3.4.3 阳极斑点对电流过零后阳极表面温度衰减的影响

本项研究主要针对阳极表面温度的衰减过程。为了更大程度地分析极限电流下的温度衰减情况，实验采用了非对称触头，触头材料和尺寸结构见表3-6。

表3-6 非对称实验触头类型

①见图3-24。

图3-30是典型的实验测量数据曲线。从图3-30中可以明显地看出，在阳极表面温度的衰减过程中出现了一个拐点，衰减的速率在拐点的前后有明显的变化。从过零时刻温度T0a=1520K到拐点温度1370K，阳极表面温度快速衰减。在拐点温度1370K之后，阳极表面温度的衰减速度减缓。过零后温度双指数衰减中的拐点温度大小可能与阳极触头材料的熔点有关。当电流Iarc进一步增大到8.5kA时，电流过零后阳极表面温度整体的衰减规律更明显，与5.8kA时情况相同，同样呈现双指数的衰减模式，从电流过零时刻到温度衰减拐点，温度衰减速率快，在拐点之后，阳极表面温度的衰减速率减缓。

图3-30 触头电流过零后阳极表面温度衰减波形

（触头材料：CuCr25；触头直径：阳极60mm，阴极12mm）

定义真空电弧电流过零后阳极表面温度衰减时间td，指阳极表面温度从电弧电流过零时刻到温度衰减到双色测温仪最低量程值时所持续的时间。对于扩散态真空电弧，电流过零后阳极表面温度的衰减时间td非常短暂（小于0.5ms），但阳极斑点模式真空电弧形成后衰减时间td将显著延长。根据实验结果，阳极表面温度衰减时间可以达到几个毫秒。

通过分析电流过零后阳极表面温度衰减时间td，可以得到以下结论：①随着电弧电流Iarc的增大，电流过零后阳极表面温度的衰减时间td也随着增加；②阳极斑点模式电弧电流过零后阳极表面温度的衰减时间td要大于扩散态电弧情况，并且其衰减趋势多呈现双指数形式；③电流过零后阳极表面温度双指数衰减过程中，电流过零时刻到两指数衰减拐点处所需的时间几乎保持不变，为0.3～0.4ms。

图3-31是依据实验数据所得的阳极表面温度衰减时间与电弧电流的关系图。

需要说明的是，图3-31中的结论对扩散态电弧和阳极斑点模式电弧下电流过零后阳极表面温度衰减时间特征都适用。在阳极斑点模式电弧下，上述温度衰减特征更为明显。

通过上述实验和分析研究，可以得到以下三种过零后阳极表面温度衰减模式（见图3-32）：

模式I：电弧仍表现为扩散态，但已开始收缩，弧柱呈圆柱状，属于扩散态电弧和柱状电弧（集聚态电弧）之间一种过渡态电弧。该电弧模式下阳极表面温度在电流过零时刻超过材料的熔点，从电流过零时刻开始，阳极表面温度呈单指数形式衰减，衰减时间范围为0～0.4ms。

图3-31 阳极表面温度衰减时间与电弧电流关系图

图3-32 大电流真空电弧电流过零后阳极表面温度的衰减模式示意图

模式II：电弧开始表现为集聚态，并可能在阳极表面收缩，在触头分离初期这是一种收缩态柱状电弧，但随着开距的增大会迅速向扩散态电弧转变。该电弧模式下阳极斑点接近于形成，阳极烧蚀并不太严重，属于阳极斑点形成前的状态。相对于模式I的情况，此时电流过零时刻阳极表面温度更高，同时电流过零后该温度的衰减时间也显著增长，大于0.4ms。阳极表面温度从电流过零时刻开始呈双指数形式衰减，但前后两部分指数衰减速率差别不大，同时温度在呈双指数衰减过程中的拐点温度可能大于或小于触头材料的熔点。

模式III：电弧表现为集聚态，弧柱在阳极表面进一步收缩，阳极射流出现。该电弧模式下阳极斑点已经形成，阳极烧蚀严重。电流过零时刻阳极表面温度相对于模式II的情况进一步提高，同时电流过零后该温度的衰减时间也更长。阳极表面温度从电流过零时刻开始，呈双指数形式衰减，在衰减过程中出现衰减速率变化的拐点温度。