24真空开关技术与应用仅可以使这部分金属电极面熔化，而温度很可能接近金属的沸点。但是由于阴极斑点的高速运动，所以对阴极斑点经过的电极表面的任何一点来说，都只被加热极短一段时间，只有表面极薄的层金属熔化，只要阴极斑点离开，在微秒数量级内，熔化的金属表面层就会凝固，阴极表面也就不可能出现大面积的熔化区域。这一点我们以后将会讲到，它对防止真空开关电流过零电弧熄灭后重新形成是分有利的2.集聚型真空电弧自由燃烧的真空电狐，对铜阴极来说，若电流超过10A左右时，电弧外形将突然发生变化，阴极斑点不再向四周作扩散运动，它们相互吸，结果所有的阴极斑点集聚成一个斑点团，阴极斑点团的点径可达1～2cm/4i。这时阳极上出现阳极斑点，阴极表面和阳极表面均出现强烈的光杜，阴极光柱和阳极光柱自山地向电极的四周扩散，成为数条连续的闪光，行时也偶尔与电极行。真空电弧一旦形成集聚，阴极斑点和阳极斑点便不再移动或以很慢的速度运动，这时阳极利阴极表面被局部强烈加热，导致严重熔化，这种真空电弧叫作集聚型真空电孤。集聚型真空电弧的孤区有很高的蒸气压，一般略大于一个大气压。不过在远离弧区的地方蒸气压力仍很低。2.1.3阴极斑点的电流密度关于真空电弧阴极斑点的电流密度，学者们已经争论了50多年。对铜电极最初测得的数据为10°A/cm左右，后来随着测量技术的进步，测得了比较精确的数据，其数量级为10"A/cm。近年来曾采用高精度的时间和空间分辨率光学装置进行阴极斑点直径的测量，从而确定电流密度，丁阴极斑点的直径极小，例如铜阴极的阴极斑点直径只有4～14μm，虽然铅、和锌阴极上的阴极斑点直径要大得多，也不过只有100um左右，它们又不断运动着，因此要十分精确地测量其直径，还比较困难。此外，也有结合上述的方法和对燃弧后遗留下来的叫坑或形面积进行分析比较来确定其直径，最后通过确定的直径和给定的电流来推算出阴极斑点的电流密度。到20世纪70年代，对铜电极得出的阴极斑点直径为4×10*~2×10°A/cm。达奥
25第1部分空开关的基础理论尔德（J.E.Daalder）15]在不同的电流下，测得单个阴极斑点的直径范用见表1.2-1。经过换算得到的阴极斑点电流密度的变化范围为(0.4)~1.92) ×10°A/cm2表 1. 2-1达奥尔德测得的单个阴极斑点直径的变化范围电流/A斑点直径/um电流密度计算值/（A/cm2）4.73.80.41 ×10*4.00. 51 ×10*6.40. 66 × 10t9.24.24.70. 78 ×10*13.50. 92 × 10816. 04.730.55. 11.55×1086.01. 92 ×10854.47.31.58 ×10866.31.25×10871.18.510. 01.10×10%87.012.01.92 ×108105.030据许多研究燃弧过20程的报牛指出，真空z10弧阴极斑点的数月与电R流大小和阴极材料有关。图1.2-2所示为特加高32天（Djakov）和霍尔默斯（Holmers）16测量了2010020040010铋、铅、锌和铜阴极上电流/A的阴极斑点数与电流大图1.2-2阴极斑点数与阴极电流的关系小问的关系，斑点数与电流大小成正比。除铋以外，斑点数在电流上升时略小于线性关系表1.2-2是从不同文献上得到的一些有用果，表中列出的斑点电流是指产生每个斑点所需电流的平均值，材料的排列是按照它们的沸点高低为次序的。由上而下从汞的沸点630K直到钨的沸点6203K
26真空开关技术与应用表中所列数据有一定的不规则性，这说明还有其他因素的重要影响。表1.2-2平均阴极斑点电流的实验值阴极材料斑点电流/A阴极材料斑点电流/A800.4银（波态）汞（周态）铝300.7求(稳态）502求 (液态)7铜758100锅5015铬930锌铁<2060 ~100703~5钻秘碳2009铅（固态）销155铅(液态）15钨300 (固态）18250钢 (液态）60~100银（周态）这里必须指出：不同实验工作者得到的平均电流密度值，在相同条件下相差大概两倍左右。这主要是由于统计斑点数时所观察到的发光体结构，有时很难分辨出是一个斑点，还是几个靠近而相互混在一起的斑点。有时由于相同的金属材料，因具有不同程度的杂质和加热过程而引起差异。2.2真空电弧的电压特性2.2.1真空电弧的电弧电压真空中电弧孤电压最突出的特点之一是电弧电压很低。这是由于电弧间隙的空间电子电荷儿乎均被正电荷中和，因而所得到的电弧压降主要是出现在阴极表面区域很近的这部分压降，通常把它称作“阴极压降”。电弧压降的大小在小电流下主要决定于阴极材料。一些阴
27第1部分真空开关的基础理论极材料的电弧电压降平均值[21见表1.2-3。表 1.2-3一些阴极材料的电弧电压降平均值电弧电压降测量电弧电压阴极材料电狐颜色平均值/V隆时的电流/A58蓝汞5越8.7监铅79.2蓝黄铜109.7紫罗蓝锑109.8蓝锅1010蓝绿锌1010.7亮蓝11销10黄10绿11.3赣2012. 5绿镍蓝6015. 56016. 2蓝不锈钢铝2616.7紫罗蓝银2617监碳2620白铜5021.5绿银6024蓝鸽6026蓝白钢6033蓝里斯（Reece）曾以xm阴极材料的沸点和导热系30W数的乘积为横坐标，以电25>hocuE弧电压为纵坐标描绘出各20CIxAg种材料之间的相互关系，NiTA15CaZoMe如图1.2-3所示[2]。从图10SnPhNaiSb中可以看出，沸点和导热100101000系数的乘积越小，电孤电沸点×导热系数/(X4.1868W/cm)压越低：反之，电弧电压图1.2-3电弧电压与阴极材料蒸发特性的关系越高。里斯对此作了如下1一红热的软钢2一非磁性不锈钢3一冷态的软钢
28真空开关技术与应用定性解释：电弧电压的高低取决于阴极材料产生蒸气的难易程度，阴极材料的沸点越低，在较低的温度下就会产生足够的金属蒸气：阴极材料的导热系数越低，热量越不易导走，阴极表面的温度也就越容易升高，所以两者的乘积就越小，因而输人较小的能量就能产生较大的足够维持电弧的金属蒸气，使电弧电压较低。反之，难以产生金属蒸气的材料，则电弧电压较高。从目前应用于真空开关的触头材料来看，电弧电压一般都在10~25V范围以内，即使用其他金属材料也不会超过很多，因此总的真空电弧电压也是很低的。当在小电流时，真空电弧处于不稳定状态，用宽频带的装置去测量真空电弧电压，发现在上述的电弧电压上叠加着一个有趣的噪声电压分量。这一噪声电压的频a)带极宽，可以从数千赫到数兆赫，噪声电压的大小与电弧电流的大小及波动变化有很大的关系。电弧电流从50A下降到10A时的变化情t况如图1.2-4所示，从图中b总的可以看出，其电弧电压略有下降，但变动不大，而噪声电压的幅值却有显著增长。图a表示50A电流时，电弧电压最小值为18~19V，R而噪声电压脉冲值为4~5V。图b表示在25A电流时，电c)弧电压最小值下降到图1.2-4铜阴极小电流真空16~17V，而噪声电压脉冲值电弧电压单次扫描波形）50A时b）25A时）10A时增加到8V，个别脉冲值超注：纵坐标每格图a）和图b）为10V过了20V。图c表示在10A图c）为20V，横坐标每格为50μs