集聚型电弧的形成机理及阳极斑点解释方法

大电流电弧与小电流电弧的发展过程有很大区别。在触头分离的瞬间，触头表面接触电阻骤然增大，因此出现高温而局部融熔，熔化的金属暂时连接着动、静触头，形成了所谓的“液态金属桥”。随着触头的继续分离，液态金属桥被拉断，触头表面形成了一些直径约为0.7μm的灼坑，在灼坑附近首先出现一种暂时停顿的电弧。国内外的研究者都发现在简单开断的电弧中，这种电弧在很短暂的时间内甚至有外磁场的作用下也不会移动，因此称为限制型电弧。如果在触头分离瞬间电弧电流不大，限制型电弧随机可转变为扩散型电弧；但如果电弧电流非常大，限制型电弧的形态可直接转变成收缩状。

通过测量弧柱电位分布发现，在阳极附近存在一个由空间负电荷积聚形成的表面电荷鞘层，称阳极鞘层，其电压降的高低与阳极表面电流密度和电子饱和电流密度有关。电子饱和电流密度是指单位面积上电子以热运动方式碰撞阳极使之吸收电子形成的最大电流值。当电弧电流较小时，阳极中和的电子也较少，这时阳极表面电流密度低于电子饱和密度，鞘层中积聚了较多的负电荷，因此压降为负值，阳极鞘层排斥等离子体中过量的电子向阳极运动。随着电流继续增大，扩散型电弧中阴极斑点不断增多，它们发射的金属蒸气随之增加。但由于电弧的扩散，特别在没有磁场作用时扩散型电弧中的离子外逸现象随电弧电流的增大而加剧，这使进入阳极中的离子数量明显减少，从而使阳极表面电流密度高于电子饱和电流密度。因此，鞘层中出现电子不足现象，其压降变为数值很高的正值，鞘层也随之变厚，形成了电场强度很高的阳极压降区，这时电弧中电位分布状况如图1-8（a）所示。

阳极压降区形成后，由阴极发射的电子穿透这一区域时速度大为加快，获得更大的动能，它们轰击阳极使局部升到高温，强烈地发射金属蒸气并被电离，从而提供了维持电弧燃烧所需的大量离子和电子。由此可见，大电流电弧是由阴极和阳极的发射作用共同维持的，这时电弧电压高而且呈不稳定状态，图1-8（b）所示为一个21kA电弧电流及弧压降的实测波形。研究发现，随着电弧电流的增大，这种不稳定状态加剧，如果触头合金局部出现熔化，电弧电压不稳定的振荡将减弱，弧压降也有所降低[1]。

图1-8　大电流电弧的弧压降特性(www.xing528.com)

（a）弧压降分布曲线；（b）21kA电弧的弧压降波形

如果电流再增大，以铜电极为例，当电流接近10kA时，阳极压降区的作用更加剧了阳极表面的电子轰击，由此导致局部熔化，熔化点成为发光的“阳极斑点”。一旦阳极斑点增多，它们对应的许多阴极斑点迅速收敛，这时阳极斑点和阴极斑点不再做无规则运动，电弧由许多圆锥体合并成集聚状、高电流密度的弧柱，因此被称为集聚型电弧。集聚型电弧的弧柱倾向于停留在阳极斑点上，因为该处金属蒸气密度大，易于维持电弧的燃烧。这种形式的电弧可以最终导致电极（触头合金表面）局部的严重熔化。用高速摄像机拍摄的阳极斑点如图1-9所示。

图1-9　大电流电弧的阳极斑点

应该指出，对阳极斑点的形成机理也有几种不同的解释方法，上述的解释是根据在试验中探测到的真空灭弧室内有离子外逸现象以及存在阳极压降区的事实为依据而推断的。