直流電弧加熱器多電極運行技術試驗研究

姚 峰，朱 超，陳德江，周 瑋，黃禎君，何 敏

（中國空氣動力研究與發展中心超高速所，四川綿陽 621000）

0 引 言

電弧加熱器可以長時間提供高壓高焓試驗氣流，主要用來模擬高超聲速飛行器（如高超聲速導彈、空間進入系統和再入飛行器）在飛行過程中所承受的高溫、高壓環境，是開展高超聲速飛行器防熱系統研究與考核的重要地面設備［1－2］。早在上世紀70年代，國外就已建成了60MW級電弧加熱試驗設備（AMES IHF），隨后幾十年一直致力于更大功率設備的研制［3－6］，到20世紀末又建成了兩座70MW量級電弧加熱試驗設備（如圖1所示）［7－12］。而國內，目前還鮮有數十兆瓦級電弧加熱器的報道，根據中國空氣動力研究與發展中心電弧加熱試驗設備運行數據推算，電弧功率達到70MW量級時，電弧電流至少達4500A。由于電極材料的限制，在如此高電流下，現有單電極運行方式將無法正常工作。為解決大電流下設備穩定運行問題，國外發展了一種多電極運行技術，即將電弧電流平均分配到多個電極上，降低單個電極的承載電流，確保大電流下電極運行的可靠性［13－14］。美國航天局阿姆斯研究中心采用6對陰陽電極承載5400A電弧電流實現電弧功率60MW，單個電極最大承載電流1000A，單次最大運行時間為30min。盡管該技術在國外已相當成熟，但由于技術保護等原因，國內還未見多電極運行技術研究的報道。

本文通過對雙陰極／單陽極和雙陰極／雙陽極電弧加熱器的運行調試，對比分析了鎮定電阻匹配方式、氣流參數和電流參數對電弧電流分配的影響，探尋了影響多電極穩定運行的關鍵因素。

圖1 電弧等離子設備發展時間表Fig.1 The development history of Aerospace plasma facility

1 試驗設備與方法

圖2為試驗采用的電弧加熱器原理圖，由陰極、壓縮通道、陽極和噴管組成，壓縮通道由相互絕緣的壓縮片疊加組成，在高壓直流電場的作用下，電弧被穩定維持在陰陽極之間。該設備與傳統設備的區別在于陰陽極由多個子電極組成，圖2（a）為雙陰極／單陽極電弧加熱器，陰極由兩個子電極組成，圖2（b）為雙陰極／雙陽極電弧加熱器，陰陽極分別由兩個子電極組成。

為便于說明，定義靠近壓縮段的陰極為內陰極（IC），陽極為內陽極（IA），反之則為外陰極（OC）和外陽極（OA）。連接內、外陰極和陽極的鎮定電阻分別定義為RIC，ROC和RIA，ROA；通過內外陰極和陽極各個子電極的電流定義為IIC，IOC和IIA，IOA，通過陰極和陽極的總電流為IC和IA。

加熱器多電極運行時，陰極（或陽極）內外電極相當于并聯，如果二者電位相同，電流會轉移到離壓縮片最近的內陰極（內陽極）上，電弧電流將無法分配到其余各個子電極上，達不到多電極分配電流的目的。為阻止這種行為，電極上應連接適量的鎮定電阻，使內外電極形成一定的電勢差以維持電極之間的電弧放電。另外，氣流和電流等運行參數的變化會引起加熱器運行狀態的變化，可能影響電流分配的穩定性和分配比例。因此，試驗對比了鎮定電阻匹配方式、氣流參數和電流參數對多電極運行的影響。

圖2 多電極電弧加熱器Fig.2 Arc heater with multiple electrodes

鎮定電阻采用水冷結構，0.1～0.3Ω范圍內阻值可調，額定電流1000A。該鎮定電阻采用多排不銹鋼管繞制而成，每排之間通過金屬滑塊連接，試驗前調節滑塊位置獲得所需的鎮定電阻值。試驗時，不銹鋼管中通入高壓去離子水強制冷卻，確保電阻在設計溫度范圍內運行，實現鎮定電阻在額定電流下長時間穩定可靠工作。

電弧加熱器運行時，由于陰極往外發射電子，燒損最為嚴重，試驗時首先對陰極由兩個電極，陽極由一個電極組成的雙陰極／單陽極加熱器進行了調試，摸索了影響陰極各子電極電流分配的因素，最后對陰陽極分別由兩個電極組成的雙陰極／雙陽極加熱器進行調試，對比分析了陰極和陽極各個子電極電流分配的影響因素和分配規律。

試驗時，采用磁調制式直流比較儀測量電弧電流，采用高精度電阻分壓器測量電弧電壓，采用孔板流量計測量氣體流量，采用惠斯通電橋測量鎮定電阻阻值。

2 結果與討論

2.1 雙陰極／單陽極電弧加熱器多電極運行調試結果分析

試驗時電弧電流設定為1000A。表1為試驗時采用的8種鎮定電阻匹配方式，S1～S6為外陰極鎮定電阻為零，內外陰極鎮定電阻之差逐漸減小；S7為內外陰極鎮定電阻相同；S8為外陰極鎮定電阻不為零，內外陰極鎮定電阻之差為0.4Ω。

表1 雙陰極單陽極加熱器鎮定電阻匹配方式Table 1 Ballast resistor setting of arc heater witha dual cathode and single anode

圖3為電弧電流1000A、氣體流量320g／s時，8種不同電阻匹配方式下，內陰極承載的電流情況。當外陰極鎮定電阻等于零，且內外陰極鎮定電阻之差大于0.40Ω時（即S1、S2和S3），內陰極電弧電流為零，外陰極電弧電流1000A，此時電流并未分配到內陰極上。當內外陰極鎮定電阻之差不大于0.40Ω時（即S4、S5和S6），內陰極和外陰極均承載電流，總電流能夠分配到各個子電極上，平均穩定電流分別為250A和750A，但電弧不穩定，幾秒后外陰極電流消失，內陰極承載全部電流。當內外陰極連接鎮定電阻相同時（即S7），開始幾秒電弧電流能夠分配到內外陰極上，隨后外陰極電流消失，內陰極承載全部電流。當內外陰極均連接鎮定電阻，并且內外陰極鎮定電阻之差等于0.4Ω時（即S8），電弧電流能夠分配到內外陰極且穩定承載，平均穩定電流分別為350A和650A。由此推測，只有在內外陰極均連接鎮定電阻，并且滿足一定電阻差（RIC－ROC≤0.4Ω）時，總電流才能分配到各個電極上。

圖3 不同電阻匹配方式通過內陰極的電流Fig.3 Arc current of inner cathode for different ballast resistor settings

圖4為總電流1000A、氣體流量320g／s、S8匹配方式時，各電極的電弧電流。在整個開車過程，內外陰極均承載電流，內陰極平均穩定承載電流為350A，外陰極平均穩定承載電流為650A，內外陰極分配的電流之比為7∶13。

圖4 IA＝1000A，G＝320g／s電弧電流Fig.4 Arc current for the operation parameters at IA＝1000A，G＝320g／s

圖5為總電流1000A、氣體流量255g／s、S8匹配方式時，各電極的電弧電流。由圖可知，當減小氣流量，電弧電流也可穩定分配到各個電極上，內、外陰極平均穩定電流為300和700A，電流分配之比由7∶13變為3∶7。這一結果初步表明，在一定的匹配方式下，改變氣體流量參數，電弧電流可以穩定分配到陰極的內外兩個電極上，但電流分配比例將隨著氣體流量的改變而發生變化。

圖5 IA＝1000A，G＝255g／s電弧電流Fig.5 Arc current for the operation parameters at IA＝1000A，G＝255g／s

圖6為總電流1500A，氣體流量255g／s，S8匹配方式時，各個電極的電弧電流。如圖中曲線所示，當增大電弧電流時，總電流可以穩定分配到各個子電極上，內、外陰極平均穩定電流為450和1050A，電流之比為3∶7。這一結果初步表明，在一定匹配方式下，氣體流量不變，改變電流參數，總電流可以穩定分配到陰極內外兩個電極上，且各電極電流分配比例保持不變。

對比圖4、5和6中結果可知，在一定的電阻匹配方式下，電弧電流可以穩定分配到各個子電極上。改變氣流參數和電流參數，各個子電極均可穩定分配到電弧電流，改變氣體流量參數，內外陰極電流分配比例發生變化，改變電流參數，電流分配比例保持不變。由此可見，影響雙陽極單陰極電弧加熱器電流分配的關鍵因素是鎮定電阻匹配方式，只有在一定的匹配方式下，電弧電流才能穩定分配到各個子電極上，而運行參數如氣體流量和電流的變化對電弧電流分配影響較小。

圖6 IA＝1500A，G＝255g／s電弧電流Fig.6 Arc current for the operation parameters at IA＝1500A，G＝255g／s

2.2 雙陰極／雙陽極電弧加熱器多電極運行調試結果分析

表2為雙陰極雙陽極電弧加熱器調試時采用的10種鎮定電阻匹配方式。其中S1～S4為內陽極鎮定電阻大于外陽極，內外陰極鎮定電阻取值不同；S5～S7為內外陽極均不連接鎮定電阻，內外陰極鎮定電阻取值不同；S8～S10為內陽極鎮定電阻小于外陽極，內外陰極鎮定電阻取值不同。

表2 雙陰極雙陽極加熱器鎮定電阻匹配方式Table 2 Ballast resistor settings of arc heater with a dual electrodes

表3為電弧電流1000A，氣體流量320g／s，不同鎮定電阻匹配方式下，各個電極承載的電弧電流。數據表明，試驗采用的10種匹配方式除S7外，各個電極上均承載電弧電流，不同的匹配方式下，電流分配比例不同。因此，只要陰極各個子電極連接鎮定電阻，電弧電流均可以穩定分配到陰陽極各子電極上。

對比S1～S3結果可知，陽極鎮定電阻不變，陰極變化時，陰極電流分配比例大幅變化，由1：3先后變為7：3和1∶1；而陽極電流分配比例變化則較小，由1∶3，變為7∶13和2∶3。對比S3與S4結果可知，陰極鎮定電阻相同且同時減小時，內外陰極電流分配比例減小，由1∶1變為37：63，而陽極電流分配比例保持不變。對比S3，S5與S10結果可知，改變陽極鎮定電阻匹配方式，陰極電流分配比例會發生變化，由1∶1變為9∶11和3∶2，陽極電流分配比例也隨之變化。由此可見，陰極電流分配對鎮定電阻匹配方式依賴性強，改變陰極鎮定電阻或陽極的鎮定電阻，均可引起陰極電流分配比例的變化，利用這一特性可實現電流分配比例的可控調節。

對比S1～S10可知，陽極連接鎮定電阻與否均可實現電流穩定分配在內外陽極上，且分配的電流之比與陰陽極鎮定電阻匹配方式有關。

表3 不同電阻匹配方式各電極承載的電弧電流Table 3 Arc current of separate electrode for arc heater with a dual electrode

對比雙陰極／單陽極和雙陰極／雙陽極電弧加熱器多電極運行結果可知，多電極運行時，陰極各個子電極必須同時連接鎮定電阻，才能實現電流的穩定分配；對于單陽極加熱器還需滿足一定的電阻差；而對雙陽極加熱器，陽極連接鎮定電阻與否，均可實現陰陽電極的電流穩定分配，且分配比例可大幅調節。因此，在電弧加熱器多電極運行時，為了便于各個電極承載電流的穩定分配和比例調節，陰陽極最好成對出現。

2.3 鎮定電阻電能損耗分析

對于雙陰極／單陽極電弧加熱器多電極運行時，內陰極需連接兩臺，外陰極需連接一臺鎮定電阻，最大損耗電功率為0.9MW，當電弧功率數十兆瓦時，鎮定電阻電能損耗率不超過5%。對于雙陰陽極電弧加熱器，內外陰極連接一臺鎮定電阻，陽極不連接鎮定電阻，電弧可穩定分配到各個子電極上，最大損耗率為0.6MW，當電弧功率數十兆瓦時，鎮定電阻電能損耗率為3%。

鎮定電阻最大電功率消耗將近1MW，因此，在多電極運行時，確保電弧穩定分配到各電極的情況下，選用電流分配均勻，且電能損耗最小的電阻匹配方式。

3 結 論

通過對電弧加熱器的多電極運行調試，掌握了影響電流分配的關鍵因素，通過鎮定電阻匹配方式調節，實現了多電極穩定運行。主要結論如下：

（1）鎮定電阻匹配方式是影響多電極運行時電流分配的關鍵因素，在一定的匹配方式下，運行參數的變化對電流的穩定分配影響較小。

（2）多電極運行時，陰陽極成對出現，便于各個電極承載電流的穩定分配和比例調節；陰極電流分配對鎮定電阻的依賴性強，要求內外陰極同時連接鎮定電阻；而陽極連接鎮定電阻與否，均能實現內外陽極電流的穩定分配。

（3）多電極運行時，宜選用電流分配均勻，電能損耗最小的電阻匹配方式。

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