摘要：ATSE即自动转换开关电器，它是一种常用的电器开关设备，使用广泛，主要用于在两路可用供电电源间，选择一路安全、可靠的的电源提供负载使用，以保证负载的连续性。ATSE灭弧系统作为其中的一部分构件，其设计的优化与否，直接关系到ATSE的使用性能，文章在分析触头以及灭弧系统的基础上，引入DMC材料，提高ATSE的灭弧能力。
关键词：ATSE；灭弧系统；触头
自动转换开关电器（Automatic Transfer Switching Equipment,简称 ATSE）常应用于重要的配电场所，能够对常用电源进行如缺相、过电压、欠电压、频率偏差等故障现象进行检测，并按管理员的设置进行自动切换至正常的备用电源。以保证负载供电的连续性，所以，在当前社会发展中，ATSE在配电系统应用越来越广泛，也越来越重要！
一、ATSE触头结构系统
ATSE的触头设计结构有多种，主要看产品设计时偏重于哪个技术指标。一般都将触头设计成U型，使动静触头间的电流方向相反，但是触头存在电动斥力，电流越大时，电动斥力越明显，将导致触头熔焊。所以，在有Icw指标高要求的ATSE产品中，触头一般采用动静触头间电流方向一致的结构进行设计。
在ATSE的触头结构中，触头基本采用线接触，静触头常设计成平面，而动触头设计成平面或者弧面，在分断短路电流时有利于引导电弧进入灭弧室。一些ATSE产品由于要求达到更高的机械寿命，也有采用多点接触的形式，比如触头合金表面设计成网状，触头在接触过程中可以尽量将表面的氧化层磨掉，以保证触头的接触电阻。而且在动静触头的配对，一般都是静触头的硬度稍大于动触头的硬度，避免触头在长期发热时的表面稳定温升不应超过国家标准规定的极限允许温升。
然而，标准中规定的温升参数，主要涉及触头的导电性，其与动静触头的接触电阻有密切关系。如果动静触头仅是在表面的突出点发生接触，该处电流就产生集中现象，由此引起的接触电阻称为束流电阻，该电阻与其表面产生的氧化膜附着层引起的界面电阻之和，就是所说的接触电阻。触头经过多次带载通断，受电弧的侵蚀，使表面变得粗糙，形成变质层，接触电阻增大，电流通过接触电阻产生焦耳热，这是引起触头发热的主要原因。
因此，对ATSE触头材质的选取也至关重要。
二、电弧
（一）电弧的产生与熄灭
当开关断开电流时，时常伴随着弧光火花，这种火花称之为电弧。电弧是一种气体放电的特殊形式，产生电弧的条件是电路内的电流和电压必须大于某一最小的起弧电流和最小起弧电压。如果电路电压不低于10-20V，电流不小于80-100mA，电器在分断电流过程中，触头间便会产生电弧。
电弧的形成是触头间中性质子（分子和原子）被游离的过程。ATSE触头分离时，触头间的距离很小，电场强度E很高（E=U/d）。当电场强度很大时，阴极表面的电子就会被电场力拉出而形成触头空间的自由电子，与触头间原有的少数电子，在电场力的作用下向阳极作加速运动，途中不断与中性质点相碰撞。如果电子的速度v足够大，电子的动能A=mv足够大，就有可能在运动中从中性质子中打出电子，形成自由电子和正离子。新形成的自由电子也向阳极作加速运动，也同样与中性质子发生碰撞，产生更多的自由电子和正离子。因此，在触头之间充满了电子和正离子，具有很大的电导，在触头本身的电源电压下，介质被击穿而产生电弧，电路再次被导通。电弧是一种空气导电现象，其能量集中，温度极高（电弧中心部分的维持温度可达1万度以上），亮度强，质量极轻，容易变形，在气体或液体的流动作用下或电动力作用下迅速移动、伸长或弯曲。
电弧的熄灭是由于气体的消游离，主要是复合游离和扩散作用。复合主要是异性离子互相结合而中和，利用液体或气体人工冷却电弧，减少离子的运动速度，尽快将电弧熄灭。扩散是将电弧表面的离子扩散到周围的冷介质中去，密度大温度高的气体总是向着密度小温度低的介质方向扩散，扩散出来的离子因冷却相结合而形成中性。电弧的熄灭是在消游离的速度大于游离的速度来实现的，从电的方面来说，要求介质的恢复速度大于两端的电压恢复速度，使电弧不再重燃；而在热方面则要求散热速度大于发热速度，使电弧不致因发热的热游离而复燃。
（二）灭弧措施
ATSE常用的灭弧措施主要有：
1、依靠触头的快速分开，在电流本身的曲线特性自然过零时实现灭弧，主要用于小电流产品；
2、利用金属栅片造成许多串联的短弧；
3、利用磁吹或导体回路电动力，使电弧迅速移动或拉长；
4、把电弧拉入灭弧室，利用灭弧室中的栅片将其冷却以增大电弧电阻。
三、灭弧室设计
由于ATSE主触头在分断过程中有电弧存在，使得ATSE分断时间延迟，触头经常被烧损，严重情况下可引起着火甚至发生爆炸。因此，在ATSE中设置灭弧系统，使电弧存在时间尽可能缩至最短，以减轻对触头的危害，进而提高ATSE的分断能力。基于电弧熄灭原理，来选择灭弧系统，即灭弧室的结构。对于目前的ATSE，最常用的灭弧措施基本都是借助于比较完善的金属栅片灭弧室对电弧进行灭弧。
金属栅片灭弧室的结构，主要是表面电镀的金属栅片固定于绝缘材料板上（如钢纸板）。当动静触头打开时产生电弧，电弧电流在周围空间产生磁通，将栅片磁化。因此它的磁通路发生了变化，栅片产生一种将电弧拉入灭弧室的吸力。灭弧栅片在灭弧室里的放置，一般采用隔层栅片错开形式，有利于减少电弧进入栅片的阻力。电弧进入栅片后，它被分割成许多串联的短弧，在原来冷状态的铁栅片紧贴短弧后，使电弧电阻增大、电弧电压上升。当电弧电压大于触头两端的工频恢复电压时，电弧就被熄灭了。灭弧栅片的形状，一般设计成倒V形，更有利于电弧进入栅片时，可减少阻力。设计灭弧室时，关键还在于栅片的厚度和片间的距离，以及栅片的数量。缩小灭弧室金属栅片与触头系统的距离，可增加吹弧磁场和拉弧的电动力，将电弧快速引入灭弧室中进行灭弧，电弧在栅片多时，被分割的短弧数多，受栅片冷却的面积就大，但是一旦ATSE尺寸确定后，栅片数量也不能过大，栅片数量多了，片间的间隙变小，会对电弧进入栅片时产生很大阻力，甚至电弧无法进入，栅片会被烧损，影响灭弧效果。
四、结语：
文章综合分析ATSE触头系统和电弧的产生与熄灭原理以及灭弧系统，将理论与试验结合，在行业不断发展的当下，为制定灭弧系统技术方案提供参考，实现提升电器技术性能。
参考文献：
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论文作者:陈晓群
论文发表刊物:《电力设备》2017年第9期
论文发表时间:2017/8/1
标签：电弧论文; 触头论文; 电流论文; 电阻论文; 电压论文; 系统论文; 表面论文; 《电力设备》2017年第9期论文;