真空觸發(fā)開(kāi)關(guān)TVS的導通過(guò)程

        圖7 是真空電弧圖像采集系統，在可拆式真空滅弧室中利用CCD高速攝影獲取電弧燃燒過(guò)程。因為TVS 樣品中金屬屏蔽罩的保護作用，客觀(guān)上阻礙了對樣品起弧燃弧過(guò)程的直接觀(guān)察。利用可拆式真空滅弧室觸頭可更換的特點(diǎn)，換上TVS 相同樣品的觸頭和觸發(fā)針，再把觸發(fā)脈沖引到觸發(fā)針上，來(lái)再現TVS 樣品中的電弧過(guò)程。圖8 是獲得的燃弧過(guò)程。

        觸發(fā)小孔擊穿瞬間，觸發(fā)針上發(fā)射的電子和少量氣體等離子體先到達陰極，此時(shí)觸發(fā)電流還非常的小，如圖8a。這少量等離子體在觸發(fā)極和陰極間形成通路瞬間，續流的加入使得觸發(fā)電流得到進(jìn)一步發(fā)展，由于是正脈沖觸發(fā)，在陰極表面產(chǎn)生一些陰極斑點(diǎn)，同時(shí)產(chǎn)生更多的等離子體擴散進(jìn)入主間隙，如圖8b。然后，主間隙通過(guò)輝光放電而開(kāi)始導通，此時(shí)主間隙可以利用續流過(guò)程中已經(jīng)建立的陰極斑點(diǎn)，起弧相對更容易，如圖8c，這也正是選擇正極性接線(xiàn)方式的原因。輝光放電電流迅速發(fā)展，最后轉變成金屬蒸氣電弧,如圖8d。此時(shí)，大量的陰極斑點(diǎn)在陰極觸頭表面隨機的高速運動(dòng)，隨著(zhù)電弧的燃燒，一些陰極斑點(diǎn)消失，而新的陰極斑點(diǎn)又產(chǎn)生。這些陰極斑點(diǎn)雖小，但電流密度非常的高，成為一個(gè)個(gè)金屬蒸氣的噴口。這些陰極斑點(diǎn)在起弧過(guò)程中過(guò)于密集不利于觀(guān)察，由于燃弧過(guò)程中的電磁力和內部離子相互碰撞產(chǎn)生的氣體壓力等綜合作用之下而被驅散，在燃弧快要結束時(shí)，陰極斑點(diǎn)非常的清楚，如圖8i-l。

        在電弧的起始階段，主間隙真空空間很快地被擴散的等離子體充滿(mǎn)，這里有離子化的金屬蒸氣和氫氣。等離子體擴散到電極表面附近的空間后，電流較小時(shí)，陽(yáng)極表面吸收等離子體的電子電流，而在一些大電流區域，將出現陽(yáng)極斑點(diǎn)，這些斑點(diǎn)在陽(yáng)極的形成位置很不穩定，如圖8e- f。如果電流很大，陽(yáng)極形成正離子鞘層，與等離子體連接，如圖8g- h。此時(shí)，電弧的3 個(gè)部分陰極位降區域、弧柱、陽(yáng)極位降區域非常的清楚。一般地，陽(yáng)極不是正離子源，在陽(yáng)極附近形成的電場(chǎng)驅逐正離子離開(kāi)陽(yáng)極，形成一個(gè)充滿(mǎn)自由電子的空間，即陽(yáng)極位降區域，伴有相應的電壓降，當電子流向陽(yáng)極時(shí)得到加速。

        在陰極，正離子撞擊電極表面的電流只占全電流的10%，其余的都是由發(fā)射的電子產(chǎn)生。一些能量較小的離子撞擊陰極，但是當它們撞擊陰極斑點(diǎn)時(shí)，由于陰極斑點(diǎn)面積很小，所產(chǎn)生的能量密度非常的大，所以陰極斑點(diǎn)是維持電弧的關(guān)鍵。而在陽(yáng)極，所有的電流通過(guò)電子撞擊電極而產(chǎn)生。大量的電子經(jīng)陽(yáng)極鞘層加速后轟擊陽(yáng)極，平均電子溫度能量和電子熱形成了一股很大的能量輸入。當電流密度很大時(shí)，一些陽(yáng)極附近區域通常是邊緣，熱傳導不是很理想的地方，會(huì )積累足夠的熱以致產(chǎn)生金屬蒸氣。金屬蒸氣立即被高能量的電子流離子化。離子中和了發(fā)射金屬蒸氣的陽(yáng)極區域附近的空間電荷，導致陽(yáng)極壓降的急劇下降。低的電壓降引起更多的電流流入陽(yáng)極的這些區域。金屬蒸氣密度的增加，導致等離子體中的自由電力電流密度增加，同樣能促使更多的電流流入陽(yáng)極。陽(yáng)極電流的增加使得陽(yáng)極受熱更大，發(fā)射出更多的金屬蒸氣。這一正反饋過(guò)程導致在陽(yáng)極斑點(diǎn)的產(chǎn)生過(guò)程中，陽(yáng)極電弧的收縮，陽(yáng)極斑點(diǎn)產(chǎn)生強烈的燃燒過(guò)程，最終導致陽(yáng)極的破壞性融化。陽(yáng)極電弧的收縮就是發(fā)展到了集聚型電弧，決定了所能承載的最大電流，除非采取一些方法來(lái)分散或者迫使陽(yáng)極斑點(diǎn)快速運動(dòng)。圖8e- h，說(shuō)明了此次燃弧只是形成了陽(yáng)極鞘層，并沒(méi)有發(fā)展到集聚型電弧，屬于在額定開(kāi)通范圍內。

        圖8i- l 是電弧電流的消退過(guò)程，弧光逐漸消失，陰極剩下少量陰極斑點(diǎn)，繼續維持電流。當電流趨于零時(shí)，陰極斑點(diǎn)的數量也逐漸減小直到只剩下最后一個(gè)斑點(diǎn)。最后當這個(gè)斑點(diǎn)也消失了，電流就突然降到零，產(chǎn)生截流。截流后看主間隙電壓恢復速度與主間隙介質(zhì)強度恢復速度的比較，如果前者快于后者，主間隙有可能產(chǎn)生電弧重燃，如果后者快于前者，TVS 就被關(guān)斷。

          試驗結果表明，TVS 樣品在開(kāi)通過(guò)程中起弧可靠性高，燃弧過(guò)程穩定，在小電流過(guò)零時(shí)能夠產(chǎn)生有效的截流。