论大电流真空电弧收缩现象和阳极斑点形成的理论分析

　　论大电流真空电弧收缩现象和阳极斑点形成的理论分析王季梅西安交通大学电气工程学院710049素，分析了形成阳极斑点的过程，并从实际出发讨论了纵向磁场作用的机理。

　　概述般来说，真空开关在开断大电流的过程中，如出现电弧收缩现象和形成阳极斑点，就可以认定真空开关的开断能力已达到了极限。为了提高真空开关的开断能力，本文将从理论上分析这现象的产生，从而通过系列的实际措施来克服解决这种现象的出现。

　　大电流真空电弧的收缩现象大电流真空电弧的基本概念大电流真空电弧与般真空电弧样可以按在这个区域内，由阴极斑点产生了大量金属蒸气；在金属蒸气粒子的相互碰撞作用下，发生金属蒸气的电离作用，形成高密度的等离子体。

　　阴极等离子区形成的高密度等离子体不断向触头间隙进行喷射的区域。每个阴极斑点各自独立地向触头间隙喷射等离子体，在大电流真空电弧的分析中可将阳极等离子区和阴极喷射区两个区域合称为阴极斑点区。

　　3弧柱等离子体区由阴极斑点区向弧柱中喷射的等离子区形成弧柱等离子区。3，6反测量结果明1弧柱中粒子的自由行程要比触头间隙小得多。为此可以利用磁流体动力学方程来描述真空电弧的弧柱过程。

　　1.阴极斑点；2.阴极等离子体区；3.阴极喷射区；4.弧柱等离子体区；5.阳极鞘层区4阳极鞘层区它是弧柱等离子体向阳极过渡的区域。这个区域内存在着阳极电场，它是由集聚于阳极面附近较高密度的正离子形成的。

　　在大电流真空电弧中，阴极斑点区的厚度大约为，阳极鞘层区的厚度大约为离子平均自由程的几倍，接近0.1.

　　由于每个阴极斑点流过的电流大致相等，并且阴极斑点在阴极面作高速运动，因而可以将大电流真空电弧理想化，即认为从阴极面向触头间隙喷射的等离子体是束均匀的磁流体。在未出现阳极斑点前，阳极面只有极少量的金属蒸发，这样可以不考虑阳极对弧柱的影响。

　　基于文献2给出的解释，在工频情况下的大部分燃弧时间内，电流相对变化率与特征时间的乘积小于在这样的情况下可将燃弧过程作为似稳态来处理。

　　影响大电流真空电弧收缩的因素大电流真空电弧的收缩主要是受到下列几个因素的影响1阴极斑点电流产生自生磁场作用的影响由于电弧电流在阴极斑点处产生自生磁场，对阴极斑点起的是横向磁场的作用。在低气压下，阴极斑点受到这个横向磁场作用后是反向运动。在这种情况下，阴极斑点不是向弧柱轴线心收缩，而是沿着径向电弧弧柱处向触头边缘运动，2即在非常大的电弧电流下，由于受到单个阴极斑点尺寸的限制，电弧电流在阴极分布因而在大电流真空电弧中，阴极面电弧电流在自生磁场的作用下不会收缩，而是趋向于均匀分布的。

　　2真空电弧弧柱电流对磁收缩的影响在大电流真空电弧中，弧柱中压力的径向变化率为扩散而引起的压力改变量。由式1可以得出，在无外加纵向磁场作用时，自生磁场对弧柱电流的作用使得真空电弧电流收缩3，而且在收缩的起始阶段是个正反馈过程。在电弧电流开始收缩时，1项的增加还不足以抵消人召9项的增加，这样，电弧电流收缩愈趋严重，直到磁收缩所建立的压力与粒子扩散所建立的压力互相平衡时为止。这说明大电流真空电弧的收缩与阳极斑点的形成有密切的关系。

　　分布3纵向磁场对弧柱中电流收缩的影响由式1可以得出，纵向磁场的作用是削弱自生磁场所产生的磁收缩力。其作用结果可使真空电弧电流在电极间隙内均匀分布。般等离子体是减磁性的，但真空电弧等离子体却是增磁性的，因而纵向磁场的作用是起到抑制真空电弧弧柱的磁收缩，使电弧在触头面均匀分布，4所。

　　4阳极斑点的形成对弧柱电流磁收缩的影响近分布在阳极斑点形成之后，阳极斑点会向弧柱中喷射大量的金属蒸气，造成弧柱压力的增加，粒子进步收缩。

　　阳极斑点形成的理论和分析1.阳极斑点的分类真空电弧按其燃弧形态可分为扩散型和集聚型两类。扩散型真空电弧不存在阳极斑点，弧柱外形呈扩散状。集聚型电弧是指阳极斑点形成后弧柱呈收缩状。

　　在实验中可观察到形成阳极斑点的模式有两种。第种是阳极电压不稳定出现点熔斑点的模3比30吨5口01的模式。从对阳极电压不稳定以下几个特点①电弧电压高而不稳定②出现于阳，末端熔化状态，并且对弧柱电位分布无多大影，在小电流大间隙条件下容易出现，并与弧柱在阳极面收缩的程度有关。这种现象与米勒，打凡，提出的点熔斑点出现的条件很相似3.因为点熔斑点很小，同时温度不高，产生生显著的影响。阳极出现大面积熔化的阳极斑点称作块熔斑点。从米勒打，1.0对复合斑点的描述中可以看到，这种斑点开始与点熔斑点相似，其后逐渐转变为块熔斑点，因此也可以将点熔斑点看成是向块熔斑点过渡时所出现的现象。

　　2.点熔斑点形成的机理点熔斑点的特点是阳极无明显的大面积熔斑，弧柱压降没有变化，只有阳极区的压降有明显明阳极没有向弧柱中提供蒸气。这样，阳极区很高的正压降是由于阳极鞘层上的压降上升所引起从阳极鞘层的分析可以得知，由于。电子质量远远小于离子质量，因此它的热运动速度要比离子大得多。这就很容易在阳极面造成空间负电荷的累积，形成阳极电位低于弧柱电位的状态。

　　这时使电子进步向阳极面聚集，并加速正离子的运动。这个电荷区称作阳极鞘层。阳极鞘层电压降的高低与阳极面电流密度和电子饱和电流密度有关。电子饱和电流密度是指在单位面积上电子以热运动方式与阳极碰撞引起阳极面吸收电子形成的大电流值，电子饱和电流密度可由下式达e电子的平均热运动速度。

　　当阳极面实际电流密度小于此大电流值时，等离子体中负电荷过多，鞘层为负压降，以排斥更多的电子进人鞘层区。随着阳极面电流密度上升，阳极鞘层的负压降将不断变小，直到变为零。如果这个电流密度进步上升，那末因热运动碰撞阳极的电子全部被吸收仍不能满足外电路要求的电流值，鞘层中将出现电子不足的现象，鞘层电压降为正值，鞘层厚度也将增厚，以便从弧柱中吸收更多的电子进人阳极。在这种情况下，整个电弧的电压降将增高，并从计算结果可知当阳极鞘层电位降变为正压降后，电流密度的上升可以导致鞘层压降迅速增加，所以鞘层电压降的上升说明阳极缺乏电子。

　　当阳极鞘层电压迅速上升，在阳极面造成很强的电场，电子在电场作用下轰击阳极面总是不平整的，在凸起的毛刺和棱边等处电场发生畸变。这些地方因为电子的轰击可能发生次电子发射，同时可以得到较多的能量这些地方又因为导热性差而不能尽快使热能散失，因此很容易升温和气化。这些局部点气化后产生的蒸气在阳极区受能电子轰击而电离，可以改变电子密度，使鞘层电压有所降低。这个过程反复循环，使次电子发射点不断地在新位置上出现和局部气化，从外观上看形成快速运动的点状斑点，鞘层电压的起伏振荡造成了阳极电压的不稳定现象。

　　点熔斑点出现的原因在于阳极面上电流密度和电子饱和电流密度之比过高，使电极鞘层电压转变为高的正压降所致。而上述电流密度比值和电流密度则不会相应上升，因为从式2得知，电子饱和电流密度正比于电子温度和电子密度。

　　根据实验结果，阳极未熔化时电子温度与电弧电流值无关，电子密度则仅仅与阳极面的电流密度有关，它们并不会受弧柱收缩的影响，所以弧柱在阳极面收缩可以导致电流密度增加。

　　在燃弧过程中，带电粒子不断轰击阳极，它带有定的能量，如电子本身的热能以及电子和离子在阳极面复合释放出来的电离能。这些能量进人阳极后使得阳极面温度上升，如果温度足够高，使阳极面熔化和蒸发，并且蒸发的粒子对弧柱产生了强烈的作用，就形成了块熔斑点电弧。

　　通过对阳极面的传热过程进行计算可以知道，如果阳极面电流密度按工频正弦波形变化，每个半波燃弧过程中阳极面的温度要达到能够产生大量蒸气并影响弧柱特性的程度，则其平均电流密度峰值应达到3kAcm2，而且由实验得知，电极直径为40，时，阳极出现块熔斑点的电弧电流峰值大约是5kA，这样阳极面平均电流密度峰值仅仅大约为0.4kACrn2，远远小于计算值。实际中也观察到阳极面上的熔斑面积往往只占电极面的很小部分。这些现象说明，输入阳极的能量在阳极面有局部集中的现象。

　　真空电弧的特性在阳极未熔化时主要受阴极过程支配，阴极向弧柱提供电子正离子和中性粒子，这些粒子由阴极射出向阳极运动，整个弧柱像股由阴极射出的喷流。弧柱受到自身电流产生有大量的阴极斑点作快速运动，所以在阴极面不存在收缩，而仅在阳极面有收缩，因而弧柱外呈碗状。这将使阳极面电流密度上升，输入面大面积熔化和蒸发，向弧柱提供大量的蒸气，引起弧柱电阻率上升。所以块熔斑点形成后，弧柱中的电位分布会发生变化，蒸发的粒子由高压力区向低压力区扩散，在阳极面处蒸发粒子的密度高，粒子间碰撞也频繁，加之电流密度也比较大，中性粒子不断激发和电离，形成了阳极压降区，这个压降区实际上也是个能量损耗区。阳极能量损耗区的出现标志着块熔斑点的形成。

　　在般实验观察中都发现阳极斑点出现过程是很突然的；这是由于方面弧柱在阳极熔化前随电流增加收缩得很厉害，另方面阳极的蒸发量随温度呈指数函数变化，速度很快。当阳极强烈蒸发后，弧柱压力上升，将阻止弧柱进步收缩。如果弧柱中压力梯度与电磁收缩力达到平衡状态，电弧就转入稳定状态。

　　由于块熔斑点出现时会向弧柱蒸发大量粒子，并且阳极本身也达到很高的温度，在电弧电流过零时刻，方面粒子密度不能快速下降到较低水平；另方面，由于热惯性的缘故，阳极熔斑区这样就大大降低了电极间隙的弧后介质强度的恢复。所以块熔斑点的出现将对开关的开断性能产生强烈影响，以致使开关开断失败。

　　纵向磁场作用的机理以往大量的实验观察都已证实，在真空电弧中外加纵向磁场后可以降低电弧电压，提高形成阳极斑点的临界电流。实验观察还发现，流往屏蔽罩上的离子流，在有纵向磁场的条件下也有定程度的下降3.因此，有人认为纵向磁场能够降低电弧电压的原因在于约束了带电粒子向屏蔽罩的扩散，从而降低了弧柱径向扩散的能量损耗4.作者在实验中观察到，纵向磁场的作用在于驱使弧柱在阳极面均匀分布，降低局部区域日本；1等人7！对具有纵向磁场下的电弧电压和阳极熔化状态之间关系的实验观察可以进步说明纵向磁场对阳极斑点的作用以及两种斑点之间的关系。在他们的实验中电极直径为7电极间隙为50，相对来说电极间隙是比较宽的。对于不同的电弧电流10120让30kA和40kA和不同纵向磁场B，做出的实验结果的关系曲线7.

　　区域1无噪声分量，无熔化；区域2无噪声分量，有熔化；区域3有噪声分量，有熔化；区域4有噪声分量，无熔化；小时10kA曲线的情况，如果纵向磁场较弱，则单独出现具有噪声分量的电弧电压，阳极不出现熔化；当纵向磁场强度增加后，电弧电压的噪声分量全部消失，阳极也不熔化。这种现象可以这样解释噪声分量电压是由于弧柱的收缩引起点熔斑点所致，纵向磁场削弱了弧柱的收缩，消除了形成点熔斑点的条件。

　　对401的大电流情况，当纵向磁场较小时，趼笄与，衍I除后电弧电压要下降。实际上1.3.8；1；5等人的实验已经部分地证实了这点。他们对弧柱中的电流分布进行测量，发现在阳极面电流分布有收缩的趋势，而外加纵向磁场后，电流分布变得比较均匀。

　　从等离子体物理学中带电粒子的轨道理论可以知道6，带电粒子在磁场中存在拉莫尔回旋，在纵向磁场的真空电弧弧柱中，由阴极发射发出来的带电粒子将围绕磁场线旋转，使得弧柱的形状平行于磁场线，5.这种理论可以解释屏蔽罩电流受纵向磁场作用后的变化。但是粒子轨道理论只适用于小电流电弧，这时的粒子密度很低，粒子之间的碰撞可以忽略。而在阳极斑点的形成过程中，粒子密度很大，已经不能再忽略粒子之间的碰撞。在这种情况下，可以将弧柱看作为流体，用磁流体力学理论来解释弧柱的自生磁场收缩和纵向磁场作用机理。

　　在大电流的真空电弧里，弧柱在阳极区发生收缩时，可以用6的结构来近似达。在这种情况下，电弧电流必定含有径向电流分量，它和纵向磁场尽作用产生的霍尔电流是环向的。环向电流力和纵向磁场艮作用的磁场线指向，方向，使弧柱的半径扩大，抵制了磁场的收缩。在有纵向磁场的弧柱中，只要电流与磁场线相交，就存在环向电流。该电流与磁场作用的结果是力保持电流线平行于磁场线，其结果削弱了弧柱在阳极面的收缩。这种现象可以理解为外磁场对等离子体的贯穿作用，因为真空电弧弧柱不是理想等离子体，环向电流的强度与弧柱的电导率有关，所以要保持弧柱收缩不超过定范围，需要有定强度的纵向磁场。

　　从根本上讲，纵向磁场的作用是抑制了对弧柱的收缩，所以在电弧中外加纵向磁场的主要目电弧电压有噪声分量，阳极也出现熔化，即点熔斑点和块熔斑点都出现；当增加纵向磁场后，噪声分量电压和块熔斑点就消失了，仅仅存在点熔斑点；随着纵向磁场的进步增强，可以彻底消除点熔斑点。在不同的电流和不同的纵向磁场强度下，弧柱收缩程度也不同，阳极面的温升情况也各不相同，形成了各同的电弧现象。口王季梅真空开关理论及其应用第2版。西安西安交通大学出版社，1988，信息高低压开关市场动态近几年全国装机容量保持在1500万1评以上，从2000年以后的后10年全国平均新增装机容量为5.7，故我国输变电设备市场前景看好。

　　高低压开关行业市场现状由于电力工业和国民经济发展推动及改革开放大潮涌动，使得高低压行业出现了蓬勃发展的生机。据统计，曾生产高低压开关柜的定点非定点厂家就有4000多家。依据行业统计资料，从1984年至今，生产厂家增加了近10倍，产值增长了倍。年产值达到1亿以上的企业有34家。由于市场的开放吸引了国外企业在国内的投资，已有多家厂商在沿海地区建立了独资和合资企业，生产低压成套设备。据新闻报报道温州家民营企业悄然进驻上海，控股兼并了约30多家国营和集体企业，去年年产值达到5.2亿人民币，今年计划完成8个亿，因此高低压开关的市场竞争日趋激烈。

　　21世纪国内电力发展有以下动向；1调整电力工业内部结构，优化资源配置。切实加强电网建设，积极推进全国联网依靠科技进步，加快技术进步。，1高度重视节约与环保，走可持续发展的道路。6推进农村电气化，为农村经济发展提供支持。继续坚持多家办电，多渠道筹资办电方针。电力工业的发展是开关行业生存和发展的基础，目前中国和亚洲地区己是全世界电力设备的主要装备和销售看好的地区，中国装机容量和年发电量占世界的70.现在我国发电设备砚机总量与发电量已跃居世界第2位，仅次于美国，但我国人均拥有装机容量在主要国家排序中仅占第85位，所以电力工业迅速发展，在相当长段时间内，仍将是国家发展重点。由于我国发展重点，随着电力系统向大电网，超高压，大容量迅猛发展，世界的电力制造商正在注视和进军中国市场。

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