金属蒸气的影响与计算方法

当电流过零后，在触头间隙中依然存在的残余离子、电子、金属蒸气和金属液滴等，需要经过一段时间才能扩散出去。随着开断电流幅值的增大，微粒的初始含量也会不断增多，如图5-4所示。从图中可以看出，如果电流幅值超过临界值后，间隙中金属蒸气的含量出现跃变，这个临界电流值被认为与出现阳极斑点的临界电流值有关。

图5-4 弧后初始蒸气密度、液滴通量与开断电流的关系

Lins对小电流情况下的金属蒸气进行了测量。他发现开断电弧处于扩散态的小电流之后，触头间隙间的金属蒸气密度大约为10¹⁷/m³，而这个密度条件下发生的击穿几乎等同于真空条件下发生的击穿。开断小电流时，金属蒸气主要来源于阴极斑点。而阴极斑点在阴极表面快速移动，不会造成局部过热，这样阴极表面在电流过零之前的温度就已经降至很低的水平，不会有过量的蒸气进入弧隙中，所以弧后介质恢复可能在几微秒内就可以完成。

Frind对开断不同幅值电流后的介质恢复时间做了测量，如图5-5所示。他发现弧后介质恢复时间不但与电流的持续时间呈线性关系，并且存在一个转折点，而且巧合的是这个转折点与阳极斑点的出现有关。Frind认为大电流情况下的介质恢复过程取决于蒸气的扩散情况。阳极斑点出现之后，因为电弧的烧蚀，介质恢复时间将要长很多，特别是当阳极斑点静止不动或运动缓慢时。(www.xing528.com)

图5-5 恢复时间与电流幅值的关系

和离子相同，如果金属蒸气密度高于临界密度，在TRV的作用下也会发生热击穿。Rowe认为临界金属蒸气密度对应的气压在1～10Pa之间，临界金属密度为2.5×10²¹/m³。Schade和Dullni认为这个临界金属蒸气密度为10²²/m³。

在理论研究金属蒸气蒸发以及衰减过程时，最经常采用Rich-Farrall公式进行计算。这个公式是1964年Rich和Farrall根据小电流实验结果所建立的用于描述真空灭弧室弧后介质恢复强度的一个理论模型提出的。这个模型包含两个部分：①描述了燃弧期间触头间隙的金属蒸气密度随着电流时间的变化规律；②描述了电流过零之后金属蒸气密度随着时间的衰减规律。该模型只考虑了中性金属蒸气而忽略了等离子体对介质恢复的影响，并认为弧后的介质击穿强度直接与金属蒸气密度相关。弧后的残留金属蒸气在暂态恢复电压TRV的作用下逐渐衰减，直到其密度低于临界密度使得电子的平均自由程大于或者等于触头间隙长度，即认为恢复过程结束。从这个时刻起，击穿不再与金属蒸气密度相关，而是属于真空击穿，由触头间隙以及表面状况共同决定是否击穿。