(tài)，此過程稱為介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)過程。這是促使電弧熄滅的因素。這個過程的快慢與許多因素有關(guān)，例如溫度、散熱情況、空間位置等。在靠近兩極的區(qū)域，由于金屬材料的傳熱性好，所以此區(qū)域的溫度要比弧柱區(qū)的溫度低，故此處的介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)要比弧柱區(qū)快。
圖2－7 近陰極效應(yīng)
（a）電弧過零前帶電粒子狀況；（b）電弧過零后瞬間帶電粒子狀況。
近陰極效應(yīng)對介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)過程也是一個影響因素。電流過零后，兩電極改變極性，原來的陰極改變?yōu)樾碌年枠O，而原來的陽極改變?yōu)樾碌年帢O。電場方向的改變，弧隙中剩余電子和離子的運(yùn)動方向也應(yīng)隨之改變。但是由于電子的質(zhì)量遠(yuǎn)比正離子質(zhì)量小得多，因而電子的運(yùn)動方向改變要遠(yuǎn)比正離子靈敏得多，形成電子很快向新陽極運(yùn)動，而正離子在此瞬間幾乎停止在原地，來不及向新陰極運(yùn)動。新的陰極此時還不能形成強(qiáng)電場發(fā)射電子與熱發(fā)射。因此，在新的陰極附近就存在一層沒有電子而只有正離子的空間，相當(dāng)于形成了一薄層絕緣介質(zhì)，如圖2－7(b)所示。從電路的角度來看，必需加一定的電壓才能將此絕緣薄層擊穿，電弧才會重燃，弧隙重新導(dǎo)電。這個擊穿電壓值稱為弧隙的起始介質(zhì)強(qiáng)度。起始介質(zhì)強(qiáng)度在電流過零后1微秒內(nèi)就會出現(xiàn)，這種在交流電弧電流過零后弧隙幾乎立即出現(xiàn)一定的介質(zhì)強(qiáng)度的現(xiàn)象，稱為交流電弧的近陰極效應(yīng)。
實驗證明：近陰極效應(yīng)所產(chǎn)生的起始介質(zhì)強(qiáng)度與電極材料、溫度，特別是所通過的電流有關(guān)。其數(shù)值在40～250V之間。電流越大，其值越低。近陰極效應(yīng)是交流短弧熄弧的主要因素，是低壓交流電器的主要熄弧方法。
通常把弧隙間介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)隨時間變化的關(guān)系稱做弧隙介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度特性。此特性可通過實驗測出并用圖形表示，如圖2－8所示。圖中的OA段與近陰極效應(yīng)產(chǎn)生的起始介質(zhì)強(qiáng)度有關(guān)，AB段與電弧熄滅的方法和裝置有關(guān)。滅弧裝置效果越好，圖中的α角就越大，說明介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)速度愈高。
圖2－8 介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)特性
圖2－9 電壓恢復(fù)過程
（a）非振蕩電壓恢復(fù)過程；（b）振蕩電壓恢復(fù)過程。
2．弧隙電壓恢復(fù)過程
在交流電路中，電流過零電弧熄滅后，觸頭兩端電壓從熄弧電壓恢復(fù)到電源電壓的過程稱電壓恢復(fù)過程。這個過程根據(jù)線路參數(shù)情況的不同形成較為復(fù)雜的情況。因為在實際中，觸頭兩端電壓不是從熄弧電壓立即恢復(fù)到電源電壓，而是要經(jīng)過一段過程，而且這個過程會呈現(xiàn)振蕩或非振蕩現(xiàn)象。例如圖2－9（a）所示，為一非振蕩恢復(fù)過程，而圖2－9（b）為一振蕩恢復(fù)過程。發(fā)生這種現(xiàn)象的原因是：觸頭所接的線路中總是存在著電感和電阻。此外，線路中的導(dǎo)線對地之間、發(fā)電機(jī)的繞組之間都存在著電容。這樣，由于電阻、電感和電容的作用，就可能產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。由于電壓恢復(fù)過程是使電弧重燃的因素，很顯然，周期振蕩電壓恢復(fù)過程中有較高的電壓峰值，對電弧不再重燃是十分不利的，所以也是應(yīng)該盡量避免的。
我們把恢復(fù)過程中的電壓稱為恢復(fù)電壓。從圖2－9中可以看出，恢復(fù)電壓可由兩部分組成；穩(wěn)態(tài)分量和暫態(tài)分量。穩(wěn)態(tài)分量一般稱工頻恢復(fù)電壓，暫態(tài)分量則根據(jù)線路負(fù)載情況不同呈較復(fù)雜情況。在交流電弧開斷過程中，對于不同性質(zhì)的負(fù)載，觸頭上電壓變化過程不同。
從觸頭的結(jié)構(gòu)型式來說，由于雙斷點結(jié)構(gòu)時恢復(fù)電壓是作用在兩個斷口上，使每個斷口的電壓值比一個斷口時的要低，所以電弧容易熄滅。
三、交流電弧熄滅的條件
交流電弧過零后弧隙間介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)和電壓的恢復(fù)是兩個對立的過程。因為介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)過程主要是弧隙內(nèi)部帶電粒子不斷減少的過程，而電壓恢復(fù)過程則相反，它使弧隙中的氣體產(chǎn)生新的游離而使帶電粒子不斷增加。那么可以簡單地確定交流電弧熄滅條件為：交流電弧電流過零后，如果弧隙介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)的速度超過了弧隙電壓恢復(fù)的速度，則電弧熄滅。反之，電弧重燃，如圖2－10所示。
圖2－10 交流電弧熄滅的條件
（a）重燃；（b）熄滅。
在實際中，由于介質(zhì)恢復(fù)過程與電壓恢復(fù)過程是相互聯(lián)系又相互影響的，所以情況較為復(fù)雜。如果恢復(fù)電壓上升得快，弧隙游離加強(qiáng)，使得介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)速度減慢。如果介質(zhì)強(qiáng)度增長的速度快，它又對恢復(fù)電壓上升起阻尼作用。因此，在交流電弧熄滅過程中有兩個方面的因素要加以考慮：
(1)交流電弧電流過零是最有利的滅弧時機(jī)，這時輸入弧隙的功率趨近于零，如電弧散失的功率大于此時由電源輸入的功率，電弧就會熄滅。如果熄弧措施太強(qiáng)，使電弧電流提前強(qiáng)制過零，這時交流電弧的熄滅與直流電弧相同，會造成熄弧困難。
(2)對交流電弧的電路參數(shù)而言，電源電壓越高，恢復(fù)電壓峰值也愈高，熄弧困難。電弧熄滅前電路的電流越大，電弧功率越大，熄弧困難。電路中電感比例越大，熄弧越困難。
為了使交流電弧過零點后不再重燃，總的來講可減小恢復(fù)電壓增長速度和增加介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)速度。
增加介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)速度，在實際運(yùn)用中效果較顯著的方法主要就是通過金屬柵片將電弧分割成許多短弧，這樣每一個短弧相當(dāng)于處在一對電極之中，電流過零后，就產(chǎn)生近陰極效應(yīng)。此時起始介質(zhì)強(qiáng)度之和比一對極下產(chǎn)生的擴(kuò)大了許多倍。當(dāng)外界加在電弧兩端的電壓小于此值時，電弧在過零后就不再重燃。
對于減小恢復(fù)電壓增長速度，抑制電弧重燃，一般采用的方法為在弧隙兩端并聯(lián)一電阻rm，如圖2－11所示。其原理如下：在弧電流經(jīng)過零點前后幾十微秒內(nèi)，iDH≈0，所以可近似認(rèn)為RDH≈∞。此時i分成向電容C充電的電流i1和流經(jīng)rm的電流i2。由于rm分流了i2，使電容C的充電時間加長，即a、b兩端電壓的增長速度變慢，因此就抑制了燃弧因素。從熄滅電弧的角度出發(fā)，分流電阻rm的值越小越好，但rm值過小，在正常情況下?lián)p耗過大。所以希望rm在正常工作時其阻值很大，i2≈0；而在觸頭斷開電路時，要求rm值很小。為此，一般用非線性電阻較好。韶山系列電力機(jī)車所用的TDZlA型主斷路器就是利用這種原理，在其主觸頭上并聯(lián)有非線性電阻，來抑制恢復(fù)電壓的增長速度，促使其電弧的熄滅。
圖2－11 并聯(lián)電阻滅弧原理