3.1 真空電弧的陽(yáng)極過(guò)程

當(dāng)通過(guò)真空電弧的電流足夠大時(shí)，真空滅弧室的陽(yáng)極觸頭表面會(huì)出現(xiàn)一個(gè)或者多個(gè)陽(yáng)極亮斑（見(jiàn)圖3-1）。大量實(shí)驗(yàn)研究證明，陽(yáng)極斑點(diǎn)的形成會(huì)導(dǎo)致開(kāi)斷失敗，是限制真空斷路器開(kāi)斷工頻大電流的主要原因。這主要是陽(yáng)極斑點(diǎn)的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致觸頭局部嚴(yán)重熔化，在燃弧過(guò)程中陽(yáng)極斑點(diǎn)會(huì)向觸頭間隙中釋放出大量的金屬蒸氣，在電流過(guò)零后的一段時(shí)間內(nèi)，這些觸頭間的金屬蒸氣還會(huì)持續(xù)一段時(shí)間，使得介質(zhì)恢復(fù)速度大大降低，造成真空開(kāi)關(guān)開(kāi)斷失敗。

圖3-1 典型的陽(yáng)極斑點(diǎn)狀態(tài)

陽(yáng)極斑點(diǎn)的溫度非常高，為2490～3040K，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了銅的熔點(diǎn)，甚至超過(guò)了銅的沸點(diǎn)。在電流過(guò)零后的一段時(shí)間內(nèi)，陽(yáng)極表面由于熱慣性的緣故仍然保持著相當(dāng)高的溫度，甚至在陽(yáng)極斑點(diǎn)形成位置存在一個(gè)液態(tài)的熔化區(qū)域，而這個(gè)液態(tài)熔化區(qū)是導(dǎo)致真空開(kāi)關(guān)開(kāi)斷失敗的又一個(gè)重要可能原因。一方面陽(yáng)極表面的熔融金屬還會(huì)在電弧熄滅后繼續(xù)產(chǎn)生蒸氣，從而降低弧隙恢復(fù)強(qiáng)度；另一方面，電流過(guò)零后加在觸頭兩端的是反相的恢復(fù)電壓，因此在燃弧過(guò)程中的陽(yáng)極馬上轉(zhuǎn)變成了新的陰極，恢復(fù)電壓會(huì)在觸頭間產(chǎn)生一個(gè)非常強(qiáng)的電場(chǎng)。當(dāng)電場(chǎng)足夠強(qiáng)時(shí)，原來(lái)液態(tài)的陽(yáng)極斑點(diǎn)區(qū)域在電場(chǎng)力下形成微凸起，從而使得新陰極更加容易發(fā)射出電子、離子和金屬蒸氣，甚至還有金屬液滴被剝離到觸頭間隙，如圖3-2所示。這些過(guò)量的金屬蒸氣、電子、離子、金屬液滴又會(huì)進(jìn)一步破壞介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度。所以陽(yáng)極斑點(diǎn)的出現(xiàn)嚴(yán)重影響了開(kāi)關(guān)的開(kāi)斷性能，直接導(dǎo)致開(kāi)關(guān)開(kāi)斷失敗。

圖3-2 陽(yáng)極斑點(diǎn)對(duì)電流過(guò)零后觸頭間隙的影響

許多研究表明，真空電弧的陽(yáng)極現(xiàn)象隨著電流以及開(kāi)距的不同，會(huì)出現(xiàn)不同的狀態(tài)和特性。Miller結(jié)合了以前的研究，根據(jù)陽(yáng)極的活動(dòng)狀況將陽(yáng)極形態(tài)總體分為四種基本的模式，即擴(kuò)散弧模式、點(diǎn)狀斑點(diǎn)模式、陽(yáng)極斑點(diǎn)模式、強(qiáng)電弧模式。雖然各個(gè)研究對(duì)這些模式的稱呼有所不同，但是這些陽(yáng)極模式隨著電流和開(kāi)距的變化都大體遵循著如圖3-3所示的分布。

圖3-3 Miller給出的觸頭間距和電流對(duì)陽(yáng)極形態(tài)影響的模式圖

1.擴(kuò)散弧模式（diffuse arc mode）

擴(kuò)散弧模式是一種小電流電弧模式，通常出現(xiàn)在電流比較小的情況下，判斷的依據(jù)為陽(yáng)極表面沒(méi)有出現(xiàn)放電的跡象。此時(shí)真空電弧的形態(tài)主要由陰極現(xiàn)象控制，一些（或僅有一個(gè)）陰極斑點(diǎn)在陰極表面運(yùn)動(dòng)，陽(yáng)極和陰極間隙存在較明顯的電弧等離子體。

總體來(lái)講，擴(kuò)散弧（diffuse arc）模式下，陽(yáng)極本身處于不活躍的狀態(tài)，從陽(yáng)極噴濺出的金屬粒子對(duì)整體電弧的形態(tài)只有微小的作用。當(dāng)電流增加時(shí)，陰極斑點(diǎn)數(shù)量隨電弧電流約呈線性增加，同時(shí)陽(yáng)極和陰極間隙的電弧的亮度變強(qiáng)一些，但是陽(yáng)極并不發(fā)光。另外，擴(kuò)散弧的電弧電壓相對(duì)比較低而且平穩(wěn)（電弧電壓的高頻振蕩分量比電弧電壓的平均值小得多）。

當(dāng)電弧電流增加時(shí)，電弧電壓也隨之提升，并且會(huì)產(chǎn)生幅值相當(dāng)大的噪聲分量，而伴隨著兩極間隙的電弧等離子體開(kāi)始有一些收縮，但在陽(yáng)極沒(méi)有放電現(xiàn)象。

擴(kuò)散弧模式又分為有陽(yáng)極噴濺與無(wú)陽(yáng)極噴濺兩種。在無(wú)陽(yáng)極噴濺的擴(kuò)散弧模式下，陽(yáng)極沒(méi)有離子產(chǎn)生。無(wú)陽(yáng)極材料噴濺的擴(kuò)散弧模式下，陽(yáng)極除了接受電子作用，還收集來(lái)自陰極的各種金屬離子，而這些離子、中性粒子在陽(yáng)極表面冷凝引起了陽(yáng)極金屬材料增加，這可以被定義為負(fù)侵蝕。在有陽(yáng)極材料濺射的擴(kuò)散弧模式下，絕大多數(shù)濺射出的原子將被兩極間的電子束所電離。從陽(yáng)極濺射出的原子速度較低，它們?cè)诳拷?yáng)極的區(qū)域被電離，這會(huì)導(dǎo)致陽(yáng)極附近產(chǎn)生一個(gè)密度梯度很大的濺射出的原子群。這些來(lái)自陽(yáng)極的離子能量相對(duì)于來(lái)自陰極的離子能量要小得多。在絕大多數(shù)擴(kuò)散弧模式中，陽(yáng)極附近的來(lái)自陰極的離子密度遠(yuǎn)大于來(lái)自陽(yáng)極的離子。對(duì)于典型的觸頭材料和典型的陰極離子能量，即使陽(yáng)極噴濺發(fā)生，陽(yáng)極的侵蝕仍為負(fù)值。因此，擴(kuò)散弧模式中陽(yáng)極表面溫度以及弧隙中的金屬蒸氣是相對(duì)較少的，對(duì)真空電弧的開(kāi)斷比較有利。

2.點(diǎn)狀斑點(diǎn)模式（footpoint mode）

當(dāng)電流較小時(shí)，電弧呈擴(kuò)散態(tài)模式，隨著電流的提高，真空滅弧室的陽(yáng)極表面會(huì)出現(xiàn)一個(gè)或者多個(gè)小的亮斑。點(diǎn)狀斑點(diǎn)模式是一種過(guò)渡的電弧模式，在這種模式下，陽(yáng)極開(kāi)始在燃弧過(guò)程中起積極作用，陽(yáng)極和陰極間隙充滿相對(duì)亮的電弧等離子體（極間電弧和較大電流時(shí)的擴(kuò)散弧模式基本一樣），而區(qū)別于擴(kuò)散弧模式的是陽(yáng)極出現(xiàn)明顯的亮斑，亮斑個(gè)數(shù)可能有一個(gè)也可能有多個(gè)，但是這些亮斑并沒(méi)有形成明顯的陽(yáng)極噴濺，這些亮斑被稱作點(diǎn)狀斑點(diǎn)。

點(diǎn)狀斑點(diǎn)一般出現(xiàn)在瞬間電流比較小且開(kāi)距比較大的情況下，在燃弧過(guò)程中點(diǎn)狀陽(yáng)極斑點(diǎn)附近的局部觸頭材料產(chǎn)生熔化現(xiàn)象但是沒(méi)有明顯的大面積熔斑。隨著電流的增大，陽(yáng)極從擴(kuò)散弧模式轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)狀斑點(diǎn)模式，陽(yáng)極表面的溫度上升速率可以達(dá)到107K/s和108K/s，而穩(wěn)定的點(diǎn)狀斑點(diǎn)溫度約為觸頭材料的熔點(diǎn)量級(jí)。電弧對(duì)陽(yáng)極觸頭材料產(chǎn)生了明顯的侵蝕，被侵蝕的量明顯超過(guò)了陰極材料在陽(yáng)極的沉積。熔化的陽(yáng)極觸頭材料和在金屬蒸氣中被侵蝕的陽(yáng)極觸頭材料要比從陰極噴濺出的粒子的量多。但總的來(lái)說(shuō)，陽(yáng)極觸頭材料的凈損失還是比較低。

在陽(yáng)極表面形成點(diǎn)狀斑點(diǎn)時(shí)，電弧電壓常常伴隨著疊加明顯的噪聲分量，電弧處于一種不穩(wěn)定的狀態(tài)。由于電弧模式從擴(kuò)散弧轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)狀斑點(diǎn)，引起陽(yáng)極電壓降的升高，從而使得總的電弧電壓升高。Miller發(fā)現(xiàn)點(diǎn)狀斑點(diǎn)狀態(tài)下弧柱電壓降沒(méi)有變化，只有陽(yáng)極區(qū)的電壓降有明顯的升高和不穩(wěn)定現(xiàn)象。弧柱電壓降保持不變說(shuō)明陽(yáng)極沒(méi)有向弧柱中提供額外蒸氣，而陽(yáng)極附近壓降的升高表明注入陽(yáng)極的能量增加，導(dǎo)致陽(yáng)極表面熔化且形成了點(diǎn)狀斑點(diǎn)，一些中性的陽(yáng)極材料蒸氣分布在靠近陽(yáng)極的區(qū)域，同時(shí)高的電弧電壓和高的噪聲分量表明在電弧等離子體中消耗了很多的能量，可以推測(cè)，這些中性粒子中的一部分會(huì)被電離，但這種推測(cè)還未被實(shí)驗(yàn)所證明。

由于點(diǎn)狀斑點(diǎn)很小，同時(shí)溫度不高，產(chǎn)生的蒸氣量相對(duì)比較小，所以不會(huì)對(duì)弧柱中的電場(chǎng)產(chǎn)生顯著的影響。

3.陽(yáng)極斑點(diǎn)模式（anodespot mode）

當(dāng)電流繼續(xù)增大時(shí)，帶電粒子不斷轟擊陽(yáng)極使得其表面溫度上升到材料的沸點(diǎn)，產(chǎn)生大面積熔化和蒸發(fā)，蒸發(fā)的粒子對(duì)弧柱產(chǎn)生了強(qiáng)烈作用，從而形成陽(yáng)極斑點(diǎn)。陽(yáng)極斑點(diǎn)模式是一種大電流電弧形態(tài)，在陽(yáng)極斑點(diǎn)模式下，陽(yáng)極和陰極間隙中出現(xiàn)了一個(gè)明顯的柱狀電弧，同時(shí)很多（也許有個(gè)別的不能辨別）陰極斑點(diǎn)覆蓋陰極表面。一個(gè)大的或幾個(gè)小的非常亮的斑點(diǎn)出現(xiàn)在陽(yáng)極。如果幾個(gè)小的斑點(diǎn)出現(xiàn)，則隨著電弧電流的增加或是燃弧時(shí)間的增加，這些小的斑點(diǎn)將會(huì)合并成一個(gè)單獨(dú)的陽(yáng)極斑點(diǎn)。

在陽(yáng)極斑點(diǎn)模式下，通常電弧電壓較低而平穩(wěn)，但也有可能較高并且有噪聲分量。陽(yáng)極射流的產(chǎn)生與否對(duì)電弧電壓噪聲分量有明顯的影響。Yokoyama和Kash-itani在試驗(yàn)中觀察到了多陽(yáng)極斑點(diǎn)很強(qiáng)的陽(yáng)極射流的出現(xiàn)伴隨著很大的電弧噪聲分量。但是Heberlein和Gorman卻發(fā)現(xiàn)，當(dāng)陽(yáng)極射流形成時(shí)，電弧電壓的波形變得平緩，而且通常比沒(méi)有出現(xiàn)陽(yáng)極斑點(diǎn)時(shí)的弧壓還要低。陽(yáng)極射流對(duì)電弧電壓的影響在試驗(yàn)上得出了相反的結(jié)果，Boxman對(duì)此的解釋是，陽(yáng)極射流對(duì)電弧電壓幅值和噪聲分量的影響極小，除非陽(yáng)極射流達(dá)到陰極或者與陰極射流在觸頭間隙中相會(huì)。

在陽(yáng)極斑點(diǎn)電弧模式下，陽(yáng)極受到了嚴(yán)重的電弧侵蝕，陽(yáng)極斑點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生大量的離子。在更大的電弧電流時(shí)，陽(yáng)極斑點(diǎn)處的觸頭材料還會(huì)以宏觀粒子和液滴等形式蒸發(fā)出來(lái)。電弧保持陽(yáng)極斑點(diǎn)模式的時(shí)間越長(zhǎng)，陽(yáng)極的侵蝕率越高，這主要是因?yàn)殛?yáng)極斑點(diǎn)的尺寸會(huì)增加。這種情況對(duì)于真空滅弧室的開(kāi)斷是非常不利的。

4.強(qiáng)電弧模式（intensearc mode）

強(qiáng)電弧模式也是一種大電流燃弧形態(tài)。與陽(yáng)極斑點(diǎn)模式相比，強(qiáng)電弧模式一般出現(xiàn)在較小的開(kāi)距和較大的電流時(shí)，電弧電壓和噪聲雖然高于擴(kuò)散態(tài)電弧，但要比陽(yáng)極斑點(diǎn)模式的低，其最顯著的特點(diǎn)是陽(yáng)極射流可以貫穿弧隙達(dá)到陰極，陽(yáng)極射流的作用使得陰極的燒蝕更加嚴(yán)重。因此，在強(qiáng)電弧模式中，只能觀察到觸頭間非常亮的弧柱，陽(yáng)極的放電模式也被弧柱的光亮所掩蓋，從而強(qiáng)電弧模式被單獨(dú)歸為一種陽(yáng)極放電模式。當(dāng)然，這種模式不僅是陽(yáng)極自身活躍，而且弧柱也不斷地向陽(yáng)極輸入比陽(yáng)極斑點(diǎn)模式更強(qiáng)的能量，更重要的是由于開(kāi)距很小，導(dǎo)致電流過(guò)零時(shí)觸頭間的金屬蒸氣密度相當(dāng)大，因此，強(qiáng)電弧模式對(duì)開(kāi)斷極為不利。

開(kāi)斷過(guò)程中陽(yáng)極斑點(diǎn)模式以及強(qiáng)電弧模式對(duì)于真空斷路器的開(kāi)斷非常不利，需要通過(guò)一些技術(shù)避免它們的出現(xiàn)或減小其影響。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)減小陽(yáng)極熱量的集中以及陽(yáng)極斑點(diǎn)的形成做了許多工作。對(duì)于一個(gè)給定的電極結(jié)構(gòu)、觸頭材料和電流波形，存在一個(gè)陽(yáng)極斑點(diǎn)首次出現(xiàn)的臨界電流Ias。這個(gè)電流取決于觸頭間距和電極尺寸間的關(guān)系（特別是電極直徑和觸頭間距的比例D/g）、電極材料和電流波形等。觸頭間距和電極尺寸對(duì)Ias的作用主要是通過(guò)影響陽(yáng)極附近的電壓降和陽(yáng)極平均電流密度來(lái)實(shí)現(xiàn)的，兩個(gè)作用都會(huì)影響陽(yáng)極局部的能量密度。在Rich的工作中指出，當(dāng)符合以下條件時(shí)，陽(yáng)極斑點(diǎn)出現(xiàn)的臨界電流值會(huì)明顯增大：①增大電極的截面積（例如，觸頭直徑/觸頭開(kāi)距?1）；②減小電極邊緣對(duì)電弧的影響；③減小使電弧發(fā)生積聚的電磁力。根據(jù)這個(gè)原則，Rich設(shè)計(jì)了一種同軸折合式的觸頭結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在通過(guò)60Hz、72kA峰值的電流時(shí)銅觸頭材料沒(méi)有任何熔化的現(xiàn)象。

另一種避免陽(yáng)極斑點(diǎn)形成的技術(shù)是在真空電弧中施加縱向磁場(chǎng)控制電弧，降低電弧電壓，提高形成陽(yáng)極斑點(diǎn)的臨界電流。Kaneko和Yanabu等人對(duì)具有縱向磁場(chǎng)下的電弧電壓和陽(yáng)極熔化狀態(tài)之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)縱向磁場(chǎng)不僅能夠抑制弧柱的收縮，使電弧在陽(yáng)極表面均勻分布，降低局部區(qū)域的電流密度及表面溫度，并且當(dāng)磁場(chǎng)足夠大時(shí)，電弧電壓的噪聲分量能夠全部消失，陽(yáng)極也不會(huì)出現(xiàn)熔化。實(shí)驗(yàn)表明這種技術(shù)能夠有效地將真空滅弧室的開(kāi)斷電流提高20%～30%。

除了抑制陽(yáng)極斑點(diǎn)形成的辦法外，還有能夠避免陽(yáng)極斑點(diǎn)在觸頭表面局部持續(xù)燃燒的方法。李天和采用橫磁結(jié)構(gòu)的電極，使得電弧在磁場(chǎng)力作用下快速運(yùn)動(dòng)，從而讓陽(yáng)極斑點(diǎn)對(duì)陽(yáng)極的加熱能夠分散，避免局部區(qū)域過(guò)熱，改善了真空開(kāi)關(guān)的開(kāi)斷性能。

輸電等級(jí)真空滅弧室開(kāi)距較大，在開(kāi)斷過(guò)程中觸頭處于由小到大的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。我們知道陽(yáng)極燃弧模式與觸頭開(kāi)距關(guān)系密切，在此過(guò)程中開(kāi)距始終處于變化過(guò)程中，燃弧模式必然隨之變化，不同的分閘速度相應(yīng)的燃弧模式也必然不同，這就為研究工作提供了一種思路，即如何在分?jǐn)噙^(guò)程中通過(guò)分閘速度來(lái)控制燃弧模式。然而，以往研究中很少涉及通過(guò)調(diào)節(jié)分閘特性來(lái)控制陽(yáng)極燃弧模式的，通過(guò)調(diào)節(jié)分閘特性是一種可行的提高某一具體滅弧室開(kāi)斷性能的方法。本章將介紹基于陽(yáng)極燃弧模式圖通過(guò)調(diào)節(jié)分閘曲線避開(kāi)對(duì)開(kāi)斷不利的陽(yáng)極放電模式，提高輸電等級(jí)滅弧室開(kāi)斷能力的方法。