3.1 真空電弧的陽極過程

當通過真空電弧的電流足夠大時，真空滅弧室的陽極觸頭表面會出現一個或者多個陽極亮斑（見圖3-1）。大量實驗研究證明，陽極斑點的形成會導致開斷失敗，是限制真空斷路器開斷工頻大電流的主要原因。這主要是陽極斑點的出現會導致觸頭局部嚴重熔化，在燃弧過程中陽極斑點會向觸頭間隙中釋放出大量的金屬蒸氣，在電流過零后的一段時間內，這些觸頭間的金屬蒸氣還會持續一段時間，使得介質恢復速度大大降低，造成真空開關開斷失敗。

圖3-1 典型的陽極斑點狀態

陽極斑點的溫度非常高，為2490～3040K，遠遠超過了銅的熔點，甚至超過了銅的沸點。在電流過零后的一段時間內，陽極表面由于熱慣性的緣故仍然保持著相當高的溫度，甚至在陽極斑點形成位置存在一個液態的熔化區域，而這個液態熔化區是導致真空開關開斷失敗的又一個重要可能原因。一方面陽極表面的熔融金屬還會在電弧熄滅后繼續產生蒸氣，從而降低弧隙恢復強度；另一方面，電流過零后加在觸頭兩端的是反相的恢復電壓，因此在燃弧過程中的陽極馬上轉變成了新的陰極，恢復電壓會在觸頭間產生一個非常強的電場。當電場足夠強時，原來液態的陽極斑點區域在電場力下形成微凸起，從而使得新陰極更加容易發射出電子、離子和金屬蒸氣，甚至還有金屬液滴被剝離到觸頭間隙，如圖3-2所示。這些過量的金屬蒸氣、電子、離子、金屬液滴又會進一步破壞介質恢復強度。所以陽極斑點的出現嚴重影響了開關的開斷性能，直接導致開關開斷失敗。

圖3-2 陽極斑點對電流過零后觸頭間隙的影響

許多研究表明，真空電弧的陽極現象隨著電流以及開距的不同，會出現不同的狀態和特性。Miller結合了以前的研究，根據陽極的活動狀況將陽極形態總體分為四種基本的模式，即擴散弧模式、點狀斑點模式、陽極斑點模式、強電弧模式。雖然各個研究對這些模式的稱呼有所不同，但是這些陽極模式隨著電流和開距的變化都大體遵循著如圖3-3所示的分布。

圖3-3 Miller給出的觸頭間距和電流對陽極形態影響的模式圖

1.擴散弧模式（diffuse arc mode）

擴散弧模式是一種小電流電弧模式，通常出現在電流比較小的情況下，判斷的依據為陽極表面沒有出現放電的跡象。此時真空電弧的形態主要由陰極現象控制，一些（或僅有一個）陰極斑點在陰極表面運動，陽極和陰極間隙存在較明顯的電弧等離子體。

總體來講，擴散弧（diffuse arc）模式下，陽極本身處于不活躍的狀態，從陽極噴濺出的金屬粒子對整體電弧的形態只有微小的作用。當電流增加時，陰極斑點數量隨電弧電流約呈線性增加，同時陽極和陰極間隙的電弧的亮度變強一些，但是陽極并不發光。另外，擴散弧的電弧電壓相對比較低而且平穩（電弧電壓的高頻振蕩分量比電弧電壓的平均值小得多）。

當電弧電流增加時，電弧電壓也隨之提升，并且會產生幅值相當大的噪聲分量，而伴隨著兩極間隙的電弧等離子體開始有一些收縮，但在陽極沒有放電現象。

擴散弧模式又分為有陽極噴濺與無陽極噴濺兩種。在無陽極噴濺的擴散弧模式下，陽極沒有離子產生。無陽極材料噴濺的擴散弧模式下，陽極除了接受電子作用，還收集來自陰極的各種金屬離子，而這些離子、中性粒子在陽極表面冷凝引起了陽極金屬材料增加，這可以被定義為負侵蝕。在有陽極材料濺射的擴散弧模式下，絕大多數濺射出的原子將被兩極間的電子束所電離。從陽極濺射出的原子速度較低，它們在靠近陽極的區域被電離，這會導致陽極附近產生一個密度梯度很大的濺射出的原子群。這些來自陽極的離子能量相對于來自陰極的離子能量要小得多。在絕大多數擴散弧模式中，陽極附近的來自陰極的離子密度遠大于來自陽極的離子。對于典型的觸頭材料和典型的陰極離子能量，即使陽極噴濺發生，陽極的侵蝕仍為負值。因此，擴散弧模式中陽極表面溫度以及弧隙中的金屬蒸氣是相對較少的，對真空電弧的開斷比較有利。

2.點狀斑點模式（footpoint mode）

當電流較小時，電弧呈擴散態模式，隨著電流的提高，真空滅弧室的陽極表面會出現一個或者多個小的亮斑。點狀斑點模式是一種過渡的電弧模式，在這種模式下，陽極開始在燃弧過程中起積極作用，陽極和陰極間隙充滿相對亮的電弧等離子體（極間電弧和較大電流時的擴散弧模式基本一樣），而區別于擴散弧模式的是陽極出現明顯的亮斑，亮斑個數可能有一個也可能有多個，但是這些亮斑并沒有形成明顯的陽極噴濺，這些亮斑被稱作點狀斑點。

點狀斑點一般出現在瞬間電流比較小且開距比較大的情況下，在燃弧過程中點狀陽極斑點附近的局部觸頭材料產生熔化現象但是沒有明顯的大面積熔斑。隨著電流的增大，陽極從擴散弧模式轉變為點狀斑點模式，陽極表面的溫度上升速率可以達到107K/s和108K/s，而穩定的點狀斑點溫度約為觸頭材料的熔點量級。電弧對陽極觸頭材料產生了明顯的侵蝕，被侵蝕的量明顯超過了陰極材料在陽極的沉積。熔化的陽極觸頭材料和在金屬蒸氣中被侵蝕的陽極觸頭材料要比從陰極噴濺出的粒子的量多。但總的來說，陽極觸頭材料的凈損失還是比較低。

在陽極表面形成點狀斑點時，電弧電壓常常伴隨著疊加明顯的噪聲分量，電弧處于一種不穩定的狀態。由于電弧模式從擴散弧轉變為點狀斑點，引起陽極電壓降的升高，從而使得總的電弧電壓升高。Miller發現點狀斑點狀態下弧柱電壓降沒有變化，只有陽極區的電壓降有明顯的升高和不穩定現象。弧柱電壓降保持不變說明陽極沒有向弧柱中提供額外蒸氣，而陽極附近壓降的升高表明注入陽極的能量增加，導致陽極表面熔化且形成了點狀斑點，一些中性的陽極材料蒸氣分布在靠近陽極的區域，同時高的電弧電壓和高的噪聲分量表明在電弧等離子體中消耗了很多的能量，可以推測，這些中性粒子中的一部分會被電離，但這種推測還未被實驗所證明。

由于點狀斑點很小，同時溫度不高，產生的蒸氣量相對比較小，所以不會對弧柱中的電場產生顯著的影響。

3.陽極斑點模式（anodespot mode）

當電流繼續增大時，帶電粒子不斷轟擊陽極使得其表面溫度上升到材料的沸點，產生大面積熔化和蒸發，蒸發的粒子對弧柱產生了強烈作用，從而形成陽極斑點。陽極斑點模式是一種大電流電弧形態，在陽極斑點模式下，陽極和陰極間隙中出現了一個明顯的柱狀電弧，同時很多（也許有個別的不能辨別）陰極斑點覆蓋陰極表面。一個大的或幾個小的非常亮的斑點出現在陽極。如果幾個小的斑點出現，則隨著電弧電流的增加或是燃弧時間的增加，這些小的斑點將會合并成一個單獨的陽極斑點。

在陽極斑點模式下，通常電弧電壓較低而平穩，但也有可能較高并且有噪聲分量。陽極射流的產生與否對電弧電壓噪聲分量有明顯的影響。Yokoyama和Kash-itani在試驗中觀察到了多陽極斑點很強的陽極射流的出現伴隨著很大的電弧噪聲分量。但是Heberlein和Gorman卻發現，當陽極射流形成時，電弧電壓的波形變得平緩，而且通常比沒有出現陽極斑點時的弧壓還要低。陽極射流對電弧電壓的影響在試驗上得出了相反的結果，Boxman對此的解釋是，陽極射流對電弧電壓幅值和噪聲分量的影響極小，除非陽極射流達到陰極或者與陰極射流在觸頭間隙中相會。

在陽極斑點電弧模式下，陽極受到了嚴重的電弧侵蝕，陽極斑點會產生大量的離子。在更大的電弧電流時，陽極斑點處的觸頭材料還會以宏觀粒子和液滴等形式蒸發出來。電弧保持陽極斑點模式的時間越長，陽極的侵蝕率越高，這主要是因為陽極斑點的尺寸會增加。這種情況對于真空滅弧室的開斷是非常不利的。

4.強電弧模式（intensearc mode）

強電弧模式也是一種大電流燃弧形態。與陽極斑點模式相比，強電弧模式一般出現在較小的開距和較大的電流時，電弧電壓和噪聲雖然高于擴散態電弧，但要比陽極斑點模式的低，其最顯著的特點是陽極射流可以貫穿弧隙達到陰極，陽極射流的作用使得陰極的燒蝕更加嚴重。因此，在強電弧模式中，只能觀察到觸頭間非常亮的弧柱，陽極的放電模式也被弧柱的光亮所掩蓋，從而強電弧模式被單獨歸為一種陽極放電模式。當然，這種模式不僅是陽極自身活躍，而且弧柱也不斷地向陽極輸入比陽極斑點模式更強的能量，更重要的是由于開距很小，導致電流過零時觸頭間的金屬蒸氣密度相當大，因此，強電弧模式對開斷極為不利。

開斷過程中陽極斑點模式以及強電弧模式對于真空斷路器的開斷非常不利，需要通過一些技術避免它們的出現或減小其影響。國內外很多學者對減小陽極熱量的集中以及陽極斑點的形成做了許多工作。對于一個給定的電極結構、觸頭材料和電流波形，存在一個陽極斑點首次出現的臨界電流Ias。這個電流取決于觸頭間距和電極尺寸間的關系（特別是電極直徑和觸頭間距的比例D/g）、電極材料和電流波形等。觸頭間距和電極尺寸對Ias的作用主要是通過影響陽極附近的電壓降和陽極平均電流密度來實現的，兩個作用都會影響陽極局部的能量密度。在Rich的工作中指出，當符合以下條件時，陽極斑點出現的臨界電流值會明顯增大：①增大電極的截面積（例如，觸頭直徑/觸頭開距?1）；②減小電極邊緣對電弧的影響；③減小使電弧發生積聚的電磁力。根據這個原則，Rich設計了一種同軸折合式的觸頭結構，該結構在通過60Hz、72kA峰值的電流時銅觸頭材料沒有任何熔化的現象。

另一種避免陽極斑點形成的技術是在真空電弧中施加縱向磁場控制電弧，降低電弧電壓，提高形成陽極斑點的臨界電流。Kaneko和Yanabu等人對具有縱向磁場下的電弧電壓和陽極熔化狀態之間的關系進行了研究，發現縱向磁場不僅能夠抑制弧柱的收縮，使電弧在陽極表面均勻分布，降低局部區域的電流密度及表面溫度，并且當磁場足夠大時，電弧電壓的噪聲分量能夠全部消失，陽極也不會出現熔化。實驗表明這種技術能夠有效地將真空滅弧室的開斷電流提高20%～30%。

除了抑制陽極斑點形成的辦法外，還有能夠避免陽極斑點在觸頭表面局部持續燃燒的方法。李天和采用橫磁結構的電極，使得電弧在磁場力作用下快速運動，從而讓陽極斑點對陽極的加熱能夠分散，避免局部區域過熱，改善了真空開關的開斷性能。

輸電等級真空滅弧室開距較大，在開斷過程中觸頭處于由小到大的運動過程。我們知道陽極燃弧模式與觸頭開距關系密切，在此過程中開距始終處于變化過程中，燃弧模式必然隨之變化，不同的分閘速度相應的燃弧模式也必然不同，這就為研究工作提供了一種思路，即如何在分斷過程中通過分閘速度來控制燃弧模式。然而，以往研究中很少涉及通過調節分閘特性來控制陽極燃弧模式的，通過調節分閘特性是一種可行的提高某一具體滅弧室開斷性能的方法。本章將介紹基于陽極燃弧模式圖通過調節分閘曲線避開對開斷不利的陽極放電模式，提高輸電等級滅弧室開斷能力的方法。