3.3.3 縱向磁場對陽極斑點形成的影響

真空滅弧室中，施加縱向磁場是提高陽極斑點形成臨界電流值的有效措施，本節(jié)將通過實驗方法量化分析縱向磁場對大觸頭直徑（≥60mm）、大開距（≥40mm）條件下的陽極斑點形成臨界電流的影響。實驗電路采用50HzL-C振蕩放電回路，實驗?zāi)Ｐ筒捎梅抡?26kV真空滅弧室直徑、開距參數(shù)的可拆真空滅弧室。

實驗選取了兩種形式的電極與縱向磁場系統(tǒng)，如圖3-18所示。一種是“平板觸頭―外施均勻縱磁”形式，縱向磁場由外施亥姆霍茲勵磁線圈通入直流產(chǎn)生。磁場強度BAMF范圍設(shè)定為0～122mT。另一種是“縱磁結(jié)構(gòu)觸頭”形式，選用杯狀縱磁結(jié)構(gòu)觸頭。當(dāng)電弧電流流經(jīng)觸頭動靜兩端時，縱磁結(jié)構(gòu)觸頭間產(chǎn)生自生縱向磁場，磁場強度BAMF大小隨交流電弧電流瞬時變化而改變，而單位電流下觸頭產(chǎn)生縱向磁場的能力mT/kA則保持不變。根據(jù)觸頭直徑和開距的不同，杯狀縱磁觸頭在觸頭表面上產(chǎn)生的縱向磁場最大可達到9.5mT/kA。通過改變杯狀縱磁觸頭杯座開槽旋轉(zhuǎn)方向，可以使杯狀縱磁觸頭產(chǎn)生上下兩種方向的縱向磁場，進而研究縱磁結(jié)構(gòu)觸頭條件下磁場方向?qū)﹃枠O斑點臨界電流的影響。

圖3-18 縱向磁場施加方式

a）平板觸頭—外施縱磁 b）杯狀縱磁結(jié)構(gòu)觸頭自生磁場

本節(jié)實驗所用觸頭試品見表3-1。

表3-1 本章觸頭試品設(shè)計匯總表

實驗數(shù)據(jù)經(jīng)整理后的結(jié)果如圖3-19所示。其中數(shù)據(jù)可以擬合為如式（3-7）形式的線性關(guān)系式，表3-2是線性擬合后的斜率數(shù)據(jù)。

Ith=I0AMF+s′Bcrit （3-7）

圖3-19 不同觸頭直徑D下，陽極斑點臨界電流Ith與外施縱向磁場BAMF的關(guān)系

表3-2 不同觸頭直徑D下，陽極斑點臨界電流Ith和外施縱向磁場BAMF線性關(guān)系斜率s′

分別使燃弧時間10ms內(nèi)平均分閘速度v=1.2m/s、1.8m/s和2.4m/s，觸頭立體角（D/l）分別約為5、3.5和2.5。實驗中外施縱向磁場BAMF設(shè)定范圍為0～122mT，縱向磁場方向向下。獲得的實驗數(shù)據(jù)如圖3-20和表3-3所示。

圖3-20 不同分閘速度v下陽極斑點臨界電流Ith與外施縱向磁場BAMF的關(guān)系

表3-3 不同分閘速度v下陽極斑點臨界電流Ith和外施縱向磁場BAMF線性關(guān)系斜率s′

從上述研究結(jié)果可知，存在一個臨界外施縱向磁場，當(dāng)外施縱向磁場高于此臨界值時，就會抑制陽極斑點的形成。引入臨界縱向磁場磁感應(yīng)強度Bcrit的概念。當(dāng)外施縱向磁場BAMF超過該臨界水平，陽極斑點將不會出現(xiàn)，相反則會出現(xiàn)。臨界縱向磁場磁感應(yīng)強度Bcrit即為避免陽極斑點出現(xiàn)所需最小縱向磁場BAMF，由（3-7）式可知

Bcrit=k×（Ith-I0AMF） （3-8）

式中 k——k=1/s′。

1.觸頭直徑D的影響變化

這種情況下觸頭直徑D調(diào)節(jié)范圍為12～100mm，燃弧開距l=24mm保持不變。由表3-2中斜率s′可以得到，為避免陽極斑點出現(xiàn)真空滅弧室不同觸頭直徑D下對應(yīng)的臨界縱向磁場系數(shù)BcritAMF/Ith，其結(jié)果見表3-4。

表3-4 不同觸頭直徑D下臨界縱向磁場系數(shù)BcritAMF/Ith

從表3-4中的結(jié)果可知，隨著觸頭直徑D的增大，避免陽極斑點出現(xiàn)所需的臨界縱向磁場系數(shù)BcritAMF/Ith則趨于減小。于是根據(jù)表3-4可以得到不同觸頭直徑下與臨界縱向磁場系數(shù)BcritAMF/Ith的關(guān)系，結(jié)果如圖3-21所示。從圖3-21可知，臨界縱向磁場系數(shù)BcritAMF/Ith隨觸頭直徑D呈冪函數(shù)形式衰減，且滿足表達式

BcritAMF/Ith=mDα （3-9）

式中 m和α——常數(shù)，根據(jù)圖3-21中數(shù)據(jù)擬合可以得到m=5516.4，α=-1.63。于是真空滅弧室避免陽極斑點出現(xiàn)所需的臨界縱向磁場系數(shù)BcritAMF/Ith（mT/kA）與觸頭直徑D（mm）之間的關(guān)系滿足

BcritAMF/Ith=5516.4D-1.63 （3-10）

上述結(jié)果表明，陽極斑點臨界縱向磁場Bcrit隨臨界電流Ith的變化率因觸頭直徑D的增大而減小。提高相同的陽極斑點臨界電流Ith值，大觸頭直徑D時所需縱向磁場BAMF較小。這也同樣意味著縱向磁場對提高陽極斑點臨界電流Ith的作用效果在大的觸頭直徑D時更顯著。

圖3-21 不同觸頭直徑D下，避免陽極斑點出現(xiàn)臨界縱向磁場系數(shù)BcritAMF/Ith

式（3-10）結(jié)果的重要意義在于其可以為真空滅弧室觸頭小型化提供理論參考。例如，已知真空滅弧室原有觸頭直徑為DA時，在滿足相同電流開斷能力前提下，使得真空滅弧室觸頭直徑由DA（mm）減小到DB（mm），則根據(jù)式（3-10），為避免陽極斑點出現(xiàn)真空滅弧室內(nèi)部臨界縱向磁場BcritAMF/Ith特征需滿足如下：

式中 （BcritAMF/Ith）A和（BcritAMF/Ith）B——分別為直徑為DA和DB時對應(yīng)的縱向磁場系數(shù)BcritAMF/Ith；

α——常數(shù)為-1.63。

由上式換算得到

式中 β——常數(shù)，β=1/α。

2.燃弧開距l的影響變化

這種情況燃弧開距l基于分閘速度v改變來調(diào)節(jié)，燃弧開距l范圍為12～24mm，由燃弧時間10ms內(nèi)平均分閘速度1.2m/s、1.8m/s和2.4m/s來確定。觸頭直徑D=60mm保持不變。同樣根據(jù)表3-3中的結(jié)果，可以得到真空滅弧室中不同燃弧開距l下的臨界縱向磁場系數(shù)BcritAMF/Ith，見表3-5。

表3-5 不同燃弧開距l(xiāng)下臨界縱向磁場系數(shù)BcritAMF/Ith

從表3-5可知，隨著分閘速度v或燃弧開距l的增大，避免陽極斑點出現(xiàn)所需的臨界縱向磁場系數(shù)BcritAMF/Ith也趨于增大。當(dāng)分閘速度v由1.2m/s增大到1.8m/s和2.4m/s，或燃弧開距l由12mms增大到18mm和24mm時，對應(yīng)的臨界縱向磁場系數(shù)BcritAMF/Ith分別為6.6mT/kA、7.0mT/kA和7.1mT/kA。

根據(jù)表3-5，不同燃弧開距l下的臨界縱向磁場系數(shù)BcritAMF/Ith結(jié)果如圖3-22所示。該圖結(jié)果表明，提高相同的陽極斑點臨界電流Ith值，小燃弧開距l時所需縱向磁場BAMF較小。這意味著，縱向磁場對提高陽極斑點臨界電流Ith的作用效果在小的燃弧開距l時更顯著。然而相對于觸頭直徑D，燃弧開距l改變時臨界縱向磁場系數(shù)BcritAMF/Ith幾乎不變。圖3-22中不同燃弧開距l下BcritAMF/Ith都約為7.0mT/kA。因此可以認(rèn)為真空滅弧室特定觸頭直徑D下具有已知確定的縱向磁場系數(shù)BcritAMF/Ith，隨燃弧開距l的影響變化不大。

圖3-22 不同燃弧開距l下，避免陽極斑點出現(xiàn)臨界縱向磁場系數(shù)BcritAMF/Ith

3.縱向磁場方向的影響

實驗研究對比了磁場方向?qū)π纬申枠O斑點的影響，包括了“平板觸頭―外施縱磁”和“杯狀縱磁結(jié)構(gòu)觸頭”結(jié)構(gòu)。實驗結(jié)果表明，縱向磁場方向改變對陽極斑點臨界電流Ith大小并沒有產(chǎn)生明顯的影響，說明陽極斑點的形成與縱向磁場方向無關(guān)，同時也與陰極斑點和弧柱的旋轉(zhuǎn)方向無關(guān)。