真空電弧中陽極斑點現象的(de)分(fēn)析

在真空電弧中出現陽極斑點現象對(duì)真空開關來(lái) 說是一個(gè)不祥之兆，往往會使觸頭嚴重熔化(huà)，并且 會産生過量的(de)金屬蒸氣。當用(yòng)真空開關開斷工頻(pín)交 流電路時(shí)，這(zhè)些過量的(de)金屬蒸氣還(hái)會在觸頭間于電 流過零後持續一段時(shí)間，它将使介質恢複的(de)速度降 低，從而可(kě)能使真空開關開斷失敗。下(xià)面分(fēn)析出現 陽極斑點現象的(de)有關問題。

陽極斑點的(de)形成

利許（Rich)、肯勃林(lín)（Kimblin)和(hé)密許 爾（MifchelI)等用(yòng)了(le)許多(duō)實驗方法廣泛地研究 了(le)真空電弧陽極斑點的(de)形成，并進行了(le)討(tǎo)論，他(tā)們的(de) 初步結論是：由于真空電弧的(de)整個(gè)過程包括了(le)許多(duō) 随機因素，因而每次陽極斑點的(de)形成都是不盡相同 的(de)。當采用(yòng)棒狀電極做(zuò)實驗時(shí)，由于電極直徑較小. 邊緣有很大(dà)一部分(fēn)和(hé)電弧接觸，因此，即使在電流 低到IOOOA時(shí)也(yě)會出現陽極斑點。對(duì)于平面形狀的(de) 大(dà)直徑電極，當電極間隙很小時(shí)，至少要在超過

使轉矩具有馬鞍形特點。如令電機在罩極環開路下(xià) 工作，便會運行在1000轉/分(fēn)的(de)低轉速下(xià)。此外，曲 線還(hái)表明(míng)，如無罩極環存在，電機便沒有起動轉矩， 無法起動。一些罩極電機，常采取增大(dà)沒罩極尖下(xià) 氣隙的(de)措施。這(zhè)時(shí)磁通(tōng)便不再以極中心線爲對(duì)稱分(fēn) 布，分(fēn)解出諧波磁通(tōng)的(de)軸線将不是極中心的(de)位置。 這(zhè)樣，産生的(de)諧波轉矩曲線就不再以n = 0爲對(duì)稱。 電機便會有一個(gè)微小的(de)起動轉矩，有助于電機的(de)起 動。可(kě)以設計不同的(de)氣隙和(hé)磁分(fēn)路，分(fēn)解氣隙磁通(tōng) 中各次（主要是3、5次）諧波分(fēn)景，應用(yòng)本程序來(lái) 觀察、分(fēn)析階梯氣隙、磁分(fēn)路等措施對(duì)性能的(de)影(yǐng)響。

圖4是罩極環短接後的(de)轉矩曲線，可(kě)以看到， 由于采用(yòng)了(le)短路環，使電機的(de)基波轉矩有了(le)很大(dà)的(de) 改善，産生了(le)一定的(de)起動轉矩。但是，同時(shí)也(yě)改變 了(le)諧波轉矩的(de)分(fēn)布，産生了(le)對(duì)起動轉矩不利的(de)影(yǐng)響。 應用(yòng)本程序可(kě)觀察、分(fēn)析罩極環的(de)數量.位置、參 數和(hé)所罩極尖的(de)大(dà)小等對(duì)轉矩和(hé)性能帶來(lái)的(de)影(yǐng)響。

從圖示曲線還(hái)可(kě)看到，諧波轉矩的(de)影(yǐng)響主要是

王季梅（西安交通(tōng)人(rén)學）

7000A時(shí)才有可(kě)能發生陽極斑點。對(duì)于陽極斑點足 否出現，可(kě)由陽極部分(fēn)電弧亮度的(de)突然增強、弧根 的(de)收縮以及電弧電壓突然增加或下(xià)降來(lái)判斷。

肯勃林(lín)用(yòng)兩種不同尺寸的(de)陽極和(hé)相同尺寸的(de)陰 極仔細地研究了(le)直流電弧陽極斑點的(de)形成。圖1中 曲線1爲在小尺寸電極下(xià)所.測得(de)的(de)電弧電壓與電流 的(de)關系。當電流未超過臨界點時(shí)，電壓随符電流的(de) 增加很快(kuài)地上升，當到達臨界點IMkA時(shí)，電壓有 一個(gè)突變，瞬時(shí)降到很低的(de)數值，然後冉繼續增長(cháng)。 在突變以前電弧是屬于擴散形态的(de)範_，并由陰極 斑點提供金屬族氣來(lái)維持電弧。住突變以後陰極情 況基本上和(hé)以前相同，但陽極出現了(le)陽極斑點後， 靠近陽極的(de)弧柱有收縮現象。當選用(yòng)較人(rén)尺寸的(de)電 極時(shí)，直到2. IkA還(hái)沒有出現陽極斑點，電弧電壓 随著(zhe)電流的(de)增大(dà)緩慢(màn)地上升，如圖1曲線2 (實線） 所示。對(duì)這(zhè)兩種電極所測得(de)的(de)情況，結論如下(xià)：

它們都具有一定的(de)分(fēn)散性，m曲線還(hái)足比較典 型的(de)，一陽極斑點形成後，間隙将由陽極供給人(rén)

在低速區(qū)。在電機正常運行的(de)卨速區(qū)，影(yǐng)響不人(rén)，

近似的(de)町以僅以基波轉矩來(lái)汁詳、

結 論

1.   應用(yòng)本程序，結合對(duì)氣隙磁通(tōng)的(de)測試和(hé)分(fēn) 解，可(kě)以分(fēn)别觀察罩極環、階梯氣隙、磁分(fēn)路等因 素對(duì)轉矩和(hé)性能的(de)影(yǐng)響，找出應有的(de)設計規劃。

2.   分(fēn)析轉矩中的(de)諧波分(fēn)1,可(kě)知7次以上的(de) 諧波轉矩甚小，（例中7次諧波轉矩峰值不超過3克 厘米），可(kě)以略去，僅計算(suàn)到3、5次即可(kě)。

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IO-

^v a4             12        2

圖I陽極尺寸的(de)大(dà)小對(duì)真空電弧
陽極斑點的(de)影(yǐng)響

(曲線1-小尺寸陽極曲線2-人(rén)尺寸陽極）

量的(de)蒸氣，這(zhè)時(shí)擴散形态的(de)電弧就轉化(huà)爲集聚形态 的(de)電弧，同時(shí)電弧電壓将突然下(xià)降。

陽極斑點的(de)不穩定性

爲了(le)确定陽極斑點的(de)不穩定性，在直徑爲5.⁷2 cm的(de)銅電極上.采用(yòng)相當大(dà)的(de)交流電流，在峰值 爲4.1、10.3、11.7、和(hé)22.8kA下(xià)進行了(le)實脷試驗， 測得(de)如圖2所示的(de)波形。從這(zhè)些示波圖中可(kě)以看到， 電流曲線基本上是平滑的(de)，但與正弦波形比較稍有 失真，而電壓波形則從10.3KA開始就出現顯著變 化(huà)的(de)不穩定現象。曾用(yòng)高(gāo)速攝影(yǐng)機拍(pāi)攝了(le)這(zhè)個(gè)過程， 從攝下(xià)的(de)照(zhào)片圖中nJ■以觀察到陽極上有極光(guāng)亮的(de)斑 點，并在此電流下(xià)，經過一個(gè)半波後發現陽極上有 明(míng)顯的(de)局部洛化(huà)。當這(zhè)種培化(huà)點擴散到較大(dà)的(de)面積 時(shí)，就有一部分(fēn)金屬蒸氣增加到原來(lái)被陰極蒸氣充 滿的(de)空間。由于金屬蒸氣的(de)增加，将促進弧柱電磁 收縮的(de)形成，而當弧柱收縮時(shí)，輸入到陽極斑點的(de) 功率密度将會進一步增大(dà)。如果這(zhè)時(shí)有一個(gè)陽極斑 點完全形成，那麽不穩定性将會消失，電弧電壓就 趨于平滑。這(zhè)樣，在電壓恢複期間，弧隙充滿了(le)相 當多(duō)的(de)殘餘蒸氣，容易使真空開關開斷失敗。

圖2   b)、 c), d>中所觀察到的(de)電壓有

連續突然增加的(de)不穩定現象，似乎與在臨界電流狀

圖2 陽極斑點>(、穩定性的(de) <丨<波陽

b) IfUkA Ci I I .7kA 22.8kA < Rkh的(de)驗結欠〉

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态下(xià)的(de)燃弧相仿。密許爾把這(zhè)個(gè)電流值叫做(zuò)“劇增 電流”（starvation current)，并證明(míng)劇增電流

與電極之間的(de)距離成反比：

^/s" d

式中_a一常數；

R——電極半徑；

«--- 根據密許爾的(de)實驗裝置取1.2;

d——電極間的(de)距離。

在不穩定期間，電壓的(de)突然上升nj■能是因爲一時(shí)沒 有足夠的(de)正離子去中和(hé)陽極附近所增加的(de)電子密 度，這(zhè)時(shí)，陽極壓降必須增加到足夠的(de)數值，以利 于電子相互碰撞産生正離子,從而增加正離子密度。 從示波圖中可(kě)以明(míng)顯地看到，當暴發性地産生了(le)足 夠的(de)正離子後，電壓将降低至原來(lái)的(de)數值或略大(dà)于 原來(lái)的(de)數值，整個(gè)過程處于不斷重複狀态之中。

在陽極斑點完全形成以前還(hái)拌随著(zhe)一個(gè)較高(gāo)的(de) •‘擾動”電壓（noise)。當陽極斑點形成以後，這(zhè)個(gè) 擾動電壓才消失,變成較低而平滑的(de)電壓。陽極斑點 的(de)形成是随著(zhe)密許爾的(de)劇增電流開始到利許(Rich) 起始電流（丨hreshr'd current)的(de)完成而全部形成。 伐孔（Bacon)和(hé)瓦特（Watt)以持續時(shí)間爲IOms, 幅值爲150A的(de)脈沖真空電弧，對(duì)鋁陰極的(de)暫态現象 進行了(le)光(guāng)譜分(fēn)析。這(zhè)個(gè)電弧的(de)平均陽極電流密度爲 2乂1(^入/(：(11-’，在距陰極表面0.3 111111以内的(de)空 間，可(kě)以觀察到AF' Al〃和(hé)Al⁺的(de)光(guāng)譜線。在距 陽極0.05 mm内測得(de)AI' ⁺ 40激勵狀态的(de)密度峰值大(dà) 約爲5 X HT個(gè)/cm、但從玻爾曼溫度場(chǎng)測得(de)該處 的(de)溫度不足以産生Al^:+和(hé)Al'+,由此n]•得(de)出結論： 暫态陽極的(de)輝光(guāng)放電并不處于電離平衡，而陽極斑 點形成期間的(de)暫态不穩定性正好被對(duì)應于非熱(rè)電弧 陰極發射點的(de)電壓駝峰所充滿，因此在陽極附近出 現的(de)高(gāo)溫電子可(kě)以認爲是這(zhè)種電壓駝峰的(de)結果。電 壓駝峰吸收了(le)高(gāo)溫電子後，并被這(zhè)些電子加熱(rè)。這(zhè) 就使得(de)在陽極附近發生高(gāo)度的(de)電離（AP⁺就是在這(zhè) 樣的(de)情況下(xià)，由陽極産生鋁楱氣的(de)。）在4000A的(de)真 空電弧中，暫态區(qū)域的(de)電子密度的(de)測量值爲IO¹‘個(gè)/ cm'。理(lǐ)論分(fēn)析指出AT"e=30V時(shí)，距陽極表面 0.3mm以内的(de)電子密度爲5 XKT個(gè)/_cm-‘。

陽極斑點的(de)溫度

在出現不穩定暫态現象的(de)同時(shí)，還(hái)發生了(le)電離

增加和(hé)弧丨t:的(de)電磁收縮等現象，其結果在陽極上« 些區(qū)域的(de)溫度急速上升。在出現不穩定暫态現象之 前，陽極附近的(de)蒸氣壓力比周圍的(de)氣壓略高(gāo)一些， 随著(zhe)陽極進一步加熱(rè)，該處的(de)雀氣壓力會很快(kuài)地上 升。當溫度上升至銅的(de)熔點（1350K)時(shí)，該處的(de) 蔟氣壓力大(dà)約爲5><1〇」丁〇1'|'(1111111^!8>_這(zhè)個(gè) 值低于其平均值，因爲陰極也(yě)存在荇劣發現象。帛 溫度再升高(gāo)時(shí)，壓強将按指數規律上升，在溫度爲 1650K時(shí)，壓強的(de)數量級爲10 ^lTorr,這(zhè)時(shí)的(de)粒f 密度爲5 XitT個(gè)原子, _cm^;,這(zhè)樣人(rén)的(de)粒f-密度， 其平均自由行程就變得(de)十分(fēn)小，電7-和(hé)原f的(de)碰撺 機會就增加，促使電離迅速增長(cháng)，據估計，陽極的(de) 溫度爲2490~3040K,這(zhè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過f锏的(de)熔點，甚 至超過了(le)銅的(de)沸點.由此吋知陽極斑點的(de)形成足以 極高(gāo)的(de)速度進行的(de)。當陽極斑點形成以後.電弧的(de) 性能就和(hé)高(gāo)氣壓電弧的(de)情形相同.且電壓也(yě)脫離了(le) 不穩定狀态。

從實驗所确定的(de)陽極斑點溫度和(hé)考幫(cobine) 估計的(de)溫度差不多(duō)，爲2490〜3040K鮑克斯曼 (Boxman)用(yòng)輻射的(de)方法對(duì)鎳電極測得(de)的(de)溫度爲 2790~2960K,密許爾用(yòng)光(guāng)學的(de)方法也(yě)得(de)出相似的(de) 結果，其值爲2730~2800K,并Ii根據族發it■钚所 得(de)值爲3230~3350Kq克利生（Crissom)和(hé)牛頓 (Newton)以持續時(shí)間爲6 ms的(de)脈沖電弧加在一 較小直徑的(de)銅電極上，當電流密度爲5 X IOA cm^:時(shí)，發現陽極斑點溫度較高(gāo)，接近3023〜3723 K。很明(míng)顯，在這(zhè)樣高(gāo)的(de)溫度下(xià)，會使金屬作常快(kuài) 地蒸發，以緻電弧間隙也(yě)岈能産生極高(gāo)的(de)砵氣密度。 因而在電弧剛熄滅時(shí)，陽極表面的(de)熔融金厲還(hái)會繼 續産生淺氣，這(zhè)種殘餘溴氣的(de)存在，将使弧隙恢K 強度大(dà)大(dà)地降低。                            -

幾種金屬的(de)熱(rè)特性曲線如圖3所水(shuǐ)，這(zhè)呰曲線 是由密許爾和(hé)哈利斯（Harris)在Ims周期内，金 屬表面熱(rè)量輸入功率密度爲1〇 W/cm'下(xià)做(zuò)的(de), 它與實際真空開關陽極上試驗的(de)結采差不衫。曲線 繪出了(le)在熱(rè)贛輸入的(de)區(qū)間電極表面溫度随時(shí)間的(de)變 化(huà)關系以及當輸入停止後溫度衰減的(de)情況。根據劣 氣壓力的(de)數據nj•知.相當高(gāo)的(de)後氣壓力住電弧熄滅 以後還(hái)能持續I ms左右。爲/熄滅電弧，展氣的(de) 密度必須小f 10¹，原子/cnV。當涔氣密度在第-- 個(gè)毫秒期間加熱(rè)到這(zhè)個(gè)值的(de)溫度用(yòng)廠表示，其值和(hé) 瘓發損失一起列于表1。由于金屬氣化(huà)溫度的(de)範圍

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圖4陽極表面溫度Him

餘蒸氣的(de)延長(cháng)時(shí)間也(yě)會促使陰極斑點的(de)形成，因爲 這(zhè)個(gè)半周的(de)陽極就是下(xià)個(gè)半周的(de)陰極。

電極材料對(duì)陽極斑點的(de)影(yǐng)響

研究各種電極材料産生陽極斑點的(de)電流值，對(duì) 進一步改善真空開關的(de)性能是有一定幫助的(de)，表2 列出了(le)幾種電極材料對(duì)産生陽極斑點的(de)影(yǐng)響，所得(de) 到的(de)數值是假設電流在突變以前是均勻分(fēn)布在啓個(gè) 陽極表面上的(de)。從快(kuài)速攝影(yǐng)機拍(pāi)攝到的(de)照(zhào)像觀轉結 果證明(míng)，這(zhè)種假設與實際相符合。表2的(de)最後一朽 爲熱(rè)特性+。這(zhè)裏，爲材料的(de)熔點^爲 材料的(de)傳熱(rè)系數，P爲其密度，f爲比熱(rè)。很明(míng)顯， 突變過程的(de)電流和(hé)陽極材料的(de)熱(rè)特性有很大(dà)的(de)關 系。

表2各種材料對(duì)産生陽極斑點的(de)影(yǐng)響

利許經過計算(suàn)得(de)知陽極表面的(de)溫度上升是随時(shí) 間變化(huà)的(de)，并且與半周電弧電流的(de)變化(huà)有關，如圖 4所示。圖中陽極表面溫度的(de)最大(dà)值遲後于半周電

流峰值士子。

O IO 2-0            30

時(shí)1¾ (ms)

圖3電弧加熱(rè)功率密度3 X l(rw/cm^:時(shí) 材料的(de)熱(rè)特性

表1幾種金厲達到蒸氣密度< IO¹汁原子/cW

的(de)溫度和(hé)蒸發損失

很大(dà)，故在選用(yòng)時(shí)，不論是純金屬還(hái)是合金或混合 物(wù)，都必須确切估計。

由此可(kě)知，必須使用(yòng)某種方法使電弧在金屬表 面上運動，以減少電極氣化(huà)部分(fēn)的(de)深度。此外，殘

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