电器触头和电弧的特性与管理

1.电器的触头系统

（1）触头的接触电阻触头是电器的主要执行部分，起接通和分断电路的作用。在有触头的电器元件中，电器元件的基本功能是靠触头来执行的，因此，要求触头导电、导热性能良好，通常用铜、银、镍及其合金材料制成，有时也在铜触头表面电镀锡、银或镍。铜的表面容易氧化而生成一层氧化铜，它将增大触头的接触电阻，使触头的损耗增大，温度上升。所以，有些特殊用途的电器如微型继电器和小容量的电器，其触头常采用银质材料，这不仅在于其导电和导热性能均优于铜质触头，更主要的是其氧化膜电阻率很低，仅是纯铜的十几分之一，甚至还小，而且要在较高的温度下才会形成，同时又容易粉化。因此，银质触头具有较低而稳定的接触电阻。对于大中容量的低压电器，在结构设计上，触头采用滚动接触，可将氧化膜去掉，这种结构的触头，一般常采用铜质材料。

触头之间的接触电阻包括“膜电阻”和“收缩电阻”。“膜电阻”是触头接触表面在大气中自然氧化而生成的氧化膜造成的。氧化膜的电阻要比触头本身的电阻大几十到几千倍，导电性能极差，甚至不导电，并受环境影响较大。“收缩电阻”是由于触头的接触表面不是十分光滑产生的，在接触时，实际接触面积总小于触头原有可接触面积，使有效导电截面减小，当电流流经时，就会产生电流收缩现象，从而使电阻增加及导电性能变差。如果触头之间的接触电阻较大，会在电流流过触头时造成较大的电压降落，这对弱电控制系统影响较严重。另外，电流流过触头时电阻损耗大，将使触头发热而致温度升高，导致触头表面的“膜电阻”进一步增加及相邻绝缘材料的老化，严重时可使触头熔焊，造成电气事故。因此，对各种电器的触头都规定了最高环境温度和允许温升。

除此之外，触头在运行时还存在触头磨损，触头磨损包括电磨损和机械磨损。电磨损是引起触头材料损耗的主要原因之一。电磨损是由于在通断过程中触头间的放电作用使触头材料发生物理性能和化学性能变化而引起的，电磨损的程度决定于放电时间内通过触头间隙的电荷量的多少及触头材料性质等。机械磨损是由于机械作用使触头材料发生磨损和消耗。机械磨损的程度取决于材料硬度、触头压力及触头的滑动方式等。为了使接触电阻尽可能减小，一是要选用导电性好、耐磨性好的金属材料做触头，使触头本身的电阻尽量减小；二是要使触头接触紧密一些，另外在使用过程中尽量保持触头清洁。

（2）触头的接触形式触头的接触形式及结构形式很多，通常按其接触形式归为点接触、线接触和面接触三类，如图1-1所示。触头的结构形式有指式触头和桥式触头等。微型继电器中常采用分裂触头和片簧触头。

图1-1 触头的接触形式

a）点接触 b）线接触 c）面接触

由图1-1可见，面接触的实际接触头要比线接触的多，而线接触的又要比点接触的多。图1-1a所示为点接触，它由两个半球形触头或一个半球形与一个平面形触头构成，这种结构容易提高单位面积上的压力，减小触头表面电阻。点接触常用于小电流电器中，如接触器的辅助触头和继电器触头。图1-1b所示为线接触，常做成指形触头结构，它的接触区是一条直线。触头通、断过程是滚动接触并产生滚动摩擦，以利于去除表面的氧化膜。开始接触时，静、动触头在A点接触，靠弹簧压力经B点滚动到C点，并在C点保持接通状态。断开时作相反运动，这样可以在通断过程中自动清除触头表面的氧化膜。同时，长时期工作的位置不是在易烧灼的A点而在C点，保证了触头的良好接触。这种滚动线接触适用于操作次数多、电流大的场合，多用于中等容量电器。图1-1c所示为面接触，这种触头一般在接触表面上镶有合金，以减小触头接触电阻，提高触头的抗熔焊、抗磨损能力，允许通过较大的电流。中小容量的接触器的主触头多采用这种结构。

以按钮操作为例，触头的闭合过程如图1-2所示。

图1-2是两个点接触的桥式触头，两个触头串于同一条电路中，构成一个桥路，电路的接通与断开由两个触头共同完成。桥式触头在接触时，接触电阻应尽可能小，为了使触头接触得更加紧密，以减小接触电阻，消除开始接触时产生的振动，一般在制造时，在触头上装有接触弹簧，使触头在刚刚接触时产生初压力，并且随着触头的闭合过程逐渐增大触头互压力，使两个触头的接触处有一定的压力，当动触头刚与静触头接触时，由于安装时弹簧预先压缩了一段（预行程），因此产生一个初压力F₁，如图1-2中间图所示。触头闭合后由于弹簧在超行程内继续变形而产生一终压力F₂。弹簧压缩的距离L称为触头的超行程，即从静、动触头已达闭合位置后，整个触头系统相对运动，向前再压紧的距离，也就是操动器的行程。有了超行程，在触头磨损情况下，仍具有一定压力，磨损严重时超行程将失效，如图1_-2右图所示。

（3）触头的状态触头按其原始状态可分为常开触头和常闭触头。原始状态时（即线圈未通电）断开，线圈通电后闭合的触头叫常开触头。原始状态闭合，线圈通电后断开的触头叫常闭触头。线圈断电后所有触头复原。按触头控制的电路可分为主触头和辅助触头。主触头用于接通或断开主电路，允许通过较大的电流，辅助触头用于接通或断开控制电路，只能通过较小的电流。

图1-2 触头的闭合过程

2.电弧的产生及灭弧方法

（1）电弧的产生及其物理过程在自然环境中开断电路时，如果被开断电路的电流（电压）超过某一数值时（根据触头材料的不同其值约在0.25～1A、12～20V之间），则触头间隙中就会产生电弧。电弧实际上是触头间气体在强电场作用下产生的放电现象。所谓气体放电，就是触头间隙中的气体被游离产生大量的电子和离子，在强电场作用下，大量的带电粒子作定向运动，于是绝缘的气体就变成了导体。电流通过这个游离区时所消耗的电能转换为热能和光能，发出光和热的效应，产生高温并发出强光，使触头烧损，并使电路的切断时间延长，甚至不能断开，造成严重事故。电弧对电器的影响主要有以下几个方面：①触头虽已打开，但由于电弧的存在，使要断开的电路实际上并没有断开。②由于电弧的温度很高，严重时可使触头熔化。③电弧向四周喷射，会使电器及其周围物质损坏，甚至造成短路，引起火灾。所以必须采取措施熄灭或减小电弧，为此首先要了解电弧的物理本质，即电弧产生原因。电弧产生的原因主要经历强电场放射、撞击电离、热电子发射和高温游离4个物理过程，如图1-3所示。

1）强电场放射。触头开始分离时，其间隙很小，电路电压几乎全部降落在触头间很小很小的间隙上，因此该处电场强度很高，可达几亿V/m。此强电场将触头阴极表面（与电源负极连接的触头）的自由电子拉出到气隙中，使触头间隙气体存在较多的电子，这种现象即所谓强电场放射。

2）撞击电离。触头间隙中的自由电子在电场作用下，向正极加速运动，经过一定路程后获得足够的功能，它在前进途中撞击气体原子，该原子被分裂成电子和正离子。电子在向正极运动过程中将撞击其他原子，使触头间隙中气体中的电荷越来越多，这种现象称为撞击电离。触头间隙中的电场强度越强，电子在加速过程中所走的路程越长，它所获得的能量就越大，故撞击电离的电子就越多。

3）热电子发射。撞击电离产生的正离子向阴极运动，撞击在阴极上会使阴极温度逐渐升高，使阴极金属中电子动能增加，当阴极温度达到一定程度时，一部分电子有足够动能将从阴极表面逸出，再参与撞击电离。由于高温使电极发射电子的现象称为热电子发射。

4）高温游离。当电弧间隙中气体的温度升高时，气体分子热运动速度加快。当电弧的温度达到3000℃或更高时，气体分子将发生强烈的不规则热运动并造成相互碰撞，结果使中性分子游离成为电子和正离子。这种因高温使分子撞击所产生的游离称为高温游离。当电弧间隙中有金属蒸汽时，高温游离大大增加。

图1-3 电弧产生的4个物理过程

在触头分断的过程中，以上4个过程引起电离原因的作用是不一致的。在触头刚开始分离时，首先是强电场放射，这是产生电弧的起因。当触头完全打开时，由于触头间距离增加，电场强度减弱，维持电弧存在主要靠热电子发射、撞击电离和高温游离，而其中又以高温游离作用最大。此外，伴随着电离的进行，还存在着消电离作用。消电离是指正负带电粒子的结合成为中性粒子的同时，又减弱了电离的过程。消电离过程可分为复合和扩散两种。

当正离子和电子彼此接近时，由于异性电荷的吸力结合在一起，成为中性的气体分子。另外，电子附在中性原子上成为负离子，负离子与正离子相遇就复合为中性分子。这种复合只有在带电粒子的运动速度较低时才有可能发生。因此利用液体或气体人工冷却电弧，或将电弧挤入绝缘壁做成的窄缝里，迅速导出电弧内部的热量，降低温度，减小了离子的运动速度，可以加强复合过程。

在燃弧过程中，弧柱内的电子、正负离子要从浓度大、温度高的地方扩散到周围的冷介质中去，扩散出来的电子、离子互相结合又成为中性分子。因此降低弧柱周围的温度，或用人工方法减小电弧直径，使电弧内部电子、离子的浓度增加，就可以增加扩散作用。

电离和消电离作用是同时存在的。当电离速度快于消电离速度，电弧就发展；当电离与消电离速度相等时，电弧就稳定燃烧；当消电离速度大于电离速度时，电弧就要熄灭。因此，欲使电弧熄灭可以从两方面着手：一方面是减弱电离作用，另一方面是增强消电离作用。实际上，作为减弱电离作用的措施同时也往往是增强消电离作用的途径。为熄灭电弧，其基本方法有：①拉长电弧，以降低电场强度。②用电磁力使电弧在冷却介质中运动，降低弧柱周围的温度。③将电弧挤入绝缘壁组成的窄缝中以冷却电弧。④将电弧分成许多串联的短弧，增加维持电弧所需的临界电压降的要求。⑤将电弧密封于高气压或真空的容器中。(www.xing528.com)

（2）电弧的熄灭及灭弧方法触头在通断过程中将产生电弧，电弧会烧损触头，造成其他故障。对于通断大电流电路的电器，如接触器、低压断路器等更为突出，因此要有较完善的灭弧装置。对于小容量继电器、主令电器等，由于触头通断电流小，因此有时不设专门的灭弧装置。根据以上分析的原理，常用的灭弧装置有桥式结构双断口灭弧、栅片灭弧、磁吹灭弧以及过电压和浪涌电压抑制器等几种。

1）桥式结构双断口灭弧。图1-4是一种桥式结构双断口触头，流过触头两端的电流方向相反，将产生互相推斥的电动力。当触头打开时，在断口中产生电弧。电弧电流在两电弧之间产生图中以“”表示的磁场，根据左手定则，电弧电流要受到一个指向外侧的电动力F的作用，使电弧向外运动并拉长，使它迅速穿越冷却介质而加快电弧冷却并熄灭。此外，也具有将一个电弧分为两个来削弱电弧的作用。这种灭弧方法效果较弱，故一般多用于小容量的电器中。但是，当配合栅片灭弧后，也可用于大容量的电器中。交流接触器常采用这种灭弧方法。

2）栅片灭弧。栅片灭弧原理如图1-5所示。

图1-4 桥式触头灭弧原理

1—静触头 2—动触头 3—电弧

灭弧栅一般是由多片镀铜薄钢片（称为栅片）和石棉绝缘板组成、它们安放在电器触头上方的灭弧室内，彼此之间互相绝缘，片间距离约2～5mm。当触头分断电路时，在触头之间产生电弧，电弧电流产生磁场，由于钢片磁阻比空气磁阻小得多，因此，电弧上方的磁通非常稀疏，而下方的磁通却非常密集，这种上疏下密的磁场将电弧拉入灭弧罩中，当电弧进入灭弧栅后，被分割成数段串联的短弧。这样每两片灭弧栅片可以看作一对电极，而每对电极间都有150～250V的绝缘强度，使整个灭弧栅的绝缘强度大大加强，而每个栅片间的电压不足以达到电弧燃烧电压，同时栅片吸收电弧热量，使电弧迅速冷却而很快熄灭。

当触头上所加的电压是交流时，交流电产生的交流电弧要比直流电弧容易熄灭。因为交流电每个周期有两次过零点，显然电压为零时电弧自然容易熄灭。另外，灭弧栅对交流电弧还有所谓“阴极效应”，更有利于电弧熄灭。所谓“阴极效应”，是当电弧电流过零后，间隙中的电子和正离子的运动方向要随触头电极极性的改变而改变。由于正离子比电子质量大得多，因此在触头电极极性改变后（即原阳极变为新阴极，原阴极变为新阳极），原阳极附近的电子能很快地回头向相反的方向运动（走向新阳极），而正离子几乎还停留在原来的地方。这样使得新阴极附近缺少电子而造成断流区，从而使电弧熄灭。若要使电压过零后，电弧重新燃烧，两栅片间必须要有150～250V电压。显然灭弧栅总的重燃电压所需值将大于电源电压，则电弧自然熄灭后就很难重燃。因此，灭弧栅装置常用作交流灭弧。

3）磁吹灭弧。磁吹灭弧方法是利用电弧在磁场中受力，将电弧拉长，并使电弧在冷却的灭弧罩窄缝隙中运动，产生强烈的消电离作用，从而将电弧熄灭。其原理如图1-6所示。

图1-5 栅片灭弧示意图

a）电弧进入栅片被分割 b）灭弧栅片和触头的结构

1—灭弧栅片 2—动触头 3—电弧

图1-6 磁吹灭弧原理

a）磁吹线圈对电弧产生推力b）磁吹线圈的俯视图c）窄缝灭弧示意图

1—磁吹线圈 2—导磁体（铁心） 3—导磁夹板 4—引弧角 5—灭弧罩 6—磁吹线圈磁场 7—电弧电流磁场 8—动触头

图1-6中，导磁体（软钢）2固定于薄钢板a和b之间，在它上面绕有线圈（磁吹线圈）1，线圈可做成与触头电路串联，当主电流I通过线圈1产生磁通Φ，根据右手螺旋定则可知，该磁通从导磁体2通过导磁夹片b、两夹片间隙到达夹片a，在触头间隙中形成磁场。图中，“×”符号表示Φ方向为进入纸面。当触头打开时，在触头间隙中产生电弧，电弧自身也产生一个磁场，该磁场在电弧上侧，方向为从纸面出来，用“”符号表示，它与线圈产生的磁场方向相反。而在电弧下侧，电弧磁场方向进入纸面，用“”符号表示，它与线圈的磁场方向相同。这样，两侧的合成磁通就不相等，下侧大于上侧，因此，产生强烈的电磁力将电弧向上侧推动，并使电弧急速进入灭弧罩，电弧被拉长并受到冷却而很快熄灭。灭弧罩多用陶瓷或石棉做成。这种灭弧方法的优点是，当触头中电流方向改变时，由于外磁场的方向也跟着改变，而电弧受力的方向不变，灭弧吹力的大小在设计时可以控制，可使吹力最大，灭弧效果好。此外，由于这种灭弧装置是利用电弧电流本身灭弧，因而电弧电流越大，吹弧能力也越强，广泛应用于直流灭弧装置中（如直流接触器中）。但对于线圈与触头串联的形式，其吹力与电流的二次方成正比，当电流减小时，吹力成二次方减小，会使灭弧效果减弱。对于并联线圈的磁吹装置，可以做到由外加固定电源供电而使线圈的磁通稳定不变，因而吹力大小只受触头电流大小的影响。但要注意线圈的极性和触头的极性，如果将两者的极性接反，则使电弧吹向内侧，反而会烧坏电器。

4）过电压和浪涌电压抑制器。控制电器的触头在切断具有电感负载的电路时，由于电流由某一稳定值突然降为零，电流的变化率di/dt很大，就会在触头间隙产生较高的过电压，此电压超过270～300V时，就会在触头间隙产生火花放电现象。火花放电与电弧不同之处是，火花放电的电压高，电流小，而且是在局部范围产生不稳定的火花放电。火花放电将使触头产生电灼伤以致缩短它的寿命。另外火花放电造成的高频干扰信号将影响和干扰无线电通信及弱电控制系统的正常工作，为此需要消除由于过电压引起的火花放电现象。常用的熄火花电路有以下两种。

①半导体二极管与线圈并联整流式抑制器，如图1-7所示，在触头K闭合时，线圈电感L中流有稳定的电流。当触头突然断开时，由于二极管VD的存在，使电流不是从某一稳定值突然降为零，而是由电感L和二极管VD组成放电回路使电流逐渐降为零，即减小了电流的变化率di/dt，从而减小了电感L产生的过电压。这样使触头K的间隙不会产生火花放电，另外也使电感L的绝缘不会因过电压而击穿。

②与触头并联阻容电路RC抑制器，如图1-8所示，在触头K突然断开时，线圈电感L的磁场能量就转为电容的电场能量，此时表现为对电容器的充电。因此，触头突然断开时，线圈电感L的电流也是不立刻降为零，而是随着电容器逐渐充满电荷而降为零，线圈就不会产生过电压。

图1-7 与电感线圈并联二极管

图1-8 与触头并联阻容电路