如何区分扩散型和集聚型真空电弧？

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：扩散型真空电弧是由一些完全独立的分支电弧并联组成的。这种真空电弧因阴极斑点不断向四周扩散，而被称为扩散型真空电弧。扩散型真空电弧的寿命呈概率分布，它的平均寿命通常随电流的增加而增加。集聚型真空电弧的弧区有较高的蒸气压力，可达数个大气压。扩散型真空电弧有极高的开断能力，而集聚型电弧的开断能力则极低。

（一）扩散型真空电弧

当触头分开时，电流低于临界值（通常为10A）就会发生扩散型电弧。扩散型真空电弧是由一些完全独立的分支电弧并联组成的。每个分支电弧是由负电极上一个阴极斑点和一个从斑点向阳极扩散的等离子体弧柱所组成的。每个独立电弧的电流为数十到数百A，其值与电极材料有关。

当既无电场又无电磁干扰时，一个单独的阴极斑点将在阴极表面继续不断地作不规则运动。其运动速度随电流的增大和电弧电压的增高而上升。阴极斑点面积很小，电流密度很大，温度就很高，它不仅要提供强大的电子流，也同时蒸发出大量的金属蒸气来维持真空电弧的燃烧。真空间隙的气体压力很低，由于阴极斑点蒸发出大量的金属蒸气，从斑点向外就形成很高的轴向和径向压力梯度，金属蒸气和游离质点向外扩散，形成从阴极斑点向阳极逐渐扩散的锥形中亮弧柱。

阴极斑点在阴极表面不停地由电极中心向边缘运动。当分支弧柱到达电极边缘时被弯曲，此时电弧电压不足维持这一分支弧柱，这个阴极斑点就被熄灭，电弧电流转移到其他新产生的阴极斑点上。这种真空电弧因阴极斑点不断向四周扩散，而被称为扩散型真空电弧。同时，在金属表面两个相邻阴极斑点会互相排斥，因此，许多分裂的阴极斑点也是互相排斥的，并扩散到阴极的全部有效表面上。阴极斑点运动速度的变化范围自零到10m/s左右，在特殊情况下，可能达到50m/s。在一个斑点运动超过触头的边缘时，这个斑点的电弧就被熄灭，斑点上的电流就转移到还继续存在着的斑点上，使之产生新的分裂斑点，而所有的斑点都向触头边缘的外边移动，并依次熄灭。

扩散型真空电弧的等离子区的电压降通常很小，蒸气压力也不很高（例如当电流为100A时，离阴极1cm处的蒸气压力约为0.33Pa），粒子间基本不发生碰撞。所以正离子依靠其初始动能克服电场的阻滞而到达阳极，这样，等离子体中的电子和正离子都由阴极跑向阳极。

扩散型真空电弧中，由于弧柱区域为锥状，阳极接收电子和正离子，没有阳极斑点，阳极表面的电流密度和温度都是较低的，这对交流真空电弧的熄灭很有利。由于阴极斑点的高速扩散，对于阴极斑点在阴极表面上所经过的任一点来说，加热时间很短，阴极不会出现大面积的熔化区域，整个阴极的平均温度也在材料的熔点以下。

扩散型真空电弧内的金属蒸气和游离粒子，都要向弧柱外的真空区域扩散，所以要靠阴极斑点不断地供给金属蒸气才能维持电弧燃烧。在某一小电流值时，由于弧柱扩散速度过快，阴极斑点附近的蒸气压力和温度剧降，使斑点的发射和蒸发不能维持弧柱的扩散，则电弧骤燃熄灭。正由于真空中的强烈扩散作用，小电流真空电弧是不稳定的，一般只能维持不长的时间便自动熄灭。扩散型真空电弧的寿命呈概率分布，它的平均寿命通常随电流的增加而增加。

（二）集聚型电弧

当电流增大超过某一数值（例如自由燃烧的铜电极为10⁴A）时，电弧外形将突然发生变化，阴极斑点不再向四周扩散，而聚集在一个或几个较大面积上，其直径可达1～2cm，并出现阳极斑点，这种真空电弧称为集聚型真空电弧或大电流真空电弧。

在真空电弧电流增大时，电弧电压增高，正离子受到电场的阻滞作用也增强，正离子在没有到达阳极前，速度被降为零并在电场作用下返回阴极。这样，阳极前的正空间电荷急剧减小，而出现负空间电荷，形成为阳极压降。阳极前的电子受阳极压降的加速而轰击阳极，使阳极蒸发并使金属蒸气游离。阳极区产生的金属蒸气使弧柱电压降低，放电沿着这个低放电电压的通道发展，原来的放电被停止。

集聚型电弧形成后，若无外界磁场的作用，则阴极斑点团和阳极斑点以很缓慢的速度移动，甚至基本不动。从而使阴极和阳极表面局部区域被强烈加热，导致严重熔化，电弧难于熄灭。

集聚型真空电弧的弧区有较高的蒸气压力，可达数个大气压。它的电弧电压比扩散型有明显的增加，使电弧能量更大。

从上述扩散型和集聚型真空电弧的特性可以看出，后者与高气压电弧相似，全部电流集中在很小的电极表面上，在这个范围内，不管是阴极还是阳极表面都发生严重的熔化现象。严格地说，集聚型电弧不是真空电弧。实验证明，当发生集聚型电弧时，真空断路器就会失去开断能力。扩散型真空电弧有极高的开断能力，而集聚型电弧的开断能力则极低。

如何区分扩散型和集聚型真空电弧？

相关推荐