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真空电弧中阳极斑点现象的分析
发布时间:2017-06-08 阅读:

 

 


在真空电弧中出现阳极斑点现象对真空开关来 说是一个不祥之兆,往往会使触头严重熔化,并且 会产生过量的金属蒸气。当用真空开关开断工频交 流电路时,这些过量的金属蒸气还会在触头间于电 流过零后持续一段时间,它将使介质恢复的速度降 低,从而可能使真空开关开断失败。下面分析出现 阳极斑点现象的有关问题。

阳极斑点的形成

利许(Rich)、肯勃林(Kimblin)和密许 尔(MifchelI)等用了许多实验方法广泛地研究 了真空电弧阳极斑点的形成,并进行了讨论,他们的 初步结论是:由于真空电弧的整个过程包括了许多 随机因素,因而每次阳极斑点的形成都是不尽相同 的。当采用棒状电极做实验时,由于电极直径较小. 边缘有很大一部分和电弧接触,因此,即使在电流 低到IOOOA时也会出现阳极斑点。对于平面形状的 大直径电极,当电极间隙很小时,至少要在超过


使转矩具有马鞍形特点。如令电机在罩极环开路下 工作,便会运行在1000转/分的低转速下。此外,曲 线还表明,如无罩极环存在,电机便没有起动转矩, 无法起动。一些罩极电机,常采取增大没罩极尖下 气隙的措施。这时磁通便不再以极中心线为对称分 布,分解出谐波磁通的轴线将不是极中心的位置。 这样,产生的谐波转矩曲线就不再以n = 0为对称。 电机便会有一个微小的起动转矩,有助于电机的起 动。可以设计不同的气隙和磁分路,分解气隙磁通 中各次(主要是3、5次)谐波分景,应用本程序来 观察、分析阶梯气隙、磁分路等措施对性能的影响。

图4是罩极环短接后的转矩曲线,可以看到, 由于采用了短路环,使电机的基波转矩有了很大的 改善,产生了一定的起动转矩。但是,同时也改变 了谐波转矩的分布,产生了对起动转矩不利的影响。 应用本程序可观察、分析罩极环的数量.位置、参 数和所罩极尖的大小等对转矩和性能带来的影响。

从图示曲线还可看到,谐波转矩的影响主要是


王季梅(西安交通人学)

7000A时才有可能发生阳极斑点。对于阳极斑点足 否出现,可由阳极部分电弧亮度的突然增强、弧根 的收缩以及电弧电压突然增加或下降来判断。

肯勃林用两种不同尺寸的阳极和相同尺寸的阴 极仔细地研究了直流电弧阳极斑点的形成。图1中 曲线1为在小尺寸电极下所.测得的电弧电压与电流 的关系。当电流未超过临界点时,电压随符电流的 增加很快地上升,当到达临界点IMkA时,电压有 一个突变,瞬时降到很低的数值,然后冉继续增长。 在突变以前电弧是属于扩散形态的范_,并由阴极 斑点提供金属族气来维持电弧。住突变以后阴极情 况基本上和以前相同,但阳极出现了阳极斑点后, 靠近阳极的弧柱有收缩现象。当选用较人尺寸的电 极时,直到2. IkA还没有出现阳极斑点,电弧电压 随着电流的增大缓慢地上升,如图1曲线2 (实线) 所示。对这两种电极所测得的情况,结论如下:

它们都具有一定的分散性,m曲线还足比较典 型的,一阳极斑点形成后,间隙将由阳极供给人


在低速区。在电机正常运行的卨速区,影响不人,

近似的町以仅以基波转矩来汁详、

结 论

1.   应用本程序,结合对气隙磁通的测试和分 解,可以分别观察罩极环、阶梯气隙、磁分路等因 素对转矩和性能的影响,找出应有的设计规划。

2.   分析转矩中的谐波分1,可知7次以上的 谐波转矩甚小,(例中7次谐波转矩峰值不超过3克 厘米),可以略去,仅计算到3、5次即可。

参考文献

I. K .Lock. 罩极式感应电动机的数学模甩".家用 电器技术(广州电器科学研究所)81.2.

■2.前川善六等“隈取电动机《设计方法'电气学会

全国大会,昭和47年[[V]

3.  n •1〇.»<^^,“审极电机的数学模$'微电机(西 安微电机研究所> 82.4.

4•孙云鹂,“隐极式罩极电机的理论分析'微电机《西 安微电机研究所> 82.4.


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IO-


v a4             12        2

I阳极尺寸的大小对真空电弧
阳极斑点的影响

(曲线1-小尺寸阳极曲线2-人尺寸阳极)

量的蒸气,这时扩散形态的电弧就转化为集聚形态 的电弧,同时电弧电压将突然下降。


阳极斑点的不稳定性


为了确定阳极斑点的不稳定性,在直径为5.72 cm的铜电极上.采用相当大的交流电流,在峰值 为4.1、10.3、11.7、和22.8kA下进行了实脷试验, 测得如图2所示的波形。从这些示波图中可以看到, 电流曲线基本上是平滑的,但与正弦波形比较稍有 失真,而电压波形则从10.3KA开始就出现显著变 化的不稳定现象。曾用高速摄影机拍摄了这个过程, 从摄下的照片图中nJ■以观察到阳极上有极光亮的斑 点,并在此电流下,经过一个半波后发现阳极上有 明显的局部洛化。当这种培化点扩散到较大的面积 时,就有一部分金属蒸气增加到原来被阴极蒸气充 满的空间。由于金属蒸气的增加,将促进弧柱电磁 收缩的形成,而当弧柱收缩时,输入到阳极斑点的 功率密度将会进一步增大。如果这时有一个阳极斑 点完全形成,那么不稳定性将会消失,电弧电压就 趋于平滑。这样,在电压恢复期间,弧隙充满了相 当多的残余蒸气,容易使真空开关开断失败。

图2   b)、 c), d>中所观察到的电压有

连续突然增加的不稳定现象,似乎与在临界电流状




图2 阳极斑点>(、稳定性的 <丨<波阳


b) IfUkA Ci I I .7kA 22.8kA < Rkh的验结欠〉


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态下的燃弧相仿。密许尔把这个电流值叫做“剧增 电流(starvation current),并证明剧增电流

与电极之间的距离成反比:

/s" d

式中a一常数;

R——电极半径;

«--- 根据密许尔的实验装置取1.2;

d——电极间的距离。

在不稳定期间,电压的突然上升nj■能是因为一时没 有足够的正离子去中和阳极附近所增加的电子密 度,这时,阳极压降必须增加到足够的数值,以利 于电子相互碰撞产生正离子,从而增加正离子密度。 从示波图中可以明显地看到,当暴发性地产生了足 够的正离子后,电压将降低至原来的数值或略大于 原来的数值,整个过程处于不断重复状态之中。

在阳极斑点完全形成以前还拌随着一个较高的 •‘扰动”电压noise)。当阳极斑点形成以后,这个 扰动电压才消失,变成较低而平滑的电压。阳极斑点 的形成是随着密许尔的剧增电流开始到利许(Rich) 起始电流(丨hreshr'd current)的完成而全部形成。 伐孔Bacon)和瓦特Watt)以持续时间为IOms, 幅值为150A的脉冲真空电弧,对铝阴极的暂态现象 进行了光谱分析。这个电弧的平均阳极电流密度为 2乂1(^入/(:(11-’,在距阴极表面0.3 111111以内的空 间,可以观察到AF' Al〃和Al+的光谱线。在距 阳极0.05 mm内测得AI' + 40激励状态的密度峰值大 约为5 X HT/cm、但从玻尔曼温度场测得该处 的温度不足以产生Al:+Al'+,由此n]•得出结论: 暂态阳极的辉光放电并不处于电离平衡,而阳极斑 点形成期间的暂态不稳定性正好被对应于非热电弧 阴极发射点的电压驼峰所充满,因此在阳极附近出 现的高温电子可以认为是这种电压驼峰的结果。电 压驼峰吸收了高温电子后,并被这些电子加热。这 就使得在阳极附近发生高度的电离AP+就是在这 样的情况下,由阳极产生铝楱气的。)在4000A的真 空电弧中,暂态区域的电子密度的测量值为IO1‘个/ cm'。理论分析指出AT"e=30V时,距阳极表面 0.3mm以内的电子密度为5 XKT/cm-‘。

阳极斑点的温度

在出现不稳定暂态现象的同时,还发生了电离


增加和弧丨t:的电磁收缩等现象,其结果在阳极上« 些区域的温度急速上升。在出现不稳定暂态现象之 前,阳极附近的蒸气压力比周围的气压略高一些, 随着阳极进一步加热,该处的雀气压力会很快地上 升。当温度上升至铜的熔点(1350K)时,该处的 蔟气压力大约为5><1〇」丁〇1'|'(1111111^!8>_这个 值低于其平均值,因为阴极也存在荇劣发现象。帛 温度再升高时,压强将按指数规律上升,在温度为 1650K时,压强的数量级为10 lTorr,这时的粒f 密度为5 XitT个原子, cm;,这样人的粒f-密度, 其平均自由行程就变得十分小,电7-和原f的碰撺 机会就增加,促使电离迅速增长,据估计,阳极的 温度为2490~3040K,这远远超过f锏的熔点,甚 至超过了铜的沸点.由此吋知阳极斑点的形成足以 极高的速度进行的。当阳极斑点形成以后.电弧的 性能就和高气压电弧的情形相同.且电压也脱离了 不稳定状态。

从实验所确定的阳极斑点温度和考帮(cobine) 估计的温度差不多,为2490〜3040K鲍克斯曼 (Boxman)用辐射的方法对镍电极测得的温度为 2790~2960K,密许尔用光学的方法也得出相似的 结果,其值为2730~2800K,并Ii根据族发it■钚所 得值为3230~3350Kq克利生(Crissom)和牛顿 (Newton)以持续时间为6 ms的脉冲电弧加在一 较小直径的铜电极上,当电流密度为5 X IOA cm:时,发现阳极斑点温度较高,接近3023〜3723 K。很明显,在这样高的温度下,会使金属作常快 地蒸发,以致电弧间隙也岈能产生极高的砵气密度。 因而在电弧刚熄灭时,阳极表面的熔融金厲还会继 续产生浅气,这种残余溴气的存在,将使弧隙恢K 强度大大地降低。                            -

几种金属的热特性曲线如图3所水,这呰曲线 是由密许尔和哈利斯(Harris)在Ims周期内,金 属表面热量输入功率密度为1〇 W/cm'下做的, 它与实际真空开关阳极上试验的结采差不衫。曲线 绘出了在热赣输入的区间电极表面温度随时间的变 化关系以及当输入停止后温度衰减的情况。根据劣 气压力的数据nj•知.相当高的後气压力住电弧熄灭 以后还能持续I ms左右。为/熄灭电弧,展气的 密度必须小f 101,原子/cnV。当涔气密度在第-- 个毫秒期间加热到这个值的温度用厂表示,其值和 痪发损失一起列于表1。由于金属气化温度的范围

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图4阳极表面温度Him


余蒸气的延长时间也会促使阴极斑点的形成,因为 这个半周的阳极就是下个半周的阴极。

电极材料对阳极斑点的影响

研究各种电极材料产生阳极斑点的电流值,对 进一步改善真空开关的性能是有一定帮助的,表2 列出了几种电极材料对产生阳极斑点的影响,所得 到的数值是假设电流在突变以前是均匀分布在啓个 阳极表面上的。从快速摄影机拍摄到的照像观轉结 果证明,这种假设与实际相符合。表2的最后一朽 为热特性+。这里,为材料的熔点^为 材料的传热系数,P为其密度,f为比热。很明显, 突变过程的电流和阳极材料的热特性有很大的关 系。


表2各种材料对产生阳极斑点的影响


电极材料

/ if, (kA)

A/cm:)

Tm ( K /i, ) ^

13.8

5.4 x i:

1693

13.6

5.3 x i:

1204

10.3

4.U x i〇-

954

9.7

3.8 MO:

723

6.8

2.7 x i〇-

383

2.3

0.9 x l〇-

57

利许经过计算得知阳极表面的温度上升是随时 间变化的,并且与半周电弧电流的变化有关,如图 4所示。图中阳极表面温度的最大值迟后于半周电

流峰值士子。


 


O IO 2-0            30

时1¾ (ms)


3电弧加热功率密度3 X l(rw/cm:时 材料的热特性

表1种金厲达到蒸气密度< IO1汁原子/cW


的温度和蒸发损失


元#•(按原子t排列)

T1 CO

族发损失(cm1)

514

0.087

1412

0.014

1777

0.022

2022

2142

0.017

1607

0.015

 

1107

0.037

1705

0.024

1735

0.012

1482

0.030

 

402

0.083

2807

0.026

3147

1207

0.025

3897

847

0.091

很大,故在选用时,不论是纯金属还是合金或混合 物,都必须确切估计。

由此可知,必须使用某种方法使电弧在金属表 面上运动,以减少电极气化部分的深度。此外,残

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3


4 •飙



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触电电流与电气安全

凌窨敏(湖北工业建筑设计院)


在用电设备日趋增多的今天,发生触电的n]■能 性日渐增加。

所谓触电是指电流流过人体时所产生的生理效 应。这种生理效应与流过人体电流的大小、通电的 路径、通电时间的长短以及健康状况等因素有关。

引起触电事故的直接原因是流过人体的电流。 那么,流过人体的电流值多大才是危险的数值呢?

从安全角度出发,这是需要认真考虑的基本问题。 为此,世界各国的学者做了大量的工作。但由于触 电问题是受多种因素影响的,又难以通过人体实验 得出有关结论。目前,对触电问题的研究是依靠动 物实验和汇集触电事故资料两种手段进行的。因此, 所得出的数据具有一定的统计归纳性。

流过人体的电流是由加在人体的电压一接触 电压和人体的电阻决定的。

当不同大小的工频电流通过人体时,人体的感 觉如表1所示。

应当指出的是:对5〇mA以下,甚至2〇mA以 下的电流,如果长时间地通过人体,也会造成伤亡 事故。

最近,国外有关文献以电流作为座标(座标采 用对数刻度),标示出电流对人体的影响,如图1所 示,其结论与表1大致相同。

表1及图1所示的电流是指工频交流电流的有 效值。那么,若是直流电通过人体将会发生什么情


讨 论

从上面的分析得知,阳极斑点的各种现象和阳 极斑点的形成主要是热过程,它与电流密度的大小 有密切关系。因此,当电流密度超过一定的数量级 后,会使电极上的热量过分地集中,这样很容易形 成阳极斑点。此外,在大电流下,由于弧根部分的 电磁收缩作用也会造成电极上的局部过热。国外很 多学者对减小热量的集中做了很多研究工作:(1) 在电流不十分大的情况下,可以直接采取放大电极 的截面尺寸来减低电流密度,(2 )利许曾用折合式


况呢?实验表明,当通过人体的直流电流达到50mA 时,人虽然感到难以忍受的疼痛,何尚能摆脱 电源,而同样数值的交流电通过人体时,由于人的 神经系统受伤,却使人难以自己摆脱电源。对绵羊 进行实验发现,触及直流电引起舳电事故造成心宰 颤动所需的电流值,是交流电流值的4〜5倍。由 此可知,与交流电相比,直流电引起触电事故的危 险性要小些。

是不是触及任何频率的交流电引起的触电事


1电流流过人体时的感觉(工频,有效值)


祌类

人的感觉

电流值 (m A )

最小感知电流

人有所感觉,感受到触电的剌瀲

1〜2

痛苦电流

人感觉到痛苦.mn*制

2-8

自由电流

敝电后,大多数人能依靠本身 的力量脱离电源。它使人感到难 以忍受的痛苫

8-15

不自由电流

这是人受到电击后,靠本身的 力1不能脱离电源的电流。这时 人的肌肉会剧烈地收痛

15 〜50

心室颤动电流3

这种电流通过人体,会使心脏 停止正常的跳动,而发生心宰颤 动,并将造成死亡

50 〜100

O当通过人体的电流在5〇mA以上时.心脏的心肌会 停止有节奏的舒张和收缩,心脏开始颤动,人瀕于死亡。


电极的结构来减小热量的集中:(3)李天和(T.

HLee)采用磁吹结构的触头,使电弧在大电流 磁场的作用下快速运动。上述措施对改苒真空开关 的开断性能都获得了良好的效果。

参考文献

[I ] M.Lafferty,《Vacuum Arcs Theory and A pplica tion》J ohn WiIa y a nd Sons. 1980.

[2 ] C W. Kimblin、《Anode Phenomena in Vacuum and Atmospheric Pressure Arcs》,IEEE Tran, on PLasma Sicience, Ps 2. 1974.


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