6.1 概述
在低压断路器开断过程中，吹弧磁场对电弧熄灭和电路开断起着重要作用。首先，当电弧在触头间呈现到电弧开始运动，需要一定时间，这段时间称为电弧停滞时间，电弧停滞时间是由于触头刚分离时，起始电弧主要为触头金属桥拉断所产生的金属蒸汽来维持的，人们把它称为金属相电弧，而金属相电弧是很难移动的，只有当外界气体进入电弧间隙，把金属相电弧变为由气体离子支撑的气相电弧时，电弧才能移动，电弧从刚呈现为金属相电弧而转化为气相电弧所需时间被称为电弧停滞时间，电弧停滞时间越长会使电器触头受电弧侵蚀越厉害，因而影响电器的电寿命，另一方面，电弧停滞时间延缓了电弧的运动也影响了开关电器的开断性能，特别是对限流断路器，会降低断路器限流性能。一般认为，在静止介质中自由电弧在横向外磁场的作用下，将感应出气流流动，让冷气流从电弧前端进入弧柱，而从弧柱后端流出，形成双涡旋的流场，如图6-1所示，这一作用可促进金属相电弧转变为气相电弧，从而减小电弧停滞时间。
图6-1 磁场作用下通过弧柱的流场分布
传统的观点认为电弧在磁场中运动，受到气流的表面冷却，而从图6-1的物理现象看，磁吹对电弧的冷却作用，更是深入到弧柱内。吹弧磁场的另一作用是驱动电弧进入栅片灭弧室，电弧产生后，其本身就相当于一载流导体，与触头导电回路产生的吹弧磁场作用下，在电弧上施加了回路电动力，即洛伦兹（Lorentz）力，该力快速驱动电弧进入栅片灭弧室。所以从20世纪60～70年代开始人们在设计低压断路器结构时，对自励磁场的设计给予了充分的重视。(https://www.daowen.com)
载流导体在磁场中会受到电动力的作用。电动力是开关电器领域中的一个共性问题，因此对电动力的研究是电器优化设计中的一项很重要也很必要的内容。就低压断路器来说，电动斥力对限流式断路器的限流性能和开断能力有重要的影响，而框架断路器也存在如何选择合适的触头压力以保证其电动稳定性的问题。
伴随着电磁场数值计算理论及相关技术的发展，可以实现对复杂结构电器中的电动斥力进行较为精确的分析。开关电器在工作时，作用在动触头上的电动斥力包括两个部分：由于电流收缩引起的Holm力FH和由于导电回路引起的Lorentz力FL。对FH的研究，主要是如何描述触头间的电接触情况，该问题一直是电器科学中的一个难题，不仅在计算电动斥力时存在，更是关系到人们对接触电阻、发热等物理现象的认识，特别是随着微机电系统、超导、汽车电器等新技术的发展，吸引着更多的学者对此保持密切关注。而FL从本质上来讲取决于载流导体的电流密度和所受的磁感应强度分布，因此对FL的数值计算，首先要对这两个物理场量的分布进行分析，研究各种因素对FL的影响规律，实现触头灭弧系统结构的优化设计。
近年来，人们发现除了电动斥力外，另外一种作用在动触头上的力，即气动斥力可以使动触头进一步加速运动，从而对断路器的开断过程有重要影响。我们知道，当短路电流到来时，动静触头分离后，在其中将产生电弧。由于电弧的热效应以及电弧与触头表面之间的相互作用，将在触头上产生另外一个力，这被称为气动斥力FB。由于影响气动斥力的因素很多，如触头灭弧系统结构、短路电流性质、触头开距等，使得对气动斥力的研究较为困难。然而，对于低压限流断路器来讲，一般情况下，触头先于机构开始动作，这样气动斥力对于触头斥开后的进一步运动起着重要的作用，从而影响断路器的开断能力和限流性能。
本章主要介绍吹弧磁场、电动斥力和气动斥力分析方法及作用规律，以及在塑壳断路器优化设计中的应用。
