重擊穿

電弧是開關電器使用中不可迴避的一種現象，電弧的產生會嚴重侵蝕觸頭，甚至會燒燬觸頭或使觸頭熔焊，造成可靠性降低或接觸失效，縮短開關電器的使用壽命 ^[1]  。當開關電器動靜觸頭分開時會在觸頭間的介質中產生電弧，隨後電弧在外界磁場的作用下使弧根在電極上快速移動，弧柱逐漸拉長、彎曲變形，並最終熄滅。在電弧的弧柱變形、運動過程中，觸頭間隙或附近區域會出現局部的重擊穿放電現象。弧隙重擊穿，將延長燃弧時間，是增加觸頭磨損、降低電壽命及可靠性的重要影響因素。因此，對重擊穿過程和產生機理的認識，可進一步提高電器滅弧性能，縮短燃弧時間，提高產品的使用壽命和可靠性。

根據電弧運動過程中，弧柱所經過區域重擊穿放電發生的空間位置，在綜合考慮電弧等離子體電極屬性基礎上，將重擊穿分為以下兩種：

包括陽極側重擊穿、陰極側重擊穿及混合重擊穿，如圖1所示。觸頭間的重擊穿造成電弧電壓大幅驟降，嚴重增加燃弧時間，加劇觸頭的侵蝕，縮短開關電器的電壽命。

電弧等離子體與觸頭之間的擊穿放電形成放電通道，電弧呈局部分叉的形態，如圖2所示。這種重擊穿是直流大功率繼電器橋式雙斷點觸頭中特有的現象。該重擊穿會對觸頭邊緣造成嚴重燒蝕，同時在滅弧室內形成大面積燒弧區域，給直流大功率繼電器滅弧室內部其他零部件帶來嚴重侵蝕甚至爆炸的隱患。

重擊穿放電具有隨機性，因此，在説明不同電壓等級下的重擊穿概率時，重擊穿發生概率按如下步驟進行計算：在每一電壓等級下，電流保持50A不變，反覆進行50次分斷電弧實驗；根據電弧電壓曲線結合高速攝像機拍攝到的電弧圖片現象判斷是否發生重擊穿；出現前文描述的兩類重燃的任何一種情況則計為該次分斷髮生重燃，單次分斷電弧中出現多次重燃按一次重燃進行統計。

重燃概率P計算公式為：P=N₀/N

式中，N₀為重擊穿出現的次數；N為相同條件實驗的次數（50次）。

圖3為觸頭間施加不同電壓下，重燃發生概率的統計。由圖3可見，電壓由300V提高到800V，重擊穿發生的的概率從24%提高到82%。隨着電壓的增大，發生重擊穿的概率明顯變大。 ^[2] 

圖4為不同電壓下觸頭間預擊穿導電通道形成時刻軸向電子密度分佈，隨着電壓的增加，弧隙預擊穿導電通道形成時刻的電子密度明顯增大。由圖4可見，電壓由400V增加到500V時，軸向電子密度峯值增加。

觸頭間電壓增加一方面導致預擊穿階段近極區鞘層區域內電場強度變大，有利於電子經過鞘層過程中快速積累能量，導致電子碰撞電離的加劇，電子濃度增加，促進電子崩的發展，二次電子崩更容易發生，維持了碰撞電離發展，有利於重擊穿的形成。另一方面，觸頭間電壓增加同時也造成了預擊穿階段近極區鞘層區域承受的電壓相應增大，鞘層被擊穿的概率增加，這將增加預擊穿放電通道轉變為電弧放電的可能性。因此，隨着電壓的增加，重擊穿發生的概率將變大。

電弧運動過程中，弧柱所經過區域的初始温度是重擊穿放電形成的重要影響因素之一。隨着温度的增加，電子的無序性加強，電子與其他粒子發生碰撞的幾率增加，發生電離的概率增大，產生電子、正離子等帶電粒子的密度大幅增加。由圖5可見，隨着初始温度的增加，軸向電子密度增大。在近極區形成穩定的正離子鞘層，鞘層區域的電子數密度相對較低。原因是電極表面因金屬屑、毛刺或倒角等形成局部強電場，引起電極表面場電子發射，電子通過正離子鞘層的加速到達預擊穿導電通道區域。由於放電是在大氣壓條件下進行，碰撞電離後的電子、離子和中性粒子温度近似相等。當弧柱所經過區域的初始温度增加時，殘留高温氣體、殘留局部電離氣體及金屬蒸氣使重擊穿過程中的電離程度得到了加強，導電通道內高密度粒子使電子在運動過程中更容易獲得能量，高能粒子大幅增加。大量高能電子會增加電離的概率，促進局部擊穿放電的發生和發展，對電弧弧柱所經過區域的介質強度恢復造成了不利條件。 ^[3]