梅積剛

(西安鐵路信號(hào)有限責(zé)任公司，西安 710100)

1 電弧的產(chǎn)生

在開(kāi)斷電路中，閉合的接點(diǎn)在剛分離時(shí)，突然解除了接觸壓力，陰極表面立即出現(xiàn)高溫炙熱點(diǎn)，產(chǎn)生熱電子發(fā)射。由于此時(shí)接點(diǎn)的間隙很小，使得電場(chǎng)強(qiáng)度很高，產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射。從陰極表面逸出的電子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，加速向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生游離碰撞，導(dǎo)致接點(diǎn)間隙中帶電質(zhì)點(diǎn)急劇增加，溫度驟然升高，產(chǎn)生熱游離并且成為游離的主要因素，此時(shí)在外加電壓作用下，間隙被擊穿，形成開(kāi)斷電弧。開(kāi)斷電弧由等離子柱和它兩側(cè)的電位降區(qū)（陰極電位降區(qū)和陽(yáng)極電位降區(qū)）及其過(guò)渡區(qū)組成，理想電弧及各區(qū)域電壓降分布（UAF陽(yáng)極電位降，UKF陰極電位降，US弧柱電壓）如圖1 所示。

圖1 電弧Fig.1 Arc

在大氣中開(kāi)斷電路時(shí)，只要電壓超過(guò)20 V，被開(kāi)斷的電流超過(guò)1 A，在電氣接點(diǎn)間就會(huì)產(chǎn)生電弧。產(chǎn)生電弧的最小電流如果小于一定數(shù)值，則開(kāi)斷時(shí)只能產(chǎn)生為時(shí)極短的弧光放電—通常稱(chēng)為電火花。

2 轉(zhuǎn)轍機(jī)接點(diǎn)功能

轉(zhuǎn)轍機(jī)的接點(diǎn)系統(tǒng)主要起控制轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作和轉(zhuǎn)換到位后接通表示的功能。在轉(zhuǎn)轍機(jī)需要轉(zhuǎn)換時(shí)，通過(guò)部分接點(diǎn)的閉合接通轉(zhuǎn)轍機(jī)的動(dòng)作電路；在轉(zhuǎn)轍機(jī)轉(zhuǎn)換到位后，接點(diǎn)斷開(kāi)動(dòng)作電路，通過(guò)另一部分接點(diǎn)的閉合，接通轉(zhuǎn)轍機(jī)的表示電路。在轉(zhuǎn)轍機(jī)的動(dòng)作電路中，交流轉(zhuǎn)轍機(jī)的工作電壓為三相380 V，工作電流約1.5 A。在轉(zhuǎn)轍機(jī)斷開(kāi)動(dòng)作電路時(shí)，其電壓和電流滿(mǎn)足電弧產(chǎn)生的條件，因此在斷開(kāi)動(dòng)作電路的過(guò)程中，必然會(huì)產(chǎn)生電弧。在直流轉(zhuǎn)轍機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中，由于直流轉(zhuǎn)轍機(jī)的工作特性，負(fù)載越小，其工作電流越小，在道岔工務(wù)狀態(tài)良好時(shí)，部分轉(zhuǎn)轍機(jī)的工作電流約1 A，有的甚至更小，約0.6 ～1.0 A，因此目前直流轉(zhuǎn)轍機(jī)的電弧不明顯，影響也較小。

在指示轉(zhuǎn)轍機(jī)及道岔位置的表示電路中，閉合回路的供電電壓較低，電路中的電流也小，對(duì)閉合接點(diǎn)的接觸狀態(tài)及接觸電阻要求較高。轉(zhuǎn)轍機(jī)接點(diǎn)在閉合和開(kāi)斷的過(guò)程中，均有一定的掃程。

3 交流電弧的特性

在交流電路中，電流每經(jīng)過(guò)半波后就過(guò)零并交換極性。當(dāng)電流流經(jīng)開(kāi)斷電弧時(shí)，弧柱中的等離子體溫度隨電流瞬時(shí)值的變化在時(shí)間上之后某個(gè)相位角。

圖2 接點(diǎn)開(kāi)距對(duì)滅弧的影響，表述了接點(diǎn)開(kāi)距δ與時(shí)間t的關(guān)系。圖2 的a）為接點(diǎn)開(kāi)距，若接點(diǎn)的斷開(kāi)在t0時(shí)刻，電流波形如圖2 b）（電流t2過(guò)0 波形圖）所示，電流第一次過(guò)零是在t2時(shí)刻，接點(diǎn)開(kāi)距達(dá)到δ2，它能耐住上升到恢復(fù)電壓瞬時(shí)值的瞬態(tài)電壓。當(dāng)電流波形如圖2 c）（電流t1過(guò)0 波形圖）所示時(shí)，電流第一次過(guò)零是在時(shí)刻t1，此時(shí)接點(diǎn)的開(kāi)距δ1不夠大，以致于出現(xiàn)電弧重燃，一直持續(xù)到電流第二次改變極性的時(shí)刻t3為止。

為使電弧對(duì)接點(diǎn)材料和絕緣材料的燒損降低到最小限度，需力求將燃弧時(shí)間限制在電流半個(gè)周波內(nèi)。為了達(dá)到這個(gè)要求，動(dòng)接點(diǎn)就必須加速動(dòng)作，使接點(diǎn)在電弧電流過(guò)零時(shí)的開(kāi)距足以耐住回復(fù)電壓。

圖2 接點(diǎn)開(kāi)距對(duì)滅弧的影響Fig.2 Influence of contact interrupting on arc

4 電弧對(duì)接點(diǎn)的影響

在斷開(kāi)轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作電路的過(guò)程中，由于電弧的產(chǎn)生，電流還可通過(guò)正在分離的接點(diǎn)之間的電弧繼續(xù)流通，降低開(kāi)斷電路的電氣間隙，降低開(kāi)斷電路的可靠性。同時(shí)，接點(diǎn)開(kāi)斷時(shí)產(chǎn)生的高溫電弧，對(duì)動(dòng)接點(diǎn)環(huán)產(chǎn)生電弧燒蝕，高溫電弧會(huì)熔解空氣中的混合物質(zhì)，在接點(diǎn)的表面產(chǎn)生附著物，影響接點(diǎn)關(guān)合電路的接通。

導(dǎo)電金屬在空氣中會(huì)形成氧化膜，而當(dāng)空氣被硫或氯或這些元素的化合物（例如SO2和H2S）污染時(shí)，在金屬表面也會(huì)形成硫化膜和氯化膜。除了氧化物、硫化物和氯化物外，由于接點(diǎn)材料與其他各種各樣的有機(jī)物發(fā)生反應(yīng)，接點(diǎn)上會(huì)沉積一層薄膜。

根據(jù)現(xiàn)有轉(zhuǎn)轍機(jī)接點(diǎn)所用材料，接點(diǎn)中主要元素形成的表面膜有以下幾種。

銅：在200 ℃以下的溫度范圍內(nèi)，暴露在空氣中的銅表面主要形成Cu2O 表面膜，厚度約在10 ～1000 nm，在200 ℃～400 ℃范圍內(nèi)，還會(huì)附加一層CuO。大于400 ℃時(shí)，完全轉(zhuǎn)化成CuO，這種表面膜電導(dǎo)率很小，不利于接點(diǎn)的接通。

鋁：暴露在空氣中的鋁會(huì)很快形成薄的AL2O膜，在常溫條件下增長(zhǎng)緩慢，氧化膜能耐高溫，電氣絕緣強(qiáng)度好、機(jī)械強(qiáng)度都相當(dāng)高，在潮濕的空氣中，表面膜會(huì)加厚。

鎳：鎳在常溫的干燥空氣中，表面會(huì)形成極薄的機(jī)械性能牢固的表面膜，致使鎳僅受到H2S 的輕微侵蝕。

在開(kāi)斷過(guò)程中，電弧的短時(shí)高溫，會(huì)促使表面膜的形成。而電弧的高溫在一定范圍內(nèi)，又能擊穿表面膜，起著清潔的作用。從弧根到接點(diǎn)的邊緣區(qū)，溫度會(huì)逐漸下降，因此金屬—?dú)怏w的各種化合物都會(huì)獲得穩(wěn)定區(qū)域，如這些區(qū)域相互重疊，就會(huì)形成很難分解的混合物或者產(chǎn)生化學(xué)特性完全不同的呈熔融玻璃狀的絕緣絡(luò)合物。因此接點(diǎn)表面的燒蝕及接點(diǎn)上產(chǎn)生的表面膜會(huì)影響電路的接通，在表示系統(tǒng)中的影響更大。

5 制約電弧的方法

閉合接點(diǎn)在分離的過(guò)程中形成的電弧，在接點(diǎn)開(kāi)距達(dá)到“最小電弧長(zhǎng)度”后，可通過(guò)磁場(chǎng)、人工氣流或液流使其弧根離開(kāi)起弧點(diǎn)。從熔融橋最后斷裂到最小電弧長(zhǎng)度形成的時(shí)間間隔為電弧的滯留時(shí)間，電弧的最小長(zhǎng)度，與接點(diǎn)形狀和材質(zhì)、周?chē)橘|(zhì)、吹弧磁場(chǎng)強(qiáng)弱以及氣流或液流吹弧效力等有關(guān)。因此制約電弧通常采用以下方法。

1）采用特殊金屬材料制作接點(diǎn)

電弧中的去游離強(qiáng)度很大程度上取決于接點(diǎn)材料。若采用熔點(diǎn)高，導(dǎo)熱系數(shù)好熱容量大的耐高溫金屬作為接點(diǎn)材料，可以減少熱電子發(fā)射和電弧中的金屬蒸氣，抑制游離作用。同時(shí)，接點(diǎn)材料還要求有較高的抗電弧、抗熔焊能力。

2）利用滅弧介質(zhì)

電弧中的去游離強(qiáng)度很大程度上取決于電弧周?chē)橘|(zhì)的特性。如介質(zhì)的傳熱能力、介電強(qiáng)度、熱游離溫度和熱容量。這些參數(shù)的數(shù)值越大，則去游離作用越強(qiáng)，電弧就越容易熄滅。常用的滅弧介質(zhì)有空氣、油（變壓器油或斷路器油），六氟化硫SF6、真空等介質(zhì)。

3）利用氣體或油吹動(dòng)電弧

電弧在氣體或油流中被強(qiáng)烈地冷卻而使復(fù)合加強(qiáng)，吹弧也有利于帶電粒子的擴(kuò)散，在空間允許的情況下，可制作不同結(jié)構(gòu)的滅弧室，使氣體或油產(chǎn)生較大的壓力吹向電弧，使電弧熄滅。

4）利用多斷口滅弧

將斷路器制作成多個(gè)串聯(lián)的斷口，把電弧分割成很多小電弧段，在相等的接點(diǎn)行程下，多斷口比單斷口的電弧更長(zhǎng)，從而增大弧隙電阻，電弧被拉長(zhǎng)的速度（即接點(diǎn)分離速度）也增加，加速弧隙電阻的增大；同時(shí)也增大介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)速度。

5）拉長(zhǎng)電弧并增大接點(diǎn)的分離速度

迅速拉長(zhǎng)電弧，可使弧隙的電場(chǎng)強(qiáng)度驟降，同時(shí)，弧隙的表面積突然增大，有利于電弧的冷卻和帶電質(zhì)點(diǎn)向周?chē)鷶U(kuò)散，使熱游離作用減弱，加強(qiáng)離子的復(fù)合速度，從而加速電弧的熄滅。

6 減小電弧對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)接點(diǎn)的影響的措施

針對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)的應(yīng)用環(huán)境，轉(zhuǎn)轍機(jī)接點(diǎn)的結(jié)構(gòu)及機(jī)內(nèi)空間，可采用以下幾種方法來(lái)減小電弧對(duì)接點(diǎn)的影響。

改進(jìn)接點(diǎn)材質(zhì)?；诮狱c(diǎn)接觸壓力和接點(diǎn)機(jī)械壽命的要求，既有轉(zhuǎn)轍機(jī)的靜接點(diǎn)采用鈹青銅材質(zhì)，動(dòng)接點(diǎn)采用鋁青銅材質(zhì)。為減小電弧對(duì)接點(diǎn)的影響，動(dòng)接點(diǎn)可采用導(dǎo)電性好、熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱系數(shù)好、熱容量大的耐高溫金屬作為接點(diǎn)材料，如銅鎢合金或鈹鈷銅合金。

在轉(zhuǎn)轍機(jī)接點(diǎn)系統(tǒng)中，提高驅(qū)動(dòng)動(dòng)接點(diǎn)轉(zhuǎn)換的彈簧的拉力，使動(dòng)接點(diǎn)更快速地與靜接點(diǎn)分離，動(dòng)、靜接點(diǎn)的開(kāi)距迅速變大，使電弧的燃燒時(shí)間縮短，以減輕電弧對(duì)接點(diǎn)的影響。

改變接點(diǎn)的局部結(jié)構(gòu)，減小電弧對(duì)接點(diǎn)電路的影響。針對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)接點(diǎn)的斷開(kāi)和接通均具有一定掃程的特點(diǎn)，改進(jìn)接點(diǎn)的局部結(jié)構(gòu)，使開(kāi)斷動(dòng)作電路產(chǎn)生的電弧的影響區(qū)不參與表示電路的接通。