重击穿

电力术语

重击穿是指在断路器开断电路时，如果击穿发生在熄弧后0.25T（T为工频电压的周期，一般为20ms）之后的任何瞬间发生的击穿，也称为重燃。重击穿这个概念一般用于断路器。在电气设备的开合电路的电器上也延用该概念。

简介

电弧是开关电器使用中不可回避的一种现象，电弧的产生会严重侵蚀触头，甚至会烧毁触头或使触头熔焊，造成可靠性降低或接触失效，缩短开关电器的使用寿命。当开关电器动静触头分开时会在触头间的介质中产生电弧，随后电弧在外界磁场的作用下使弧根在电极上快速移动，弧柱逐渐拉长、弯曲变形，并最终熄灭。在电弧的弧柱变形、运动过程中，触头间隙或附近区域会出现局部的重击穿放电现象。弧隙重击穿，将延长燃弧时间，是增加触头磨损、降低电寿命及可靠性的重要影响因素。因此，对重击穿过程和产生机理的认识，可进一步提高电器灭弧性能，缩短燃弧时间，提高产品的使用寿命和可靠性。

类型

根据电弧运动过程中，弧柱所经过区域重击穿放电发生的空间位置，在综合考虑电弧等离子体电极属性基础上，将重击穿分为以下两种：

触头间隙的重击穿

包括阳极侧重击穿、阴极侧重击穿及混合重击穿，如图1所示。触头间的重击穿造成电弧电压大幅骤降，严重增加燃弧时间，加剧触头的侵蚀，缩短开关电器的电寿命。

触头与电弧等离子体之间的重击穿

电弧等离子体与触头之间的击穿放电形成放电通道，电弧呈局部分叉的形态，如图2所示。这种重击穿是直流大功率继电器桥式双断点触头中特有的现象。该重击穿会对触头边缘造成严重烧蚀，同时在灭弧室内形成大面积烧弧区域，给直流大功率继电器灭弧室内部其他零部件带来严重侵蚀甚至爆炸的隐患。

概率

重击穿放电具有随机性，因此，在说明不同电压等级下的重击穿概率时，重击穿发生概率按如下步骤进行计算：在每一电压等级下，电流保持50A不变，反复进行50次分断电弧实验；根据电弧电压曲线结合高速摄像机拍摄到的电弧图片现象判断是否发生重击穿；出现前文描述的两类重燃的任何一种情况则计为该次分断发生重燃，单次分断电弧中出现多次重燃按一次重燃进行统计。

重燃概率P计算公式为：P=N0/N

式中，N0为重击穿出现的次数；N为相同条件实验的次数（50次）。

图3为触头间施加不同电压下，重燃发生概率的统计。由图3可见，电压由300V提高到800V，重击穿发生的的概率从24%提高到82%。随着电压的增大，发生重击穿的概率明显变大。

相关影响

电压对重击穿过程影响

图4为不同电压下触头间预击穿导电通道形成时刻轴向电子密度分布，随着电压的增加，弧隙预击穿导电通道形成时刻的电子密度明显增大。由图4可见，电压由400V增加到500V时，轴向电子密度峰值增加。

触头间电压增加一方面导致预击穿阶段近极区鞘层区域内电场强度变大，有利于电子经过鞘层过程中快速积累能量，导致电子碰撞电离的加剧，电子浓度增加，促进电子崩的发展，二次电子崩更容易发生，维持了碰撞电离发展，有利于重击穿的形成。另一方面，触头间电压增加同时也造成了预击穿阶段近极区鞘层区域承受的电压相应增大，鞘层被击穿的概率增加，这将增加预击穿放电通道转变为电弧放电的可能性。因此，随着电压的增加，重击穿发生的概率将变大。

温度对重击穿过程影响

电弧运动过程中，弧柱所经过区域的初始温度是重击穿放电形成的重要影响因素之一。随着温度的增加，电子的无序性加强，电子与其他粒子发生碰撞的几率增加，发生电离的概率增大，产生电子、正离子等带电粒子的密度大幅增加。由图5可见，随着初始温度的增加，轴向电子密度增大。在近极区形成稳定的正离子鞘层，鞘层区域的电子数密度相对较低。原因是电极表面因金属屑、毛刺或倒角等形成局部强电场，引起电极表面场电子发射，电子通过正离子鞘层的加速到达预击穿导电通道区域。由于放电是在大气压条件下进行，碰撞电离后的电子、离子和中性粒子温度近似相等。当弧柱所经过区域的初始温度增加时，残留高温气体、残留局部电离气体及金属蒸气使重击穿过程中的电离程度得到了加强，导电通道内高密度粒子使电子在运动过程中更容易获得能量，高能粒子大幅增加。大量高能电子会增加电离的概率，促进局部击穿放电的发生和发展，对电弧弧柱所经过区域的介质强度恢复造成了不利条件。

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