3.4.2 電流過零后陽極表面溫度

實驗中燃弧從電流第三個半波開始，電流過零后陽極表面溫度指的是從電弧電流過零時刻到測量儀器達到最低量程期間所測的觸頭表面溫度。實驗所用雙色式紅外高溫測試儀的測量范圍是1073～1873K，所以實驗中觸頭表面溫度的最低測量值為1073K。在電弧燃弧期間，受真空電弧影響，雙色儀所測溫度并非是陽極觸頭表面溫度。由于電弧燃弧過程溫度變化劇烈，實際雙色測溫儀測得的溫度數值會發生激變，超過設備的最大量程1873K。本章中電弧電流過零點判定為電弧電壓陡降時刻，定義電流過零時刻陽極表面溫度為T0a。

圖3-25所示為溫度測量典型實驗波形圖。實驗中觸頭材料是CuCr25，觸頭直徑D為60mm，觸頭燃弧開距l為12mm。實驗中外施縱向磁場強度為37mT，電弧電流為13.0kA。從電流第三個半波起，動觸頭開始運動，觸頭間隙開始起弧。之后雙色測溫儀開始觸發工作，受電弧弧光影響，雙色儀溫度測量數據會出現波動并可能超過儀器的量程。在電流過零前，電弧開始熄滅，陽極表面溫度趨于下降。測得電流過零時刻的陽極表面溫度T0a為1580K。電流過零后，觸頭表面溫度迅速降低至測量設備的最低測量溫度1073K。從電流過零時刻，到測量最低值所持續時間接近1ms。隨著電弧電流的增大，電流過零時刻陽極表面溫度T0a也相應升高，并且過零后陽極表面溫度衰減的時間也更長。

圖3-25 電流過零后陽極表面溫度的測量波形圖

如上分析，本章關于電流過零后陽極表面溫度的測量包括兩個重要的內容：一是電流過零時刻的陽極表面溫度；另一個是電流過零后陽極表面溫度的衰減特性，包括衰減趨勢和衰減時間等。

陽極斑點對電流過零時刻陽極表面溫度的影響主要研究在不同電弧電流、分閘速度、縱向磁場和觸頭材料的條件下，陽極斑點對電弧電流過零時刻陽極表面溫度T0a的影響規律。

1.電弧電流影響

實驗條件為：觸頭材料是CuCr25，觸頭直徑D為60mm，觸頭滿開距為38mm。燃弧開距l為12mm，通過設定燃弧時間t=10ms內平均分閘速度v=1.2m/s來確定。實驗中外施縱向磁感應強度BAMF為37mT，電弧電流Iarc為3.3～16.8kA。

電流過零時刻陽極表面溫度T0a隨電弧電流Iarc的變化規律如圖3-26所示。圖中空心點數據表示在該電弧電流Iarc下燃弧期間沒有出現陽極斑點，實心點數據則表示出現了陽極斑點。在該實驗條件下陽極斑點臨界電流Ith約為12kA。從圖中結果可以看出，在電弧電流Iarc小于陽極斑點臨界電流Ith的電流范圍內，電流過零時刻的陽極表面溫度T0a隨著電弧電流的增加有一個上升的趨勢。

圖3-26 電流過零時刻陽極表面溫度T0a隨電弧電流Iarc變化規律

在電弧電流Iarc等于或大于陽極斑點臨界電流Ith時，T0a并沒有隨著電弧電流的增大出現上升或是下降的趨勢，而是穩定在一個溫度范圍之內，所測量得到的電流過零時刻的T0a穩定在1600～1800K之間。同時發現當電弧電流Iarc接近于陽極斑點臨界電流Ith時，T0a也處于該溫度范圍。

2.分閘速度影響

實驗參數選擇：觸頭材料為CuCr25，觸頭直徑D為60mm，觸頭滿開距為38mm，燃弧期間平均分閘速度v調節范圍為1.2m/s、1.8m/s和2.4m/s，燃弧時間10ms，對應的燃弧開距l為12mm、18mm和24mm。實驗中外施縱向磁感應強度BAMF為37mT。

電流過零時刻陽極表面溫度T0a隨分閘速度v的變化規律如圖3-27所示。同樣圖中空心點數據表示弧期間沒有出現陽極斑點，實心點數據則表示出現了陽極斑點。從圖3-27所示結果可知，在不同的分閘速度v（即1.2m/s、1.8m/s和2.4m/s）條件下，陽極斑點形成后，電流過零時刻T0a隨電弧電流Iarc的變化趨勢依舊穩定在1600～1800K溫度范圍內。因此燃弧期間分閘速度v會對陽極斑點的臨界電流Ith產生影響，但不會改變T0a隨電弧電流的變化趨勢。另外，圖3-27還表明在相同的電弧電流Iarc時，T0a隨分閘速度v的變化無明顯的規律特征。

圖3-27 電流過零時刻陽極表面溫度T0a隨觸頭分閘速度v變化規律

3.縱向磁場影響

實驗條件為：觸頭材料是CuCr25，觸頭直徑D為60mm，觸頭滿開距為38mm，燃弧開距l為18mm，通過設定燃弧時間t=10ms內平均分閘速度v=1.8m/s來確定。實驗中外施縱向磁感應強度BAMF調節范圍為37～110mT。

電流過零時刻陽極表面溫度T0a隨外施縱向磁場BAMF的變化規律如圖3-28所示。同樣圖中空心點數據表示燃弧期間沒有出現陽極斑點，實心點數據則表示出現。從圖3-28所示結果可知，當外施縱向磁場BAMF由37mT增強到110mT，陽極斑點模式下的電弧依舊穩定在1600～1800K溫度范圍內，并且T0a且隨著外施縱向磁場BAMF的增強，T0a波動減小，趨于收斂。該結果說明較強的外施縱向磁場BAMF使得燃弧更加均勻，陽極表面能量注入也相對穩定。

圖3-28 電流過零時刻陽極表面溫度T0a隨外施縱向磁場BAMF變化規律

4.觸頭材料影響

實驗條件：觸頭材料為不同Cr含量的Cu-Cr觸頭，分別為Cu、CuCr25和CuCr50。觸頭直徑D為60mm，觸頭滿開距為38mm，燃弧開距l為24mm，由設定燃弧時間t=10ms內平均分閘速度v=2.4m/s來確定。外施縱向磁感應強度BAMF為74mT。

不同材料觸頭下，陽極斑點形成后電流過零時刻陽極表面溫度T0a結果如圖3-29所示。其中觸頭材料為Cu時，T0a溫度值最高，為1800～1900K。觸頭材料為CuCr50時，該溫度為1700～1800K。觸頭材料為CuCr25時，該溫度則穩定在1600～1700K的范圍內。關于電流過零時刻陽極表面溫度的特征變化，主要受到觸頭材料的熔點、熱導率以及電導率等因素的影響。Cu的熔點只有1356K，低于Cr的熔點2148K。在燃弧期間，陽極表面熔池比另外兩種觸頭材料更加容易形成，而且范圍更大，深度也更深，電流過零時刻陽極表面的溫度也最高。而對于另外兩種Cu-Cr觸頭材料，T0a受到觸頭材料中Cr含量大小的顯著影響。由于CuCr50中Cr含量相對較高，導致熔融態觸頭表面溫度也較高，因此T0a值要大于CuCr25時的情況，并且CuCr50觸頭材料下電流零后觸頭表面溫度的衰減也相對緩慢。

圖3-29 電流過零時刻陽極表面溫度T0a隨觸頭材料變化規律