摘 要：在本研究中，我们通过不同银基材料接触对在缓慢断开接触时电弧变化情况，阐明电弧特性与材料的依赖关系。首先，我测量了接触电压、电流波形和电弧柱。其次，我们讨论了电弧持续时间、电弧柱对材料依赖性以及弧柱的扩散和集中情况。最后，我们讨论了电弧电压的波动。实验结果表明，在（+）Ag-Ag（-）和（+）AgSnO₂-（-）Ag的案例中，电弧持续时间可以更短，而且电弧持续时间受阴极电极材料的影响。在（+）Ag-（-）Ag的案例中，我们观测到大于电源电压的电压波动。在（+）AgSnO₂-（-）Ag案例中，接触对的电弧放电电压波动相对较小。在（+）AgSnO₂-（-）Ag的案例中，不对称接触对的条件是使电弧放电持续时间更短、电压波动更小的解决方案之一。本研究为直流转换的短灭弧方案提供了一些基本的考虑因素。

关键词：电接触件；放电灭弧；缓慢断开；银基材料；不对称接触对

1 引言

近几年来，直流（DC）电源设备应用中的电源电压越来越高，电流越来越大。电路开关和连接器技术是机电设备中必不可少的重要器件。电接触件是一种简单的电路转换器件。然而，电接触失效是伴随着电路的开闭操作而产生的。为了防止电接触失效，我们有必要缩短阳极与阴极电极之间的电弧放电持续时间^[1-2]。

减少电弧放电持续时间的常用方法就是在阳极和阴极电极之间的空间里添加一种外部磁场。弧柱通过外部磁场产生的洛伦兹力（Lorentz force）快速移动，并熄灭电弧^[3]。虽然气相电弧的持续时间可以通过外部磁场加以缩短，但是，金相电弧放电的持久时间很难通过这种磁场方法来缩短。此外，在外部磁场条件下，接触电压和电流的波动或噪声会相应增大。从电接触件的电磁兼容性（EMC）的角度来看，这种方法可能存在一些问题。因此，我们有必要讨论缩短电弧持续时间和解决EMC问题的替代方法。

为了阐明电弧放电现象、传导电流或辐射噪声，笔者研究了从缓慢断开电路的电弧持续时间^[3-7]。在以缓慢速度断开的条件下，接触件第一次断开操作时，Ag电极的电弧持续时间相对较短。为了找到一种行之有效的缩短电弧持续时间的新方法，Ag和AgSnO₂材料之间的电弧持续时间差异可能就成为我们研发高可靠电接触件的一种新突破。因此，我们完全有必要研究阳极和阴极不对称接触材料的电弧现象。

在本研究中，我们试图揭示基于Ag基不同材料接触对在缓慢断开接触时的电弧特性对材料的依赖性。首先，我们测量了接触电压、电流波形和电弧柱。其次，我们将讨论电弧持续时间与材料的依赖关系、电弧柱的扩散和集中度。最后，我们将讨论电弧放电电压波动情况。结果表明，不对称接触对的先决条件是缩短电弧持续时间和减小电压波动的解决方案之一。

2 实验方法

目前，人们开发出一种可以同时测量接触电压V_C和电流I_C的测量装置^[3]，其实验配置系统如图1所示。试验电压V_C和电流I_C采用电压探测器、钳位式电流探测器（TeKtronix A 6302+AM503B）和数字转换器（80kS/s，8位，Hioki 8852）进行测定。移动电极l_C的移动长度由一个差动变压器（Elgo-japan EDT-15）来读取。差动变压器的输出电压记录在数字转换器中（100kS/s，16位，Yokokawa WE700）。其接触电压及其波动情况可用电压探测器和数字转换器（50kS/s，8位，LeCroy Wave Pro 0725 Zi-A）进行测定，电弧柱可用带有手调放大镜头的商用高速数码相机（300fps，Casio EX-F1）进行拍照。为了讨论电弧现象，我们在本实验中所选择的电源电压为36V，高于从金相转换到气相的临界电压22V ^[8]。

（图中文字由上到下，从左到右依次为：数字转换器（50kS/s，8位）；数字转换器（100kS/s，16位）；差动变压器；数字转换器（80kS/s，8位）；移动电极；高速数码相机；固定电极；电流探测器；放大器）

图1 实验系统

本研究的电弧放电实验条件详见下表1。在本研究中，我们选择Ag和Ag_88.3SnO₂作为电极材料，因为Ag和Ag_88.3SnO₂具有不同的电弧持续时间特性。阳极和阴极电极接触对材料详见表2所示。

表1 实验条件

表2 电极条件

电极的形状如图2所示，在酒精和蒸馏水中进行超声波清洗并干燥之后，将电极安装好进行测量。首次开启操作的数据可记录为一次试验。在本电弧放电研究中，我们进行了几项电弧放电试验，并取其五项试验数据，以获得相关的电弧放电试验结果。

（a）侧视图                      （b）前视图

图2 电极形状

3 结果与讨论

3.1 电弧长度和熄灭间隙长度

每种不同材料接触对的典型波形分别如图3至图6所示。其中，（A）为接触电压，（B）为放大的桥式电压，（C）为接触电流，而（D）则为动态电极的运动情况。

图3 典型波形案例：（+）Ag-（-）Ag

图4 典型波形案例：（+）Ag_88.3SnO2-（-）Ag_88.3SnO₂

图5 典型波形案例：（+）Ag_88.3SnO2-（-）Ag

图6 典型波形案例：（+）Ag-（-）Ag_88.3SnO₂

在图3所示的（+）Ag-（-）Ag案例中，电弧放电持续的时间很短。另一方面，在图4所示的 （+）Ag_88.3SnO₂-（-）Ag_88.3SnO₂的案例中，电弧放电的持续时间则比较长。其灭弧长度l_ext与电极材料条件之间的关系如图7所示。图中的虚线表示根据霍尔姆（R. Holm）VI特性估算的灭弧长度（3.13μm）^[1]。

在（+）Ag_88.3SnO₂-（-）Ag_88.3SnO₂的案例中，其l_ext（300μm）达到了霍尔姆VI特性中的电弧熄灭长度。在（+）Ag-（-）Ag的案例中，其l_ext（15μm）远短于霍尔姆的VI特性。在图5所示，即（+）Ag_88.3SnO2-（-）Ag的案例中，其灭弧长度约为20μm，与（+）Ag-（-）Ag案例中的灭弧长度较为接近。另一方面，在（+）Ag-（-）Ag_88.3SnO₂的案例中，其灭弧长度l_ext（300μm）比（+）Ag_88.3SnO₂-（-）Ag_88.3SnO₂案例中更为接近。

材料条件

图7 灭弧长度与电极材料条件之间的关系

3.2 弧柱观测图

每种材料接触对的典型案例在灭弧瞬间的电弧柱观测图如图8（a）~（d）所示。图像中的顶端和底端分别为移动电极和固定电极。

在图8（a），即（+）Ag-（-）Ag的案例中，我们观察到的电弧柱主要集中在电极之间的空间，电弧柱的颜色很浅。另一方面，在图8（b）的案例中，我们观测到，（+）Ag_88.3SnO₂-（-）Ag_88.3SnO₂的电弧柱向Px方向（即电极半径方向）全面扩散。电弧柱的移动速度很快。电弧柱的颜色呈绿色。

在图8（c），即（+）Ag_88.3SnO₂-（-）Ag的案例中，我们观测到的电弧柱比（+）Ag-（-）Ag案例中扩展得更广。电弧柱有较大的浅色区域和较小的绿色区域。另一方面，在图8（d），即（+）Ag-（-）Ag_88.3SnO₂的案例中，我们所观察到的电弧柱扩散情况类似于图8（b），即（+）Ag_88.3SnO₂-（-）Ag_88.3SnO₂中的案例。

图8 灭弧处的电弧柱（△P_x=3.94μm pixel，△P_x=3.88μm pixel）

3.3 电压波动

从电磁兼容性（EMC）角度来看，图9至图12显示了50MS/s数字转换器（LeCroy Wave Pro 0725 Zi-A）测量的典型电压波形。（A）是电压波形，（B）是电压波形柱状图。（C）是电压波形随着时间变化的展开图。

在图9，即（+）Ag-（-）Ag的案例中，电压波形在整个电弧持续过程中都有波动。我们观察到，电压波动的幅度大于电源电压（36V）。在图10和图12，即（+）Ag_88.3SnO₂-（-）Ag_88.3SnO₂和（+）Ag-（-）Ag_88.3SnO₂案例中，电弧电压的波动并没有超过电源电压。在图11，即（+）Ag_88.3SnO₂-（-）Ag的案例中，其电压波动小于（+）Ag-（-）Ag的案例。

由此可以看出，（+）Ag_88.3SnO₂-（-）Ag电接触对的先决条件可以是其解决方案之一，也可以作为电弧持续时间更短、电压波动更小的解决方案之一。

图9 典型的电压波形（（+）Ag-（-）Ag）

图10 典型的电压波形（（+）Ag_88.3SnO₂-（-）Ag_88.3SnO₂）

图11典型的电压波形（（+）Ag_88.3SnO₂-（-）Ag_88.3SnO₂）

图12典型的电压波形（（+）Ag_88.3SnO₂-（-）Ag）

4 结论

为了阐明银基不同材料接触对在缓慢断开接触时电接触材料的依赖性，我们研究了银基材料不对称接触对的一些电弧放电技术特性。

1）在（+）Ag-（-）Ag和（+）Ag_88.3SnO₂-（-）Ag的情况下，电弧持续时间可能会更短。

2）实验结果表明，电弧持续时间可能取决于阴极电极材料。

3）在（+）Ag-（-）Ag的案例中，我们可以观测到电弧放电电压随着电源电压的波动情况。我们发现，（+）Ag_88.3SnO₂-（-）Ag接触对的电压波动相对较小。

4）在（+）Ag_88.3SnO₂-（-）Ag案例中，不对称接触对的先决条件是使电弧放电的电压波动时间更短、波幅更小的解决方案之一。

本电弧放电研究为直流交换在较短时间内完成灭弧提供了一些基本的相关考虑因素。在未来研究中，我们有必要更详细地讨论电弧放电材料依赖性的相关机理。

参考文献：

[1] R. Holm, Electric Contacts Theory and Applications, Fourth Editions, Springer, 1967.

[2] P. G. Slade. Electrical Contacts Principles and Applications, Marcel Dekker Inc., 1999.

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[6] Yoshiki Kayano, Hikaru Miura, Kazuaki Miyanaga and Hiroshi Inoue, "The Relationship between Voltage and Duration of Short-Time Arc Generated by Slowly Breaking g Silver Contact", IEICE Trans. Electron., vol.E91-C, no.8, pp.1230-1232, Aug. 2008.

[7] HrosiIou Hikr MiuaYoik Kaoan Kauak Ma "Current Noise up to GHz Band Generated by Slowly Breaking Silver- Compound Contacts with External DC Magnetic Field", in Proceedings of the 24th International Conference on Electrical Contacts 2008（ICEC2008）Saint-Malo, France, pp.329-334, Jun. 2008.

[8] Benemaa, N. Queflec, J.L., and Tavers, D., Some investigations on slow and fast arc voltage fluctuations for contact materials proceeding in various gases and direct current" IEEE Trans. On Components, Hybrids, and Manufacturing Technology,14 No.1,pp.113-117, Mar.1991.