交流電弧等離子體炬及其應用的研究進展

周 法，馬漢東，陳海群，朱興營，劉 祥

(中國航天空氣動力技術研究院，電弧等離子應用裝備北京市重點實驗室，北京 100074)

0 引 言

等離子體被稱為物質存在的第四態，其中含有大量的原子、分子以及由它們電離出的電子、離子和原子團等，這些帶電和不帶電的粒子組成了一個準中性的粒子體系[1-2]。等離子體的分類方式很多，一般按照這些粒子體系整體所呈現的宏觀溫度的高低分為高溫等離子體和低溫等離子體兩大類[2-3]。其中，低溫等離子體中電子溫度與重粒子（原子、分子、離子等）溫度均約為104K 的高溫部分電離氣體稱之為熱等離子體[3]。電弧等離子體屬于典型的熱等離子體，由于其高溫、高能量密度、高活性等特點，在固體廢棄物的處理（包括生活垃圾、醫療垃圾、生物質以及其他工業廢棄物等）、能源化工（燃煤電廠鍋爐的點火、助燃以及其他化石燃料的熱解、氣化和再利用等方面）、材料處理（包括碳納米材料制備、粉末球化、金屬熔煉、還原以及其他材料熱處理）以及國防軍工等多方面均有很好的應用前景。

電弧等離子體炬是一種常見的以中高壓放電形式產生電弧等離子體的裝置，在工程技術領域有著廣泛的應用[4]。產生電弧等離子體的驅動電源可以是直流電源，也可以是交流電源[3,5]。通過交流電源產生等離子體的電源種類很多，有千赫茲交流電源、工頻交流弧焊電源、工頻高電壓電源等。由于交流電弧等離子體炬在工業應用中相比直流電弧等離子體炬具有電極使用壽命長、裝備成本和運行成本較低、熱效率較高等優勢，在工業領域具有更好的應用前景。本文將綜述國內外交流電弧等離子體炬的研究進展，并對交流電弧等離子體炬在除國防軍工領域之外的應用研究情況進行詳細闡述。

1 交流電弧等離子體炬的研究進展

交流電弧等離子體炬研究出現在20 世紀60 年代，經過幾十年的發展，目前在理論分析和實驗研究兩方面對交流電弧等離子體炬的不同結構形式和工作原理、氣體介質與電弧特性以及電極燒蝕等多方面開展了大量研究工作，已形成單相、三相和多相交流電弧生成模式以及空心電極和棒狀電極等不同結構的等離子體炬。下面將圍繞交流電弧等離子體炬的結構形式及其工作特性等方面進行研究綜述。

1.1 不同結構交流電弧等離子體炬及其工作原理

俄羅斯科學院電物理與電力研究所（Institute for Electrophysics and Electric Power of Russian Academy of Sciences，IEE RAS）在不同結構交流電弧等離子體炬的設計和開發方面開展了大量的研究工作[6-10]，開發了以空氣等多種工作介質的最高長達數千小時使用壽命的交流電弧等離子體炬，這些裝置功率從5 kW到80 MW，熱效率達到90%～95%。

IEE RAS 的Safronov 等[6-8]研究開發了具有不同使用目的、不同設計、不同特點的高功率交流等離子體炬，以允許在一個寬泛的功率范圍和壓力范圍內實現某一特定種類的三相交流等離子體炬的運行。作者設計了一種單室三相交流電弧等離子體炬[6]，這是一種帶有導軌型管狀電極的交流電弧等離子體炬，如圖1 所示。這種等離子體炬包括：外殼、帶一個噴嘴的出口法蘭、一套電極以及一個注入器，其中外殼采用不銹鋼材質，并設置有循環水冷通道，沿外殼的長度方向設有3 組帶有切向小孔的進氣環，每一組進氣環都是進行獨立供氣，電極采用U 型設計，由直徑為20 mm、帶有8 mm 內孔的銅棒彎制而成，電極通過陶瓷絕緣件和氟塑料套管與不銹鋼殼體進行隔離，注入器是一支高電壓單相交流等離子體炬，并將其插入到電極之間的空隙中。這種單室三相交流電弧等離子體炬可以采用中性介質（氮氣或其他惰性氣體）和氧化性介質（空氣等）運行，空氣流量從15 g/s 到70 g/s范圍內變化，功率在100～500 kW 范圍內變化。

圖1 帶有導軌型電極的等離子體炬示意圖[6]Fig. 1 Schematic of the plasma torch with rail electrodes[6]

這種設計的等離子體炬運行的原理是通過注入器產生的等離子體進入U 型電極之間距離最小的空間內，向主電極施加電壓之后，在主電極之間形成電弧，電弧在電磁力和氣動力的作用下沿著U 型電極朝著電極間距擴大的方向運動，電弧長度不斷增大，弧電壓不斷提高直到電弧熄滅，然后電極之間距離最小的空間內又發生了一次新的擊穿，如此重復上述過程。在不同電極之間主電弧快速運動，其速度為10～30 m/s，速度的大小取決于電流強度、電極的傾斜角度、工作氣體的流速以及供氣方式，電弧在縱向和橫向上運動，充滿了放電室內的大部分空間。

上述注入器可以是直流電弧等離子體炬也可以是交流電弧等離子體炬，其中作者設計了一種高電壓單相交流電弧等離子體炬來作為上述注入器，以用來產生所需的等離子體，如圖2 所示。這種等離子體炬主要包括外殼、一個帶噴嘴的出口法蘭、末端可替換的電極，其設計的主要特點是這種等離子體炬有兩個圓形通道，并且這兩個圓形通道的中軸線以15°的傾角交匯在一起，然后進入一個共同的噴嘴。電極采用紫銅或者其他復合材料做成，一端安裝于圓形通道內，另一端與單相交流電源相連接。

圖2 帶有冷卻電極的單相交流電弧等離子體炬示意圖[6]Fig. 2 Illustration of a single-phase AC plasma torch with a cooled electrode[6]

這種單相交流等離子體炬運行的基本原理是在電極之間加一個峰值6 kV 交變電壓的作用下，在電極尖端的凸緣和每一個通道的壁面之間的間隙發生電擊穿，產生了兩條電弧。這兩條電弧在切向進入圓柱形放電通道的氣流作用下，被吹向電極的末端，并且進一步沿著放電通道的壁面移動到通道的末端并在噴嘴部分彼此閉合，如果電弧熄滅，則重復上述過程。這些僅在所述等離子體炬兩條放電通道的長度要與可能產生的電弧長度相匹配的條件下完成，而電弧的長度是由電源的參數和工作氣體來決定的。這種單相交流等離子體炬的結構設計簡單，然而，這種炬也存在很多缺點：如產生的等離子體射流存在很大的溫度波動，從而導致電弧的不穩定；另外需要6～10 kV 的高電壓才能運行，這種電源一般需要定制，電源的成本很高。

Safronov 等還設計了一種棒狀電極交流電弧等離子體炬，并以此開展了高壓惰性氣體交流電弧等離子體炬放電物理過程的研究[7]以及熱量傳遞過程的研究分析[8]，這種棒狀電極等離子體炬按照功率不同分為兩個系列，功率達50、100、140 kW 三種型號的PPT 型等離子體炬和功率達0.2、2、10、80 MW 四種型號的EDP 型等離子體炬[9]。從設計的角度看，PPT型等離子體炬和EDP 型等離子體炬在結構上是相同的，主要由殼體、電弧室和電極模塊組成，如圖3所示。

圖3 三相交流電弧等離子體炬示意圖(上)和實物照片(下)[7]Fig. 3 Schematics of 3-phase arc plasma torch (Up) and its photograph (Down)[7]

電極模塊采用一套紫銅本體上焊接直徑16 mm的鎢棒，所有電極的后端進行水冷，其中一些電極還通過軸線方向的氣流進行冷卻，殼體進行接地處理，殼體內部設有水冷套以防止電弧室內高溫對于殼體的損害，絕緣體6 和7 用來將電極模塊和殼體進行電絕緣。工作氣體從支管5 進入旋氣室，然后通過一系列切向通道進入弧室內部，工作氣體壓力高達81 bar（1 bar = 100 kPa）。對于PPT 型等離子體炬采用電壓為220/380 V 的工頻三相交流電源，每一相都連接有電抗器，以實現平滑地調節電流，EDP 型等離子體炬工作在很寬的電壓變化范圍內，利用帶變壓器的電源為其供電。

作者以N2為工作氣體研究了不同氣體壓力下等離子體炬的伏安特性，并同步記錄下電弧電壓變化相一致的光學信號，通過高速相機（頻率：3 600 幀/s、曝光時間：0.03 ms）來觀察等離子體炬電弧室內的物理過程，氣體壓力范圍為1～30 bar。研究發現，交流電弧等離子體炬呈現下降的伏安特性，增大氣體流量對電弧形狀、釋放特性以及電弧穩定性有很強的影響，并且電弧穩定性在很大程度上取決于電流強度；在工作氣體壓力為1 bar 和電弧電流強度為220 A 時，能夠保持一個穩定電弧的工作氣體流量上限為25 g/s；增大氣體壓力，電弧通道的輻射在可見光范圍內逐漸消失，最后僅剩下氣體輝光，在電弧中形成一個導電性的通道和氣體加熱方面氣體動力學過程起到了一個決定性的作用。此外，作者還針對等離子體炬工作氣體為N2時，不同壓力和氣體流量對弧室內以輻射的形式損失的能量進行了研究和分析，研究發現，三相交流電弧等離子體炬單位電弧長度的時間平均輻射系數（εd）是壓力（p）的遞增函數，在實驗研究參數變化的范圍內，輻射系數可以表示為壓力的指數函數關系，如式（1）和圖4 所示：

圖4 輻射率與壓力的依賴關系[8]Fig. 4 Pressure dependence of emissivity[8]

此外，輻射能量損失在整個能量損失中的占比隨著壓力的增大先是快速增加、而后趨于平緩，在弧室壓力小于1.5 MPa 時，壓力的變化對輻射能的損失份額的改變是顯著地，弧室壓力1.5 MPa 時輻射能損失約占總能量損失的75%～80%，隨著壓力的進一步增加，輻射能損失的份額變化很小，如圖5 所示，這是由于其他形式的能量損失在弧室壓力達到一定值以后與輻射能損失對于壓力的依賴幾乎一致，從而導致變化很小。從圖5 中我們也可以看出，輻射熱損失份額隨著氣體流量的增加而減小，這是因為氣體流量的增加會導致對流等熱損失的增加，一般地，氣體流量的改變對于輻射能損失份額χ 的影響是很弱的，氣體流量約3 倍的改變量才會導致χ 約10%的改變量。

圖5 兩種不同氣流條件下（ 0.03、0.08 kg/s）輻射能損失份額χ關于壓力的變化曲線[8]Fig. 5 Share of radiant loss χ with respect to pressure at air flow rates of 0.03 kg/s and 0.08 kg/s

Surov 等[10]設計開發了運行功率為150～500 kW的空心電極三相交流空氣等離子體炬，如圖6 所示，這種裝置采用旋氣穩弧的圓柱形放電通道，兩根電極之間的電弧長度約為2.5 m，可以實現在較高的電弧電壓降（2～3 kV）和較低的電弧電流（＜ 100 A）下工作。試驗研究發現，此等離子體炬最大輸出功率為500 kW，將此等離子體炬在85 A 電流、功率410 kW的實驗條件下運行30 min 以上，獲得炬的熱效率為92%。這種等離子體炬在電流為83 A，電弧電壓為2 800 V 時，電極的使用壽命大約為2 000 h，研究還發現在等離子體炬運行的最初50 h 時間內，電極質量燒蝕量為1.1×10-6g/C，然后這個值逐漸增大，到運行180 h 時，電極質量燒蝕量穩定在3.3×10-6g/C。

圖6 高電壓交流電弧等離子體炬[10]Fig. 6 Illustration of high-voltage AC arc plasma torch[10]

交流電弧等離子體炬雖然主要集中在三相等離子體炬的研究與開發，但是為了在實際應用中形成更加均勻和穩定的等離子體高溫場，目前國內外一些研究機構已開發出多相交流電弧等離子體炬。

日本東京工業大學和福井工業技術中心等研究機構聯合開展了多相交流等離子體技術的研究工作，Takayuki Watanabe 等設計了一種12 相交流電弧等離子體炬[11]，采用工頻交流弧焊電源和氬氣工作介質來產生了多相交流等離子體射流。為了產生12 相交流放電，使用了12 個單相交流弧焊電源（型號DAIHEN B-250），這些電源具有下降的伏安特性，其輸入電壓、最大空載輸出電壓、典型加載電壓、功率和電流的輸出范圍分別是200 V、80 V、32.5 V、12.4 kW 、75 ～ 250 A。將12 個單相交流弧焊電源分為兩組，每一組6 個電源分別通過“△”連接和“Y”連接與商用交流電網（三相交流、200 V、60 Hz）相連接，從兩組電源出來的12 個輸出線路直接與相應的等離子體炬電極相連接。12 相交流電弧等離子體炬的電路系統構成及實際實驗過程中的放電照片如圖7 和圖8 所示。

圖7 12 相交流電弧等離子體炬電路示意圖[11]Fig. 7 Diagram of electric circuit of 12-phase AC arc plasma torch[11]

圖8 12 相交流電弧等離子體炬放電圖[11]Fig. 8 Discharge photograph of the 12-phase AC arc plasma torch[11]

對于這種12 相交流等離子體炬，每個電極彼此之間間隔30°均布放置，這些電極根據不同的應用可以采用不同的材質和尺寸。作者以一種直徑3.2 mm的水冷鎢鈰電極交流電弧等離子體炬為例，通過焓探針和高速相機等手段分析了其放電行為[12]，研究發現輸入功率和鞘層氣體流量對多相交流電弧行為有很大影響，高輸入功率導致高電弧溫度和速度，當鞘層氣體流量增加時，由于強烈的冷卻效應，電弧中心的溫度升高，電弧邊緣的溫度降低。電弧速度在電弧中心和邊緣之間呈現明顯的變化，更詳細的電弧行為特性見本文1.2 節。

在國內，清華大學工程物理系郭恒等[13]以臨近空間高超聲速飛行器以及航天器再入大氣環境飛行過程“黑障”問題的研究為背景, 開展了多相交流電弧等離子體放電裝置的設計。黑障是高超聲速飛行器在再入和巡航大氣層過程中，由于機體與大氣之間劇烈的摩擦作用導致產生脫體激波。激波后的氣體由于溫度的急劇升高會發生電離，在飛行器表面形成一層由電子、多種離子、多種中性粒子組成的等離子體流，包覆在飛行器的周圍，形成等離子鞘套，從而導致飛行器與地面站之間的無線通信不能正常工作[14]。盡管目前還未建立起一種手段能夠在地面環境中完全再現真實的高超聲速等離子流場環境，但是從模擬飛行器與其周圍環境在某些方面的相互作用過程這一角度來看，通過電弧等離子體炬來產生大量等離子體包覆飛行器仍然是一種較好的地面模擬手段，這就需要在地面模擬實驗中產生具有足夠大體積、足夠厚鞘套厚度以及足夠高等離子體密度的包覆飛行器表面的等離子體鞘套環境。為此，作者建立了一套六相交流電弧等離子體實驗研究平臺，在此平臺上開展了等離子體射流特性的實驗研究。在背壓為500 Pa的亞大氣壓條件下獲得了最大直徑和長度分別達到14 cm 和60 cm 的等離子體射流。同時，還研究了工作氣流、真空腔壓強等因素對等離子體射流的影響規律。研究發現，真空腔壓強對等離子體射流的影響最為顯著，等離子體自由射流的長度和直徑以及沖擊鈍體條件下的鞘套有效工作長度和厚度均隨著壓強的降低而增大；提高沿電極環縫注入的工作氣體流量或弧電流亦有利于等離子體鞘套尺寸的增加。此外，作者還針對非平衡態氬等離子體的射流特性開展了數值模擬研究[15]，在亞聲速條件下二維非平衡數值模擬所得到的計算結果與實驗測量結果符合良好，超聲速條件下的數值模擬結果表明，隨著真空腔壓強的降低，等離子體射流流速明顯増大，覆蓋鈍體頭部的等離子體鞘套的厚度先減小，而后又増加，鞘套的空間均勻性以及等離子體向鈍體表面的總傳熱量均顯著降低，而鈍體頭部的局部電子數密度則増大。華北理工大學蘇運波在其碩士論文中[16]詳細闡述了六相交流電弧放電等離子體發生器的設計、等離子體驅動電源系統的設計以及等離子體射流特性的影響因素，提出了采用水冷約束管和冷氣體注入相結合來提高等離子體射流直徑和長度的方法，在中等氣壓條件下獲得了放電均勻穩定的高溫等離子體射流。

1.2 交流電弧等離子體炬的電弧特性

IEE RAS 的Surov 等[10]針對單相和三相空心電極交流電弧等離子體炬的電弧特性進行了研究。單相模式的高電壓交流電弧等離子體炬的實驗裝置如圖9 所示，最大功率10 kW、以空氣作為等離子體工作介質，這種等離子體炬在10 A 時的電弧弧柱電場強度約為30～40 V/cm，而在電流為80 A 時電弧電場強度僅有7～11 V/cm，因此為了獲得較高的電弧電壓降，需要增加電弧放電通道的長度至1 m 左右。單相電弧弧根點和弧柱通過電磁場和旋轉氣流來進行控制，大部分弧柱長度位于放電通道軸線方向上，一小部分在等離子體炬外部空間，因此實驗模型兩個電極之間的整個電弧長度約2.5 m（兩個放電通道內部長度1 m + 1 m，外部長度0.5 m）。

圖9 單相模式的高電壓交流等離子體炬[10]Fig. 9 Single-phase model of high-voltage AC plasma torch[10]

三相模式下電弧在通道中的運行與單相交流模式下的情況相同，電弧弧柱在三個通道外部彼此閉合。作者通過高速相機來觀察電弧的燃燒特性，實驗裝置示意圖如圖10 所示，位于放電通道出口處的電弧（圖10 中相機9-S 拍攝的側方位電弧照片）和通道內電極附近的電弧（圖10 中相機9-R 拍攝的后視圖）如圖11 所示。

圖10 高電壓空心電極三相交流電弧等離子體炬示意圖[10]Fig. 10 Schematic of high voltage three-phase AC plasma torch with hollow electrodes[10]

圖11 放電通道外部電弧（左）和電極內表面弧根（右） [10]Fig. 11 Photo of electric arc outside the channels (L) and arc roots on the internal surface of the hollow electrode (R) [10]

圖12 顯示了空心電極交流電弧等離子體炬運行的高速拍攝畫面（前視圖，圖10 中9-F 相機拍攝）。從圖中我們可以看到，等離子體炬通道出口處電弧的擴散和收縮區域可見，在電流峰值時刻可以看到更多明亮的電弧，在相應相電流通過零點的過渡處很少能夠觀察到明亮的電弧，弧光非常暗淡。

圖12 空心電極交流電弧等離子體炬的電弧[10]（高速視頻圖片，4 000 幀/s，每幀曝光時間2 μs，每一幀圖片的左邊都有編號，右邊有開始記錄的時間）Fig. 12 Arcs of AC plasma torch with hollow electrodes[10] ( Frames of high speed video, frame rate 4 000 fps, the exposure time of each frame is 2 μs. Each frame has its number on the remaining, time from start of record is on the right. )

對于三相交流電弧等離子體炬，法國巴黎高等礦業學校Rehmet 等[17-21]從數值模擬和實驗研究兩方面對其進行了研究，針對電弧區域通過理論分析開發了一個三維非穩態磁流體動力學模型，并結合實驗研究對兩種不同結構的三相交流電弧等離子體炬的電弧特性進行分析。一種是三根電極軸線處于同一平面內并以120°角交叉布置（以下簡稱：120°共面交叉結構），另一種是三根電極軸線方向在空間彼此平行但是不共面布置（以下簡稱：平行不共面結構），開展了電參數、氣流速度、電極結構等參數對電弧行為影響的試驗研究和模擬計算等工作，這些研究中突出了電磁對電弧運動的主要影響。研究顯示不同的電極布置方式對于電弧的影響不同，在120°共面交叉結構，電弧被限制在電極之間的空隙這一區域，電弧行為主要受到電極射流的流體動力學作用，通過這些噴濺出來的射流將能量傳遞到不活躍的電極上幫助點燃電弧；在平行不共面結構，電弧將不受限制，電弧長度增加了，自由燃燒的電弧通過磁泵效應和洛倫茲力的作用被導向軸向和徑向運動。

在文獻[18]中作者提出了一種磁流體動力學數值模型（Magneto-Hydro-Dynamic numerical model, MHD模型）來模擬采用石墨電極、以N2為工作氣體的三相交流等離子體炬的電弧特性，研究了電流和N2流速對電弧的影響，包括電弧溫度、電弧弧根位置和運動、等離子體運動速度和電位等電弧特性參數以及電弧在三根電極之間的點燃、熄滅和運動過程，獲取了此種等離子體炬電弧特性的一些初步信息，由于系統的復雜性，作者對此作了很多假設，包括：（1）等離子體視為一種單一連續流體介質且滿足局部熱力學平衡（LTE）；（2）氣體不可壓縮；（3）氣體流動是層流且屬于非定常流動；（4）忽略感應電流；（5）不考慮重力效應和輻射作用。同時，通過該模型也獲得了一些通過實驗研究很難得到的重要信息，如運行過程中由于電極蒸發噴濺出來的物質流對電弧的運動和放電后等離子體流的形狀的影響，這種誘導產生的物質流直接沿著電極尖端的法線方向并且使得部分等離子體流向壁面轉移，同時，通過這些射流將熱量傳輸至不活躍的電極，激發起新的電弧。關于電磁現象，增大電流會增大洛倫茲力并穩定電極之間的電弧，而且研究顯示在電弧中施加的電流會改變電極濺射的射流速度，同時會改變放電后等離子體流的形狀。在文獻[19-21]中作者通過高速相機和示波器等研究手段獲得了三相交流電弧熱石墨電極等離子體炬電弧移動和電弧電流、電壓等電信號參數，針對電源設定的不同電流和改變等離子體炬電極之間的間隙以及工作氣體的流量這幾個關鍵參數對于電弧運動特性的影響進行了研究，并將理論計算和實驗研究的結果進行了對比分析[20-21]。實驗研究顯示，電弧有四種主要形態，分別是I、V、W 和S，如圖13 所示，圖中顯示了兩個周期內的電弧運動圖像，在圖13 的底部，作者給出了與理想三相交流正弦信號相對應的相電壓的演變，電弧運動圖像已與該線電壓信號進行時間關聯。在圖13 所示的前兩幀上，我們觀察到電弧的特征是兩股蒸汽射流。每個電極蒸汽射流產生的質量流幾乎完全沿著其相關電極尖端的法線方向流動。第3 幀（t= 0.11 ms）和第16 幀（t= 1.32 ms）突出顯示了這些射流向第三個非活動電極傳輸的熱量有助于啟動新的弧根。如第3 幀所示，在短時間內，放電發生在三個電極之間，然后弧根斷開而返回到兩個電極之間。之后，我們注意到電弧柱向非活動電極移動，在第7 幀（t= 0.36 ms）中，電弧柱到達非活動電極。如第8 幀（t= 0.51）所示，電極產生的蒸汽噴濺導致電弧彎曲。隨后，如前所述，電極之間的間隙內蒸汽噴射熱傳遞點燃新的弧根，這種電弧行為是準周期性的。我們觀察到電弧根部點火主要受電極射流誘導的熱傳遞的影響，弧根優先出現在熱電極區域，這使得弧根的位置有一定的重現性。從圖中我們可以推斷電磁洛倫茲力對電弧行為也起著重要作用，因為這些力傾向于將電弧拉伸到第三電極。從整體上看，我們可以得出結論，電弧行為受到感應磁力和電極流體動力（電極蒸氣噴濺射流）的綜合影響，如圖14 所示。

圖13 氮氣介質和150A RMS 相電流中三個電極之間電弧行為的圖像序列[19]（圖像與理論線電壓時間相關；電壓波形上的每條垂直線表示圖像采集的時間。為了簡化描述，相電壓是正弦的，而實際波形不是正弦）Fig. 13 Image sequence of the arcs behavior between the three electrodes in nitrogen plasma gas and for a 150 A RMS phase current[19](Images are time-correlated with theoretical line voltages; each vertical line on the voltage waveforms indicates the time of image acquisition. For simplicity, the phase voltages are sinusoidal whereas the actual waveform is not sinusoidal. )

圖14 通過箭頭示意洛倫茲力（左）和電極射流（右）對電弧運動的影響[19]Fig. 14 Schematic of influence of Lorentz forces (L) and electrodes jet (R) on the arc motion [19]

從上面電弧的圖像序列中顯示的這些形態，我們可以很清晰地看到電弧運動受到了電極射流速度和兩個電極之間射流電磁斥力的影響，在電極射流電磁洛倫茲力的輔助下電弧有朝著延伸至不活躍的電極表面的傾向，此外，熱量通過電極蒸汽射流導向電極之間的區域傳遞引起了新的電弧弧根，這樣，在電極之間間隙的電弧運動增強了熱量交換同時加強了三相電弧的放電。

通過實驗研究和模擬計算對比分析顯示，在均方根電流為100～300 A 范圍以及不同的電極間隙這兩種情況下的結果具有一個較好的一致性，關于電壓、電流-電壓相位延遲以及功率等電參數試驗研究結果與前述模型計算結果沒有很精確的匹配。研究還顯示，電極末端的幾何形狀以及電極的布置方式對于電弧的行為和電流電壓等參數的波形圖具有很大的影響，通過將電極模型修改為圓錐形電極尖端，數值計算結果與實驗觀察到的現象能夠更好地相符，尤其是電流-電壓的相位轉換可以可通過模型計算復現出來；此外，作者基于文獻[18]中的模型提出了一種改進型的新模型[20]，與此前只考慮電極之間的空間電弧特性不同，新的模型將電極納入了計算域內，通過這個模型，能夠以很高的精度復現電極相位轉換、功率和電壓值等參數變化以及電極末端幾何形狀改變對于三相電弧等離子體放電的影響，這種改進型的MHD 模型為更好地理解三相電弧放電提供了一種很好的方法。

對于多相交流電弧等離子體炬，日本東京工業大學 Yao 等[12]給出了其電弧行為特性，如下圖15 和16 所示。圖15 顯示了一個循環中不同時間的電弧放電，圖15（a）標記了每個電極上的相數，從圖中我們觀察到這12 相電極是按照逆時針順序進行放電，一個完整的放電循環過程需要20 ms，圖15（a～f）顯示了一個完整放電循環中所有電極的放電行為。圖16 顯示了在50 kW 輸入功率下不同鞘層氣體流速下的電弧放電行為，在圖16（a）中可以觀察到相對均勻且較大的亮度區域，對應于36 /min 鞘層氣體。隨著鞘層氣體流量的增加，發光面積變小，等離子體火焰變窄變長。在鞘層氣體流量較小的情況下，均勻亮度區域顯示出電弧區域內平坦的溫度分布。長等離子體火焰在大鞘層氣體流量下會導致電弧中心溫度升高。通過焓探針測得12 相交流電弧等離子體放電區的平均溫度大約為5 000 K。與單相和三相交流等離子體炬相比，其最大的優點就是電極之間有更多的放電通道，克服了單相或者三相交流電弧等離子體由于過零點導致的間歇性放電的缺陷。

圖15 一個周期內不同時間12 相交流電弧放電圖[12]（鞘層氣：Ar，60 min-1）Fig. 15 12-phase arc discharge at different times in a cycle[12](60 min-1 Argon sheath gas)

圖16 不同氣體流量下12 相交流電弧的放電行為[12]Fig. 16 12-phase arc discharge behavior at different sheath gas flow rates[12]

1.3 交流電弧等離子體炬的電極燒蝕特性

Subbotin 等針對交流電弧等離子體炬紫銅電極在不同功率條件下的燒蝕樣品中的化學成分和微觀結構進行了研究[22]，研究發現，交流電弧等離子體炬在空氣介質下運行的紫銅電極燒蝕后的產物有3-羥基硝酸銅、2 價銅氧化物、1 價銅氧化物、堿式碳酸銅以及一小部分磁鐵礦物質，這些物質在電極燒蝕后樣品中的百分比隨著功率的不同而改變，在相對較低的功率（120～200 kW）下，主要是3-羥基硝酸銅和1 價銅氧化物，增大交流等離子體炬的運行功率或者電流，3-羥基硝酸銅的含量顯著地增加，同時2 價銅氧化物和磁鐵礦物質的含量也在增加，同時基于燒蝕樣品中這些成分對紫銅電極在空氣為工作氣體運行過程中發生的一些化學反應過程進行了分析。

Kuznetsov 等[23]研究了交流電弧等離子體炬不同電極材料（紫銅、不銹鋼、鐵銅復合材料）的耐用性，并與相同功率下直流電弧等離子體炬的燒蝕情況做了對比分析。研究發現，質量百分比70%Cu +30%Fe 組成的復合材料比純紫銅電極的抗燒蝕性能提升了兩個數量級，不銹鋼45Kh25N35C2 材質的電極，雖然不及鐵銅復合材料，但是要遠遠優于紫銅電極的抗燒蝕性能。在低電流（＜ 30 A）和使用空氣介質的情況下，直流電弧等離子體炬顯著地低于交流電弧等離子體炬的電極材料的燒蝕，這可能是由于交流等離子體炬電極極性改變時電弧重新點燃，這種反復地重新點燃導致電極材料表層的破壞。隨著電流的增大，交流電弧等離子體炬電極材料的燒蝕量明顯地低于直流等離子體炬。Dudnik 等[24]，利用前述圖2所示單相交流電弧等離子體炬，研究了包括Cu、Al、不銹鋼以及其他復合材料在內的十幾種不同材料制成的等離子體炬電極的質量燒蝕率，結果顯示，70%Cu + 30%Fe 組成的復合材料的電極抗燒蝕性能最好，這與Kuznetsov 等的研究結果相一致。

1.4 水蒸汽對交流電弧等離子體炬的影響

對于電弧等離子體炬的工作介質氣體，一般以某一種或幾種惰性氣體或空氣等具有氧化性氣氛的氣體作為工作介質，而對于有水蒸汽這種特殊成分的氣體對三相交流電弧等離子體炬工作特性有何影響，Rutberg 等[25]以蒸汽和空氣混合氣體作為工作氣體通入三相高電壓交流電弧等離子體炬，對這種蒸汽型等離子體炬的特性進行了研究，蒸汽型等離子體炬及其放電如圖17 所示。研究顯示當混合氣流量保持6.8 g/s 不變，而蒸汽/空氣流量比從1.2 上升至5.8 時，電弧電壓從1 145 V 升高到1 853 V，而電流保持不變，功率從57 kW 升高到87 kW，熱效率為94%～95%，研究發現保持空氣加蒸汽的總流量不變而改變蒸汽/空氣的流量比例對電弧長度和電弧直徑的影響很微弱，電弧平均直徑為4.47 mm、電弧平均長度為798 mm；增加蒸汽含量將增大等離子體炬放電通道內的熱量傳遞比例，從而降低電弧的溫度并因此而降低其電導率。根據熱動力學平衡方法計算得到等離子體電弧溫度為10 000～11 500 K 這一區間。

圖17 三相空氣-蒸汽型等離子體炬示意圖及其外部電弧照片[25]Fig. 17 Three-phase air-steam plasma torch schematic and the external part of the arc column[25]

綜合國內外在交流電弧等離子體炬的研究現狀，我們可以發現，交流電弧等離子體炬相比于直流電弧等離子體炬，有著更加豐富的結構設計和相電極布局形式，可以產生單相、三相甚至多相交流電弧等離子體，在實際應用過程中可以做到更好地匹配其應用環境中對于等離子體的分布要求；而且，由于交流電弧等離子體炬電弧在不同相電極之間交替變化的運動特性[10,17-19]，同等工作條件下相比直流電弧等離子體炬具有電極使用壽命更長的優勢；此外，直流電弧等離子體炬的運行需要配備一套整流裝置，將工業交流電通過整流輸出為直流電加載在電極之間才能保持穩定運行，因而交流電弧等離子體炬從裝備成本方面考慮經濟性更好一些，尤其是在大功率等離子體炬的應用方面。因此，無論是從長壽命，還是裝備投資經濟性和運行成本方面考慮，交流電弧等離子體炬在工業領域都具有很好的應用前景。

2 交流電弧等離子體炬的應用研究

目前，在電弧等離子體應用的各領域中，直流和交流電弧等離子體均有應用，本文接下來將詳細闡述交流電弧等離子體在工業領域中的應用情況。

2.1 固體廢棄物處理

通過電弧等離子體炬對固體廢棄物進行減量化、無害化和資源化處理是當前電弧等離子體技術的一個應用熱點，美國Westinghouse 和Phoenix Solutions、法國Europlasma、英國Tetronics 和Advanced Plasma Power 等公司在固體廢棄物等離子體處理研究方面均有大量工程應用報道[26-27]，這幾家公司分別根據各自開發的直流轉移弧或非轉移弧等離子體技術來開展廢棄物等離子體氣化熔融處理，另外一些公司根據Westinghouse、Europlasma 或者Phoenix Solutions 公司等離子體炬的基礎上開發出自己的一套固廢處理設 備， 如Plasma Arc Technologies、 加 拿 大Plasco Energy Group、 土 耳 其Enersol Technologies、 德 國Bellwether Gasification Technologies、 美 國 Startech Environmental、 Green Power Systems、 日 本 Hitachi Metals 等[26]；國內，在電弧等離子體固體廢棄物處理領域起步較晚，中科院力學所、等離子體物理研究所、廣州能源研究所和清華大學等科研院所和高校開展了一系列實驗研究工作，但是在交流電弧等離子體炬的應用研究方面還是比較少[27]。在三相交流電弧等離子體固體廢棄物處理技術研究方面，IEE RAS 等機構開展了大量實驗研究工作，以開發的各種形式三相交流電弧等離子體炬為基礎，進行了固廢等離子體氣化處理的實驗研究，多應用于垃圾焚燒爐飛灰、塑料和木材等的處理[25,28-30]。

對于垃圾焚燒爐產生的飛灰因含有二噁英等持久性有機污染物而被列入危險廢棄物，需要進一步無害化處理，Subbotin 等[28]利用三相交流電弧等離子體炬來處理粒徑大約為10～50 mm 垃圾焚燒爐灰渣，等離子體炬功率為75 kW，工作氣體采用空氣，其流量為8.8 g/s，熔融溫度為1 300 ℃以上，液態熔渣經過水冷后，產生了2～3 mm 大小的穩定玻璃體渣。實驗研究在如圖18 所示的一個等離子體反應器內進行，等離子體噴槍安裝于反應器的上部，將一批10 kg焚燒爐飛灰放入反應器內底部，物料表面的溫度通過雙光束高溫計進行測量，整個加熱時間為7 h，等離子體噴槍功率為75 kW，開始階段，反應器內物料表面的溫度快速被加熱到1 250 ℃，然而，隨后一小時內溫度又緩慢降至1 200 ℃，然后再次被加熱至1 300 ℃，這可能是飛灰熔化過程中物態改變吸收了大量的熱量。

圖18 等離子體反應器實物圖和原理示意圖[28]Fig. 18 Photograph of a plasma chemical reactor and scheme of a plasma chemical reactor [28]

Rutberg 等利用交流電弧等離子體炬對塑料垃圾和木材等的氣化處理進行了研究[25,29]，作者以上述蒸汽型三相高電壓交流電弧等離子體炬及其實驗數據為基礎，以質量守恒和能量平衡法并假設垃圾中的無機成分不參與化學反應以及不存在熱量損失的情況下，針對塑料垃圾分析了此種等離子體炬應用于垃圾處理中的效果，經過等離子體炬氣化處理后合成氣產量為3.62～3.48 m3/kg，合成氣主要成分的體積分數為：H2：55.5%～62.5%、CO：32.8%～34.1%，能量消耗為11.0～12.3 MJ/kg；作者針對俄羅斯、加拿大、巴西和美國等木材資源特別豐富的國家，每年因產生大量的木質殘渣，為了更好地利用這些廢棄物資源，作者利用空氣介質三相交流電弧等離子體炬來對木材或木質殘渣進行氣化處理產生合成氣并進一步將合成氣轉化成能源，研究顯示，含水率20%的1 kg 木材在消耗2.16 MJ/kg 能量進行處理過后可以產生13.5 MJ化學能，根據計算，這些能量可以產生8.58 MJ/kg 的電能以及7.47 MJ/kg 的熱能，從含水率20%低位熱值13.9 MJ/kg 的木材初始能量轉化成電能的能量轉換效率為46.2%。Surov 等[30]利用三相交流電弧等離子體炬在一個固定床下吹式氣化爐中對木材、煤炭以及垃圾衍生燃料（RDF）進行等離子體氣化處理實驗研究，結果顯示，產品中H2和CO 的體積含量達到43%～55%、氣化處理后產氣的低位熱值高達6.61 MJ/m3、原材料處理的能耗為1.4 ～ 2.5 MJ/kg。

2.2 新材料制備

（1）富勒烯。富勒烯是由N個碳原子組成的一系列球形分子的總稱，在富勒烯家族中最常見的是由60 個碳原子組成的一個球狀物質C60，后來還發現有N= 70、76、78、82、84 等富勒烯分子，甚至N≈1 000 的巨型富勒烯；與富勒烯的發現幾乎同時，碳納米管的研究也開始了，碳納米管是由石墨平面卷成的一個管子，管的一端或者兩端都堵上由富勒烯做成的帽子[31]。

法國Fulcheri 等設計了一種三相交流電弧等離子體制備富勒烯的系統裝置[32]，如圖19 所示，系統裝置主要由一套100 kW 的三相交流石墨電極等離子體炬、一個具有隔熱性質的反應室（內徑0.35 m、高度2.0 m，其中高溫反應區內徑0.35 m、高度0.5 m）、一個聚四氟乙烯布袋過濾器（用于粉末收集）、供粉裝置以及水冷裝置等組成。與當時傳統的電弧處理技術最主要的不同之處是，當時傳統電弧等離子體制備富勒烯是以石墨電極在運行過程中電極消耗作為碳源，而Fulcheri 等設計的這套裝置碳輸入速度并不限定于電極的侵蝕速度，而是可以單獨地進行控制，以克服當時傳統等離子體技術不能夠實現工業化量產的缺陷。作者通過一系列實驗[32-33]研究了不同粉末種類（包括焦炭、人造石墨、天然石墨、炭黑以及乙炔黑等多種不同等級、不同粒徑的碳材料前驅體物質）和給粉速度、不同電弧等離子體功率、不同工作氣體種類和氣流速度等對于石墨烯生成的影響。

圖19 富勒烯等離子體制備裝置示意圖[32]Fig. 19 Schematic of fullerene production device with plasma[32]

研究發現，富勒烯的產生高度依賴于碳材料前驅體，通過3 種規格的乙炔黑和人造石墨粉為前驅體均有富勒烯生成，而通過焦炭和炭黑為前驅體未檢測到有富勒烯生成，前驅體中碳的純度對于富勒烯的生成是一項非常敏感的影響參數，O、H、S 的存在，即使是很低的濃度，對于富勒烯的生成均有負面的影響。實驗研究還發現，產生的富勒烯由C60 和C70 組成，其中C60/C70 的比例在不同的試驗樣品中有細微的差別，平均值約為75% 的C60 和25%的C70。對于采用不同的工作氣體來產生等離子體，當使用N2時，在實驗樣品中未能檢測到富勒烯生成，這很可能是在高溫環境下生成了穩定的雙原子物質，如CN，這種物質阻礙了碳團簇物質的生成；而采用He 為等離子體工作氣體比采用Ar 時，會產生更多的富勒烯。此外，通過收集到的沉積在富勒烯制備反應器內吸入管的上半部外表面和下半部外表面以及吸入管內部表面上三種炭灰樣品分析顯示，這三種不同位置富勒烯的生成均有不同，其中吸入管下半部分外表面比上半部分外表面大約高出5 倍的生成量，這與文獻[34]中提出的富勒烯會受到等離子體區域釋放出來的紫外光輻射導致的光化學降解作用相一致，所以導致位于吸入管上半部分受到了等離子體發出的光化學降解作用。

俄羅斯Novikov 等提出了一個碳-氦氣等離子體中富勒烯生成的動力學模型[35]，這個模型考慮了在形成一個化學結合體或者與緩沖氣體碰撞時碳原子簇的加熱和冷卻過程，通過該模型計算分析顯示，富勒烯的生成效率取決于碳簇在凝聚過程中的冷卻速率，通過該模型計算可以定性地模擬一些實驗結果。Dudnik 等對比分析了石墨電極直流和交流電弧等離子體在合成富勒烯的過程中反應器內氦氣壓力對于富勒烯的產量以及富勒烯中C60 和C70 等不同成分的影響規律[36]，作者分別將三相交流和直流電弧等離子體炬以同一位置同一角度插入反應器內，結果顯示，在直流電弧模式下，石墨轉化成富勒烯灰的量顯著地減少了，因為在這一模式下一部分石墨要轉化為陰極沉積物，而在陰極沉積物中沒有富勒烯生成；而在交流電弧模式下，可以避免陰極沉積物的產生，石墨的整個轉化過程都將生成富勒烯灰。當增加反應器內壓力，在直流電弧模式下，陰極沉積物產生的比例降低了，在壓力為33.3 kPa 時，陰極沉積物最大沉積量的質量分數為47%，相應的富勒烯灰中富勒烯的最大產量的質量分數為8.3 %；在交流電弧模式下，富勒烯灰中富勒烯在反應室中氦氣壓力為50 kPa 和127.5 kPa 兩種情況下均有最大值，質量分數分別為10.0%和10.2%。這說明相比于直流電弧等離子體，在交流電弧等離子體模式下合成富勒烯更有優勢。

（2）碳納米管。在碳納米管的制備方面，日本福井縣工業技術中心Matsuura、福井大學Taniguchi 和東京工業大學Watanabe 等，采用上述12 相交流電弧等離子體技術，設計了一種用于碳納米管（Carbon Nanotubes，CNTs）規模化制造的電弧等離子體反應器[11]。此反應器中，在氦氣氣氛下，石墨電極之間通過12 相交流電弧等離子體放電產生碳納米管。等離子體炬采用棒狀石墨電極，直徑12 mm，長度500 mm，石墨純度為99.995%。圖20 為反應器內部實驗裝置的示意圖，其中基底為304 不銹鋼板制成，長320 mm，寬50 mm，厚度為1 mm，不銹鋼基底上端懸掛于反應器內部頂面上，基底的下端離12 個電極構成的平面中心往上10 mm。被12 個電極末端包圍著的等離子體放電圓形區域的直徑將近60 mm。將反應器內凈化過后，充入純度為99.99%的氦氣，并保持反應器內部壓力為80 kPa，等離子體的放電電壓為20～45 V，電流為70～100 A。在1 小時的放電過程中，碳納米管從電極的蒸發過程中制備，在基底的表面以及反應器的內表面上出現大量煙灰狀沉積物。實驗過程中，將基底表面自上而下均勻地分為9 個部分，并將沉積在上面9 個不同區域的生成物質小心地收集起來，通過掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、拉曼光譜等分析測試手段對相應的生成物質進行了形貌特征分析和光譜特征分析。研究發現，制備碳納米管的最佳溫度區間是1 000～1 250 ℃，獲得的多層碳納米管的直徑在20～40 nm 之間，基底上部和下部相比中間部分無定型碳的成分更高一些，相反，中間部分觀察到的碳納米管更多，幾乎很少量的無定型碳。這種12 相交流等離子體放電制備碳納米管的方法仍然處于發展的過程中，需要在溫度控制和等離子體速度分布方面進行大量的研究，另外，在原材料的導入速度以及制備好的碳納米管的收集等方面還未開展研究工作，因此，這種方法制得的碳納米管的質量還較差。然而，盡管如此，12 相交流等離子體放電法仍然有其優點，它能夠提供更大的高溫區域，這對于原材料在高溫區域的停留時間變得更長，有利于將其推廣到碳納米管合成的大規模生產。

圖20 反應器內部實驗裝置示意圖[11]Fig. 20 Schematic of the experimental setup inside the reactor[11]

（3）炭黑。炭黑是碳納米材料的一種，法國Fabry 和Fulcheri 等提出了一種等離子體制備炭黑的新工藝[37-38]，通過一個實驗室規模的反應器，如圖21 所示，利用100 kW 三相交流電弧等離子體炬將碳氫化合物在缺氧的氣氛下裂解獲得新的炭黑等級，基于顆粒在等離子體反應器內高溫區（電弧區域）存在顆粒再循環而導致的碳表層石墨化現象分析了炭黑顆粒的形成機制并且揭示了反應器內部流體流動和顆粒形成機制的關系。在作者提出這種炭黑制備方式之前，絕大部分（99%以上）的炭黑是通過不完全燃燒產生的，與這種方式相比，等離子體制備炭黑的生產工藝不會產生CO2以及SOx和NOx等污染物，因而是一種更加清潔的處理方法；同時，在產生炭黑的過程中也產生了H2和CH4等其他氣體物質，產品更加豐富；此外，由于電弧等離子體提供了反應器內傳統不完全燃燒無法達到的高溫高焓作用，因此獲得了新的炭黑等級。

圖21 炭黑和氫氣制備實驗裝置[38]Fig. 21 Schematic of Pilot device for the production of carbon black and hydrogen[38]

2.3 材料熱處理

在玻璃制造工業，傳統的玻璃熔融處理需要使用石油等化石燃料或者天然氣作為燃料來加熱熔融爐內的玻璃原材料，由于批量化處理過程中，熔爐內大量的原材料加熱過程太慢，需要花費數天時間才能達到一個均質化的玻璃狀態，尤其是熔化和去除熔融態玻璃中的氣泡等提純工藝過程，整個工藝需要消耗大量的能源和時間，從節能和環保的角度來考慮，該技術從19 世紀中期德國西門子兄弟創立以來，雖然經過一系列改良優化，但節能的效果有限，環保的壓力也很大。基于此，東京工業大學Tanaka 和Yao 等提出了一種新型交流電弧等離子體玻璃熔融處理技術[39-40,12]，該技術的思想是將顆粒在空中運動的過程中通過一種“混合等離子體”高溫區熔化后進入熔融區逐個轉變成玻璃，這一過程的處理時間是毫秒級，所謂的“混合等離子體”是將多相交流電弧等離子體結合富氧燃燒形成的一種混合體，這種混合等離子體能使得整個反應器核心區形成更加均勻的高溫區，將玻璃原材料造粒粉輸送到等離子體區域并與其充分接觸，顆粒在運動的過程中碳酸鹽被分解成氣體在處理的過程中被去除掉，與傳統的熔融處理方法相比，同等產量的整個玻璃化處理過程時間大大降低了。實驗裝置如圖22 所示，這種反應器將多相交流等離子體和氧燃燒器結合起來，包括反應器、給粉輸粉裝置、交流電源、供氣系統以及冷卻系統等裝置，多相交流電弧等離子體炬的電極沿著反應器圓周方向均勻地布置，電極分為上下兩層，下層電極水平布置，上層等離子體炬的電極出口方向朝下并與下層電極形成30°角，這樣可以增大等離子體區域在縱向上的范圍，等離子體炬采用鎢鈰電極并以純度為99.99%的氬氣為工作氣體。

圖22 等離子體混合熔融爐示意圖[39]Fig. 22 Schematic of the hybrid plasma melter[39]

在文獻[12]中，作者分別研究了6 相交流等離子體和12 相交流電弧等離子體對于顆粒熔融行為的影響，實驗參數如表1 所示，研究獲得了輸入功率和邊氣等參數對于6 相和12 相交流電弧等離子體溫度和等離子體速度的影響規律，電弧功率和邊氣流量的增大導致顆粒的玻璃化程度加大，顆粒的收縮率與其玻璃化程度相關。

表1 試驗運行條件[12]Table 1 Experimental operating conditions[12]

綜上所述，交流電弧等離子體炬在實際應用中有著良好的應用效果。固廢處理中，電弧等離子體作為一種高能量載體介入到所需處理的廢料中，為其提供熱解、氣化或燃燒反應所需的能量，是其應用的主要目的之一，同時等離子體的高溫、高活性能夠很好地參與到二噁英等持久性有機污染物的降解反應和灰渣中重金屬的熔融固化過程中；在碳納米材料的制備中，電弧等離子體除了作為一個高溫載體參與到碳材料的熱處理過程中，還為碳納米材料的制備過程提供了大量的活性粒子，這些帶電粒子不斷地去轟擊碳顆粒群，激發這些待處理的碳顆粒產生更多的碳蒸氣，最后在冷卻的過程中凝結后形成各種碳納米材料，同時，電弧等離子體由于介質氣體的可選擇性，為實際應用過程中提供了可控的反應氣氛。電弧等離子體技術在工業領域有著非常廣泛的應用[1-2,9]，雖然本文只論述了交流電弧等離子體炬在固體廢棄物處理、碳納米材料的制備以及其他材料的熱處理方面的研究，但是作為提供等離子體的一種方式，在其他需要電弧等離子體介入的環境中都可以得到很好的應用。

3 結 論

交流電弧等離子體炬由于每一相電極在交替地充當著陽極和陰極的角色，因此，相比于直流電弧等離子體炬具有更長的電極使用壽命和經濟性，在工業應用中有著很好的應用前景。然而，僅有少數研究機構成功開發出了交流電弧等離子體炬以及利用交流電弧等離子體炬開展工業應用研究工作。

在交流電弧等離子體的研究與開發方面，目前已形成單相、三相以及多項交流電弧等離子體炬等多種結構形式，并且針對各種結構形式的交流電弧等離子體炬的工作特性和運行規律進行了研究。俄羅斯IEE RAS 在過去的二十年中開發出了包括氧化性工作介質中連續運行時間長達2 000 h 以上的一系列交流電弧等離子體炬，這些等離子體炬的功率涵蓋幾十千瓦到幾十兆瓦，研究獲得了這些交流電弧等離子體炬在大氣壓和高壓環境下的放電過程以及紫銅和銅合金等多種不同種類電極材料的燒蝕特性，為交流電弧等離子體炬的開發和應用做出了很大的貢獻；法國在交流電弧等離子體炬的理論研究方面，開發了一種三維非穩態磁流體動力學模型，并通過該模型獲得了三相交流等離子體炬各種參數和弧根位置與電弧運動規律，同時開展了一系列實驗研究工作來驗證模型分析的結果，通過對比分析提出了一種改進型的新模型，新的模型不僅可以很好地模擬各種電弧參數和電弧在不同電極之間的點燃、熄滅和運動過程，而且能夠以很高的精度復現電極相位轉換、功率和電壓值等參數變化以及電極末端幾何形狀改變對于三相電弧等離子體放電的影響，這種改進型的MHD 模型為更好地理解三相電弧放電提供了一種很好的方法；與俄羅斯和法國專注于單相及三相交流電弧等離子體技術不用，日本東京工業大學等機構開展了多相交流等離子體技術的研究工作，并設計開發了6 相和12 相交流電弧等離子體炬，通過實驗分析獲得了多相交流電弧等離子體的放電行為，與單相和三相交流等離子體相比，其最大的優點就是電極之間有更多的放電通道，克服了單相或者三相交流電弧等離子體由于過零點導致的間歇性放電的缺陷；國內清華大學等研究機構開展了多相交流電弧等離子體放電裝置和等離子體驅動電源系統的設計并建立了一套六相交流電弧等離子體實驗研究平臺，在此平臺上開展了等離子體射流特性的及等離子體射流的影響規律等研究工作，提出了采用水冷約束管和冷氣體注入相結合來提高等離子體射流直徑和長度的方法，在中等氣壓條件下獲得了放電均勻穩定的高溫等離子體射流。

電弧等離子體技術作為熱等離子體技術的一種，在工業應用領域中具有廣泛的應用前景，交流電弧等離子體炬由于其較長的電極使用壽命以及高效率的電熱轉化能力，在工業領域中具有比直流電弧等離子體更好的應用價值，因而理論上在現有直流電弧等離子體應用的各領域中，均可以通過交流電弧等離子體炬來實現。目前，交流電弧等離子體炬在石墨烯、碳納米管和炭黑等納米材料的制備以及固體廢棄物的等離子體處理方面均有大量應用研究。未來，在納米材料的制備以及其他超細顆粒的制備改性等方面依然具有很好的應用研究前景，同時在等離子體化工、材料熱處理以及材料表面涂層及修復等多方面均有很大的應用研究價值。