真空电弧中电子密度分布的等效调控机制：横向磁场与接触间隙的作用

《IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation》：Equivalent Regulation Mechanism of Electron Density Distribution in Vacuum Arcs by Transverse Magnetic Fields and Contact Gaps

直流真空断路器在横向磁场、平面触头及不同熄弧间隙下的真空电弧特性研究。通过高速摄像机捕捉零区电弧图像，光谱仪分析Cu I 521.8nm谱线计算电子温度与密度分布，发现横向磁场触头（6mm间距）能显著提升电子密度径向均匀性（中心/边缘密度比由7:1降至1.6:1），其效果等效于增大触头间隙（10mm无磁场时）。两者均能有效优化等离子体空间分布均匀性，为稳定直流断路器电弧控制提供新思路。

　　

摘要：

以单断口直流真空断路器为研究对象，建立了一个用于收集直流真空电弧特性的实验平台。使用高速摄像机捕捉在横向磁场、平面触点以及不同换向间隙条件下真空电弧零区过程的图像。通过光谱仪采集Cu I 521.8 nm处的特征谱线，进而计算并分析了电子温度和电子密度。研究发现，在相同的工作条件下（换向间隙为6毫米），十字形横向磁场（TMF）触点能够有效调节电弧等离子体的空间分布。与无磁场情况相比，电子密度的径向分布均匀性显著提高，阴极接触面上中心与边缘之间的电子密度比值从7:1降至1.6:1。增大接触间隙也有助于改善电子密度的空间分布均匀性。在无磁场条件下，横向磁场间隙（6毫米）与增大接触间隙（10毫米）对电子密度的径向/轴向分布具有相当的调节效果。无论是增大间隙还是增强磁场，都能提高等离子体空间分布的均匀性，并减少接触面中心与边缘之间的电子密度差异。横向磁场的作用相当于增大间隙，从而实现稳定的电弧控制。