3.1 真空电弧的阳极过程

当通过真空电弧的电流足够大时，真空灭弧室的阳极触头表面会出现一个或者多个阳极亮斑（见图3-1）。大量实验研究证明，阳极斑点的形成会导致开断失败，是限制真空断路器开断工频大电流的主要原因。这主要是阳极斑点的出现会导致触头局部严重熔化，在燃弧过程中阳极斑点会向触头间隙中释放出大量的金属蒸气，在电流过零后的一段时间内，这些触头间的金属蒸气还会持续一段时间，使得介质恢复速度大大降低，造成真空开关开断失败。

图3-1 典型的阳极斑点状态

阳极斑点的温度非常高，为2490～3040K，远远超过了铜的熔点，甚至超过了铜的沸点。在电流过零后的一段时间内，阳极表面由于热惯性的缘故仍然保持着相当高的温度，甚至在阳极斑点形成位置存在一个液态的熔化区域，而这个液态熔化区是导致真空开关开断失败的又一个重要可能原因。一方面阳极表面的熔融金属还会在电弧熄灭后继续产生蒸气，从而降低弧隙恢复强度；另一方面，电流过零后加在触头两端的是反相的恢复电压，因此在燃弧过程中的阳极马上转变成了新的阴极，恢复电压会在触头间产生一个非常强的电场。当电场足够强时，原来液态的阳极斑点区域在电场力下形成微凸起，从而使得新阴极更加容易发射出电子、离子和金属蒸气，甚至还有金属液滴被剥离到触头间隙，如图3-2所示。这些过量的金属蒸气、电子、离子、金属液滴又会进一步破坏介质恢复强度。所以阳极斑点的出现严重影响了开关的开断性能，直接导致开关开断失败。

图3-2 阳极斑点对电流过零后触头间隙的影响

许多研究表明，真空电弧的阳极现象随着电流以及开距的不同，会出现不同的状态和特性。Miller结合了以前的研究，根据阳极的活动状况将阳极形态总体分为四种基本的模式，即扩散弧模式、点状斑点模式、阳极斑点模式、强电弧模式。虽然各个研究对这些模式的称呼有所不同，但是这些阳极模式随着电流和开距的变化都大体遵循着如图3-3所示的分布。

图3-3 Miller给出的触头间距和电流对阳极形态影响的模式图

1.扩散弧模式（diffuse arc mode）

扩散弧模式是一种小电流电弧模式，通常出现在电流比较小的情况下，判断的依据为阳极表面没有出现放电的迹象。此时真空电弧的形态主要由阴极现象控制，一些（或仅有一个）阴极斑点在阴极表面运动，阳极和阴极间隙存在较明显的电弧等离子体。

总体来讲，扩散弧（diffuse arc）模式下，阳极本身处于不活跃的状态，从阳极喷溅出的金属粒子对整体电弧的形态只有微小的作用。当电流增加时，阴极斑点数量随电弧电流约呈线性增加，同时阳极和阴极间隙的电弧的亮度变强一些，但是阳极并不发光。另外，扩散弧的电弧电压相对比较低而且平稳（电弧电压的高频振荡分量比电弧电压的平均值小得多）。

当电弧电流增加时，电弧电压也随之提升，并且会产生幅值相当大的噪声分量，而伴随着两极间隙的电弧等离子体开始有一些收缩，但在阳极没有放电现象。

扩散弧模式又分为有阳极喷溅与无阳极喷溅两种。在无阳极喷溅的扩散弧模式下，阳极没有离子产生。无阳极材料喷溅的扩散弧模式下，阳极除了接受电子作用，还收集来自阴极的各种金属离子，而这些离子、中性粒子在阳极表面冷凝引起了阳极金属材料增加，这可以被定义为负侵蚀。在有阳极材料溅射的扩散弧模式下，绝大多数溅射出的原子将被两极间的电子束所电离。从阳极溅射出的原子速度较低，它们在靠近阳极的区域被电离，这会导致阳极附近产生一个密度梯度很大的溅射出的原子群。这些来自阳极的离子能量相对于来自阴极的离子能量要小得多。在绝大多数扩散弧模式中，阳极附近的来自阴极的离子密度远大于来自阳极的离子。对于典型的触头材料和典型的阴极离子能量，即使阳极喷溅发生，阳极的侵蚀仍为负值。因此，扩散弧模式中阳极表面温度以及弧隙中的金属蒸气是相对较少的，对真空电弧的开断比较有利。

2.点状斑点模式（footpoint mode）

当电流较小时，电弧呈扩散态模式，随着电流的提高，真空灭弧室的阳极表面会出现一个或者多个小的亮斑。点状斑点模式是一种过渡的电弧模式，在这种模式下，阳极开始在燃弧过程中起积极作用，阳极和阴极间隙充满相对亮的电弧等离子体（极间电弧和较大电流时的扩散弧模式基本一样），而区别于扩散弧模式的是阳极出现明显的亮斑，亮斑个数可能有一个也可能有多个，但是这些亮斑并没有形成明显的阳极喷溅，这些亮斑被称作点状斑点。

点状斑点一般出现在瞬间电流比较小且开距比较大的情况下，在燃弧过程中点状阳极斑点附近的局部触头材料产生熔化现象但是没有明显的大面积熔斑。随着电流的增大，阳极从扩散弧模式转变为点状斑点模式，阳极表面的温度上升速率可以达到107K/s和108K/s，而稳定的点状斑点温度约为触头材料的熔点量级。电弧对阳极触头材料产生了明显的侵蚀，被侵蚀的量明显超过了阴极材料在阳极的沉积。熔化的阳极触头材料和在金属蒸气中被侵蚀的阳极触头材料要比从阴极喷溅出的粒子的量多。但总的来说，阳极触头材料的净损失还是比较低。

在阳极表面形成点状斑点时，电弧电压常常伴随着叠加明显的噪声分量，电弧处于一种不稳定的状态。由于电弧模式从扩散弧转变为点状斑点，引起阳极电压降的升高，从而使得总的电弧电压升高。Miller发现点状斑点状态下弧柱电压降没有变化，只有阳极区的电压降有明显的升高和不稳定现象。弧柱电压降保持不变说明阳极没有向弧柱中提供额外蒸气，而阳极附近压降的升高表明注入阳极的能量增加，导致阳极表面熔化且形成了点状斑点，一些中性的阳极材料蒸气分布在靠近阳极的区域，同时高的电弧电压和高的噪声分量表明在电弧等离子体中消耗了很多的能量，可以推测，这些中性粒子中的一部分会被电离，但这种推测还未被实验所证明。

由于点状斑点很小，同时温度不高，产生的蒸气量相对比较小，所以不会对弧柱中的电场产生显著的影响。

3.阳极斑点模式（anodespot mode）

当电流继续增大时，带电粒子不断轰击阳极使得其表面温度上升到材料的沸点，产生大面积熔化和蒸发，蒸发的粒子对弧柱产生了强烈作用，从而形成阳极斑点。阳极斑点模式是一种大电流电弧形态，在阳极斑点模式下，阳极和阴极间隙中出现了一个明显的柱状电弧，同时很多（也许有个别的不能辨别）阴极斑点覆盖阴极表面。一个大的或几个小的非常亮的斑点出现在阳极。如果几个小的斑点出现，则随着电弧电流的增加或是燃弧时间的增加，这些小的斑点将会合并成一个单独的阳极斑点。

在阳极斑点模式下，通常电弧电压较低而平稳，但也有可能较高并且有噪声分量。阳极射流的产生与否对电弧电压噪声分量有明显的影响。Yokoyama和Kash-itani在试验中观察到了多阳极斑点很强的阳极射流的出现伴随着很大的电弧噪声分量。但是Heberlein和Gorman却发现，当阳极射流形成时，电弧电压的波形变得平缓，而且通常比没有出现阳极斑点时的弧压还要低。阳极射流对电弧电压的影响在试验上得出了相反的结果，Boxman对此的解释是，阳极射流对电弧电压幅值和噪声分量的影响极小，除非阳极射流达到阴极或者与阴极射流在触头间隙中相会。

在阳极斑点电弧模式下，阳极受到了严重的电弧侵蚀，阳极斑点会产生大量的离子。在更大的电弧电流时，阳极斑点处的触头材料还会以宏观粒子和液滴等形式蒸发出来。电弧保持阳极斑点模式的时间越长，阳极的侵蚀率越高，这主要是因为阳极斑点的尺寸会增加。这种情况对于真空灭弧室的开断是非常不利的。

4.强电弧模式（intensearc mode）

强电弧模式也是一种大电流燃弧形态。与阳极斑点模式相比，强电弧模式一般出现在较小的开距和较大的电流时，电弧电压和噪声虽然高于扩散态电弧，但要比阳极斑点模式的低，其最显著的特点是阳极射流可以贯穿弧隙达到阴极，阳极射流的作用使得阴极的烧蚀更加严重。因此，在强电弧模式中，只能观察到触头间非常亮的弧柱，阳极的放电模式也被弧柱的光亮所掩盖，从而强电弧模式被单独归为一种阳极放电模式。当然，这种模式不仅是阳极自身活跃，而且弧柱也不断地向阳极输入比阳极斑点模式更强的能量，更重要的是由于开距很小，导致电流过零时触头间的金属蒸气密度相当大，因此，强电弧模式对开断极为不利。

开断过程中阳极斑点模式以及强电弧模式对于真空断路器的开断非常不利，需要通过一些技术避免它们的出现或减小其影响。国内外很多学者对减小阳极热量的集中以及阳极斑点的形成做了许多工作。对于一个给定的电极结构、触头材料和电流波形，存在一个阳极斑点首次出现的临界电流Ias。这个电流取决于触头间距和电极尺寸间的关系（特别是电极直径和触头间距的比例D/g）、电极材料和电流波形等。触头间距和电极尺寸对Ias的作用主要是通过影响阳极附近的电压降和阳极平均电流密度来实现的，两个作用都会影响阳极局部的能量密度。在Rich的工作中指出，当符合以下条件时，阳极斑点出现的临界电流值会明显增大：①增大电极的截面积（例如，触头直径/触头开距≫1）；②减小电极边缘对电弧的影响；③减小使电弧发生积聚的电磁力。根据这个原则，Rich设计了一种同轴折合式的触头结构，该结构在通过60Hz、72kA峰值的电流时铜触头材料没有任何熔化的现象。

另一种避免阳极斑点形成的技术是在真空电弧中施加纵向磁场控制电弧，降低电弧电压，提高形成阳极斑点的临界电流。Kaneko和Yanabu等人对具有纵向磁场下的电弧电压和阳极熔化状态之间的关系进行了研究，发现纵向磁场不仅能够抑制弧柱的收缩，使电弧在阳极表面均匀分布，降低局部区域的电流密度及表面温度，并且当磁场足够大时，电弧电压的噪声分量能够全部消失，阳极也不会出现熔化。实验表明这种技术能够有效地将真空灭弧室的开断电流提高20%～30%。

除了抑制阳极斑点形成的办法外，还有能够避免阳极斑点在触头表面局部持续燃烧的方法。李天和采用横磁结构的电极，使得电弧在磁场力作用下快速运动，从而让阳极斑点对阳极的加热能够分散，避免局部区域过热，改善了真空开关的开断性能。

输电等级真空灭弧室开距较大，在开断过程中触头处于由小到大的运动过程。我们知道阳极燃弧模式与触头开距关系密切，在此过程中开距始终处于变化过程中，燃弧模式必然随之变化，不同的分闸速度相应的燃弧模式也必然不同，这就为研究工作提供了一种思路，即如何在分断过程中通过分闸速度来控制燃弧模式。然而，以往研究中很少涉及通过调节分闸特性来控制阳极燃弧模式的，通过调节分闸特性是一种可行的提高某一具体灭弧室开断性能的方法。本章将介绍基于阳极燃弧模式图通过调节分闸曲线避开对开断不利的阳极放电模式，提高输电等级灭弧室开断能力的方法。