1.5 低压电器的基础知识
1.5.1 触头的接触电阻
作为电磁式低压电器的执行机构，触头的分合决定了被控电路的通断，触头闭合时动静触头完全接触，并有工作电流流过，称为电接触。电接触不可避免地存在接触电阻，触头的接触电阻包括“收缩电阻”和“膜电阻”。
连接器接触件的表面金属即使十分光滑，在显微镜下仍能观察到5～10μm的凸起部分。动静触头闭合时，并不是两个接触面的完全接触，而是接触面一些点上的接触。这些凸起部分的接触起着承载电流的作用，由于截面面积的突然变化，这些接触部位电流发生剧烈收缩现象，使有效导电面积变小，触头接触处的电阻变大。这种主要由于电流收缩而增加的电阻称为收缩电阻，符号为Rs。
电接触的接触面上，由于氧化膜层和其他污染物而导致的电阻称为膜电阻，符号为Rf。暴露在空气中的金属表面，即使很洁净，也会很快生成几微米的初期氧化膜层。例如，铜只要2～3min，镍约30min，铝仅需2～3s，其表面便可形成厚度约2μm的氧化膜层。即使特别稳定的贵金属金，其表面也会形成一层有机气体吸附膜。大气中的尘埃等也会在接触件表面形成沉积膜。微观上，任何接触面都是一个污染面。用铜、铝、镍等材料制成的触头，其表面在空气中很容易氧化。氧化后形成的氧化物薄膜电阻很大，增大了触头的接触电阻。
综上，接触面的总电阻R由导体电阻Rp、收缩电阻Rs和膜电阻Rf组成，即
R=Rs+Rf+Rp
接触电阻的存在，不仅会造成一定的电压损失，还会使触头发热而温度升高，严重时可导致触头熔焊而不能正常工作。影响接触电阻的因素主要有如下几个：
（1）接触形式
接触形式对收缩电阻的影响主要表现在接触点的数目上。一般情况下，面接触的接触点数最多，收缩电阻最小；点接触的接触数最少，收缩电阻最大；线接触则介于两者之间。
接触形式对膜电阻的影响主要取决于每一个接触点所承受的压力。一般情况下，触头外加压力相同的情况下，点接触形式单位面积承受压力最大，容易破坏表面膜，所以有可能使膜电阻减到最小；面接触承受压力最小，对氧化膜的破坏力最小，膜电阻值有可能最大。
在实际情况中，需要综合以上两个因素，对接触电阻的大小进行具体的分析判断。
（2）接触压力
接触压力的增加使接触点的有效接触面积增大，即接触点数增加，减小收缩电阻。适当增加接触压力，当超过一定值时，可使触头表面的气体分子层吸附膜减少至2～3个；超过材料的屈服强度时，产生塑性变形，表面膜被压碎出现裂缝，增加了接触面积，收缩电阻和膜电阻同时减小，从而使接触电阻大大下降。相反，若接触不到位、接触触头失去了弹性变形等原因使接触压力下降时，接触面积减小，收缩电阻增大，膜电阻也由于接触压力破坏作用的减弱或不受其影响，从而使膜电阻增大，两者的综合作用使接触电阻整体上升。可采用安装触点弹簧增加接触压力。
（3）接触表面的光洁度
接触表面的光洁度对接触电阻有一定的影响，这主要表现在接触点数的不同。接触表面可以是粗加工、精加工，甚至是采用机械或电化学抛光。不同的加工形式直接影响接触点数的多少，并最终影响接触电阻的大小。可采用指形触头自动清除氧化膜，及时清理触头表面尘垢的方法来提高接触表面的光洁度。
（4）接触电阻在长期工作中的稳定性
电阻接触在长期工作中要受到如下腐蚀作用：
1）化学腐蚀。电接触的长期允许温度一般都很低，即使接触面的金属不与周围介质接触，周围介质中的氧也会从接触点周围逐渐侵入，并与金属起化学作用，形成金属氧化物，使实际接触面积减小，增大接触电阻，从而导致接触点温度上升。温度越高，氧分子的活动力越强，可以更深地侵入金属内部，进一步加重腐蚀作用。
2）电化学腐蚀。不同金属的电接触会产生电化学腐蚀。它使负极金属溶解到电解液中，造成负电极金属的腐蚀。
（5）温度
接触点温度升高会导致金属电阻率增大，但材料的硬度降低，从而使接触点的有效面积增大。电阻率增大使收缩电阻增大，有效面积的增加又使收缩电阻减小，两者对电阻的影响互相补偿，最终使接触电阻的变化甚微。但是，发热使接触面上生成氧化层薄膜，其氧化速度与触头表面温度有关，当发热温度超过某一临界温度时，这个过程会加速进行，限制了接触面的极限允许温度。否则将使接触电阻剧增，引起恶性循环。另外，当发热温度超过一定值时，弹簧接触部分的弹性元件会被退火，使压力降低，也会使接触电阻增加，恶性循环加剧，最后会导致连接状态遭到破坏。
（6）材料性质
电接触金属材料的性质直接影响接触电阻的大小，如电阻率、材料的布氏硬度、材料的化学性质以及材料的金属化合物的机械强度等。铜有良好的导电和导热性能，其强度和硬度都比较高，熔点也较高，易于加工。铜线接头在接触良好的情况下，温度低于无接头部位的温度；但高温时，也能氧化生成氧化亚铜，氧化亚铜的导电性很差，氧化膜厚度随时间和温度的增加而不断增加，接触电阻也成倍增加，甚至使闭合电路出现断路现象。因此铜不适合于非频繁操作电器的触头材料。对于频繁操作的接触器，电流大于150A时，氧化膜在电弧的高温作用下分解，因此可采用铜触头。从整体减小接触电阻的角度看，可在铜基触头上镀银、镶银或锡，后两者的优点是电阻率及材料的布氏硬度值小，氧化膜机械强度很低，因此铜件上采取此措施可减小接触电阻。
（7）使用电压和电流
施加电压达到一定阈值，会使接触件膜层被击穿，而使接触电阻迅速下降。但由于热效应加速了膜层附近区域的化学反应，对膜层有一定的修复作用，于是阻值呈现非线性。在阈值电压附近，电压降的微小波动会引起电流可能二十倍甚至更多倍的变化，使接触电阻发生很大变化。当电流超过一定值时，接触件界面微小点处通电后产生的焦耳热作用使金属软化或熔化，对集中电阻产生影响，减小接触电阻。
1.5.2 电弧基本理论
1.电弧现象及特点
电路电流大于0.25～1A，触头间电压超过12～20V，电器的触头接通或断开电路时，在触头间隙中便会产生一团温度极高、发出强光且能够导电的近似圆柱形的气体，这种现象称为电弧现象。电弧属于气体放电的一种形式。气体放电分为自持放电与非自持放电两类，电弧属于气体自持放电中的弧光放电。
由于电弧的高温及强光，它可以广泛应用于焊接、熔炼、化学合成、强光源及空间技术等方面。但对于有触点的电器而言，电弧主要产生于触头断开电路时，触头间只要有电弧的存在，电流就仍然存在，因此，电弧的存在延长了电路的切断时间。当电路发生短路时，电弧的存在延长了断路器的断开时间，加剧了电力系统短路故障的危害；电弧产生的高温，可能导致触头表面金属气化，加重触头磨损，甚至会使触头发生熔焊，破坏电器的正常工作，严重时电弧的高温会烧坏触头，电弧在电动力、热力的作用下能移动，容易造成飞弧短路，导致事故的扩大，甚至引起相间短路、电器爆炸，进而酿成火灾，危及人员及设备的安全。
从电器的角度研究电弧，目的在于了解它的基本规律，找出相应的办法，让电弧在电器中尽快熄灭。借助仪器观察电弧可以发现，除两个极（触头）外，可将电弧分为3个区域：近阴极区、近阳极区和弧柱区。
近阴极区的长度约等于电子的平均自由行程。在电场力的作用下正离子向阴极运动，造成此区域内聚集着大量的正离子而形成正的空间电荷层，使阴极附近形成高电场强度。正的空间电荷层形成阴极电压降，其数值随阴极材料和气体介质的不同而有所变化，在10～20V之间。
近阳极区的长度约为近阴极区的几倍。在电场力的作用下自由电子向阳极运动，它们聚集在阳极附近而且不断被阳极吸收而形成电流。在此区域内聚集着大量的电子形成负的空间电荷层，产生阳极电压降，其值也随阳极材料而异，但变化不大，稍小于阴极电压降。由于近阳极区的长度比近阴极区的长，故其电场强度较小。阴极电压降与阳极电压降的数值几乎与电流大小无关，在材料及介质确定后可以认为是常数。
弧柱区的长度几乎与电极间的距离相同，它是电弧中温度最高、亮度最强的区域。因在自由状态下近似圆柱形，故称为弧柱区。在此区域中正、负电粒子数相同，又称为等离子区。由于不存在空间电荷，整个弧区的特性类似于一金属导体，每单位弧柱长度电压降相等，其电位梯度E也为一常数。电位梯度与电极材料、电流大小、气体介质种类和气压等因素有关。
电弧按其外形分为长弧与短弧。弧长大大超过弧径的称为长弧。长弧的电压是近极电压降（阴极电压降与阳极电压降）与弧柱电压降之和；若弧长小于弧径，两极距离极短（如几毫米）的电弧称为短弧，短弧两极的热作用强烈，近极区的过程起主要作用。电弧的电压降以近极电压降为主，几乎不随电流变化。
电弧还可按其电流的性质分为直流电弧和交流电弧。
按产生电弧的电路电源类型通常分为直流电弧放电和交流电弧放电两种。交流电流在变化时有瞬时过零点的特性，拉开交流电弧时，当交流电流过零点时，弧隙电流为零，电弧瞬间熄灭。当交流电流过零点后，触头间拉开的距离已增大，使击穿弧隙的电压增高，电弧容易熄灭。直流电流没有过零特性，线路电感储存的磁场能量也在触头断开时造成触头上的过电压，因此交流电产生的电弧比直流电产生的电弧更加容易熄灭。
2.电弧的形成原因
变压器及各种用电设备投入或者退出电网时，都由开关电器来完成。当其在空气中开断时，只要电源电压超过12～20V，被关断的电流超过0.25～1A，在触头间（简称弧隙）就会产生电弧。例如，铜触头间的最小生弧电压为13V，最小生弧电流为0.43A，开断220V交流电路时产生电弧的最小电流为0.5A。
开关类电器在工作时，电路的电压和电流大多高于生弧电压和生弧电流。即开断电路时触头间隙中必然产生电弧这一现象。电弧的产生，一方面使电路仍保持导通状态，延迟了电路的开断；另一方面电弧长久不熄还会烧损触头及附近的绝缘，严重时甚至引起电器发生爆炸，导致火灾。电弧是电气设备火灾事故的一个常见点火源。
触头开始分离时，接触位置的接触面积很小，电流密度很大，使触头金属材料强烈发热，它首先被熔化形成液态金属桥，然后有一部分被气化，变成金属蒸气进去弧隙。阴极表面在高温作用下，也产生热电发射，向弧隙发射电子；同时，触头间隙开始很小，电场强度极大，阴极表面内部的电子会在强电场作用下被拉出来，送向弧隙，这叫作场强发射。由于场强发射和热电发射在弧隙中形成的自由电子，又被强电场加速，向阳极运动，具有足够动能的电子与弧隙介质中性点产生碰撞游离，这种现象不断发生的结果，是触头间隙中的介质点大量游离，变成大量正、负带电质点，使弧隙击穿发弧，形成导电通道。
电子动能大于介质的游离能（游离电位）时，碰撞游离才能发生，当电子动能小于介质游离能时，中性质点只能被激励。电子在弧隙电场中动能的大小，由电子速度决定，而电子平均速度与介质密度和电场强度有关，因此，可在开关电器触头间充以游离电位高的氢、六氟化硫等物质，实现使电弧易于熄灭且不易重燃的目的。
碰撞游离是电弧发生的主要原因，触头间的强电场是电弧发生的必要条件，弧隙介质的热游离是维持电弧燃烧的主要因素。发生电弧时，弧隙中电子、原子及分子互相碰撞，并不断交换能量，使弧隙中介质温度急剧增加，弧柱温度高达6000～7000℃，甚至10000℃以上。一般气体当温度大于7000～8000℃时，金属蒸气温度大于3000～4000℃，热游离产生的电子，就足够形成导电通路，使电弧得以维持。
详细的灭弧原理与灭弧方法介绍见第3章。