脈沖大電流下電極燒蝕特性分析綜述*

羅啟平，李 婷

（廣西機電職業(yè)技術學院 電氣工程系，廣西 南寧 530007）

引言

電極燒蝕是指在電弧能量的作用下，準確地說是在輸入電極表面的電弧能量作用下，材料逐漸損耗的過程，一般是通過脈沖大電流條件在空氣中或者水中快速放電引起的。電容儲存的能量瞬間放電，電極被瞬間擊穿，產(chǎn)生電弧放電或者電暈放電[1]，高能密度的通道充滿高溫（104～105K）的等離子體。瞬間釋放的高能量產(chǎn)生高幅值的沖擊波壓力。電極材料的熔點，沸點一般都達不到高溫等離子體的溫度，因此高溫電弧會導致電極表面燒蝕。脈沖大電流放電過程電極的燒蝕會存在很多種類型，包括消融、等離子體濺射、電極氧化、等離子體轟擊電極表面、電蝕[2]等。電極的燒蝕也是限制脈沖功率發(fā)展的瓶頸，因此，近年來很多學者都對電極的燒蝕開展了廣泛的研究[3-6]。然而電極燒蝕是一個非常復雜的過程，放電瞬間會產(chǎn)生很多的物理變化和化學反應。本文首先調(diào)研總結空氣中和水中電極燒蝕速率的定量表示；接著分析了影響電極燒蝕的因素，比如電極材料的影響，放電電壓、放電振蕩電流、電極間距、放電介質(zhì)的影響、等離子體噴濺等；最后提出減少電極燒蝕的方法和延長電極工作壽命的方式。

1 電極燒蝕速率

電極燒蝕速率是影響電極使用壽命的重要的影響因素，電極燒蝕速率低，電極的使用壽命就更久。因此很有必要對不同材料放電燒蝕量給出定量的分析，得到不同放電介質(zhì)電極的燒蝕量的大小，為選擇電極材料提供參考。由于電極燒蝕量基本是幾十mg/C，因此對電極燒蝕過程電極材料的準確測量就至關重要。為了準確稱量電極質(zhì)量，實驗前對電極進行拋光、清洗、烘干，以去除附著于電極材料表面的雜質(zhì)，然后稱量電極質(zhì)量；實驗后再對電極進行清洗、烘干，除去電極表面的放電附著物并稱量電極質(zhì)量。當然也可以通過測量電極燒蝕量的體積或者測量放電前后介質(zhì)中相關離子的含量間接地求得電極材料的燒蝕體積。表征電極燒蝕量的方式多種多樣，如每次放電電極燒蝕量、單位燃弧時間電極燒蝕量、單位電弧能量電極燒蝕量等。根據(jù)能量守恒，如果輸入到電極間隙的能量是相同的，那么電極材料的燒蝕量Δm，理論是一致的，而電弧能量是抽象的，如果能夠保證電極兩端的電壓一致，那么W=uQ∝Q，則Δm/Q 能很好地反應電極的燒蝕速率，這也符合能量守恒定律。

1.1 空氣中放電電極燒蝕速率

表1 不同材料電極燒蝕速率

表2 電極燒蝕速率

陳維青等人[3]測量了100kA 微秒級電流脈沖于空氣放電，黃銅、不銹鋼、鎢銅合金和高密度石墨4 種電極材料的燒蝕量。電極虧損量和電極燒蝕速率如表1 所示。

作者認為，黃銅的燒蝕率最大，不銹鋼、鎢銅合金次之，高密度石墨的燒蝕率最少，為1.19mg/C。

謝昌明等學者[7]研究了常壓氮氣環(huán)境放電脈沖電流為幾個KA 的不同電極的燒蝕速率，實驗結果表明鉬、鎢銅和鎢的燒蝕速率依次為：3.32×10-2C-1·m-2，2.63×10-2C-1·m-2和 1.74×10-2C-1·m-2，作者認為，鎢開關電極燒蝕率最小，鎢銅的燒蝕速率次之。Donaldson 等學者[8]給出了不銹鋼、鎢銅、石墨銅及石墨作電極的陰極和陽極各自的燒蝕速率。不同材料的電極燒蝕速率如表2 所示。

作者以為：不銹鋼和鎢銅都表現(xiàn)出了優(yōu)良的抗燒蝕的能力，而石墨的燒蝕量最大；不管電極采用何種材料，陰極的燒蝕速率都明顯高于陽極的燒蝕速率，陽極質(zhì)量出現(xiàn)了微增的現(xiàn)象。這由能量傳遞過程可獲得解釋[9]。陽極獲得的能量主要是由電子轟擊所傳遞，陰極所獲得的能量主要由正離子轟擊傳遞。只要放電時間足夠，正離子加速撞擊陰極，通常使陰極的燒蝕比陽極嚴重。

白峰等學者[10]針對硬鋁合金、工業(yè)純鈦、鈦合金、奧氏體不銹鋼、銅鋅合金、工業(yè)純鉬和鎢銅合金等七種電極材料，進行多次沖擊大電流侵蝕實驗研究。結果表明，電極材料按燒蝕程度由大到小的順序排列依次為硬鋁合金、鈦合金、工業(yè)純鈦、不銹鋼、銅鋅合金、純鉬和鎢銅合金。說明鎢銅合金表現(xiàn)出優(yōu)良的抗電極燒蝕的性能。以石墨、鎢銅合金和不銹鋼作電極的燒蝕實驗[11]結果表明：不銹鋼電極的質(zhì)量損失率最大，鎢銅合金電極的質(zhì)量損失率較小，石墨電極質(zhì)量損失率最小。文獻[2]選用黃銅、不銹鋼、鋁和鎢銅合金作為電極材料，研究了不同材料電極的燒蝕和工作壽命的關系。實驗結果表明鎢銅的燒蝕量最小，不銹鋼和純鋁的燒蝕量次之，而黃銅的燒蝕量最大。

吳佳瑋等學者[12]研究了密封腔體、大電流條件鎢銅電極的燒蝕特性，結果表明：陰極電極頭燒蝕更為嚴重，電極燒蝕率為6.3×10-6cm3/C，陽極電極頭的電極燒蝕率為5.5×10-6cm3/C，同時陽極、陰極質(zhì)量隨著自擊穿次數(shù)（＞500 次）的增加均呈現(xiàn)較為均勻的線性下降。作者測量了5800 次自擊穿放電后陰極電極表面的20 個凹坑，其深度平均值為78μm。

1.2 水中放電電極的燒蝕速率

文獻[13]給出了水中不同電極材料的燒蝕情況。實驗結果表明：鎢、純鉬的抗電極燒蝕性能優(yōu)良，鉬銅、黃銅次之，純鐵純銅的抗電極燒蝕能力最差。華中科技大學的學者同樣測量了水中放電黃銅、鎢銅電極的燒蝕速率。實驗結果表明：鎢銅電極的燒蝕量為5.18mg/C，黃銅電極的燒蝕量為7.66mg/C，鎢銅電極的燒蝕量要比黃銅電極的燒蝕量要小。值得一提的是，水中放電電極燒蝕量明顯高于空氣中。

2 影響電極燒蝕的因素

雖然高電壓大電流作用的瞬時放電是一個復雜的物理化學反應過程，但總體來說燒蝕基本是以熔化、濺射、氧化、電離子轟擊解體和電蝕等五種形式存在的，其中電極熔化和電蝕是電極燒蝕的主要來源。可見很多因素都會影響電極燒蝕。因此探討影響電極燒蝕的影響因素可以為電極材料的燒蝕來源提供感性認識。

2.1 電極材料

顯而易見，電極材料是影響電極燒毀的一個重要來源。不同的電極材料的物理、化學特性差異較大，前面文獻顯示高比熱容、高密度、高熱導率、高熔點和高電導率的材料，電極的抗燒蝕性能明顯增強。一般而言，鎢銅、不銹鋼的抗燒蝕性能要好于黃銅。俄羅斯Shvetsov 等人[16]研究表明如果鉬的含量處于20%到80%之間，鉬銅合金的侵蝕量比純鉬的侵蝕量少三倍之多，比純銅的燒蝕量少10 倍之多。

2.2 放電條件

電極的燒蝕量不僅與電極材料的物理化學屬性相關，還與電極的放電條件密切相關。放電電壓、放電傳遞的電荷量、放電電流的波形、峰值電流的大小，電極的工作介質(zhì)及放電頻率等[15]都是影響電極燒蝕量的關鍵因素。這些影響因素之間的干擾可能是互相耦合的，因此研究過程需要盡量保證變量的單一性，這也是電極燒蝕準確性的基本保證。

2.2.1 轉移電荷量對電極燒蝕量的影響

Donaldson 等學者[8]得出一定的脈寬和給定的放電頻率，電極的燒蝕速率和轉移電荷量近似成正比的結論。電弧能量等同于這暗示用來使電極融化、汽化或者噴濺的能量主要來自于陰極電弧的電壓降區(qū)域（離子碰撞加熱）而不是局部的加熱（i2R）損耗。轉移電荷量和電弧能量是線性關系，電極的燒蝕速率與轉移電荷量近似成正比。因此降低電弧等離子體區(qū)的電壓降，就能降低電極的燒蝕速率[3]。

2.2.2 電弧作用時間對電極燒蝕量的影響

電極燒蝕與電弧電流和電弧燃燒時間[3]是密切相關的，降低電弧的電流密度（例如產(chǎn)生多通道放電），減小電弧的持續(xù)時間等會減小電極的燒蝕量。蘇聯(lián)布特克維奇等學者得到了電極燒蝕量和電弧作用的經(jīng)驗公式：m=kIatb。其中，m 為電極燒蝕量，I 為電流有效值，t 為電弧燃燒時間，k 為系數(shù)。

2.2.3 電流峰值對電極燒蝕量的影響

西安交通大學的部分學者[14]研究了不同放電條件影響電極燒蝕的因素。實驗結果表明，如果放電電流波形一樣，峰值電流是影響電極燒蝕的重要因素。電極表面燒蝕坑深度隨著峰值電流呈非線性增長。若電流峰值處于18kA 與30kA 之間，燒蝕坑深度隨電流峰值增加而迅速增加；若電流峰值小于18kA 或者大于30kA，燒蝕坑深度隨電流峰值增加變化不明顯。電極的侵蝕深度如表3 所示。

表3 電極的燒蝕深度

如果峰值電流和放電時間均相同，放電電流波形不同，影響電極燒蝕的主要因素是電荷量和放電電流。傳遞的電荷量越大，則電極表面出現(xiàn)的燒蝕坑深度越大。這是由于提供了較多能量驅(qū)使表面電極材料發(fā)生物相轉變以及液滴濺射。當放電電流振蕩頻率越大時（傳遞電荷量相同），電極表面燒蝕凹坑越淺。等量的電荷能量被分散成多次釋放于電極后，減緩了電極表面溫度的上升，同時利于熱量的傳導并釋放，從而減輕了電極的燒蝕程度。

鎢銅做陰極的情況，試驗結果表明電弧壓縮會明顯影響陰極斑點的電流密度而對陰極表面的溫度的影響很小[5]。低電流的條件，陰極內(nèi)部的熱傳導和陰極表面的熱傳遞占電弧能量傳遞的大部分，高電流的條件，陰極熱電子的電力碰撞是造成能量消耗的主要部分。因此對高電流的放電而言，為了降低陰極的燒蝕量，采用低蒸汽壓力的陰極材料可以明顯的降低電極的燒蝕量，而散熱設計處于相對次要的位置。而針對高電流電極燒蝕的情況，結果顯示如果放電電流處于100～300KA，陽極的電極損失量要遠遠大于陰極的損失量[17]。文獻給予的解釋：雖然陰極可能通過金屬噴濺快速的燒蝕，但因陽極傳遞的材料使得陰極的燒蝕量明顯減少。Sultanov 等人[18]指出一對電極的侵蝕是由于來自另一個電極金屬噴濺到另一個電極的影響。

2.2.4 放電重復頻率對電極燒蝕量的影響

放電頻率是電極燒蝕的重要來源之一，根據(jù)文獻[2]研究不同電極材料不同放電頻率電極燒蝕量的問題。放電頻率為10Hz 和1kHz 的電極燒蝕量分別如表4 和表5。

結果表明，如果開關工作于10Hz 的重復頻率，黃銅、鋁、不銹鋼和鎢銅合金的電極燒蝕率依次減小；如果開關工作于1kHz 的較高重復頻率，電極的燒蝕程度依次減小的順序為鎢銅合金、鋁、不銹鋼和黃銅，陰極燒蝕量普遍比陽極要高。說明電極燒蝕量不僅與材料固有的特性參數(shù)有關，還受放電條件如放電頻率的影響。

2.2.5 電極間隙距離對電極燒蝕量的影響

Lehr 等學者[4]研究了電極間隙距離對電極燒蝕量的影響。實驗結果表明，電極燒蝕量和電極間的距離并不是簡單地線性關系。可能存在最佳的電極間距，使得電極的燒蝕體積最少（見表6）。

2.2.6 電極表面粗糙因子（SRC）對電極燒蝕量的影響

顯而易見，脈沖大電流放電會產(chǎn)生電極燒蝕，隨著放電次數(shù)的增加，電極燒蝕的程度隨之增加，從而產(chǎn)生電極燒蝕坑，電極表面粗糙因子增加，這會導致放電振蕩和自擊穿幾率[17]的增大，這對減小電極侵蝕來增減放電穩(wěn)定是不利的。放電次數(shù)對電極表面粗糙因子的影響如圖1所示。實驗結果表明：SRC 的趨勢可以分為兩個階段：第一個階段，SRC 輕微的減小，電極表面的粗糙程度變小因為電弧于電極表面隨機地放電；第二個階段，SRC 迅速增大。當每次放電電弧都作用于同一處燒蝕坑的時候，大量的更深的燒蝕坑形成。由于燒蝕坑處電場發(fā)生畸變，場強異常的增大，使得放電電弧更容易于燒蝕坑附近形成。這樣就形成了惡性循環(huán)。最終電極表面將會形成高低不平的燒蝕坑，使放電的可靠性大大降低，嚴重影響電極的壽命。如圖1 所示。

表4 開關頻率為10Hz，電極陰極、陽極的燒蝕量

表5 開關頻率為1kHz，電極陰極、陽極的燒蝕量

表6

圖1 SRC 對電極燒蝕量的影響

總而言之，影響電極燒蝕量的因素比較復雜，電極材料、放電條件、間隙距離和等離子體噴濺都會影響電極燒蝕量。其中，電極材料的物理化學性能（比熱容、密度、熔點和熱導率）會本質(zhì)性的影響電極的抗燒蝕性能。放電條件同樣是不可忽視的影響因素。不同的開關工作介質(zhì)、工作重復頻率、峰值電流大小、單次脈沖傳遞電荷量、總傳遞電荷量和放電電流波形等放電條件都會極大的影響電極燒蝕。像石墨這類的特殊電極材料，因燒蝕過程只存在固相和氣相兩相，因此不存在融化侵蝕的現(xiàn)象，這都會影響電極燒蝕情況的分析。

3 分析與討論

為了能定量的分析電極的燒蝕情況，文獻歸納了不同材料的電極的燒蝕速率。總體情況而言，鎢銅、不銹鋼的電極燒蝕速率要小于黃銅的電極燒蝕速率。這和許多學者的理論分析相一致。電極燒蝕量除了電極材料的影響，還要考慮放電條件（放電電壓和峰值電流，放電重復頻率，放電介質(zhì)，放電能量）及幾何條件（放電間隙距離，放電電極的型式）的影響。一般而言，電極的燒蝕量與放電電壓、電容儲能、峰值電流和間隙距離成正相關，與放電時延成負相關。水中電極的燒蝕量明顯高于空氣中電極的燒蝕量。然而目前對電極燒蝕的研究只是給出了電極材料于不同放電條件電極燒蝕速率的定量分析，但未給出電極燒蝕過程中哪種因素占燒蝕的主導地位。因水中電極燒蝕的可控變量過少，目前對水中電極燒蝕的研究還處于起步階段。