电流过零时阳极表面温度变化分析

实验中燃弧从电流第三个半波开始，电流过零后阳极表面温度指的是从电弧电流过零时刻到测量仪器达到最低量程期间所测的触头表面温度。实验所用双色式红外高温测试仪的测量范围是1073～1873K，所以实验中触头表面温度的最低测量值为1073K。在电弧燃弧期间，受真空电弧影响，双色仪所测温度并非是阳极触头表面温度。由于电弧燃弧过程温度变化剧烈，实际双色测温仪测得的温度数值会发生激变，超过设备的最大量程1873K。本章中电弧电流过零点判定为电弧电压陡降时刻，定义电流过零时刻阳极表面温度为T_0a。

图3-25所示为温度测量典型实验波形图。实验中触头材料是CuCr25，触头直径D为60mm，触头燃弧开距l为12mm。实验中外施纵向磁场强度为37mT，电弧电流为13.0kA。从电流第三个半波起，动触头开始运动，触头间隙开始起弧。之后双色测温仪开始触发工作，受电弧弧光影响，双色仪温度测量数据会出现波动并可能超过仪器的量程。在电流过零前，电弧开始熄灭，阳极表面温度趋于下降。测得电流过零时刻的阳极表面温度T_0a为1580K。电流过零后，触头表面温度迅速降低至测量设备的最低测量温度1073K。从电流过零时刻，到测量最低值所持续时间接近1ms。随着电弧电流的增大，电流过零时刻阳极表面温度T_0a也相应升高，并且过零后阳极表面温度衰减的时间也更长。

图3-25 电流过零后阳极表面温度的测量波形图

如上分析，本章关于电流过零后阳极表面温度的测量包括两个重要的内容：一是电流过零时刻的阳极表面温度；另一个是电流过零后阳极表面温度的衰减特性，包括衰减趋势和衰减时间等。

阳极斑点对电流过零时刻阳极表面温度的影响主要研究在不同电弧电流、分闸速度、纵向磁场和触头材料的条件下，阳极斑点对电弧电流过零时刻阳极表面温度T_0a的影响规律。

1.电弧电流影响

实验条件为：触头材料是CuCr25，触头直径D为60mm，触头满开距为38mm。燃弧开距l为12mm，通过设定燃弧时间t=10ms内平均分闸速度v=1.2m/s来确定。实验中外施纵向磁感应强度B_AMF为37mT，电弧电流I_arc为3.3～16.8kA。

电流过零时刻阳极表面温度T_0a随电弧电流I_arc的变化规律如图3-26所示。图中空心点数据表示在该电弧电流I_arc下燃弧期间没有出现阳极斑点，实心点数据则表示出现了阳极斑点。在该实验条件下阳极斑点临界电流I_th约为12kA。从图中结果可以看出，在电弧电流I_arc小于阳极斑点临界电流I_th的电流范围内，电流过零时刻的阳极表面温度T_0a随着电弧电流的增加有一个上升的趋势。

图3-26 电流过零时刻阳极表面温度T_0a随电弧电流I_arc变化规律

在电弧电流I_arc等于或大于阳极斑点临界电流I_th时，T_0a并没有随着电弧电流的增大出现上升或是下降的趋势，而是稳定在一个温度范围之内，所测量得到的电流过零时刻的T_0a稳定在1600～1800K之间。同时发现当电弧电流I_arc接近于阳极斑点临界电流I_th时，T_0a也处于该温度范围。

2.分闸速度影响

实验参数选择：触头材料为CuCr25，触头直径D为60mm，触头满开距为38mm，燃弧期间平均分闸速度v调节范围为1.2m/s、1.8m/s和2.4m/s，燃弧时间10ms，对应的燃弧开距l为12mm、18mm和24mm。实验中外施纵向磁感应强度B_AMF为37mT。(www.xing528.com)

电流过零时刻阳极表面温度T_0a随分闸速度v的变化规律如图3-27所示。同样图中空心点数据表示弧期间没有出现阳极斑点，实心点数据则表示出现了阳极斑点。从图3-27所示结果可知，在不同的分闸速度v（即1.2m/s、1.8m/s和2.4m/s）条件下，阳极斑点形成后，电流过零时刻T_0a随电弧电流I_arc的变化趋势依旧稳定在1600～1800K温度范围内。因此燃弧期间分闸速度v会对阳极斑点的临界电流I_th产生影响，但不会改变T_0a随电弧电流的变化趋势。另外，图3-27还表明在相同的电弧电流I_arc时，T_0a随分闸速度v的变化无明显的规律特征。

图3-27 电流过零时刻阳极表面温度T_0a随触头分闸速度v变化规律

3.纵向磁场影响

实验条件为：触头材料是CuCr25，触头直径D为60mm，触头满开距为38mm，燃弧开距l为18mm，通过设定燃弧时间t=10ms内平均分闸速度v=1.8m/s来确定。实验中外施纵向磁感应强度B_AMF调节范围为37～110mT。

电流过零时刻阳极表面温度T_0a随外施纵向磁场B_AMF的变化规律如图3-28所示。同样图中空心点数据表示燃弧期间没有出现阳极斑点，实心点数据则表示出现。从图3-28所示结果可知，当外施纵向磁场B_AMF由37mT增强到110mT，阳极斑点模式下的电弧依旧稳定在1600～1800K温度范围内，并且T_0a且随着外施纵向磁场B_AMF的增强，T_0a波动减小，趋于收敛。该结果说明较强的外施纵向磁场B_AMF使得燃弧更加均匀，阳极表面能量注入也相对稳定。

图3-28 电流过零时刻阳极表面温度T_0a随外施纵向磁场B_AMF变化规律

4.触头材料影响

实验条件：触头材料为不同Cr含量的Cu-Cr触头，分别为Cu、CuCr25和CuCr50。触头直径D为60mm，触头满开距为38mm，燃弧开距l为24mm，由设定燃弧时间t=10ms内平均分闸速度v=2.4m/s来确定。外施纵向磁感应强度B_AMF为74mT。

不同材料触头下，阳极斑点形成后电流过零时刻阳极表面温度T_0a结果如图3-29所示。其中触头材料为Cu时，T_0a温度值最高，为1800～1900K。触头材料为CuCr50时，该温度为1700～1800K。触头材料为CuCr25时，该温度则稳定在1600～1700K的范围内。关于电流过零时刻阳极表面温度的特征变化，主要受到触头材料的熔点、热导率以及电导率等因素的影响。Cu的熔点只有1356K，低于Cr的熔点2148K。在燃弧期间，阳极表面熔池比另外两种触头材料更加容易形成，而且范围更大，深度也更深，电流过零时刻阳极表面的温度也最高。而对于另外两种Cu-Cr触头材料，T_0a受到触头材料中Cr含量大小的显著影响。由于CuCr50中Cr含量相对较高，导致熔融态触头表面温度也较高，因此T_0a值要大于CuCr25时的情况，并且CuCr50触头材料下电流零后触头表面温度的衰减也相对缓慢。

图3-29 电流过零时刻阳极表面温度T_0a随触头材料变化规律