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真空電弧中陽極斑點現(xiàn)象的分析

在真空電弧中出現(xiàn)陽極斑點現(xiàn)象對真空開關(guān)來 說是一個不祥之兆，往往會使觸頭嚴(yán)重熔化，并且 會產(chǎn)生過量的金屬蒸氣。當(dāng)用真空開關(guān)開斷工頻交 流電路時，這些過量的金屬蒸氣還會在觸頭間于電 流過零后持續(xù)一段時間，它將使介質(zhì)恢復(fù)的速度降 低，從而可能使真空開關(guān)開斷失敗。下面分析出現(xiàn) 陽極斑點現(xiàn)象的有關(guān)問題。

陽極斑點的形成

利許（Rich)、肯勃林（Kimblin)和密許 爾（MifchelI)等用了許多實驗方法廣泛地研究 了真空電弧陽極斑點的形成，并進行了討論，他們的 初步結(jié)論是：由于真空電弧的整個過程包括了許多 隨機因素，因而每次陽極斑點的形成都是不盡相同 的。當(dāng)采用棒狀電極做實驗時，由于電極直徑較小. 邊緣有很大一部分和電弧接觸，因此，即使在電流 低到IOOOA時也會出現(xiàn)陽極斑點。對于平面形狀的 大直徑電極，當(dāng)電極間隙很小時，至少要在超過

使轉(zhuǎn)矩具有馬鞍形特點。如令電機在罩極環(huán)開路下 工作，便會運行在1000轉(zhuǎn)/分的低轉(zhuǎn)速下。此外，曲 線還表明，如無罩極環(huán)存在，電機便沒有起動轉(zhuǎn)矩， 無法起動。一些罩極電機，常采取增大沒罩極尖下 氣隙的措施。這時磁通便不再以極中心線為對稱分 布，分解出諧波磁通的軸線將不是極中心的位置。 這樣，產(chǎn)生的諧波轉(zhuǎn)矩曲線就不再以n = 0為對稱。 電機便會有一個微小的起動轉(zhuǎn)矩，有助于電機的起 動。可以設(shè)計不同的氣隙和磁分路，分解氣隙磁通 中各次（主要是3、5次）諧波分景，應(yīng)用本程序來 觀察、分析階梯氣隙、磁分路等措施對性能的影響。

圖4是罩極環(huán)短接后的轉(zhuǎn)矩曲線，可以看到， 由于采用了短路環(huán)，使電機的基波轉(zhuǎn)矩有了很大的 改善，產(chǎn)生了一定的起動轉(zhuǎn)矩。但是，同時也改變 了諧波轉(zhuǎn)矩的分布，產(chǎn)生了對起動轉(zhuǎn)矩不利的影響。 應(yīng)用本程序可觀察、分析罩極環(huán)的數(shù)量.位置、參 數(shù)和所罩極尖的大小等對轉(zhuǎn)矩和性能帶來的影響。

從圖示曲線還可看到，諧波轉(zhuǎn)矩的影響主要是

王季梅（西安交通人學(xué)）

7000A時才有可能發(fā)生陽極斑點。對于陽極斑點足 否出現(xiàn)，可由陽極部分電弧亮度的突然增強、弧根 的收縮以及電弧電壓突然增加或下降來判斷。

肯勃林用兩種不同尺寸的陽極和相同尺寸的陰 極仔細(xì)地研究了直流電弧陽極斑點的形成。圖1中 曲線1為在小尺寸電極下所.測得的電弧電壓與電流 的關(guān)系。當(dāng)電流未超過臨界點時，電壓隨符電流的 增加很快地上升，當(dāng)?shù)竭_臨界點IMkA時，電壓有 一個突變，瞬時降到很低的數(shù)值，然后冉繼續(xù)增長。 在突變以前電弧是屬于擴散形態(tài)的范_，并由陰極 斑點提供金屬族氣來維持電弧。住突變以后陰極情 況基本上和以前相同，但陽極出現(xiàn)了陽極斑點后， 靠近陽極的弧柱有收縮現(xiàn)象。當(dāng)選用較人尺寸的電 極時，直到2. IkA還沒有出現(xiàn)陽極斑點，電弧電壓 隨著電流的增大緩慢地上升，如圖1曲線2 (實線） 所示。對這兩種電極所測得的情況，結(jié)論如下：

它們都具有一定的分散性，m曲線還足比較典 型的，一陽極斑點形成后，間隙將由陽極供給人

在低速區(qū)。在電機正常運行的卨速區(qū)，影響不人，

近似的町以僅以基波轉(zhuǎn)矩來汁詳、

結(jié) 論

1.   應(yīng)用本程序，結(jié)合對氣隙磁通的測試和分 解，可以分別觀察罩極環(huán)、階梯氣隙、磁分路等因 素對轉(zhuǎn)矩和性能的影響，找出應(yīng)有的設(shè)計規(guī)劃。

2.   分析轉(zhuǎn)矩中的諧波分1,可知7次以上的 諧波轉(zhuǎn)矩甚小，（例中7次諧波轉(zhuǎn)矩峰值不超過3克 厘米），可以略去，僅計算到3、5次即可。

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IO-

^v a4             12        2

圖I陽極尺寸的大小對真空電弧
陽極斑點的影響

(曲線1-小尺寸陽極曲線2-人尺寸陽極）

量的蒸氣，這時擴散形態(tài)的電弧就轉(zhuǎn)化為集聚形態(tài) 的電弧，同時電弧電壓將突然下降。

陽極斑點的不穩(wěn)定性

為了確定陽極斑點的不穩(wěn)定性，在直徑為5.⁷2 cm的銅電極上.采用相當(dāng)大的交流電流，在峰值 為4.1、10.3、11.7、和22.8kA下進行了實脷試驗， 測得如圖2所示的波形。從這些示波圖中可以看到， 電流曲線基本上是平滑的，但與正弦波形比較稍有 失真，而電壓波形則從10.3KA開始就出現(xiàn)顯著變 化的不穩(wěn)定現(xiàn)象。曾用高速攝影機拍攝了這個過程， 從攝下的照片圖中nJ■以觀察到陽極上有極光亮的斑 點，并在此電流下，經(jīng)過一個半波后發(fā)現(xiàn)陽極上有 明顯的局部洛化。當(dāng)這種培化點擴散到較大的面積 時，就有一部分金屬蒸氣增加到原來被陰極蒸氣充 滿的空間。由于金屬蒸氣的增加，將促進弧柱電磁 收縮的形成，而當(dāng)弧柱收縮時，輸入到陽極斑點的 功率密度將會進一步增大。如果這時有一個陽極斑 點完全形成，那么不穩(wěn)定性將會消失，電弧電壓就 趨于平滑。這樣，在電壓恢復(fù)期間，弧隙充滿了相 當(dāng)多的殘余蒸氣，容易使真空開關(guān)開斷失敗。

圖2   b)、 c), d>中所觀察到的電壓有

連續(xù)突然增加的不穩(wěn)定現(xiàn)象，似乎與在臨界電流狀

圖2 陽極斑點>(、穩(wěn)定性的 <丨<波陽

b) IfUkA Ci I I .7kA 22.8kA < Rkh的驗結(jié)欠〉

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態(tài)下的燃弧相仿。密許爾把這個電流值叫做“劇增 電流”（starvation current)，并證明劇增電流

與電極之間的距離成反比：

^/s" d

式中_a一常數(shù)；

R——電極半徑；

«--- 根據(jù)密許爾的實驗裝置取1.2;

d——電極間的距離。

在不穩(wěn)定期間，電壓的突然上升nj■能是因為一時沒 有足夠的正離子去中和陽極附近所增加的電子密 度，這時，陽極壓降必須增加到足夠的數(shù)值，以利 于電子相互碰撞產(chǎn)生正離子,從而增加正離子密度。 從示波圖中可以明顯地看到，當(dāng)暴發(fā)性地產(chǎn)生了足 夠的正離子后，電壓將降低至原來的數(shù)值或略大于 原來的數(shù)值，整個過程處于不斷重復(fù)狀態(tài)之中。

在陽極斑點完全形成以前還拌隨著一個較高的 •‘擾動”電壓（noise)。當(dāng)陽極斑點形成以后，這個 擾動電壓才消失,變成較低而平滑的電壓。陽極斑點 的形成是隨著密許爾的劇增電流開始到利許(Rich) 起始電流（丨hreshr'd current)的完成而全部形成。 伐孔（Bacon)和瓦特（Watt)以持續(xù)時間為IOms, 幅值為150A的脈沖真空電弧，對鋁陰極的暫態(tài)現(xiàn)象 進行了光譜分析。這個電弧的平均陽極電流密度為 2乂1(^入/(：(11-’，在距陰極表面0.3 111111以內(nèi)的空 間，可以觀察到AF' Al〃和Al⁺的光譜線。在距 陽極0.05 mm內(nèi)測得AI' ⁺ 40激勵狀態(tài)的密度峰值大 約為5 X HT個/cm、但從玻爾曼溫度場測得該處 的溫度不足以產(chǎn)生Al^:+和Al'+,由此n]•得出結(jié)論： 暫態(tài)陽極的輝光放電并不處于電離平衡，而陽極斑 點形成期間的暫態(tài)不穩(wěn)定性正好被對應(yīng)于非熱電弧 陰極發(fā)射點的電壓駝峰所充滿，因此在陽極附近出 現(xiàn)的高溫電子可以認(rèn)為是這種電壓駝峰的結(jié)果。電 壓駝峰吸收了高溫電子后，并被這些電子加熱。這 就使得在陽極附近發(fā)生高度的電離（AP⁺就是在這 樣的情況下，由陽極產(chǎn)生鋁楱氣的。）在4000A的真 空電弧中，暫態(tài)區(qū)域的電子密度的測量值為IO¹‘個/ cm'。理論分析指出AT"e=30V時，距陽極表面 0.3mm以內(nèi)的電子密度為5 XKT個/_cm-‘。

陽極斑點的溫度

在出現(xiàn)不穩(wěn)定暫態(tài)現(xiàn)象的同時，還發(fā)生了電離

增加和弧丨t:的電磁收縮等現(xiàn)象，其結(jié)果在陽極上« 些區(qū)域的溫度急速上升。在出現(xiàn)不穩(wěn)定暫態(tài)現(xiàn)象之 前，陽極附近的蒸氣壓力比周圍的氣壓略高一些， 隨著陽極進一步加熱，該處的雀氣壓力會很快地上 升。當(dāng)溫度上升至銅的熔點（1350K)時，該處的 蔟氣壓力大約為5><1〇」丁〇1'|'(1111111^!8>_這個 值低于其平均值，因為陰極也存在荇劣發(fā)現(xiàn)象。帛 溫度再升高時，壓強將按指數(shù)規(guī)律上升，在溫度為 1650K時，壓強的數(shù)量級為10 ^lTorr,這時的粒f 密度為5 XitT個原子, _cm^;,這樣人的粒f-密度， 其平均自由行程就變得十分小，電7-和原f的碰攛 機會就增加，促使電離迅速增長，據(jù)估計，陽極的 溫度為2490~3040K,這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過f锏的熔點，甚 至超過了銅的沸點.由此吋知陽極斑點的形成足以 極高的速度進行的。當(dāng)陽極斑點形成以后.電弧的 性能就和高氣壓電弧的情形相同.且電壓也脫離了 不穩(wěn)定狀態(tài)。

從實驗所確定的陽極斑點溫度和考幫(cobine) 估計的溫度差不多，為2490?3040K鮑克斯曼 (Boxman)用輻射的方法對鎳電極測得的溫度為 2790~2960K,密許爾用光學(xué)的方法也得出相似的 結(jié)果，其值為2730~2800K,并Ii根據(jù)族發(fā)it■钚所 得值為3230~3350Kq克利生（Crissom)和牛頓 (Newton)以持續(xù)時間為6 ms的脈沖電弧加在一 較小直徑的銅電極上，當(dāng)電流密度為5 X IOA cm^:時，發(fā)現(xiàn)陽極斑點溫度較高，接近3023?3723 K。很明顯，在這樣高的溫度下，會使金屬作?？?地蒸發(fā)，以致電弧間隙也岈能產(chǎn)生極高的砵氣密度。 因而在電弧剛熄滅時，陽極表面的熔融金厲還會繼 續(xù)產(chǎn)生淺氣，這種殘余溴氣的存在，將使弧隙恢K 強度大大地降低。                            -

幾種金屬的熱特性曲線如圖3所水，這呰曲線 是由密許爾和哈利斯（Harris)在Ims周期內(nèi)，金 屬表面熱量輸入功率密度為1〇 W/cm'下做的, 它與實際真空開關(guān)陽極上試驗的結(jié)采差不衫。曲線 繪出了在熱贛輸入的區(qū)間電極表面溫度隨時間的變 化關(guān)系以及當(dāng)輸入停止后溫度衰減的情況。根據(jù)劣 氣壓力的數(shù)據(jù)nj•知.相當(dāng)高的後氣壓力住電弧熄滅 以后還能持續(xù)I ms左右。為/熄滅電弧，展氣的 密度必須小f 10¹，原子/cnV。當(dāng)涔氣密度在第-- 個毫秒期間加熱到這個值的溫度用廠表示，其值和 瘓發(fā)損失一起列于表1。由于金屬氣化溫度的范圍

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圖4陽極表面溫度Him

余蒸氣的延長時間也會促使陰極斑點的形成，因為 這個半周的陽極就是下個半周的陰極。

電極材料對陽極斑點的影響

研究各種電極材料產(chǎn)生陽極斑點的電流值，對 進一步改善真空開關(guān)的性能是有一定幫助的，表2 列出了幾種電極材料對產(chǎn)生陽極斑點的影響，所得 到的數(shù)值是假設(shè)電流在突變以前是均勻分布在啓個 陽極表面上的。從快速攝影機拍攝到的照像觀轉(zhuǎn)結(jié) 果證明，這種假設(shè)與實際相符合。表2的最后一朽 為熱特性+。這里，為材料的熔點^為 材料的傳熱系數(shù)，P為其密度，f為比熱。很明顯， 突變過程的電流和陽極材料的熱特性有很大的關(guān) 系。

表2各種材料對產(chǎn)生陽極斑點的影響

利許經(jīng)過計算得知陽極表面的溫度上升是隨時 間變化的，并且與半周電弧電流的變化有關(guān)，如圖 4所示。圖中陽極表面溫度的最大值遲后于半周電

流峰值士子。

O IO 2-0            30

時1¾ (ms)

圖3電弧加熱功率密度3 X l(rw/cm^:時 材料的熱特性

表1幾種金厲達到蒸氣密度< IO¹汁原子/cW

的溫度和蒸發(fā)損失

很大，故在選用時，不論是純金屬還是合金或混合 物，都必須確切估計。

由此可知，必須使用某種方法使電弧在金屬表 面上運動，以減少電極氣化部分的深度。此外，殘

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