电弧的弧根、斑点及运动特征

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：开关电器中的电弧是在动、静触头之间燃烧的，电弧弧柱紧贴触头表面的部分被称为电弧的弧根，而弧根在电极表面上形成的圆形明亮点被称为斑点，在阴极表面所形成的斑点称为阴极斑点，在阳极表面的被称为阳极斑点。阳极斑点是电子进入阳极的主要入口，其面积一般情况下大于阴极斑点，故阳极斑点的电流密度相对较小。

开关电器中的电弧是在动、静触头之间燃烧的，电弧弧柱紧贴触头（或称电极）表面的部分被称为电弧的弧根，而弧根在电极表面上形成的圆形明亮点被称为斑点，在阴极表面所形成的斑点称为阴极斑点，在阳极表面的被称为阳极斑点。阴极斑点是维持电弧存在所必需的电子发源地，其电流密度极高，在大气中自由燃烧时可达105 A/cm2，而当电弧的弧根在电极表面快速运动时甚至高达107 A/cm2，远高于电弧弧柱的电流密度，因此电弧弧根的直径要小于弧柱直径，从电弧外形上看，电弧弧柱接近阴极区域，呈现收缩现象。在弧柱接近阳极区域也同样呈现收缩的形状。

由于阴极斑点的电流密度极高，导致弧根处温度快速上升，以至于阴极材料被迅速气化，形成进入弧隙的金属蒸气；与此同时，阴极斑点还会产生热发射、场致发射和二次发射等强烈电离过程，向弧隙提供大量电子。其结果导致电弧的燃烧，而由此所造成的另一副作用是使得阴极表面金属材料被逐渐烧损，形成凹坑，从而影响触头的使用寿命。

阳极斑点是电子进入阳极的主要入口，其面积一般情况下大于阴极斑点，故阳极斑点的电流密度相对较小。然而阳极斑点的温度一般不低于阴极斑点温度，大部分触头材料的阳极斑点温度都超过其沸点温度，因此阳极斑点处的气化率较高，阳极表面处存在较高的蒸气压力，这对大电流金属蒸气（真空）电弧的燃烧或熄灭过程具有非常重要的影响。

对工程上常用的触头材料而言，触头表面阴极和阳极斑点温度通常不低于触头材料的沸点，基于这一事实可以更加合理地选择触头材料。如果采用沸点较低的触头材料，则燃弧时弧隙中的金属蒸气压力及蒸气量较高，但在开断交流电的情况下，电流过零后的阴极（电流过零前为阳极）的温度也较低，故此时新的阴极发射电子的能力也就相对较低；反之，如果选用沸点较高的触头材料，则情况相反，虽然电流过零前弧隙中的金属蒸气量较低，但电流过零后新的阴极表面温度相对较高，其电子的热发射能力被加强。对长弧或真空电弧而言，电流过零时弧隙中的金属蒸气量具有十分重要的影响；而电流过零后，新阴极发射电子能力的高低对短弧的熄灭意义重大。

需要指出的是，在开关电器中，通常希望电弧及其弧根和斑点能够在触头表面快速运动，因为电弧及其弧根和斑点运动的快慢将直接关系到触头表面的烧损程度，其运动速度越快，在触头表面某处的停留时间也就越短，对该处触头表面的热作用也就越小，对触头材料的烧损就越低。因此，在许多开关电器灭弧系统中采用相应的吹弧措施，其中包括施加磁场或气流等措施来实现吹弧的目的，以保证电弧的弧根不在触头表面某点长时间滞留。

电弧的弧根、斑点及运动特征

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