纵向磁场对阳极斑点形成的影响

真空灭弧室中，施加纵向磁场是提高阳极斑点形成临界电流值的有效措施，本节将通过实验方法量化分析纵向磁场对大触头直径（≥60mm）、大开距（≥40mm）条件下的阳极斑点形成临界电流的影响。实验电路采用50HzL-C振荡放电回路，实验模型采用仿真126kV真空灭弧室直径、开距参数的可拆真空灭弧室。

实验选取了两种形式的电极与纵向磁场系统，如图3-18所示。一种是“平板触头―外施均匀纵磁”形式，纵向磁场由外施亥姆霍兹励磁线圈通入直流产生。磁场强度B_AMF范围设定为0～122mT。另一种是“纵磁结构触头”形式，选用杯状纵磁结构触头。当电弧电流流经触头动静两端时，纵磁结构触头间产生自生纵向磁场，磁场强度B_AMF大小随交流电弧电流瞬时变化而改变，而单位电流下触头产生纵向磁场的能力mT/kA则保持不变。根据触头直径和开距的不同，杯状纵磁触头在触头表面上产生的纵向磁场最大可达到9.5mT/kA。通过改变杯状纵磁触头杯座开槽旋转方向，可以使杯状纵磁触头产生上下两种方向的纵向磁场，进而研究纵磁结构触头条件下磁场方向对阳极斑点临界电流的影响。

图3-18 纵向磁场施加方式

a）平板触头—外施纵磁 b）杯状纵磁结构触头自生磁场

本节实验所用触头试品见表3-1。

表3-1 本章触头试品设计汇总表

实验数据经整理后的结果如图3-19所示。其中数据可以拟合为如式（3-7）形式的线性关系式，表3-2是线性拟合后的斜率数据。

I_th=I⁰_AMF+s′B_crit （3-7）

图3-19 不同触头直径D下，阳极斑点临界电流I_th与外施纵向磁场B_AMF的关系

表3-2 不同触头直径D下，阳极斑点临界电流I_th和外施纵向磁场B_AMF线性关系斜率s′

分别使燃弧时间10ms内平均分闸速度v=1.2m/s、1.8m/s和2.4m/s，触头立体角（D/l）分别约为5、3.5和2.5。实验中外施纵向磁场B_AMF设定范围为0～122mT，纵向磁场方向向下。获得的实验数据如图3-20和表3-3所示。

图3-20 不同分闸速度v下阳极斑点临界电流I_th与外施纵向磁场B_AMF的关系

表3-3 不同分闸速度v下阳极斑点临界电流I_th和外施纵向磁场B_AMF线性关系斜率s′

从上述研究结果可知，存在一个临界外施纵向磁场，当外施纵向磁场高于此临界值时，就会抑制阳极斑点的形成。引入临界纵向磁场磁感应强度B_crit的概念。当外施纵向磁场B_AMF超过该临界水平，阳极斑点将不会出现，相反则会出现。临界纵向磁场磁感应强度B_crit即为避免阳极斑点出现所需最小纵向磁场B_AMF，由（3-7）式可知

B_crit=k×（I_th-I⁰_AMF） （3-8）

式中 k——k=1/s′。

1.触头直径D的影响变化

这种情况下触头直径D调节范围为12～100mm，燃弧开距l=24mm保持不变。由表3-2中斜率s′可以得到，为避免阳极斑点出现真空灭弧室不同触头直径D下对应的临界纵向磁场系数B^crit_AMF/I_th，其结果见表3-4。

表3-4 不同触头直径D下临界纵向磁场系数B^crit_AMF/Ith

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从表3-4中的结果可知，随着触头直径D的增大，避免阳极斑点出现所需的临界纵向磁场系数B^crit_AMF/I_th则趋于减小。于是根据表3-4可以得到不同触头直径下与临界纵向磁场系数B^crit_AMF/I_th的关系，结果如图3-21所示。从图3-21可知，临界纵向磁场系数B^crit_AMF/I_th随触头直径D呈幂函数形式衰减，且满足表达式

B^crit_AMF/I_th=mD^α （3-9）

式中 m和α——常数，根据图3-21中数据拟合可以得到m=5516.4，α=-1.63。于是真空灭弧室避免阳极斑点出现所需的临界纵向磁场系数B^crit_AMF/I_th（mT/kA）与触头直径D（mm）之间的关系满足

B^crit_AMF/I_th=5516.4D^-1.63 （3-10）

上述结果表明，阳极斑点临界纵向磁场B_crit随临界电流I_th的变化率因触头直径D的增大而减小。提高相同的阳极斑点临界电流I_th值，大触头直径D时所需纵向磁场B_AMF较小。这也同样意味着纵向磁场对提高阳极斑点临界电流I_th的作用效果在大的触头直径D时更显著。

图3-21 不同触头直径D下，避免阳极斑点出现临界纵向磁场系数B^crit_AMF/I_th

式（3-10）结果的重要意义在于其可以为真空灭弧室触头小型化提供理论参考。例如，已知真空灭弧室原有触头直径为D_A时，在满足相同电流开断能力前提下，使得真空灭弧室触头直径由D_A（mm）减小到D_B（mm），则根据式（3-10），为避免阳极斑点出现真空灭弧室内部临界纵向磁场B^crit_AMF/I_th特征需满足如下：

式中 （B^crit_AMF/I_th）_A和（B^crit_AMF/I_th）_B——分别为直径为D_A和D_B时对应的纵向磁场系数B^crit_AMF/I_th；

α——常数为-1.63。

由上式换算得到

式中 β——常数，β=1/α。

2.燃弧开距l的影响变化

这种情况燃弧开距l基于分闸速度v改变来调节，燃弧开距l范围为12～24mm，由燃弧时间10ms内平均分闸速度1.2m/s、1.8m/s和2.4m/s来确定。触头直径D=60mm保持不变。同样根据表3-3中的结果，可以得到真空灭弧室中不同燃弧开距l下的临界纵向磁场系数B^crit_AMF/I_th，见表3-5。

表3-5 不同燃弧开距l下临界纵向磁场系数BcritAMF/I_th

从表3-5可知，随着分闸速度v或燃弧开距l的增大，避免阳极斑点出现所需的临界纵向磁场系数B^crit_AMF/I_th也趋于增大。当分闸速度v由1.2m/s增大到1.8m/s和2.4m/s，或燃弧开距l由12mms增大到18mm和24mm时，对应的临界纵向磁场系数B^crit_AMF/I_th分别为6.6mT/kA、7.0mT/kA和7.1mT/kA。

根据表3-5，不同燃弧开距l下的临界纵向磁场系数B^crit_AMF/I_th结果如图3-22所示。该图结果表明，提高相同的阳极斑点临界电流I_th值，小燃弧开距l时所需纵向磁场B_AMF较小。这意味着，纵向磁场对提高阳极斑点临界电流I_th的作用效果在小的燃弧开距l时更显著。然而相对于触头直径D，燃弧开距l改变时临界纵向磁场系数B^crit_AMF/I_th几乎不变。图3-22中不同燃弧开距l下B^crit_AMF/I_th都约为7.0mT/kA。因此可以认为真空灭弧室特定触头直径D下具有已知确定的纵向磁场系数B^crit_AMF/I_th，随燃弧开距l的影响变化不大。

图3-22 不同燃弧开距l下，避免阳极斑点出现临界纵向磁场系数B^crit_AMF/I_th

3.纵向磁场方向的影响

实验研究对比了磁场方向对形成阳极斑点的影响，包括了“平板触头―外施纵磁”和“杯状纵磁结构触头”结构。实验结果表明，纵向磁场方向改变对阳极斑点临界电流I_th大小并没有产生明显的影响，说明阳极斑点的形成与纵向磁场方向无关，同时也与阴极斑点和弧柱的旋转方向无关。