关于空气、真空和氮气环境中压电驱动触点间电弧特性的实验研究 Mohmmad Al-Dweikat, Moath Bani Fayyad, Hana Rababah, Qirong Wu

《Plasma》：Experimental Investigation of Arc Characteristics Between Piezoelectrically Actuated Contacts in Air, Vacuum, and Nitrogen Mohmmad Al-Dweikat, Moath Bani Fayyad, Hana Rababah and Qirong Wu

　　摘要
压电执行器由于其微秒级的响应时间和高加速度能力，能够实现超快速切换。本研究通过实验研究了在空气、真空和氮气环境中，使用圆形和平面接触点，在放大压电执行器驱动下的电弧行为。与以往主要关注执行动力学的研究不同，本研究提供了多介质比较，并探讨了驱动操作时间和接触几何形状对电弧特性的耦合影响。电弧测试采用了电容器放电平台，结合了同步的电气测量和高速成像技术。在空气中（140 V，350 A），电弧电压随上升时间增加，在0.5 ms、1 ms和2 ms时分别达到了800 V、840 V和1080 V；而更短的上升时间虽然减少了电弧持续时间，但促进了电弧的重新点燃。在真空环境中（140–200 V），电弧电压稳定在80–90 V之间，较长的上升时间延长了电弧持续时间；圆形接触点表现出更快的电压上升速度和更高的峰值。在氮气环境中（140–200 V），在0.5 ms、1 ms和2 ms时电弧电压分别达到了2680 V、2600 V和2320 V，且电弧持续时间有所缩短。在所有介质中，圆形接触点始终产生比平面接触点更高的电弧电压。这些结果表明，驱动动力学和接触几何形状对电弧电压和持续时间有重要影响，为高速压电开关设备的设计提供了实用指导。

1. 引言
电弧行为是理解电流中断复杂性的关键。了解电弧的动态特性对于制定有效的开关策略至关重要，这些策略需要平衡快速中断、最小化接触磨损和设备寿命的要求。对快速故障清除和高效电流中断的日益增长的需求突显了继续研究和创新开关技术的必要性[1]。现代电力系统、电信、交通运输和可再生能源设施需要越来越先进的开关解决方案，以确保可靠性并防止昂贵的停机时间[2]。这种需求增加了对电弧行为的深入理解和对先进中断技术探索的必要性。其中一种有前途的技术是在开关设备中部署和利用智能材料，如压电材料[3]。这些材料可以精确且快速地控制接触分离，从而提高电流中断系统的整体效率和可靠性。此外，压电执行器的引入为电流中断领域带来了新的维度。这些材料不仅可以实现更快、更迅速和更高加速度的切换，还具有适应性和响应性中断系统的潜力[4]。通过利用压电执行器的独特性能，可以开发出能够根据不断变化的故障条件动态调整的新中断机制，进一步提升电气开关设备的可靠性和性能[5]。现代电力系统不断发展的需求使得这种先进材料与电弧行为理解的结合具有巨大前景。
目前，快速切换主要由电磁执行器主导，其中最著名的是汤姆森线圈执行器（TCA）[6]。然而，尽管存在行程限制，压电执行器在开关应用中可能是更好的选择[7]。先前的研究已经证明了压电执行器实现亚毫秒级响应时间的超快速切换潜力[3,5,8,9,10,11,12,13,14]。此外，它们的紧凑尺寸、高精度和低功耗使其成为提升电流中断系统性能的理想候选者[10]。无论是直接使用的还是经过机械增强的压电执行器，在混合式断路器（HCB）中作为快速机械开关（FMS）或超快速断路器（UFD）方面都表现出巨大潜力[8,9,10,11,12,13]。与TCA相比，压电执行器还表现出更高的加速度[5,14]。尽管压电执行器展示了独特的性能，但它们的应用主要限于无电弧中断，关于压电执行器参与时的电弧特性的研究非常有限。据我们所知，唯一的例外是[15]中报道的一种平面双压电执行器在空气开关中的使用。该执行器用于开启低接触开启速度断路器的触点，并展示了成功的电流限制性能。此外，还研究了产生的电弧移动特性，显示了压电操作触点的独特特性。然而，关于其他中断介质或可能影响电弧行为的参数，没有进一步的报告。
为此，在本研究中设计了一个放大的压电执行器（APA），并将其作为快速机械开关（FMS）的执行单元。该开关首先安装在充满空气的中断腔室中，然后通过真空绝缘，最后用氮气填充。构建了测试电路，并观察了在空气、真空和氮气中的电弧现象。本文的结构如下：第2节描述了本研究中的实验测量方法；第3节展示了获得和记录的结果，并进行了讨论；第4节总结了研究结果和结论。

2. 实验装置
2.1. 工作原理
APA的结构和工作原理在[5,8]中有报道，如图1所示。它包含一个110 × 27 × 12 mm的椭圆形柔张力框架，在其中嵌入了一个18 μF、90 × 7 × 7 mm的压电堆栈，使其长轴对齐。该框架用于放大压电堆栈的变形，并为其动力学提供必要的预应力[16]。当向压电执行器施加150 V的电压信号时，它会产生水平方向的位移。机械放大器变形，从而在垂直方向产生更大的位移。通过在执行器的移动接口上安装接触桥，而另一个接口固定，可以实现开关的驱动，这被称为无阻塞操作模式。整个装置安装在一个亚克力框架中，基于快速机械开关的放大压电执行器（FMS-APA）原型如图2所示。图1. 放大压电执行器（FPA）；图2. 基于快速机械开关的放大压电执行器（FMS-APA）原型：(a) 示意图；(b) 原型。所展示的开关的控制系统包括一个功率放大器（100 kHz，500 W），带宽为0–150 V。使用了一个能够生成0到5 V电压的步波信号发生器，上升时间可在0.5 ms、1 ms和2 ms之间选择。上升时间使用数字示波器测量，精度为±2 μs，重复测试之间的稳定性在标称值的±3%范围内。此外，还连接了一个10 Ω的阻尼电阻，以消除突发尖峰。FMS-APA的控制电路进一步如图3所示。图3. 开关控制电路示意图。通过在执行器顶部平坦表面上安装了一个分辨率为280 nm、工作频率为10 kHz的涡流位移传感器来检测执行器的性能。根据驱动电压测量行程。此外，在0.5 ms、1 ms和2 ms的步波时间点记录了阻尼力、刚度、频率和行程。

2.2. 接触系统
电弧行为与涉及的电气接触点的化学性质和物理条件密切相关。此外，电气接触点的物理形状和设计也会影响电弧特性[17]。因此，在本研究中测试了两种类型的铜接触点：第一种类似球形头部，第二种则为平面形状。移动接触点是一个平面铜桥，与APA框架之间由聚醚醚酮（PEEK）绝缘材料分隔。此外，多个N52级永磁板（60 × 20 × 2 mm）对称安装在接触区域附近，其磁极方向设置为在电弧间隙中产生横向磁场。这种配置通过洛伦兹力将电弧柱从接触界面驱动出去，从而促进电弧伸长、冷却和更快熄灭[18]。磁铁的位置确保了沿预期电弧路径的均匀磁场分布，增强了电弧稳定性控制并减少了接触侵蚀。磁铁相对于接触对以及移动机构的排列如图4所示。图4. 使用的电气接触系统（圆形和平面接触点仅为了说明目的而一起展示，在本研究中分别使用）。
2.3. 冷却介质
在本研究中，电弧腔室中测试了三种绝缘介质：空气、真空和氮气。选择这些介质是基于执行器的兼容性考虑。压电堆栈以良好的真空兼容性而闻名[4]，最近的研究也探讨了它们在CO2环境中的操作[19]。然而，关于其他气体的数据有限；因此，在与压电执行器制造商协商后选择了氮气[20]。
对于空气测试，腔室在实验室条件（23 ± 1 °C）下以常温大气压（~1.01 × 105 Pa）运行，没有额外的调节或强制流动。腔室内的空气是静止的，湿度或成分没有主动控制。对于真空测试，使用旋转真空泵通过隔离阀对腔室进行抽真空。使用Pirani压力计监测压力，每次测试前达到约5 × 103 Pa的绝对压力。为了确保重复性，每次试验前都将腔室抽至该压力水平，并在测试过程中保持压力变化在±5%以内。因此，本研究仅考虑了这一单一真空水平，不涉及压力的参数依赖性。
对于氮气测试，使用了高纯度氮气（>99.99%）。首先将腔室抽至相同的基压（~5 × 103 Pa），然后 purged 并重新填充氮气以最小化残余空气。每次实验前都重复这一抽空-重新填充过程。随后将腔室加压至0.5 MPa（5 × 105 Pa）的绝对压力，由数字压力传感器指示。气体在静态（无流动）条件下保持，根据需要重新填充以在多次试验中维持稳定压力。所有实验都在23 ± 1 °C的常温下进行。

2.4. 测试电路
电弧观察测试平台的测试电路如图5a所示。测试平台包括安装在电弧腔室中的FMS-APA，并连接到电容器放电电路，两者之间有一个由可编程逻辑控制器（PLC）单元触发的控制开关。PLC设置为控制电容器阵列的放电和FMS-APA的驱动，具有预设的微小延迟。测试电路中还安装了一组测量工具，包括霍尔电流探针，用于记录主放电电流。此外，还设置了电压探针来测量电弧电压、执行器电压和驱动信号电压。还在电弧腔室窗口前放置了一个高速相机（5400–18,000 fps），以捕捉电弧图像。结合光学和电气测量结果提供了关于机械驱动、电弧演化和高速开关应用中能量耗散之间相互作用的关键见解。图5b显示了实验仪器设置。图5. 电弧观察测试：(a) 测试电路示意图；(b) 实验测试平台。测试程序通过将电容器组充电到140 V到200 V的电压范围开始，这些电压可以分别生成350 A到500 A的电流。放电电流遵循正弦波形。放电由PLC信号触发，以关闭主电路开关，随后由信号发生器生成电压步进信号。该信号上升时间调整为0.5 ms、1 ms和2 ms，并由功率放大器放大至150 V以驱动FMS-APA触点分离。每个实验条件都重复了多次，选择了至少三次连续试验中电弧电压和电弧持续时间表现一致的结果进行分析（n = 3）。报告的值对应于这些选定试验的平均值 ± 标准差（SD）。电弧持续时间被定义为电压超过其值5%的瞬间与电流衰减至零的时刻之间的时间间隔。峰值电弧电压和峰值电流被确定为每次放电事件期间记录的最大瞬时值。

3. 结果
3.1. 执行器特性
已经进行了静态和动态测量，以评估FMS-APA的行程和移动距离。图6a显示了在不同驱动电压（从15 V到150 V）下的APA行程。APA可以在534.5 Hz的频率下施加85 N的力，达到0.18 N/μm的刚度。APA的最大行程为474.5 μm，使得开关的整体间隙为0.95 mm，理论上在空气中和真空中可以分别承受2.7 kV和18 kV的电压[3]。图6展示了放大后的压电执行器（APA）：(a) 不同电压下的行程；(b) 不同电压上升时间下的移动距离。另一方面，图6b展示了在0 ms、1 ms和2 ms的驱动电压上升时间下的APA位移。执行器的行程主要由压电特性、施加电压和放大机制决定[3,21]，而瞬态响应则受到电压波形的强烈影响[13,14]。快速的电压上升（tr = 0 ms）会引发突然的力变化，激发系统的自然频率，导致明显的超调和振荡。较慢的上升时间可以减少高频激励，从而降低超调并提高稳定性。如表1所示，响应时间从tr = 0 ms时的0.296 ms增加到tr = 1 ms时的0.413 ms和tr = 2 ms时的0.456 ms，而激活时间从1.28 ms延长到1.52 ms和2.38 ms。最大超调从31%减少到26%和10%，最小超调从32%减少到25%和18%。这些结果表明，增加驱动电压上升时间可以有效抑制跳动并加速稳定。

3.2. 空气中的电弧现象
在140 V的放电电压下进行了空气电弧的观察和测量，该电压对应的电流为350 A。使用了三种不同的驱动电压上升时间（0.5 ms、1 ms和2 ms），并使用了两种固定接触类型（圆形和扁平形）。对于每种测试组合，测量了电弧电压、电弧电流和APA驱动信号，结果通过记录的波形和信号在图7中展示。此外，图8还展示了FMS-APA原型在200 V/500 A、0.5 ms驱动时间下，使用圆形和扁平接触时的空气电弧的高速图像。
图7. 在140 V/350 A的驱动信号下，(a) 0.5 ms；(b) 1 ms；(c) 2 ms；以及(d) 瞬时电弧功率时的空气电弧电压、电弧电流和开关驱动电压。
图8. 在0.5 ms电压上升时间下触发的140 V/350 A空气电弧的高速图像，对于(a) 圆形接触和(b) 扁平接触。
空气电弧持续时间（tarc）在0.5 ms、1 ms和2 ms的驱动电压上升时间下分别为3.2 ms、1.4 ms和1.6 ms。显然，在0.5 ms的驱动时间下电弧发生了重新点燃，这解释了较长的电弧持续时间。如图6b所示，压电执行器的快速驱动最终会导致大规模的振荡，从而导致电弧重新点燃。此外，在不同的驱动时间下观察到电弧电压的显著变化，在较长的压电驱动上升时间下电弧电压更高。记录的最大电弧电压分别为0.5 ms时的800 V、840 V和1080 V。另外，随着驱动时间的增加，电弧起始时间（）也增加了，分别在0.5 ms、1.0 ms和2.0 ms时达到了0.40 ms、0.41 ms和0.46 ms。不同驱动时间条件下的最大瞬时电弧功率比较表明，最大瞬时电弧功率随着驱动时间的增加而呈下降趋势，说明电弧强度强烈依赖于驱动电压上升曲线。此外，无论驱动时间如何，电弧行为都呈现出一致的模式。随着接触分离，电弧电压逐渐增加，当达到全行程时电压会突然激增。

3.3. 真空中的电弧现象
在不同的放电电压140 V和200 V下进行了真空电弧（VA）的观察和测量，这些电压对应的电流分别为350 A和500 A。使用了三种电压上升时间（0.5 ms、1 ms和2 ms），并使用了两种类型的固定接触（圆形和扁平形）。在每种测试组合中，测量了电弧电压、电弧电流和APA驱动电压随时间的变化。记录的波形和测量信号显示在图10中。图11展示了在200 V/500 A、0.5 ms驱动时间下，使用圆形和扁平接触时的FMS-APA原型的真空电弧的高速图像。
图10. 在140 V/350 A的驱动信号下，(a) 0.5 ms；(b) 1 ms；(c) 2 ms；以及(d) 瞬时电弧功率时的真空电弧电压、电弧电流和开关驱动电压。
图11. 在0.5 ms电压上升时间下触发的140 V/350 A真空电弧的高速图像，对于(a) 圆形接触和(b) 扁平接触。
结果表明，增加驱动时间会导致电弧持续时间略微增加。具体来说，0.5 ms、1.0 ms和2.0 ms的驱动时间下的电弧持续时间分别为4.19 ms、4.46 ms和4.68 ms。还观察到较短的驱动时间能够更快地达到较高的初始电弧电压。三种情况下的瞬时功率曲线比较显示，峰值功率值相对相似。然而，通过对电弧持续时间内的瞬时功率进行积分得到的电弧能量评估表明，2.0 ms的驱动条件产生的总电弧能量最低。总体而言，平均电弧电压在所有情况下几乎保持不变，介于80 V到85 V之间。无论驱动时间和接触类型如何，电弧过程可以分为三个不同的阶段。初始阶段可以归类为等离子体形成阶段，此时接触逐渐分离并开始形成阴极斑点[22]。第二阶段表现为相对稳定的放电过程，电弧电压在全程中稳定在80 V到90 V之间，并且电弧似乎形成了几个熔融桥。第三阶段可以描述为电弧消灭阶段，持续的电弧在电流下降的驱动下开始逐渐减弱。磁场将电弧推向接触边缘，当电流降至零时电弧终止。

类似的比较也可以应用于扁平形接触，每种驱动时间下的电弧时间显示出与圆形接触相似的趋势。扁平接触产生的电弧电压低于圆形接触，并且在0.5 ms驱动时间下的电弧电压上升速率显著较慢。扁平接触之间的电弧显示出更密集的放电点，因为它似乎被限制在一个更大的区域内，更加静止。图12比较了不同驱动时间下的电弧电压。
图12. 在不同驱动时间下，(a) 140 V/350 A；(b) 200 V/500 A时，圆形和扁平接触的电弧电压比较。

3.4. 氮气中的电弧现象
同样，在不同的放电电压140 V和200 V下进行了氮气电弧的测量和观察，这些电压对应的电流分别为350 A和500 A。与VA情况类似，开关在三种不同的电压上升时间（0.5 ms、1 ms和2 ms）下被触发，使用了两种类型的固定接触（圆形和扁平形）。对于每种测试安排，测量了电弧电压和电弧电流随时间的变化以及APA驱动电压。测量信号显示在图13中。还进行了高速摄影，结果展示在图14中。
图13. 在0.5 ms电压上升时间下触发的140 V/350 A氮气电弧的高速图像，对于(a) 圆形接触和(b) 扁平接触。
图13. 在0.5 ms电压上升时间下触发的140 V/350 A氮气电弧的高速图像，对于(a) 圆形接触和(b) 扁平接触。
在氮气中的电弧现象可以划分为两个主要阶段：电弧形成阶段，此时随着压电驱动的接触分开，电弧强度逐渐增加；以及电弧衰减阶段，此时电弧被推动到接触边缘并因无法继续维持而熄灭。在这两个阶段之间有一个关键时刻，电弧在接触达到最终行程后会发生剧烈扭曲和旋转。这表现为电弧电压的急剧上升。电弧电压明显依赖于驱动时间，在较短的压电驱动上升时间下观察到更高的电压值。记录的最大电弧电压分别为0.5 ms时的2680 V、1.0 ms时的2600 V和2.0 ms时的2320 V。此外，较短的驱动时间会导致电弧电压更快地达到峰值。驱动时间还影响总电弧持续时间，测量值分别为0.5 ms时的1.972 ms、1.902 ms和2.188 ms。另外，随着驱动时间的增加，电弧起始时间也随之增加。在功率特性方面，较短的驱动时间观察到更高的瞬时功率耗散，而通过对电弧持续时间内的功率进行积分得到的总电弧能量在不同操作条件下保持可比。图15a显示了驱动时间对氮气电弧特性的影响。
图15. 在不同驱动时间下，(a) 140 V/350 A；(b) 200 V/500 A时，圆形和扁平接触的电弧电压比较。图15b展示了不同接触类型的电弧电压比较。可以观察到，圆形触点保持了较高的电弧电压，为2400伏特，而扁平触点之间的电弧电压为1640伏特。在不同触点形状下，电弧持续时间也有所不同，圆形触点的电弧持续时间为约3.088毫秒，扁平触点为2.972毫秒。4. 讨论记录结果显示，氮气中的电弧行为与真空中的电弧行为不同。虽然真空中的电弧似乎被限制在触点之间循环[23]，但氮气中的电弧表现出气体填充接触器（GFCs）[18]中常见的电弧特性。安装的永久磁铁板对氮气中的电弧动态有显著影响，而在电弧即将熄灭之前，真空中的影响较小。进一步比较电弧时间和电弧电压，发现它们具有各自介质的典型特征。压电驱动的影响在真空和氮气中都非常明显。压电驱动的快速响应和高加速度导致电弧电压上升速率增加。类似的观察结果也在[15]中报道，因为速度驱动显著增加了电弧的伸长，从而增强了电弧柱的对流冷却，最终导致电弧熄灭。表2表明，中断介质和触点几何形状显著影响了不同驱动上升时间下的电弧特性。在空气中，圆形触点始终产生更高的平均电弧电压和稍快的电压上升速率，较短的上升时间产生更高的峰值电压和更长的电弧持续时间。真空条件下的电弧电压明显较低（80–90伏特），且电弧持续时间较长，对上升时间或触点几何形状的敏感性较小。在氮气中，电弧电压显著较高，尤其是对于圆形触点，较短的上升时间可以减少电弧持续时间，同时略微增加dv/dt。在所有介质中，圆形触点通常产生的电压都高于扁平触点，表明触点几何形状在中断过程中放大了电应力。这些结果证实，驱动动态、触点几何形状和介质共同决定了电弧的形成、演变和熄灭，为高速压电驱动开关设备的设计和优化提供了重要指导。表2总结了不同介质和驱动上升时间下各种触点类型的对比情况。此外，还使用测量的电弧功率波形进行了基于能量的热评估（图7d、图10d和图13d）。通过积分获得的电弧能量估计为：空气中约30–65焦耳，真空中80–120焦耳，氮气中100–200焦耳，具体取决于驱动条件。相应的峰值功率大约为：空气中150千瓦，真空中25–30千瓦，氮气中高达500千瓦，典型的电弧持续时间分别为约1–3毫秒（空气）、约4–5毫秒（真空）和约1–2毫秒（氮气）。假设大部分电弧能量集中在较小的有效接触区域（如高速电弧图像图8、图11和图14所示），估计的瞬态温度上升范围大约为200°C至1000°C。实际上，只有少量（通常为10–30%）电弧能量传递到触点，其余部分通过等离子体辐射和周围介质耗散。因此，实际的温度上升显著较低，并且局限于较小的接触区域。这些结果表明，尽管瞬时功率水平很高，但总能量仍然有限，相关的热负荷是瞬态且局部的，支持了所研究操作条件的实际可行性。5. 结论据作者所知，本研究首次使用压电驱动触点系统在真空和氮气环境中对电弧特性进行了实验研究。结果明确了驱动动态与电弧行为之间的关系。研究表明，驱动上升时间显著影响电弧的起始时间、电弧电压、持续时间和其他参数。较短的驱动时间通常促进电弧更快的发展，导致更高的峰值电弧电压和更大的电压梯度；而较长的驱动时间则导致电弧起始延迟和电弧强度降低。发现电弧起始时间随驱动时间的增加而增加，证实了击穿动态对触点分离速率的强烈依赖性。熄弧介质在决定电弧特性方面起着关键作用。氮气展现出最高的电弧电压和对驱动动态的最强依赖性，而真空电弧则保持相对较低和稳定的电压水平以及较长的电弧持续时间。空气表现出中间的行为，对驱动条件和触点几何形状都有明显的敏感性。触点几何形状进一步影响电弧性能，圆形触点通常产生更高的电弧电压和更陡峭的电弧电压梯度，表明场强化更加明显，电弧发展更快。相比之下，扁平触点产生的电弧强度较低，放电行为更为分散。总体而言，这些结果强调，在压电驱动系统中，电弧特性受驱动特性、熄弧介质和触点几何形状的耦合相互作用的影响。这些发现为优化快速机械开关应用中的驱动策略以控制电弧起始、强度和能量提供了基础。