(PDF) Analysis of Instability Phenomenon at Current Interruption in Vacuum Arc Discharge Compared With Silver or Copper Electrode 銀及び銅電極を比較した真空アーク放電における電流遮断時の不安定現象の解析一般社団法人電気学会プラズマ/パルスパワー/放電合同研究会 2017年10月25日（水）～27日（金）熊本県（熊本大学黒髪南地区共用棟黒髪 1階電数講義室）

銀銅電比し真アー放電に

おけ電流遮断不安定現解析

Analysis of Instability Phenomenon at Current Interruption in Vacuum

Arc Discharge Compared With Silver or Copper Electrode

Department of Electrical Technology Education ，

King Mongkut‘s University of Technology Thonburi

◎ 　鎌$ 憲嗣 , Narong Mungkung, Pakpoom Chansri 　　　　

　　宮崎大* 木之- 広幸

Department of Electrical Technology Education ，King

Mongkut‘s University of Technology Thonburi ，　宮崎大* 湯地

　敏史

　一般社団法人電気*; プラズマ /パルスパワー /放電合同研究

;

2017 年10 月25 日（水）～ 27 日（金）

　　　熊本県（熊本大* 黒髪南地V 共用棟黒髪 1　Z 電数講義室）

Analysis of Instability Phenomenon at Current Interruption in Vacuum Arc Discharge Compared With Silver or Copper Electrode

1. 研究背景

日本安定し電力供cにおいては

，線路i開閉装m役oは重要且

stかせない現xがあ。

⇒開閉装m 真遮断|が使用

小電流アー領€で真アー

放電不安定現解‚す

ことで低電流用小‡真遮

断|実用‰目‹してい

真遮断|

図  電流裁断現

Analysis of Instability Phenomenon at Current Interruption in Vacuum Arc Discharge Compared With Silver or Copper Electrode

【特徴】

・電路故”によ過大な電流遮断

・事故拡大防止

分法によœアー電流閾ž

２s未知数パラメー£解が

虚数とな領€がアー不安定

x¥に¦

陰¨モデル 式

１．シース¯に°わ電圧

２．陰¨半径

３．電流密度

４ 陰面i電子電流o合

５．陰¨表面温度

６．陰表面電¿Àさ

７．プラズマシースÃにおけ密度

８．プラズマ温度

2. 従Æ研究 2文法によシミュレーショ

ン

従Æ研究（ 

 ， ）

文法によシミュレーション

Analysis of Instability Phenomenon at Current Interruption in Vacuum Arc Discharge Compared With Silver or Copper Electrode

真アーで使用す電材料

に，  程度小電流遮断し際

に電流ž 以-になとアー放電

はあ電流波Óに寄生振×ØÙ不

安定なxÚに遷移

T.H.Lee 　【理Þ】無衝áシース，シース電圧仮定，一価電離

　　　　　　【t¨】プラズマ側不‚，シース電圧，電流にæして解がない

G.Ecker 　【理Þ】シースとプラズマ¯分接続，シース電圧仮定

　　　　　【t¨】シース電圧，電流にæして，電流にæして解がない

Analysis of Instability Phenomenon at Current Interruption in Vacuum Arc Discharge Compared With Silver or Copper Electrode

図  電入力測定

図  電温度iëとì関係

アー電流 ，アー電圧 ，

陰温度ië ，陽温度ië に測

定

電・・・・・・直径  ñさ  円筒‡電

電支持棒 ・・・低熱伝導度支持棒材料  ú棒

 直径  ，ñさ  ，肉üさ 

アー閉し電ìに設定・・・電ì  開・電流 直流電流



アー継続ì・・・数秒～数十秒，真チャンバー圧力・・・   

! 

実験条件

3. 実験条件と電入力測定

熱電æ出力が最大"にしž

Analysis of Instability Phenomenon at Current Interruption in Vacuum Arc Discharge Compared With Silver or Copper Electrode

図  銀電入力とアー電流

図  銅電入力とアー電流

4. 実験結果

・アー電圧 Vによ入力は，式  と

# 

ように陰陽へ入力にな

・ 以-で数秒オー持続アーが



られない

・アー電圧 Vによ入力は，

銅と同様，陰陽へ入力に



な

・銀電においても 以-アー



では持続アーがられない

陰入力 $%& 陽入力 $ ・%&

'

Analysis of Instability Phenomenon at Current Interruption in Vacuum Arc Discharge Compared With Silver or Copper Electrode

図  イオン電流とアー電流関係

・陰からイオン電流ž

アー電流   ％

 ()#* 方法によ結果と一致

・銀と銅イオン電流o合 + が

アー電流  ％設定

・アー不安定現解析

図,  イオン電流と測定回路

・陽へイオン電流に関して ()#*

に

 よ実験デー£利用

・陰材料は - ，./ 利用

・材料純度は  ～0

・アーは直流電で発生し，そ際イ



オン電流測定

・チャンバー圧力は  ! 以-

5. イオン電流とアー電流関係

Analysis of Instability Phenomenon at Current Interruption in Vacuum Arc Discharge Compared With Silver or Copper Electrode

図  陰表面温度電子電流



  o合とアー電流関係

図  プラズマ電子温度シース電圧

と

  アー電流関係

・電子電流o合はアー電流にæ



して銀も銅も反比"関係

・アー電流žが減$すと陰表

面温度と陰電¿が増大し，電子

電流o合も増°

・シース電圧はアー電流  ～, 範

 '

で変‰

・銀と銅比し場合，銀よœも銅方が，



アー電流がiがにsれて*い

・ 以-で，特に安定限¿電流付-におい

て

増°し，そ後急0に減$

・シース電圧が大きくな傾向

6. 電子電流o合とカソー7温度関係

Analysis of Instability Phenomenon at Current Interruption in Vacuum Arc Discharge Compared With Silver or Copper Electrode

図  電流密度プラズマ密

度

とアー電流関係

図  陰¨半径陰表面i電

¿

  とアー電流関係

・銀と銅，共に電流密度が*い場合に



は*放電x¥

・双方とも*いプラズマ密度が必要

・本解析でプラズマ密度は

  ｍ 

・銀も銅も陰表面電¿は，アー電流

が減$すと増°す

・これまでに陰表面電¿žは電子密

度と関係すめ，こ結果とな

・ま，陰¨半径はアー電流にæし

て比"

7. 電子電流o合とカソー7温度関係

Analysis of Instability Phenomenon at Current Interruption in Vacuum Arc Discharge Compared With Silver or Copper Electrode

図  電子電流o合とアー電流関係

・電子電流o合とアー電流は，反比"

関係

・アー電流が  ， ，

， 

場合には，アー電流žが減$すと陰



表面温度と陰電¿À度が増大し，電

子電流o合も増大

8. 電子電流o合とカソー7温度関係

Analysis of Instability Phenomenon at Current Interruption in Vacuum Arc Discharge Compared With Silver or Copper Electrode

図  銀アー安定限¿と仕事関数関係

図  銅アー安定限¿と仕事関数関係

・銀仕事関数は， 1＝ ～



範'想定し計Aし結果

・銀陰はアー安定限¿電流が

  ～ 範'変‰

・銅仕事関数

 1 ＝ ～ 範'

・銅場合，アー安定限¿電流

  ～, 範'変‰

・銀も銅電において，仕事関数はアー



安定限¿電流にæして影Cが$ない

・仕事関数が増えと，陰から

電子放出が$ない

・銀と銅電仕事関数変×2

・銀と銅電熱伝導E変‰～

％

・アー安定限¿電流にぼす影Cは

大きい

9. アー安定限¿電流と

　　無衝áシース

仕事関数，陰熱伝導Eにæす

アー安定限¿電流特徴

Analysis of Instability Phenomenon at Current Interruption in Vacuum Arc Discharge Compared With Silver or Copper Electrode

表  アー安定限¿電流と無衝áシー

ス

解析条件

表  イオン‰電圧と電離度条件

10. アー安定限¿電流と無衝áシース

　　　イオン‰電圧と電離度条件

・プラズマ温度プラズマ

　密度と陰¨表面温度，飽和蒸

　気圧各条件

・シースでガス(蒸気)と電

子

　衝á自由行程34 は345

67

　87は陰温度 Tと飽和蒸気

圧

　PvからOめ。

・１価完全電離仮定し，

　2価電離にsいて検Sし。

・695 ，:;5

<　

　76用いと-T

　サV式がWœXs。

　１. 本研究では，銀と銅電材料用いて比検S

　　行っ。そ解析結果，銀陰場合は， I＞19.4

A　，

　　銅陰場合は I＞19 A 領€において解がられ

が，

　　それ以-領€，すなわ[銀陰場合I≦19.4 A ，

　　銅陰場合I≦19 A では，実数解が存]しない

2. 陰表面電¿（ Mackeown 式）において， F0≦0

とな

　　　　　œ虚数解が現れプラズマ側から逆拡散電子影C

　　で，シースにおいてイオンよœ電子が過`とな

　　しがって，銀陰場合I≦19.4 A 　，銅電場合

　　 I≦19 A 領€が不安定領€とな

Analysis of Instability Phenomenon at Current Interruption in Vacuum Arc Discharge Compared With Silver or Copper Electrode

11. まとめ

aな電材料として使われてい複合材においても，

2分法用いて同様シミュレーション評価行い，

陰¨固体で抵抗°熱にsいて検Sし，

無衝áシーhにおけ電離度にsいてaな条件で

分析し検Sす。

12. 今後課題

Analysis of Instability Phenomenon at Current Interruption in Vacuum Arc Discharge Compared With Silver or Copper Electrode

l清聴有pうlざいまし。

Analysis of Instability Phenomenon at Current Interruption in Vacuum Arc Discharge Compared With Silver or Copper Electrode

Abstract

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