羅啟平，李 婷

（廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)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(zhǔn)確地說(shuō)是在輸入電極表面的電弧能量作用下，材料逐漸損耗的過(guò)程，一般是通過(guò)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(chǔ)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(mǎn)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(diǎn)，沸點(diǎn)一般都達(dá)不到高溫等離子體的溫度，因此高溫電弧會(huì)導(dǎo)致電極表面燒蝕。脈沖大電流放電過(guò)程電極的燒蝕會(huì)存在很多種類(lèi)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(lái)很多學(xué)者都對(duì)電極的燒蝕開(kāi)展了廣泛的研究[3-6]。然而電極燒蝕是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，放電瞬間會(huì)產(chǎn)生很多的物理變化和化學(xué)反應(yīng)。本文首先調(diào)研總結(jié)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(zhǎng)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(duì)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(duì)電極燒蝕過(guò)程電極材料的準(zhǔn)確測(cè)量就至關(guān)重要。為了準(zhǔn)確稱(chēng)量電極質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)前對(duì)電極進(jìn)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(chēng)量電極質(zhì)量；實(shí)驗(yàn)后再對(duì)電極進(jìn)行清洗、烘干，除去電極表面的放電附著物并稱(chēng)量電極質(zhì)量。當(dāng)然也可以通過(guò)測(cè)量電極燒蝕量的體積或者測(cè)量放電前后介質(zhì)中相關(guān)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(shí)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(yīng)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(cè)量了100kA 微秒級(jí)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(rèn)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(xué)者[7]研究了常壓氮?dú)猸h(huán)境放電脈沖電流為幾個(gè)KA 的不同電極的燒蝕速率，實(shí)驗(yàn)結(jié)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(rèn)為，鎢開(kāi)關(guān)電極燒蝕率最小，鎢銅的燒蝕速率次之。Donaldson 等學(xué)者[8]給出了不銹鋼、鎢銅、石墨銅及石墨作電極的陰極和陽(yáng)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(yáng)極的燒蝕速率，陽(yáng)極質(zhì)量出現(xiàn)了微增的現(xiàn)象。這由能量傳遞過(guò)程可獲得解釋[9]。陽(yáng)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(shí)間足夠，正離子加速撞擊陰極，通常使陰極的燒蝕比陽(yáng)極嚴(yán)重。

白峰等學(xué)者[10]針對(duì)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(jìn)行多次沖擊大電流侵蝕實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)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(shuō)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(shí)驗(yàn)[11]結(jié)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(xiàn)[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(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(xué)者[12]研究了密封腔體、大電流條件鎢銅電極的燒蝕特性，結(jié)果表明：陰極電極頭燒蝕更為嚴(yán)重，電極燒蝕率為6.3×10-6cm3/C，陽(yáng)極電極頭的電極燒蝕率為5.5×10-6cm3/C，同時(shí)陽(yáng)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(cè)量了5800 次自擊穿放電后陰極電極表面的20 個(gè)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(xiàn)[13]給出了水中不同電極材料的燒蝕情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(xué)的學(xué)者同樣測(cè)量了水中放電黃銅、鎢銅電極的燒蝕速率。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)放電是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，但總體來(lái)說(shuō)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(lái)源?？梢?jiàn)很多因素都會(huì)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(lái)源提供感性認(rèn)識(shí)。

2.1 電極材料

顯而易見(jiàn)，電極材料是影響電極燒毀的一個(gè)重要來(lái)源。不同的電極材料的物理、化學(xué)特性差異較大，前面文獻(xiàn)顯示高比熱容、高密度、高熱導(dǎo)率、高熔點(diǎn)和高電導(dǎo)率的材料，電極的抗燒蝕性能明顯增強(qiáng)。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(xué)屬性相關(guān)，還與電極的放電條件密切相關(guān)。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(guān)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(guò)程需要盡量保證變量的單一性，這也是電極燒蝕準(zhǔn)確性的基本保證。

2.2.1 轉(zhuǎn)移電荷量對(duì)電極燒蝕量的影響

Donaldson 等學(xué)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(zhuǎn)移電荷量近似成正比的結(jié)論。電弧能量等同于這暗示用來(lái)使電極融化、汽化或者噴濺的能量主要來(lái)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(zhuǎn)移電荷量和電弧能量是線性關(guān)系，電極的燒蝕速率與轉(zhuǎn)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(shí)間對(duì)電極燒蝕量的影響

電極燒蝕與電弧電流和電弧燃燒時(shí)間[3]是密切相關(guān)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(shí)間等會(huì)減小電極的燒蝕量。蘇聯(lián)布特克維奇等學(xué)者得到了電極燒蝕量和電弧作用的經(jīng)驗(yàn)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(shí)間，k 為系數(shù)。

2.2.3 電流峰值對(duì)電極燒蝕量的影響

西安交通大學(xué)的部分學(xué)者[14]研究了不同放電條件影響電極燒蝕的因素。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(zhǎng)。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(shí)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(zhuǎn)變以及液滴濺射。當(dāng)放電電流振蕩頻率越大時(shí)（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(shí)利于熱量的傳導(dǎo)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(yàn)結(jié)果表明電弧壓縮會(huì)明顯影響陰極斑點(diǎn)的電流密度而對(duì)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(dǎo)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(duì)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(shè)計(jì)處于相對(duì)次要的位置。而針對(duì)高電流電極燒蝕的情況，結(jié)果顯示如果放電電流處于100～300KA，陽(yáng)極的電極損失量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陰極的損失量[17]。文獻(xiàn)給予的解釋?zhuān)弘m然陰極可能通過(guò)金屬?lài)姙R快速的燒蝕，但因陽(yáng)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(duì)電極的侵蝕是由于來(lái)自另一個(gè)電極金屬?lài)姙R到另一個(gè)電極的影響。

2.2.4 放電重復(fù)頻率對(duì)電極燒蝕量的影響

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

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

2.2.5 電極間隙距離對(duì)電極燒蝕量的影響

Lehr 等學(xué)者[4]研究了電極間隙距離對(duì)電極燒蝕量的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電極燒蝕量和電極間的距離并不是簡(jiǎn)單地線性關(guān)系。可能存在最佳的電極間距，使得電極的燒蝕體積最少（見(jiàn)表6）。

2.2.6 電極表面粗糙因子（SRC）對(duì)電極燒蝕量的影響

顯而易見(jiàn)，脈沖大電流放電會(huì)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(huì)導(dǎo)致放電振蕩和自擊穿幾率[17]的增大，這對(duì)減小電極侵蝕來(lái)增減放電穩(wěn)定是不利的。放電次數(shù)對(duì)電極表面粗糙因子的影響如圖1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：SRC 的趨勢(shì)可以分為兩個(gè)階段：第一個(gè)階段，SRC 輕微的減小，電極表面的粗糙程度變小因?yàn)殡娀∮陔姌O表面隨機(jī)地放電；第二個(gè)階段，SRC 迅速增大。當(dāng)每次放電電弧都作用于同一處燒蝕坑的時(shí)候，大量的更深的燒蝕坑形成。由于燒蝕坑處電場(chǎng)發(fā)生畸變，場(chǎng)強(qiáng)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(huì)形成高低不平的燒蝕坑，使放電的可靠性大大降低，嚴(yán)重影響電極的壽命。如圖1 所示。

表4 開(kāi)關(guān)頻率為10Hz，電極陰極、陽(yáng)極的燒蝕量

表5 開(kāi)關(guān)頻率為1kHz，電極陰極、陽(yáng)極的燒蝕量

表6

圖1 SRC 對(duì)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(fù)雜，電極材料、放電條件、間隙距離和等離子體噴濺都會(huì)影響電極燒蝕量。其中，電極材料的物理化學(xué)性能（比熱容、密度、熔點(diǎn)和熱導(dǎo)率）會(huì)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(kāi)關(guān)工作介質(zhì)、工作重復(fù)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(huì)極大的影響電極燒蝕。像石墨這類(lèi)的特殊電極材料，因燒蝕過(guò)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(huì)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(xiàn)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(xué)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(fù)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(chǔ)能、峰值電流和間隙距離成正相關(guān)，與放電時(shí)延成負(fù)相關(guān)。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(duì)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(guò)程中哪種因素占燒蝕的主導(dǎo)地位。因水中電極燒蝕的可控變量過(guò)少，目前對(duì)水中電極燒蝕的研究還處于起步階段。