原文发表在《高压电器》2025年第1期。
https://www.chndoi.org/Resolution/Handler?doi=10.13296/j.1001-1609.hva.2025.01.009
杯状纵磁触头结构参数对电弧特性影响实验研究
张宁1，周万迪1，陈立学2，3，袁召2，3，兰昕宇2，3，尤彭昊2，3，何俊磊2，3
(1. 全球能源互联网研究院有限公司，北京 102211；2. 华中科技大学电气与电子工程学院强电磁工程与新技术国家重点实验室，武汉 430074；3. 华中科技大学脉冲功率技术教育部重点实验室，武汉 430074)
一 内容简介
真空灭弧室触头的结构参数对其燃弧过程电弧特性具有重要的影响。通过设计两种实验平台进行实验研究，得到了触头开槽数、开距和铁磁结构对电弧特性的影响。实验结果表明：触头开槽对加快电弧扩散、改善开断能力具有重要影响：开槽数的增加会使得电弧形态更加稳定，但同时过多的开槽数会使得纵向磁场强度幅值过大，不利于电弧快速扩散；开距对阴极斑点的运动有两种相反的影响，适当的开距可以改善电弧形态；添加铁磁材料可以使触头阴极斑点分布更加均匀，且能使触头边缘更稳定地燃烧，提高触头表面利用率。
二 主要内容
真空开关利用真空环境作为绝缘和灭弧介质，具有优异的熄弧性能和耐压能力，在中低压领域占统治地位，并逐步向高压、大容量方向发展。真空开关以真空为绝缘介质，在开断过程中依靠触头材料作为等离子体发射源维持真空电弧的燃烧。系统发生短路故障时，机械触头分离并在触头间产生电弧，而电弧的形态对直流开断能否成功有着极大的影响，一旦电弧发生集聚将会很大程度上降低断路器的开断能力，从而限制断路器的开断极限。
目前人们对真空电弧的研究工作主要集中在阴极斑点上。阴极斑点是真空电弧的起源和本质，对阴极斑点进行研究有利于揭示真空电弧的本质，从而提高真空开关的分断能力。针对阴极斑点扩散过程，有作者通过试验观测得到：10 kA以内工频电流阴极斑点的径向扩散速度约5~50 m/s；有作者得到中高频电流下斑点扩散速度约为数百m/s；有作者认为横向磁场对于阴极斑点的扩散有促进作用，而纵向磁场恰好相反。有作者构建了基于可拆卸真空灭弧室的真空电弧阴极斑点研究平台，进行了大量小电流下真空电弧阴极斑点观测实验，并对单个阴极斑点向多个阴极斑点的演变方式进行了描述。
而对于杯状纵磁触头而言，触头的结构会影响触头间磁场的分布，进而对阴极斑点以及电弧特性产生影响，对于触头结构的研究：有作者仿真研究了触头开槽方式对纵向磁场的影响，发现触头开槽角的减小、开槽数量以及长度的增加有利于涡流效应的衰减从而优化纵磁特性；有作者研究了触头片的开槽长度、开槽偏转角度、触头片中心工艺孔直径及孔的深度对带铁心杯状纵磁触头的磁场分布的影响；有作者针对3/4匝线圈型纵向磁场触头通过改变触头片开槽位置、触头电流连通位置和有无导流排结构研究了8种不同结构触头的磁场和电弧特性，得出触头片开槽位置在中心的右边时，磁场分布最均匀，磁场强度最大和导流排能使第2个峰值电流时的电弧更聚集等结论；有作者对带铁心和不带铁心的杯状纵磁触头的磁场特性进行了对比分析，发现引入铁磁环后在铁心区域纵向磁场大大增强，在触头中心区域减弱，呈凹形分布，同时铁磁环也使得触头的涡流效应也更加明显。
综上，结合现有研究，文中设计了两种实验平台，通过改变杯状纵磁触头的结构参数对开断过程中产生的阴极斑点以及电弧特性进行了实验研究，并结合仿真对实验现象做出了合理的解释。为触头的优化设计、开关性能的提高提供一定的理论依据和参考。
1 文中研究对象
2 实验平台
3 结果与分析
3.1 开槽数的影响
3.2 开距的影响
3.3 铁磁结构的影响
三 结论
文中分别从开槽、开距以及铁磁材料等因素出发，通过实验研究了触头自身条件对电弧特性的影响，得到了如下结论：
1)触头片开槽数的增加会使得电弧形态更加稳定，但同时会使得纵向磁场强度幅值变大，过多的开槽数会使得纵向磁场过大而不利于电弧快速扩散，因此需要一个合适的开槽数。经研究发现开槽数为六槽时触头的开断能力最强。
2)8、10、12 mm 3种开距下，小开距使得稳定扩散的阴极斑点更多，电流越大分布面积越大，适当减小开距可改善电弧形态。通过对比10 mm开距下阴极斑点分布情况与开断情况最好。
3)在固定开距的触发燃弧工况下，当电流幅值较小时，平板触头阴极斑点的初始扩散速度最快，传统杯状纵磁触头次之，新型加铁磁材料触头最慢。且当新型加铁磁材料触头的阴极斑点充分扩散到占据整个触头表面后，其分布较另外二者触头更为均匀，且能够在触头边缘更稳定地燃烧，从而提高触头表面的利用率，并减少电弧等离子体的损耗，降低弧压。
作者简介
张宁(1983—)，男，博士研究生，高级工程师，研究方向为直流输电技术和直流断路器(E-mail：shuyening@163.com)。
周万迪(1985—)，男，博士研究生，教授级高级工程师，研究方向为高压直流开断、真空开断技术等。
本文索引
张宁，周万迪，陈立学，等. 杯状纵磁触头结构参数对电弧特性影响实验研究[J]. 高压电器，2025, 61(1)：80-88.
ZHANG Ning，ZHOU Wandi，CHEN Lixue，et al. Experimental study on influence of cup-shaped longitudinal magnetic contact on arc characteristics[J]. High Voltage Apparatus，2025, 61(1)：80-88.
《高压电器》，CN 61-1127/TM，ISSN 1001-1609，邮发代号：52-36，1958年创刊，月刊，国内外公开发行，刊名由当时的人大常委会副委员长、中国科学院院长郭沫若同志亲笔题写。陕西省科技期刊精品期刊。
《高压电器》入选的数据库有：中文核心期刊、中国科技核心期刊、中国科学引文数据库（CSCD）核心刊、RCCSE中国核心学术期刊、世界期刊影响力指数（WJCI）报告。另外，《高压电器》还被国际著名的Scopus数据库收录，同时被俄罗斯的《文摘杂志》（AJ，VINITI）、英国的《科学文摘》（SA）及日本科学技术振兴机构数据库（JST）等著名期刊检索机构列为来源期刊。
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