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從事電力電子、輸配電、工控行業(yè)的朋友都有過這樣的經(jīng)歷：不管是直流電還是交流電，在斷開主控制回路的機械式開關(guān)時，在觸點上都能看到電火花現(xiàn)象，并伴隨著發(fā)熱。在主回路切斷前，電流越大，那么所產(chǎn)生的電火花越嚴(yán)重。這種現(xiàn)象就叫做拉弧現(xiàn)象。電弧主要發(fā)生在大電流分?jǐn)鄷r的機械觸點之間，久而久之會對觸點造成腐蝕，并有可能導(dǎo)致火災(zāi)或者爆炸，嚴(yán)重威脅生產(chǎn)、財產(chǎn)安全。相關(guān)行業(yè)的工程師一直在努力尋找抑制電弧的有效方法。下圖就是接觸器在分?jǐn)鄷r產(chǎn)生了電弧現(xiàn)象。
1 - 觸點帶電流分?jǐn)鄷r產(chǎn)生的電弧
1 什么是電弧，電弧有哪些特點
電弧是一種氣體放電現(xiàn)象，原本接觸的兩個觸點通有大電流，在觸點斷開的瞬間，電子或離子游離到空氣中并瞬間產(chǎn)生電火花，致使周圍的空氣自持導(dǎo)電，所以在電弧發(fā)生期間兩個觸點還是導(dǎo)電的。電弧持續(xù)的過程叫做拉弧的過程，這個過程大概持續(xù)幾十毫秒至幾百毫秒之間，一般不會超過一秒，但是在整個拉弧期間，電弧攜帶了巨大的能量和高溫，可使周圍的易燃物瞬間引燃引起火災(zāi)或者爆炸。
1) 起弧電壓、電流低。電弧并非是高壓、高電流的專屬，其實只要回路電壓超過20V，電流超過80mA，機械式觸點在分?jǐn)鄷r，就可能產(chǎn)生電弧。
2) 能量集中、溫度高。在觸點分?jǐn)嗨查g，電弧被瞬間釋放，產(chǎn)生高溫高能量的電火花。
3) 易游離、易變形。由于電弧是氣體放電，所以在外力作用下容易游離、變形，可以利用這個特點想辦法滅弧。
4) 導(dǎo)電性能良好。電弧是導(dǎo)電的，延遲了觸點的分?jǐn)唷?/span>
2 電弧是如何產(chǎn)生的
電弧是如何產(chǎn)生的呢？機械式觸點的動觸點和靜觸點之間的活動距離非常小，在觸點分離時，接觸壓力和接觸面積也在減小，導(dǎo)致觸點之間的接觸電阻變大，流過的電流致使觸點之間的溫度上升，在有限的空間內(nèi)，高溫把觸點表面液化。同時，在觸頭之間形成了非常大的電場，觸點在分?jǐn)鄷r，內(nèi)部的電子就被電場拉了出來，形成了電場發(fā)射，使電子、離子被游離就形成了電弧。
3 電弧如何抑制
電弧是不可避免的，只能抑制不能消除。從機械結(jié)構(gòu)的角度，可以使用滅弧室和滅弧柵來隔離電弧。滅弧柵是由很多滅弧片所構(gòu)成的，滅弧片將滅弧室分隔成很多個獨立的空間，電弧產(chǎn)生后通過磁吹的方式將電弧引入滅弧柵所構(gòu)成的空間中，使電弧被拉長導(dǎo)致無法維持，從而加速了電弧的熄滅，起到了電弧抑制的效果。滅弧柵的原理如下圖所示。
交流回路和直流回路在分?jǐn)鄷r都能產(chǎn)生電弧，同等條件下，交流所產(chǎn)生的電弧要弱于直流所產(chǎn)生的電弧，這是因為交流電是有方向的，每半個周期交流電會過零，削弱了電弧。所以，在交流應(yīng)用中會通過過零檢測來判斷零點的到來，并在過零點附近時將回路斷開，因為零點附近電流小，觸點分?jǐn)鄷r消除了電弧產(chǎn)生的必要條件。
4 如何設(shè)計過零檢測電路
交流電具有方向性，可以通過整流橋整流為脈動直流，再經(jīng)過光耦隔離后將零點信號輸出。或者采用雙向光耦的方案，將零點信號輸出。這里采用整流橋的方案設(shè)計過零檢測電路，所設(shè)計的電路圖如下圖所示。
交流電經(jīng)過整流橋后，變成了脈動直流，交流電的負(fù)半周期被翻轉(zhuǎn)為正，在過零點以外的地方都可以使光耦導(dǎo)通，而在零點附近光耦截止。光耦的輸出端連接上拉電阻。波形分析如下：
正半周期：光耦的發(fā)光二極管導(dǎo)通，輸出端導(dǎo)通，輸出信號為低電平；
負(fù)半周期：光耦的發(fā)光二極管導(dǎo)通，輸出端導(dǎo)通，輸出信號為低電平；
零點附近：光耦的發(fā)光二極管截止，輸出端截止，輸出信號為高電平。
從上面的波形可以看出，只要檢測到高電平即可判斷零點來臨，這時候只要控制接觸器/繼電器的線圈，就能保證觸點在交流零點電流最小的時候斷開，從而抑制了電弧的產(chǎn)生。多觸點起到了良好的保護(hù)作用，延長了觸點壽命、保障了財物安全。
5 過零檢測電路的優(yōu)缺點
過零檢測電路是抑制電弧的輔助手段，在主控回路中告知處理器零點的來臨，處理器及時在電流最小的零點處將主回路斷開，最大限度地杜絕了電弧的產(chǎn)生。但是該電路只適用于交流回路，不適用于直流回路。直流控制回路地電弧目前沒有非常有效的手段來解決，依然依賴于磁吹、滅弧室、滅弧柵、充惰性氣體等方式。
固態(tài)繼電器雖然是電子式觸點，不存在電弧的問題，但是電子式觸點過大電流能力有限并且需要加裝較大體積的散熱片，增加了成本和體積。
總之，電弧是行業(yè)問題，不可避免，目前抑制電弧的手段非常有限，行業(yè)內(nèi)的工程師一直在努力的研究抑制電弧的有效辦法。
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