强流脉冲电弧作用下石墨电极蒸发特性

气体开关电弧的热侵蚀作用是电极损耗的主要成因。石墨电极在电弧作用下发生蒸发并在多次放电后有明显的质量损耗,改变了开关内的气体环境和电极间距,导致开关动作可靠性降低。为研究石墨电极在脉冲电弧冲击下的侵蚀特征,基于开关电弧瞬态扩散特征和石墨材料参数,在弧根区域建立了电弧-电极能量耦合模型,得到了等离子体-固体区域的传热特性。考虑石墨电极的相变特征,计算瞬态热作用下石墨电极的加热范围以及临界相变点,研究瞬态电弧热冲击作用下的石墨电极相变机制。研究结果表明,电弧-电极界面热流主要集中在电弧接触面中心,电弧沉积的能量密度最高可达109 W/m2,石墨在电流上升初期基本处于加热状态,在能量积聚作用下,石墨转变为升华状态,传热强度随半径急剧衰减,蒸发区域略小于电弧半径。通过实验记录了5种开关工况下石墨电极烧蚀形貌和质量损失情况,结果表明,电极质量损失与电弧沉积在电极表面的能量线性相关,近似为0.015 mg/J。研究了电弧关键参数对电极质量损失速率的影响,为延缓电极损耗提供数据支撑。     

极性对自保护药芯焊丝电弧焊光谱特征的影响

由于自保护药芯焊丝具有抗风性以及优异的焊缝性能,已广泛应用于野外管道焊接以及大型机械的修复过程。电极极性是影响焊接过程的重要工艺参数。为了研究电极极性对电弧等离子体的影响机理,设计电弧等离子体空域中各点逐步扫描的同步采集系统,通过光谱特征谱线的分析,采用Stark谱线轮廓法计算电子密度,并且基于Boltzmann作图法计算电弧等离子体的温度,同时针对Al和Mg活性元素的分布特征进行分析。结果表明,靠近电极处,沿y轴负方向,直流正接时（焊丝接电源负极性）,弧柱中心区电弧电子密度、电弧温度和活性元素呈现“水滴状”分布。而直流反接时（焊丝接电源正极性）,弧柱中心区电弧电子密度、电弧温度和活性元素的分布特征表现为“手指状”分布。根据“自磁收缩”的原理,直流正接条件下,活性元素在径向方向受到的电磁力较小,整体分布呈现发散状。直流反接条件下,活性元素在径向方向受到的电磁力较大,收缩较为严重,整体表现为收缩状态。采用相同的电参数时,直流反接条件下弧柱中心区的电弧电子密度、电弧温度均大于直流正接条件下得到的电子密度和电弧温度,其中电子密度分布特征和带电粒子的电离程度是影响电弧温度的主要因素。在相同的电极极性下,随着电流、电压的增大,电弧等离子体的温度和电子密度都在显著增大。     

The Dependence of the Air Blast Arc Characteristics on Electrode Position

The effect of the position of the upstream electrode on the characteristics of the air blast arc in a converging-diverging nozzle is investigated using a simple one-dimensional model. It is found that altering the upstream electrode position affects the pressure gradient between the electrode and the nozzle throat. The pressure gradient in this region determines to a large extent the arc area contraction rate as the arc current decreases to zero and, therefore, the interruption capability of the arc after current zero. Moreover, the upstream electrode position affects the arc diameter in the steady and transient states throughout the whole arc length. It is found that radial turbulent cooling need not be incorporated into the model to explain the experimental results. However, turbulent radial cooling, if present, is found to enhance the interruption capability of the arc by a large factor.     

Vortex Flows Induced by Electric Arc

In this paper a mathematical model of the stationary electric arc is made on the basis of solution of radiation gas dynamics two-dimensional equations. Numerical analysis of electric arc with small length, depending on current force, distance between electrodes, electrode behaviour and geometry, type and expenditure amount of plasma forming gas, is carried out. It is shown that under some definite conditions electric arc induces toroidal gas vortexes playing an important part in the process of heat and mass transfer in electric arc plasma.     

Vacuum arc investigation of dual-part cathode electrodes

The basic characteristics of a vacuum arc are investigated with a special electrode whose cathode consists of two half-disks. Pure copper is used for one part of the cathode, while copper, chromium, silver, and titanium are used for the other part. The tested arc current value is less than 4000 A, and the flux density of the axial magnetic field applied to a vacuum arc is less than 0.015 T. Experimental results show that the arc voltages of dual-part cathode electrodes are much lower than those of the individual pure metals, and that current sharing between the two parts is roughly determined by the arc current-voltage characteristics of the metals. The arc voltage of the dual-part cathode electrode is extremely low when the current is less than 1000 A     

大功率电弧加热器起弧过程流场特性研究

电弧等离子体是通过电极之间击穿放电,产生热电弧,实现对冷态介质加热,目前大功率的电弧等离子体发生器在航空航天领域有重要的应用,是国内外开展飞行器防热材料筛选和考核研究最重要的地面模拟试验设备.本研究基于发展的高焓气流非接触式光谱诊断方法,开展对10 MW量级大功率长分段电弧加热器起弧过程流场特性的定量、定性研究,在线测量等离子气流的辐射光谱,并获得了等离子体气流电子温度和电极烧蚀铜原子摩尔组分浓度的测量结果.研究结果表明:起弧开始阶段,纯氩气通入,等离子体辐射光谱以分立的氩原子谱线为主;过渡阶段,随着空气的通入出现了N₂和N₂+的连续分子谱和Ar、N、O原子谱,等离子体电子温度随之降低;正式运行阶段,纯空气介质运行,辐射光谱以N₂和N₂+连续分子谱和N、O原子谱为主.整个电弧加热器起弧过程伴随持续的电极烧蚀,等离子体辐射光谱中铜原子谱线一直存在.氩气起弧时,等离子体气流电子温度稳定在11 000 K±300 K,显示出电弧加热器稳定的起弧特性.同时,电弧等离子体气流中铜原子摩尔组分浓度在（1~25）×10-6之间周期性变化,显示弧根旋转过程中不规则的电极烧蚀变化.发展的发射光谱诊断方法为研究电弧加热器真空氩气起弧特性提供量化手段,可以为真空-常压氩气起弧试验技术的发展和电极优化提供直接量化依据,为大功率常压叠片电弧加热试验平台发展奠定基础.      

石墨电极气体开关中等离子体弧区碳氧反应效率研究

氧气是石墨电极气体开关中必不可少的组分,用于氧化石墨电极在高温电弧冲击下形成的石墨蒸汽,防止熄弧后石墨蒸汽凝华成固体粉末给开关带来绝缘危害。为提高石墨蒸汽的氧化比例,研究了背景气体组分和氧气浓度对石墨氧化反应的影响,选取3种气体N₂,Ar,He作为背景气体,研究不同气氛电弧的氧化反应特征;在传统的类空气气体（80%的N₂＋20%的O₂）的基础上,提高氧气浓度至40%和60%,研究氧气浓度对碳质氧化比例的改善作用。基于不同气体组分的热力学参数和输运系数,通过电弧磁流体动力学计算模型得到开关温度特征,将电弧与电极界面的热流强度作为石墨电极质量损失速率的评估依据。实验结果表明,随着氧气浓度的升高,石墨蒸汽的氧化比例逐步提高,但当氧气浓度高于40%时,存在电弧引燃石墨电极的风险。当氧气浓度恒定20%时,以Ar作为背景气体时石墨电极质量损失速率较小,且碳蒸汽在电弧中氧化更加充分。因此,相比于传统的开关气体介质,将背景气体替换为Ar或将氧气浓度提高至约40%均能提升碳氧反应效率,降低开关中的杂质残余量。     

The effect of a ledge in outlet electrode on operation efficiency of the two-chamber plasmatorch

Electric and thermal characteristics of the two-chamber plasmatorch with a stepped outlet electrode were studied experimentally. Formulas for determination of arc voltage, plasmatorch efficiency, and length of a narrow part of the outlet electrode were derived. It is shown that such a plasmatorch is more efficient than the plasmatorch with a smooth outlet electrode.     

Analytical calculation of cathode spot parameters on the electrode surface in arc discharge

The model of a heat transfer in the cathode spot on an electrode in the arc discharge is developed and analytical expressions for the spot radius and temperature as the functions of basic characteristics of the discharge and the electrode material are obtained. The dependence of the spot radius on the voltage drop of the cathodic discharge, which is consistent with results of numerical simulation, is calculated.     

杯电極溶液法光谱光源中物质蒸发与弧温的研究

杯电极溶液电弧法无论应用在金属或非金属样品的光谱分析中,都受到光谱工作者们越来越多的注意。为了更进一步提高它的分析灵敏度和准确度,作者们对它的蒸发激发机构进行了研究。在燃弧过程中,曾观察到弧区是由弧焰与弧柱两个部分组成的。通过一系列实验发现:弧焰的存在直接影响到溶液样品的蒸发,而弧柱在光谱的激发过程中起着主导的作用。此外还利用OH带光谱测量弧焰及弧柱的温度分布。从得到的结果中找到提高分析灵敏度和准确度的途径。     

真空弧放电TiH合金阴极表面形貌分析

TiH合金电极是一种含氢量非常高的金属材料,用它作真空弧离子源的电极,可在真空环境下产生强度非常高的氢离子流。相比纯金属材料电极,TiH电极除了出现真空弧放电特有的融蚀现象外,还存在气体释放过程,所以它的表面形貌具有一定的独特性。利用扫描电子显微镜观察了单次放电和多次放电后阴极表面形貌,发现阴极斑在阴极表面微裂纹附近连续分布,气体释放生成很多小孔,使阴极斑区域呈絮状结构;弧流越大,阴极斑数量越多;多次放电后,阴极斑朝含氢量多的地方移动。该结果有助于了解含氢电极的真空弧放电过程,对该类放电的应用具有一定参考意义。     

Bend effect of the electrode for travelling wave integrated electro-optic modulators

In this paper, we have studied electrode bend effects on electrical characteristics of the modulator in the three aspects, which are arc length, characteristic impedance, and loss, applying the model in Ref. [1] and the finite element method (FEM). The results have shown that the effect only caused by the characteristic impedance is necessarily considered while its deviation is large, but others are negligible as we design a practical device. Finally, some transmission characteristics of coplanar line with different arc length of the bend have been tested, and the measured results are in good agreement with the theoretical analyses.     

Measurement of the Current Distribution at the Anode in a Low-Current Vacuum Arc

The distribution of the current collected by a multiring anode is measured in a diffuse vacuum arc for several values of the arc current and the electrode separation. It is found that the distribution widens as the electrode separation increases. Comparison with previous measurements suggests an influence of the electrode geometry on the results.     

用于真空弧等离子体放电阴极温度场测量的多光谱高温计

阴极表面温度是真空弧等离子体放电过程中一个重要参数,对真空弧等离子体的形成、电极腐蚀预测、热传导以及离子源的寿命都有重要影响。真空弧离子源的阴极具有目标小,放电过程快等特点,其温度的测量,对于时间分辨率和空间分辨率要求都很高,阴极表面温度的测量技术的欠缺,使得仅靠理论解析获得的结果难以得到验证。并且等离子体放电过程中测量仪器极易受到弧光的影响,如何避免放电过程中等离子体的辐射也是采用辐射法测量阴极表面温度要考虑的问题。这无疑给其温度场的测试研究带来困难。针对脉冲真空弧等离子体开展阴极表面温度测试实验有着重要意义,在分析了真空弧等离子体放电特性以及背景辐射特性和等离子体放电阴极测温的实际需求,本文基于高速CCD相机研制了一种新型的多光谱高温计。该高温计采用单色高速CCD相机,主要避免RGB彩色相机不能完全滤除背景辐射的弧光。为使用单色CCD相机实现多光谱辐射测温,设计了高温计的光学系统,该系统采用4孔径分光系统。将4种不同波长的滤光片嵌入到1个滤光片中。该研究设计的高温计可用于2 000~6 000 K的等离子体温度测量。并在中国工程物理研究院电子工程研究所进行现场测试,测试过程中将研制的高温计,通过外部触发形式对等离子体放电过程进行跟踪拍摄,高温计完全拍摄到等离子体放电过程。利用真空弧等离子体金属电极阴极放电的实测数据对高温计进行了验证。实验结果表明,设计的新型多光谱高温计能够用于测量真空弧等离子体放电时阴极温度场信息,测量的温度值低于放电电极的沸点温度,与等离子体放电过程中出现气化现象相符,说明高温计测的是等离子体放电阴极的温度。     

大脉冲电流下钨铜电极水和空气中的烧蚀特性

针对水中、空气中脉冲放电条件下金属电极烧蚀速率及烧蚀机理差异,对脉冲大电流作用下水中、空气中钨铜电极的烧蚀特性进行了对比研究。在保证放电电流波形一致性的前提下,通过采用高精度天平测量并获取了水中、空气中钨铜电极的阴、阳极烧蚀速率及总烧蚀速率,并对电极表面进行了二次电子观察和背散射电子观察分析。结果表明,大脉冲电流作用下,水中钨铜电极烧蚀较空气中更为严重,钨铜电极的烧蚀主要是金属蒸发引起的汽相侵蚀。由于水介质较空气具有不可压缩性,水中放电电弧集中,电极表面电弧斑点处电流密度和电流作用时间较空气中更为严重,同时由于水中脉冲放电时发生的高温物理化学反应,是造成水中电极烧蚀要高于空气中的根本原因。     

药芯焊丝脉冲TIG电弧增材制造电弧特性研究

对药芯焊丝脉冲TIG电弧增材制造电弧特性展开研究。利用高速摄像拍摄不同熔敷层脉冲电流条件下的电弧与熔滴过渡图片,对高速摄像图片进行分析,发现焊丝熔化过程存在“滞熔”现象,导致熔滴过渡存在渣桥过渡与液桥过渡两种接触过渡方式,在脉冲峰值电流较小的50/100 A电流参数下,出现熔滴断续的渣桥过渡的频率最高。熔滴过渡影响电弧温度场与药粉成分在电弧中的分布,利用光谱诊断分析熔敷过程中在不同脉冲峰值电流与脉冲基值电流条件下电弧温度场及药粉成分在电弧中的分布。利用点阵法测量得到各点光谱数据,根据Boltzmann图法计算各点温度,将各点温度拟合得到完整电弧温度场,结果表明,焊丝从钨极轴线前（左）侧送入,吸收电弧热量并且对电弧有扰动作用,电弧前侧温度低于电弧后（右）侧,电弧前侧尺寸稍小于后侧;随着熔敷层数增加,降低峰值电流,电弧收缩,高温区面积相对减小,低温区面积相对增大。电弧最高温度区域出现在钨极下方1~2 mm的范围,大约为13 000~15 000 K,脉冲峰值电流越大则最高温度区域面积越大。在脉冲基值电流时期,由于电流小,电弧面积相比于峰值时期要小得多,焊丝与电弧相互作用减弱,电弧温度场基本关于钨极轴线对称分布。选择药芯焊丝中特有的Na元素的NaⅠ589.6 nm谱线对其分布点进行标记,拟合绘出不同脉冲峰值电流与基值电流下药粉元素在电弧中的分布情况,结果表明,电流越小,药粉运动高度越低,在不同的脉冲峰值电流下药粉均没有沾染到钨极上,在不同的脉冲峰值电流与脉冲基值电流下 Na元素均偏电弧后侧分布,说明焊丝自电弧前侧送入熔池后,在电弧前侧的电弧中没有出现药粉强烈的喷发现象,而是进入熔池进行冶金反应。接触过渡解决了碱性焊丝工艺性差的问题,电弧较为稳定,避免药粉喷发损伤钨极,熔敷过程稳定进行。     

双钨极耦合电弧数值模拟

基于流体力学方程组和麦克斯韦方程组, 在合理的边界条件下, 建立了双钨极耦合电弧三维准静态数学模型. 通过对方程组的迭代求解, 获得了不同钨极间距和电弧长度下耦合电弧的温度场、流场、电弧压力和电流密度分布等重要结果, 与已有的实验研究符合良好. 模拟结果表明: 与相同条件下的钨极惰性气体保护焊电弧相比, 双钨极耦合电弧的最高温度和最大等离子流速较低, 阳极表面电弧压力和电流密度峰值明显减小; 钨极间距和弧长对耦合电弧的温度场、流场、电流密度和电弧压力等都具有显著的影响, 且耦合电弧阳极的电弧压力和电流密度分布不能用高斯近似进行描述. 关键词： 耦合电弧 三维模型 数值模拟     

Experimental investigations into the arc properties of vacuuminterrupters with horseshoe electrode, four pole electrode, and theirapplications

By using ferromagnetic material around electrodes to generate strong nonuniform magnetic fields, vacuum arcs can be kept in well-defined diffuse mode or multiple arc mode. As a result, the arc voltage is low and stable, the current is confined in certain areas, and high interrupting ability and small size are achieved. The different arc modes for different electrodes, the arc voltage versus arc current for flat electrodes, horseshoe, and four-pole electrode, and the vacuum arc distribution are measured. The criteria of choice of electrode diameter and electrode distance are given     

含氢电极真空弧放电等离子体时空分布特性研究

真空弧离子源在真空镀膜、材料表面改性、真空大电流开关、加速器离子注入等领域有广泛应用,目前国内外对真空弧放电等离子体的研究主要针对纯金属或合金电极,对含氢电极的研究和公开报道较少.本文利用高时空分辨的四分幅图像诊断系统,结合氢和钛原子特征线单色器件,研究了含氢钛电极的真空弧微秒级脉冲放电等离子体的轴向和径向时空分布特性.研究表明:在真空击穿阶段,阳极区域发光更为明显,阳极电极解吸附释放的氢原子是引发击穿的主要放电介质;在真空弧阶段,阴极-绝缘-真空三结合点处产生圆锥状阴极斑,喷射出大量的等离子体以维持弧放电,同时电极内壁非阴极斑区域也有少量等离子体产生,等离子体中H原子的轴向和径向空间分布均比Ti原子均匀.     

Comparison between the parameters of a one-phase arc with copper and steel electrodes ignited in nitrogen and in air

The characteristics of an open one-phase arc with gas stabilization in electrode units are studied. The arc is ignited between copper and steel electrodes in nitrogen and in air. The amplitude values of the current and voltage reach 9–10 A and 650–1600 V, respectively. Current and voltage oscillograms, as well as dynamic I–V characteristics, are presented. The time variation of the conductivity, the discharge power, and the spectral composition and integral radiation losses of the arc column are compared when the electrodes are made of copper and steel.