横向磁场触头槽结构对真空电弧特性及表面烧蚀的调控机制研究

针对真空断路器触头表面电弧烧蚀导致开断能力下降的问题，研究人员通过对比螺旋型横向磁场（TMF）触头与杯状TMF触头的电弧动态行为，结合数值模拟揭示了槽结构对电弧运动及烧蚀分布的调控机制。研究发现螺旋型TMF触头通过槽交叉减缓电弧收缩，但槽边缘因电弧停滞加剧局部烧蚀；杯状TMF触头则呈现更高电弧收缩度和集中烧蚀。研究为优化真空断路器触头设计提供了理论依据。

　　

真空断路器作为电力系统的关键开关设备，其核心挑战在于触头表面电弧烧蚀导致的性能衰退。传统设计中，横向磁场（Transverse Magnetic Field, TMF）触头通过洛伦兹力驱动电弧高速旋转以分散能量，但不同槽结构对电弧行为的调控机制尚不明确。螺旋型TMF触头与杯状TMF触头作为主流设计，前者因槽交叉减缓电弧收缩却面临边缘烧蚀，后者则因集中烧蚀影响寿命。这一矛盾成为制约断路器性能提升的瓶颈。

为解析槽结构的调控机制，研究人员通过实验与数值模拟相结合的方法，系统对比了两种触头的电弧动态特性。实验采用可拆卸真空灭弧室，真空度维持在9×10^?4
Pa以下，结合LC振荡电路产生50 Hz正弦电流。通过高速摄像和电压波形分析，捕捉电弧形态演变；同时建立包含槽结构的阳极热过程模型，模拟电弧根区运动与温度场分布。

真空触头间电弧过程
电弧电压分析显示，螺旋型TMF触头的电弧运动呈现三阶段特征：低速期（0-2 ms）、加速期（2-4 ms）和高速期（>4 ms），平均速度达173.4 m/s；而杯状TMF触头因无槽结构限制，电弧收缩更显著，烧蚀区域集中。实验观察到螺旋型触头槽边缘的熔融金属填充现象，导致磁通畸变和电弧停滞。

含槽结构的阳极活动模拟
数值模拟表明，槽结构通过分散电弧能量延迟对向触面高温区形成。预加热条件下，阳极表面高温区提前形成，停滞时间缩短至1.0 ms，运动速度提升至173.4 m/s，有效缓解槽边缘烧蚀。不同槽宽（2.5 mm与3.0 mm）的对比显示，较宽槽虽减少熔融物填充，但会延长电弧停滞时间。

槽宽对阳极活动的影响
3.0 mm槽宽使电弧根区温度梯度降低12%，但停滞时间增加0.3 ms，表明需权衡槽宽与动态响应。热流密度分析进一步揭示，槽结构通过改变热传导路径调控烧蚀分布。

研究结论指出，螺旋型TMF触头通过槽交叉实现电弧能量分散，但需优化槽几何参数以平衡停滞与烧蚀；杯状TMF触头则需抑制过度收缩引发的集中烧蚀。该成果发表于《Vacuum》，不仅阐明了槽结构与电弧特性的关联机制，更为真空断路器触头的工程优化提供了理论支撑，对提升电力设备可靠性具有重要意义。