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关于电弧断开的伏安特性实验，采用银，金，铜，镍触头作者：JunyaSEKIKAWATakayoshiKUBONO翻译：张旭摘要：实验测量了在空气大气压下，电触头断开时的伏安特性。触头材料分别为银，金，铜和镍。电源电压分别为42，,48跟54V。实验电路电阻为5欧姆。燃弧时间，电弧电压，电弧电流以及弧隙长度可同时测量。伏安特性可从这些已知的测量数据中获得。为了获得实验方程，弧隙间电压由直线近似公式代替。提供弧柱电动力的电压也近似为直线。通过这些近似，电弧电压，电弧电流与弧隙长度作为重要参数。结果表明，实验方程符合每个触头材料在实验条件下的实验数据。关键词：电弧放电伏安特性实验方程电弧开断1.引言伏安特性研究了电弧开断的一个基本特性[1]–[5]，电弧开断的伏安特性曲线是以电弧电压绘制电弧电流，弧隙长度作为参数。一组关于不同金属的简化的伏安特性，由Holm通过图表提出[2]。通过Holm图解法，可以得到触头低速断开时电弧电压与弧隙的关系[2],[4]。因为Holm特性不是由一个公式或数表可以表示的，但是，它在实验数据比较方面是没有用处的。Suhara使用近似的伏安特性函数表达式通过Holm方法，进行计算机分析[3]。如果伏安特性的实验方程式可获得，该方程式在表达伏安特性和进行实验结果比较方面是很有用的。我们先前曾报告过一些金属材料（金，银，铜，镍和铂）的弧隙沿直线，在确定实验条件下（电弧电压40V,电弧电流3—8A，弧隙1mm）的伏安特性[6]。但是，镍触头的实验结果与Holm的伏安特性不同，也就是说，我们一些金属触头的实验结果可能与Holm的伏安特性不相符。因此，重要的是，获得能够很好显示我们的实验结果的伏安特性的实验方程式。本文的目的是获得的在大气压力下，在空气中以恒定速度进行的，电弧开断的伏安特性特性的实验方程式。2.电弧开断的伏安特性由Holm提出的空气中的固定电弧的伏安特性如图1[2]。在断开速度小于20cm/s时，影响非常小。Im和Vm在图1中分别代表最小电流与最小电压。Holm提出了一些材料（碳，铁，镍，铜，锌，银，镉，钨，铂，金）Im和Vm数值表[2]。它表明，该线I=Im与V=Vm是伏安特性的渐近线，而点（IM，VM）不属于任何特性。Fig.1V–Icharacteristics[2]渐近线I=Im是伏安特性中常见的，金属有它特定的Im,通过不同弧隙长度d可以区别一种金属的不同曲线。渐进线V=Vm仅仅涉及最短电弧。对于所有无限长度d的电弧弧的特性，电压都比Vm运行的高。3.实验方法3.1实验仪器实验电路如图2。直流负载电路组成有，直流电源提供电弧开断电弧，负载电阻（4Ω,250W），参考电阻（1Ω,100W），和电触头。这些电阻是不含电感的线性电阻。电容调节电源电压。触头材料是银，金，铜和镍。电触头直径为5.0mm。触头尖端被抛光后用作接触表面。先用砂纸（#2000）抛光，然后超声波，将电触头置于酒精中清理15分钟，再放入纯水中清理15分钟。将它们在大气中自然干燥。当电源电压条件发生变化时，使用抛光好的新触头替换。电弧点火前，触头是闭合的，然后启动实验电路，触头以固定速度在大气中分开。在电压条件分别为42V，48V和54V，各电弧点火30次。通过分离接触装置，电触头以固定速度分开（1.0cm/s）。装置由交流伺服电机提供打开速度。用存储式数字示波器测量电弧电压，电弧电流，弧隙随时间的变化。示波器采样时间设置为40µs。数据储存在个人电脑中。3.2数据分析在电弧发生前开始测量电弧电压，电弧电流，弧隙长度随时间的变化关系。典型时间变化如图3，是银触头在51V电压下得出。在电弧刚开始燃弧时，电弧电压Varc突然上升，电弧电流Iarc突然减小。此时设置为时间原点，接着电弧电压Varc增加，电弧电流Iarc渐渐减小。最终，在熄弧时，电弧电压趋于电源电压，电弧电流趋于零。弧隙长度相对于时间增加，因为打开速度由伺服电机保持恒定。Fig.2Experimentalcircuit.Fig.3Typicaltimeevolutionsofarcvoltageandarccurrent.4.实验结果4.1电弧电压与弧隙长度关系电弧电压与弧隙长度关系如图4，电源电压分别为42，,48和54V。图4(a),(b),(c)和(d)分别代表银，金，铜，镍触头。线上的实心三角形，矩形和圆形代表每一弧隙长度下的平均电压。实线近似表示每种电源电压。近似线是通过最小二乘法获得，这些点是每种电源电压下实验结果的平均值。每个点是以0.1mm为步长，三十次实验的平均值。因为电弧的持续时间并不完全恒定，30次实验数据的平均值不都是在电弧终止之前获得。因此，对于超过24次的实验数据的平均数据绘制在图4。正如图4展示的银，金，铜，镍触头，在弧隙长度大于等于0.1mm时的电压梯度。电压斜率随电源电压增大而减小。Fig.4Dependenceofarcvoltageongaplengthforeachsupplyvoltage.Fig.5Changeoftheschematicvoltageprofileofarcdischarge.图5展示了电弧放电时的电压，纵轴表示相对于阴极的电位，横轴表示到阴极的距离。电压斜率在电极表面附近时非常大，这张是示意图，与弧隙长度相比，阴极与阳极电位随厚度下降很大。事实上，阴极电位随厚度下降可达到10−6cm数量级[7]。图4显示了电弧电压随着弧隙长度增加而增加，导致弧柱电压增。加。在触头刚打开时，电弧没有弧柱压降，只有阴极和阳极压降，电弧电压是最小值Vm。最小电弧电压是电离电势与功率函数的和，且基本由阴极金属决定[2]。当触头分开时，触头间电压增加。因为阴极与阳极电位下降恒定，相对于弧隙长度，弧柱电压增加。图4展示了当弧隙长度大于0.1mm时，电弧电压增加情况，这里考虑了弧柱电压增加。因此，实线斜率表示了弧柱电场力。图4显示了电场力与每种电源条件下的弧隙长度无关。4.2电弧电压与电源电压的关系图6展示了d=0.1mm时电弧电压Vd01与弧柱电场力Fcolumn在使用不同触头材料与电源电压的关系。Vd01是弧隙长度为0.1mm时的电弧电压。Fcolumn是弧柱电场力，Fcolumn通过图4实线斜率获得。Vd01和Fcolumn随着电源电压E增加而减小，如图6直线所示。4.3伏安特性与实验方程为了用实验结果获得实验方程，电弧电压Vd01与弧柱电场力Fcolumn与电源电压如图6所示。可以由以下公式近似代表：Vd01=avE+bv,(1)Fcolumn=afE+bf(2)这里av,bv,af和bf是常量，通过图6实验结果获得。表1展示了这些常量与每种触头材料的关系。Fig.6Dependenceofthearcvoltageatd=0.1mmVd01andthestrengthofelectricfieldofarccolumnFcolumnonsupplyvoltage.电路方程与电弧电压方程如下：E=Varc+IarcR(3)Varc=Vd01+Fcolumn(d−0.1)(4)方程(1)与(2)作为实验方程用来求出方程（4）。Varc和Iarc的关系由方程（1），（2），（3）和（4）推导出，如下：Varc=(ARIarc+B)/(1−A)(5)这里A=av+af(d−0.1),B=bv+bf(d−0.1)。弧隙长度d大于等于0.1mm。实验结果与实验方程（5）计算出的伏安特性如图7。表1展示了实验方程（5）所需的每种触头材料的常量。三角形，矩形与圆代表实验结果。实线表示了实验方程（5）在每种弧隙长度下的计算结果。每一点数值表示弧隙长度。在图7中，由实验方程（5）计算出的实线与实验结果相符。因此，这篇文章获得的实验方程，与每种触头材料条件下获得的实验数据相一致。Table1Constantsfortheexperimentalequation.MaterialavbvafbfAg−0.13222.7−0.7358.9Au−0.06325.3−0.9972.4Cu22.749.65.结论关于电弧开断的伏安特性实验方程，由银，金，铜和镍等电触头材料在空气大气压下测试得出。首先，电弧电压与弧隙长度可以由线性的近似公式表示。其次，电场力与电源电压近似呈线性。通过这些近似公式，弧隙长度作为参数的电弧电压与电弧电流关系可以由实验公式获得。这表明实验方程与每种触头材料的实验数据相吻合。References[1]W.B.Nottingham,“Anewequationforthestaticcharacter-isticofthenormalelectricarc,”JournalofA.I.E.E.,vol.42,pp.12–19,1923.[2]R.Holm,ElectricContacts,pp.279–286,Springer-Verlag,Berlin,1967.[3]K.Suhara,“Breakarcsininductivecircuitsandthemin-imumarccurrent,”IEEETrans.Compon.HybridsManuf.Technol.,vol.14,no.1,pp.118–123,March1991.[4]P.G.Slade,ElectricalContacts,pp.603–606,MarcelDekker,NewYorkBasel,1999.[5]J.Sekikawa,H.Kinami,andT.Kubono,“Characteristicsofbreakingarcbetweenelectricalcontacts,”IEICETechnicalReport,EMD2000-89,Feb.2001.[6]J.Sekikawa,H.Kinami,andT.Kubono,“V–Icharacteris-ticsofbreakingarcforAu,Ag,Cu,NiandPtelectriccon-tactsatconstantopeningspeed,”IEICETechnicalReport,EMD2001-97,Feb.2002.[7]R.Holm,ElectricContactsHandbook,pp.462–463,Springer-Verlag,Berlin,1958.[8]P.Kisliuk,“Arcingatelectricalcontactsonclosure.PartV.Thecathodemechanismofextremelyshortarcs,”J.Appl.Phys.,vol.25,pp.897–900,1954.