真空电弧中阳极斑点现象的分析

在真空电弧中出现阳极斑点现象对真空开关来 说是一个不祥之兆，往往会使触头严重熔化，并且 会产生过量的金属蒸气。当用真空开关开断工频交 流电路时，这些过量的金属蒸气还会在触头间于电 流过零后持续一段时间，它将使介质恢复的速度降 低，从而可能使真空开关开断失败。下面分析出现 阳极斑点现象的有关问题。

阳极斑点的形成

利许（Rich)、肯勃林（Kimblin)和密许 尔（MifchelI)等用了许多实验方法广泛地研究 了真空电弧阳极斑点的形成，并进行了讨论，他们的 初步结论是：由于真空电弧的整个过程包括了许多 随机因素，因而每次阳极斑点的形成都是不尽相同 的。当采用棒状电极做实验时，由于电极直径较小. 边缘有很大一部分和电弧接触，因此，即使在电流 低到IOOOA时也会出现阳极斑点。对于平面形状的 大直径电极，当电极间隙很小时，至少要在超过

使转矩具有马鞍形特点。如令电机在罩极环开路下 工作，便会运行在1000转/分的低转速下。此外，曲 线还表明，如无罩极环存在，电机便没有起动转矩， 无法起动。一些罩极电机，常采取增大没罩极尖下 气隙的措施。这时磁通便不再以极中心线为对称分 布，分解出谐波磁通的轴线将不是极中心的位置。 这样，产生的谐波转矩曲线就不再以n = 0为对称。 电机便会有一个微小的起动转矩，有助于电机的起 动。可以设计不同的气隙和磁分路，分解气隙磁通 中各次（主要是3、5次）谐波分景，应用本程序来 观察、分析阶梯气隙、磁分路等措施对性能的影响。

图4是罩极环短接后的转矩曲线，可以看到， 由于采用了短路环，使电机的基波转矩有了很大的 改善，产生了一定的起动转矩。但是，同时也改变 了谐波转矩的分布，产生了对起动转矩不利的影响。 应用本程序可观察、分析罩极环的数量.位置、参 数和所罩极尖的大小等对转矩和性能带来的影响。

从图示曲线还可看到，谐波转矩的影响主要是

王季梅（西安交通人学）

7000A时才有可能发生阳极斑点。对于阳极斑点足 否出现，可由阳极部分电弧亮度的突然增强、弧根 的收缩以及电弧电压突然增加或下降来判断。

肯勃林用两种不同尺寸的阳极和相同尺寸的阴 极仔细地研究了直流电弧阳极斑点的形成。图1中 曲线1为在小尺寸电极下所.测得的电弧电压与电流 的关系。当电流未超过临界点时，电压随符电流的 增加很快地上升，当到达临界点IMkA时，电压有 一个突变，瞬时降到很低的数值，然后冉继续增长。 在突变以前电弧是属于扩散形态的范_，并由阴极 斑点提供金属族气来维持电弧。住突变以后阴极情 况基本上和以前相同，但阳极出现了阳极斑点后， 靠近阳极的弧柱有收缩现象。当选用较人尺寸的电 极时，直到2. IkA还没有出现阳极斑点，电弧电压 随着电流的增大缓慢地上升，如图1曲线2 (实线） 所示。对这两种电极所测得的情况，结论如下：

它们都具有一定的分散性，m曲线还足比较典 型的，一阳极斑点形成后，间隙将由阳极供给人

在低速区。在电机正常运行的卨速区，影响不人，

近似的町以仅以基波转矩来汁详、

结 论

1.   应用本程序，结合对气隙磁通的测试和分 解，可以分别观察罩极环、阶梯气隙、磁分路等因 素对转矩和性能的影响，找出应有的设计规划。

2.   分析转矩中的谐波分1,可知7次以上的 谐波转矩甚小，（例中7次谐波转矩峰值不超过3克 厘米），可以略去，仅计算到3、5次即可。

参考文献

I. K .Lock. 罩极式感应电动机的数学模甩".家用 电器技术（广州电器科学研究所）81.2.

■2.前川善六等，“隈取电动机《设计方法'电气学会

全国大会，昭和⁴⁷年[[V] •

3.  n •1〇.»<_；^^，“审极电机的数学模$'微电机(西 安微电机研究所> 82.4.

4•孙云鹂，“隐极式罩极电机的理论分析'微电机《西 安微电机研究所> 82.4.

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IO-

^v a4             12        2

图I阳极尺寸的大小对真空电弧
阳极斑点的影响

(曲线1-小尺寸阳极曲线2-人尺寸阳极）

量的蒸气，这时扩散形态的电弧就转化为集聚形态 的电弧，同时电弧电压将突然下降。

阳极斑点的不稳定性

为了确定阳极斑点的不稳定性，在直径为5.⁷2 cm的铜电极上.采用相当大的交流电流，在峰值 为4.1、10.3、11.7、和22.8kA下进行了实脷试验， 测得如图2所示的波形。从这些示波图中可以看到， 电流曲线基本上是平滑的，但与正弦波形比较稍有 失真，而电压波形则从10.3KA开始就出现显著变 化的不稳定现象。曾用高速摄影机拍摄了这个过程， 从摄下的照片图中nJ■以观察到阳极上有极光亮的斑 点，并在此电流下，经过一个半波后发现阳极上有 明显的局部洛化。当这种培化点扩散到较大的面积 时，就有一部分金属蒸气增加到原来被阴极蒸气充 满的空间。由于金属蒸气的增加，将促进弧柱电磁 收缩的形成，而当弧柱收缩时，输入到阳极斑点的 功率密度将会进一步增大。如果这时有一个阳极斑 点完全形成，那么不稳定性将会消失，电弧电压就 趋于平滑。这样，在电压恢复期间，弧隙充满了相 当多的残余蒸气，容易使真空开关开断失败。

图2   b)、 c), d>中所观察到的电压有

连续突然增加的不稳定现象，似乎与在临界电流状

图2 阳极斑点>(、稳定性的 <丨<波阳

b) IfUkA Ci I I .7kA 22.8kA < Rkh的验结欠〉

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态下的燃弧相仿。密许尔把这个电流值叫做“剧增 电流”（starvation current)，并证明剧增电流

与电极之间的距离成反比：

^/s" d

式中_a一常数；

R——电极半径；

«--- 根据密许尔的实验装置取1.2;

d——电极间的距离。

在不稳定期间，电压的突然上升nj■能是因为一时没 有足够的正离子去中和阳极附近所增加的电子密 度，这时，阳极压降必须增加到足够的数值，以利 于电子相互碰撞产生正离子,从而增加正离子密度。 从示波图中可以明显地看到，当暴发性地产生了足 够的正离子后，电压将降低至原来的数值或略大于 原来的数值，整个过程处于不断重复状态之中。

在阳极斑点完全形成以前还拌随着一个较高的 •‘扰动”电压（noise)。当阳极斑点形成以后，这个 扰动电压才消失,变成较低而平滑的电压。阳极斑点 的形成是随着密许尔的剧增电流开始到利许(Rich) 起始电流（丨hreshr'd current)的完成而全部形成。 伐孔（Bacon)和瓦特（Watt)以持续时间为IOms, 幅值为150A的脉冲真空电弧，对铝阴极的暂态现象 进行了光谱分析。这个电弧的平均阳极电流密度为 2乂1(^入/(：(11-’，在距阴极表面0.3 111111以内的空 间，可以观察到AF' Al〃和Al⁺的光谱线。在距 阳极0.05 mm内测得AI' ⁺ 40激励状态的密度峰值大 约为5 X HT个/cm、但从玻尔曼温度场测得该处 的温度不足以产生Al^:+和Al'+,由此n]•得出结论： 暂态阳极的辉光放电并不处于电离平衡，而阳极斑 点形成期间的暂态不稳定性正好被对应于非热电弧 阴极发射点的电压驼峰所充满，因此在阳极附近出 现的高温电子可以认为是这种电压驼峰的结果。电 压驼峰吸收了高温电子后，并被这些电子加热。这 就使得在阳极附近发生高度的电离（AP⁺就是在这 样的情况下，由阳极产生铝楱气的。）在4000A的真 空电弧中，暂态区域的电子密度的测量值为IO¹‘个/ cm'。理论分析指出AT"e=30V时，距阳极表面 0.3mm以内的电子密度为5 XKT个/_cm-‘。

阳极斑点的温度

在出现不稳定暂态现象的同时，还发生了电离

增加和弧丨t:的电磁收缩等现象，其结果在阳极上« 些区域的温度急速上升。在出现不稳定暂态现象之 前，阳极附近的蒸气压力比周围的气压略高一些， 随着阳极进一步加热，该处的雀气压力会很快地上 升。当温度上升至铜的熔点（1350K)时，该处的 蔟气压力大约为5><1〇」丁〇1'|'(1111111^!8>_这个 值低于其平均值，因为阴极也存在荇劣发现象。帛 温度再升高时，压强将按指数规律上升，在温度为 1650K时，压强的数量级为10 ^lTorr,这时的粒f 密度为5 XitT个原子, _cm^;,这样人的粒f-密度， 其平均自由行程就变得十分小，电7-和原f的碰撺 机会就增加，促使电离迅速增长，据估计，阳极的 温度为2490~3040K,这远远超过f锏的熔点，甚 至超过了铜的沸点.由此吋知阳极斑点的形成足以 极高的速度进行的。当阳极斑点形成以后.电弧的 性能就和高气压电弧的情形相同.且电压也脱离了 不稳定状态。

从实验所确定的阳极斑点温度和考帮(cobine) 估计的温度差不多，为2490〜3040K鲍克斯曼 (Boxman)用辐射的方法对镍电极测得的温度为 2790~2960K,密许尔用光学的方法也得出相似的 结果，其值为2730~2800K,并Ii根据族发it■钚所 得值为3230~3350Kq克利生（Crissom)和牛顿 (Newton)以持续时间为6 ms的脉冲电弧加在一 较小直径的铜电极上，当电流密度为5 X IOA cm^:时，发现阳极斑点温度较高，接近3023〜3723 K。很明显，在这样高的温度下，会使金属作常快 地蒸发，以致电弧间隙也岈能产生极高的砵气密度。 因而在电弧刚熄灭时，阳极表面的熔融金厲还会继 续产生浅气，这种残余溴气的存在，将使弧隙恢K 强度大大地降低。                            -

几种金属的热特性曲线如图3所水，这呰曲线 是由密许尔和哈利斯（Harris)在Ims周期内，金 属表面热量输入功率密度为1〇 W/cm'下做的, 它与实际真空开关阳极上试验的结采差不衫。曲线 绘出了在热赣输入的区间电极表面温度随时间的变 化关系以及当输入停止后温度衰减的情况。根据劣 气压力的数据nj•知.相当高的後气压力住电弧熄灭 以后还能持续I ms左右。为/熄灭电弧，展气的 密度必须小f 10¹，原子/cnV。当涔气密度在第-- 个毫秒期间加热到这个值的温度用厂表示，其值和 痪发损失一起列于表1。由于金属气化温度的范围

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图4阳极表面温度Him

余蒸气的延长时间也会促使阴极斑点的形成，因为 这个半周的阳极就是下个半周的阴极。

电极材料对阳极斑点的影响

研究各种电极材料产生阳极斑点的电流值，对 进一步改善真空开关的性能是有一定帮助的，表2 列出了几种电极材料对产生阳极斑点的影响，所得 到的数值是假设电流在突变以前是均匀分布在啓个 阳极表面上的。从快速摄影机拍摄到的照像观轉结 果证明，这种假设与实际相符合。表2的最后一朽 为热特性+。这里，为材料的熔点^为 材料的传热系数，P为其密度，f为比热。很明显， 突变过程的电流和阳极材料的热特性有很大的关 系。

表2各种材料对产生阳极斑点的影响

利许经过计算得知阳极表面的温度上升是随时 间变化的，并且与半周电弧电流的变化有关，如图 4所示。图中阳极表面温度的最大值迟后于半周电

流峰值士子。

O IO 2-0            30

时1¾ (ms)

图3电弧加热功率密度3 X l(rw/cm^:时 材料的热特性

表1几种金厲达到蒸气密度< IO¹汁原子/cW

的温度和蒸发损失

很大，故在选用时，不论是纯金属还是合金或混合 物，都必须确切估计。

由此可知，必须使用某种方法使电弧在金属表 面上运动，以减少电极气化部分的深度。此外，残

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