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從事電力電子、輸配電、工控行業(yè)的朋友都有過(guò)這樣的經(jīng)歷：不管是直流電還是交流電，在斷開(kāi)主控制回路的機(jī)械式開(kāi)關(guān)時(shí)，在觸點(diǎn)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(shí)的機(jī)械觸點(diǎn)之間，久而久之會(huì)對(duì)觸點(diǎn)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(cái)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(shí)產(chǎn)生了電弧現(xiàn)象。
1 - 觸點(diǎn)帶電流分?jǐn)鄷r(shí)產(chǎn)生的電弧
1 什么是電弧，電弧有哪些特點(diǎn)
電弧是一種氣體放電現(xiàn)象，原本接觸的兩個(gè)觸點(diǎn)通有大電流，在觸點(diǎn)斷開(kāi)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?chē)目諝庾猿謱?dǎo)電，所以在電弧發(fā)生期間兩個(gè)觸點(diǎn)還是導(dǎo)電的。電弧持續(xù)的過(guò)程叫做拉弧的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程大概持續(xù)幾十毫秒至幾百毫秒之間，一般不會(huì)超過(guò)一秒，但是在整個(gè)拉弧期間，電弧攜帶了巨大的能量和高溫，可使周?chē)囊兹嘉锼查g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(zhuān)屬，其實(shí)只要回路電壓超過(guò)20V，電流超過(guò)80mA，機(jī)械式觸點(diǎn)在分?jǐn)鄷r(shí)，就可能產(chǎn)生電弧。
2) 能量集中、溫度高。在觸點(diǎn)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(gè)特點(diǎn)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(diǎn)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(jī)械式觸點(diǎn)的動(dòng)觸點(diǎn)和靜觸點(diǎn)之間的活動(dòng)距離非常小，在觸點(diǎn)分離時(shí)，接觸壓力和接觸面積也在減小，導(dǎo)致觸點(diǎn)之間的接觸電阻變大，流過(guò)的電流致使觸點(diǎn)之間的溫度上升，在有限的空間內(nèi)，高溫把觸點(diǎn)表面液化。同時(shí)，在觸頭之間形成了非常大的電場(chǎng)，觸點(diǎn)在分?jǐn)鄷r(shí)，內(nèi)部的電子就被電場(chǎng)拉了出來(lái)，形成了電場(chǎng)發(fā)射，使電子、離子被游離就形成了電弧。
4 - 動(dòng)觸點(diǎn)和靜觸點(diǎn)分離瞬間
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(jī)械結(jié)構(gòu)的角度，可以使用滅弧室和滅弧柵來(lái)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(gè)獨(dú)立的空間，電弧產(chǎn)生后通過(guò)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(zhǎng)導(dǎo)致無(wú)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(shí)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?yàn)榻涣麟娛怯蟹较虻?，每半個(gè)周期交流電會(huì)過(guò)零，削弱了電弧。所以，在交流應(yīng)用中會(huì)通過(guò)過(guò)零檢測(cè)來(lái)判斷零點(diǎn)的到來(lái)，并在過(guò)零點(diǎn)附近時(shí)將回路斷開(kāi)，因?yàn)榱泓c(diǎn)附近電流小，觸點(diǎn)分?jǐn)鄷r(shí)消除了電弧產(chǎn)生的必要條件。
4 如何設(shè)計(jì)過(guò)零檢測(cè)電路
交流電具有方向性，可以通過(guò)整流橋整流為脈動(dòng)直流，再經(jīng)過(guò)光耦隔離后將零點(diǎn)信號(hào)輸出?；蛘卟捎秒p向光耦的方案，將零點(diǎn)信號(hào)輸出。這里采用整流橋的方案設(shè)計(jì)過(guò)零檢測(cè)電路，所設(shè)計(jì)的電路圖如下圖所示。
交流電經(jīng)過(guò)整流橋后，變成了脈動(dòng)直流，交流電的負(fù)半周期被翻轉(zhuǎn)為正，在過(guò)零點(diǎn)以外的地方都可以使光耦導(dǎo)通，而在零點(diǎn)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(hào)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(hào)為低電平；
零點(diǎn)附近：光耦的發(fā)光二極管截止，輸出端截止，輸出信號(hào)為高電平。
從上面的波形可以看出，只要檢測(cè)到高電平即可判斷零點(diǎn)來(lái)臨，這時(shí)候只要控制接觸器/繼電器的線圈，就能保證觸點(diǎn)在交流零點(diǎn)電流最小的時(shí)候斷開(kāi)，從而抑制了電弧的產(chǎn)生。多觸點(diǎn)起到了良好的保護(hù)作用，延長(zhǎng)了觸點(diǎn)壽命、保障了財(cái)物安全。
5 過(guò)零檢測(cè)電路的優(yōu)缺點(diǎn)
過(guò)零檢測(cè)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(diǎn)的來(lái)臨，處理器及時(shí)在電流最小的零點(diǎn)處將主回路斷開(kāi)，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(méi)有非常有效的手段來(lái)解決，依然依賴(lài)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(diǎn)，不存在電弧的問(wèn)題，但是電子式觸點(diǎn)過(guò)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(wèn)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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