触头表面状态优化方法

1.触头表面温度的影响

在电流开断过程中，随着真空灭弧室中触头的分离，在触头间隙产生一个灼热的电弧，触头表面在这个电弧的作用下被剧烈加热，从而蒸发出大量金属蒸气。尤其是开断大电流的情况下，集聚的电弧在阳极表面形成阳极斑点，使得阳极局部发生熔化甚至气化，造成更多的蒸气进入弧隙。甚至在电流过零之后，触头温度依然处于较高的水平，使得弧隙间的蒸气密度进一步增加，严重迟缓弧后介质恢复过程。

触头表面温度对介质恢复的影响主要通过金属蒸气实现，更高的温度意味着会蒸发出更多的金属蒸气，而温度的衰减也意味着弧隙间金属蒸气密度的衰减。从这个意义来说，弧后阳极表面温度的衰减可以指示弧后介质恢复过程的快慢，是决定开断能否成功的一个关键因素。此外，燃弧时的阳极在电流过零后变成弧后新阴极。如果弧后阴极表面出现局部温度过高的情况，则会出现热电子发射的情况。对于2200K的弧后阴极局部表面，每平方厘米的区域可以每秒钟发射10¹⁷个电子，其电流密度可达300A/m²。而当电极表面电流密度为100A/m²左右时，触头两端的电场强度在（3～5）×10⁶V/m的范围内即可引起场致击穿。同时，一部分发射出的电子经过电场加速向弧后阳极轰击，同样能够造成电子的二次发射。

Schellekens和Schulman曾经测量过开断了真空电弧后的触头表面温度分布，发现无论是阴极还是阳极的最高温度都随着开断电流幅值的增加而增加。Niwa等人发现阳极触头的温度与触头材料有关，如果增加CuCr触头成分中的Cr的含量，则触头温度可能升高。Ide以及Watanabe等人发现阳极触头表面在电流过零之后的熔化时间与电弧电流的幅值以及触头材料都有关系。此外，Dullni等人也进行过触头表面温度的测量。

研究者不但对触头表面温度进行了测量，还建立了各种模型去预测触头尤其是阳极的表面温度。Jolly采用最简单的热传导模型，对阳极触头表面温度进行了预测，并由此讨论了阳极表面温度和出现阳极斑点的临界电流之间的关系。Gellert等人不但考虑了燃弧期间的传热问题，同时也考虑了灼热电弧可能造成的相变问题，建立了自由边界模型。王立军等人采用Enthalpy-Po-rosity方程去求解燃弧期间的相变问题，同时考虑了电弧等离子体所带来的能量输入。

图5-6 在恢复电压作用下熔化的触头表面发生变形

2.熔融触头在表面电场作用下的变形

真空断路器在开断大电流后，由于燃弧期间电弧的烧蚀过于严重，触头表面即使在电流过零后仍然处于熔化的状态。这时如果有TRV施加到触头两端，会在局部产生一个强电场，而在电场应力的作用下会在触头表面拉伸出突起尖端，如图5-6所示。(www.xing528.com)

研究者的工作表明在弧后触头表面凸起形成过程中存在这样一个平衡，即电场应力与液体表面张力之和应等于液态所受的重力。因为首先由Taylor解释了凸起形成的机理，所以也称为“泰勒锥”。凸起的形成又反过来影响到电场的分布，局部电场得到了进一步的加强，当电场强度超过某个临界值，则在凸起的尖端处开始发射电子，从而引起弧后触头间隙的击穿。这个临界电场强度可表示为

式中 V_TRV——暂态恢复电压幅值（V）；

d——触头开距（m）；

ρ——液态金属的密度（kg/m³）；

γ——表面张力（N）；

g——重力常数（kg/s²）。

对于触头材料Cu，E_crit大约为8.5×10⁶V/m。