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摘要：本文介绍接触器触头在分断直流电路的过程中产生电弧的能量分析，并通过实际的试验，利用瞬态记录仪采集实测的电弧电压和电弧电流波形进行数学分析，计算电弧的能量，验证影响电弧的主要因素，结合直流电弧的伏安特性曲线，总结常见的灭弧措施，为产品设计和研究提供参考。
关键词：接触器，分断，直流电路，电弧能量
1.引言
接通和分断能力是用来考核接触器在正常及非正常条件下接通和分断电路的能力。然而，接触器的触头在分断电路时，断开电路的电压和电流都大于生弧电压和生弧电流，则在触头之间不可避免地会产生电弧。电流流过电弧区时，产生大量的热能和光能，这些能量以高温和强光的形式作用在触头上，使触头材料被熔化烧蚀，甚至出现触头粘连而不能分断，造成严重事故。
因此，在实际的使用中，要求接触器必须能可靠而迅速的熄灭电弧，在设计和开发接触器时，必须严格考核接触器的分断能力，以保证接触器能可靠地分断电路。
2.触头分断电弧能量分析
接触器在分断电路的过程中，产生的电弧能量的多少直接影响到触头以及灭弧室烧损程度，为了能更好控制触头的燃弧能量，延长接触器的使用寿命，需要对接触器分断电流过程中产生的电弧能量进行分析，并采取相应的灭弧措施。
2.1触头分断直流电路的能量分析
触头分断直流电路时的简化电路如图1所示。
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图1 触头分断直流电路的电路图
当触头之间存在电弧时，对该电路可以列出微分方程式（1）
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（1）
变换得
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（2）
等号两边同时乘以Ihdt，进行积分，设积分上下限为：当t=0时，Ih=Ih0（Ih0为开始燃弧的燃弧电流）；当t=th（th为燃弧时间）时，Ih=0。于是得
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（3）
式（3）中等号左边为燃弧期间电弧消耗的能量；等号右边第1项为在此期间电源提供的能量，第2项为在此期间电阻中消耗的能量，第3项为燃弧开始时电感中储存的能量。
由式（3）可见，在燃弧过程中，电感中的能量不是返回电源，而是释放到弧隙中，并且电源提供的能量也是释放到弧隙中。
通过设计两组试验来验证电路的试验电压、试验电流、电感等对电弧的影响。
抽取12个触头，分为两组，每组6个，第一组编号1#～6#。试验电压、试验电流和电感值见表1。通过瞬态记录读取试验电流和试验电压波形图如图2所示，利用瞬态记录仪的软件算出电弧的能量值如表1所示。
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图2 触头分断直流电流的试验波形图
图2中，试验电压U=B；
分断电流Ic=A；
恢复电压Ur=B2；
过电压U1=B1；
触头燃弧时间 th=tc-ts；
其中，t1—触头接通电路瞬间；
ts—触头开始断开瞬间；
tc—触头断开电路瞬间。
表1 不同电感值的电弧能量
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从试验结果可得出结论（1）：电路的电感越大（在电阻不变的情况下，即试验电路的时间常数越大），则储能越多，电弧越难熄灭。
第二组编号7#～12#，整个测试回路的电感值保持不变，试验电压和试验电流如表2所示，同样用瞬态记录仪读取测试波形并算出电弧的能量值如表2所示。
表2 不同试验电压和试验电流的电弧能量
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从试验结果数据可得出结论（2）：试验电压越高，试验电流越大，电源提供的能量也越多，则电弧也越难熄灭。
2.2直流电弧的静态伏安特性曲线和动态伏安特性曲线分析
电弧具有以下3个性质：
（1）电弧的温度不允许突变；
（2）电弧的温度越高，电弧的直径越细；
（3）流过电弧的电流越大，弧温就越高，弧压Uh也就越小。
在维持弧长不变的情况下，给定每一电流后稍停一些时间（约几百微秒），等电弧的发热和散热达到平衡后，测量弧隙两端的电压Uh，并由此绘出电弧的伏安特性曲线如图3的H1，这条曲线叫作直流电弧的静态伏安特性曲线。
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（电弧的弧长：L1>L2）
图3 直流电弧的静态伏安特性曲线
当电弧电流Ih增大时，输入电弧的功率UhIh也增加，于是弧柱的温度升高，电弧的电阻Rh剧烈下降，对外呈现负阻性，因此电弧电压也是下降的。
当有两条弧长不一样的电弧时，假设L1>L2，其静态伏安特性曲线如图3的H1和H2。对于任意的弧压Uh，H2的电流均大于H1的电流，说明电弧的伏安特性曲线越高，其电弧电流越大。
实际上，电弧的弧温是不允许突变的，是逐渐减少或增大趋于稳定值的。因此，如图4所示，假设当前的工作点位于该直流电弧静态伏安特性曲线的点1，电弧电流为I1，如果电流较快地减小电弧电流为I2，则弧压先到3点，然后才到达4点；如果瞬间减小电弧电流为I2，则弧压先沿着O2线下降，然后再上升到4点。同样，如果电流较快地增大电弧电流为I3，则弧压先到5点，然后才到达6点；如果瞬间增大电弧电流为I3，则弧压先到2点，然后才到达6点。这种特性叫作直流电弧的动态伏安特性。
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图4 直流电弧的动态伏安特性曲线
2.3直流电弧的熄灭措施
直流电弧相对于交流电弧，没有过零时刻，所以灭弧较为困难。从电弧熄灭的原理上来看，直流电弧的灭弧方法有主要有以下两种：一是增大电弧所在回路的电阻，即在灭弧过程中将外接电阻串入灭弧回路，使电弧不能维持而熄灭；二是提高电弧的静态伏安特性曲线。
提高电弧的静态伏安特性曲线来灭弧的方法，通常采用以下几种措施：
1）用机械的方法增加触头间的距离，以增大电弧长度；或依靠导电回路自身的磁场或者外加磁场使得电弧横向拉长。
2）使电弧与耐弧的绝缘材料密切接触，依靠绝缘材料对电弧的冷却作用以及表面对带电粒子的复合能力来灭弧。
3）采用多个平行排列的金属栅片来增大近极压降，以提高电弧的静态伏安特性曲线。
在实际应用中，低压电器通常采用提高电弧静态伏安特性的方法来灭弧；高压电器则采用增加电路电阻的方法来灭弧。
3.结论
本文结合实际应用的电路和相应的试验分析直流电弧产生的原因及影响因素，同时分析直流电弧的静态伏安特性和动态伏安特性，得出常见的直流电弧的灭弧方法和措施，为直流接触器的开发设计提供参考。
参考文献：
1.GB/T 14048.4-2010 低压开关设备和控制设备 第4-1部分：接触器和电动机起动器 机电式接触器和电动机起动器（含电动机保护器），中国标准出版社，ISBN：155066
2.张冠生，电器理论基础，北京：机械工业出版社，1989