电弧是什么？具有什么危害？过零检测电路对抑制电弧有什么意义？

本文为“玩转嵌入式”原创文章，如果您想转载，可以联系我获取白名单授权，感谢支持。

从事电力电子、输配电、工控行业的朋友都有过这样的经历：不管是直流电还是交流电，在断开主控制回路的机械式开关时，在触点上都能看到电火花现象，并伴随着发热。在主回路切断前，电流越大，那么所产生的电火花越严重。这种现象就叫做拉弧现象。电弧主要发生在大电流分断时的机械触点之间，久而久之会对触点造成腐蚀，并有可能导致火灾或者爆炸，严重威胁生产、财产安全。相关行业的工程师一直在努力寻找抑制电弧的有效方法。下图就是接触器在分断时产生了电弧现象。

1 - 触点带电流分断时产生的电弧

1 什么是电弧，电弧有哪些特点

什么是电弧

电弧是一种气体放电现象，原本接触的两个触点通有大电流，在触点断开的瞬间，电子或离子游离到空气中并瞬间产生电火花，致使周围的空气自持导电，所以在电弧发生期间两个触点还是导电的。电弧持续的过程叫做拉弧的过程，这个过程大概持续几十毫秒至几百毫秒之间，一般不会超过一秒，但是在整个拉弧期间，电弧携带了巨大的能量和高温，可使周围的易燃物瞬间引燃引起火灾或者爆炸。

2 - 配电站产生的电弧

电弧存在以下特点：

1) 起弧电压、电流低。电弧并非是高压、高电流的专属，其实只要回路电压超过20V，电流超过80mA，机械式触点在分断时，就可能产生电弧。

2) 能量集中、温度高。在触点分断瞬间，电弧被瞬间释放，产生高温高能量的电火花。

3) 易游离、易变形。由于电弧是气体放电，所以在外力作用下容易游离、变形，可以利用这个特点想办法灭弧。

4) 导电性能良好。电弧是导电的，延迟了触点的分断。

3 - 被电弧腐蚀的触点

2 电弧是如何产生的

电弧是如何产生的呢？机械式触点的动触点和静触点之间的活动距离非常小，在触点分离时，接触压力和接触面积也在减小，导致触点之间的接触电阻变大，流过的电流致使触点之间的温度上升，在有限的空间内，高温把触点表面液化。同时，在触头之间形成了非常大的电场，触点在分断时，内部的电子就被电场拉了出来，形成了电场发射，使电子、离子被游离就形成了电弧。

4 - 动触点和静触点分离瞬间

3 电弧如何抑制

电弧是不可避免的，只能抑制不能消除。从机械结构的角度，可以使用灭弧室和灭弧栅来隔离电弧。灭弧栅是由很多灭弧片所构成的，灭弧片将灭弧室分隔成很多个独立的空间，电弧产生后通过磁吹的方式将电弧引入灭弧栅所构成的空间中，使电弧被拉长导致无法维持，从而加速了电弧的熄灭，起到了电弧抑制的效果。灭弧栅的原理如下图所示。

5 - 灭弧栅隔绝电弧原理

交流回路和直流回路在分断时都能产生电弧，同等条件下，交流所产生的电弧要弱于直流所产生的电弧，这是因为交流电是有方向的，每半个周期交流电会过零，削弱了电弧。所以，在交流应用中会通过过零检测来判断零点的到来，并在过零点附近时将回路断开，因为零点附近电流小，触点分断时消除了电弧产生的必要条件。

4 如何设计过零检测电路

交流电具有方向性，可以通过整流桥整流为脉动直流，再经过光耦隔离后将零点信号输出。或者采用双向光耦的方案，将零点信号输出。这里采用整流桥的方案设计过零检测电路，所设计的电路图如下图所示。

6 - 过零检测电路原理

交流电经过整流桥后，变成了脉动直流，交流电的负半周期被翻转为正，在过零点以外的地方都可以使光耦导通，而在零点附近光耦截止。光耦的输出端连接上拉电阻。波形分析如下：

正半周期：光耦的发光二极管导通，输出端导通，输出信号为低电平；

负半周期：光耦的发光二极管导通，输出端导通，输出信号为低电平；

零点附近：光耦的发光二极管截止，输出端截止，输出信号为高电平。

输出波形如下图所示。

7 - 过零检测电路的波形

从上面的波形可以看出，只要检测到高电平即可判断零点来临，这时候只要控制接触器/继电器的线圈，就能保证触点在交流零点电流最小的时候断开，从而抑制了电弧的产生。多触点起到了良好的保护作用，延长了触点寿命、保障了财物安全。

5 过零检测电路的优缺点

过零检测电路是抑制电弧的辅助手段，在主控回路中告知处理器零点的来临，处理器及时在电流最小的零点处将主回路断开，最大限度地杜绝了电弧的产生。但是该电路只适用于交流回路，不适用于直流回路。直流控制回路地电弧目前没有非常有效的手段来解决，依然依赖于磁吹、灭弧室、灭弧栅、充惰性气体等方式。

固态继电器虽然是电子式触点，不存在电弧的问题，但是电子式触点过大电流能力有限并且需要加装较大体积的散热片，增加了成本和体积。

总之，电弧是行业问题，不可避免，目前抑制电弧的手段非常有限，行业内的工程师一直在努力的研究抑制电弧的有效办法。