直流電弧作用下觸頭材料的侵蝕機理和轉移特性研究.pdf

1、電磁繼電器動作時，觸頭間會形成電弧，并伴隨蒸發(fā)和噴濺現(xiàn)象。蒸發(fā)和噴濺會導致觸頭材料侵蝕和轉移，是接觸系統(tǒng)失效的主要原因?，F(xiàn)有的蒸發(fā)侵蝕模型只適用于真空中燃弧過程，不適用于繼電器中的常壓氣體環(huán)境；現(xiàn)有的噴濺侵蝕模型無法定量描述噴濺侵蝕特性與電弧特性之間的關系；而對于蒸發(fā)和噴濺導致的材料轉移現(xiàn)象目前國內(nèi)外尚未開展理論研究。以上問題導致至今仍無法定量評估繼電器動作過程中電弧對觸頭的燒蝕程度，不能為觸頭抗燒蝕能力設計和優(yōu)化提供有效的理論依據(jù)。本

2、文通過建立觸頭熔池三維磁流體動力學模型和電弧-觸頭統(tǒng)一模型，對穩(wěn)態(tài)電弧和分斷燃弧過程引起的蒸發(fā)和噴濺侵蝕機理及材料轉移特性進行了研究。
　　蒸發(fā)導致的觸頭材料侵蝕和轉移是觸頭分斷小電流時性能退化和失效主要原因。針對觸頭及熔池內(nèi)部傳熱和流動現(xiàn)象，建立了熔池三維磁流體動力學模型，得到了熔池物理特性及觸頭表面熱場分布。基于氣體動力學理論，建立了包含努森層、蒸氣層、暫態(tài)電弧層和穩(wěn)態(tài)電弧層的熔池表面蒸發(fā)數(shù)學模型，通過求解層與層交界面物質狀態(tài)

3、如密度、溫度和壓力等滿足的氣體動力學方程，得到了蒸發(fā)通量與熔池表面溫度的關系。結合熔池表面熱場分布和蒸發(fā)通量與熔池表面溫度的關系，得到了穩(wěn)態(tài)電弧作用下觸頭的蒸發(fā)侵蝕率。在零材料損失假設下，通過求解陰極和陽極的蒸發(fā)侵蝕率，得到了蒸發(fā)導致的材料轉移方向和轉移速率。基于上述模型，分析了觸頭熱導率、電導率等材料屬性對蒸發(fā)侵蝕特性的影響，解決了小電流下觸頭材料抗燒蝕能力設計和評價缺乏理論依據(jù)的問題。利用開距可調(diào)的電弧試驗系統(tǒng)進行了小電弧電流下的穩(wěn)

4、態(tài)燃弧實驗，得到了不同穩(wěn)態(tài)電流電弧燒蝕觸頭質量和形貌的變化。
　　噴濺導致的觸頭材料侵蝕機理和轉移特性的研究對于大電流下接觸系統(tǒng)失效模式和失效機理的分析至關重要。通過對熔池表面進行受力分析，建立了電弧對熔池作用力突變導致材料噴濺的物理模型，分析了斑點產(chǎn)生、消亡與噴濺形式的關系?；跈C械能守恒原理，推導了電弧力做功表達式，根據(jù)電弧力做功和表面張力束縛能的關系，給出了噴濺發(fā)生的定量判據(jù)。結合電弧斑點的等效模型，得到了穩(wěn)態(tài)電弧作用下噴濺

5、侵蝕率。分析了斑點電流密度、斑點更替周期和運動速率等斑點特性對噴濺侵蝕特性的影響。由于噴濺具有隨機性，在噴濺液滴初始狀態(tài)概率分布假設下，進行了液滴在電弧中運動軌跡模擬，得到了噴濺液滴導致材料損失和轉移的比例與液滴初始狀態(tài)、觸頭半徑及間隙之間的關系。基于以上研究，分析了觸頭熱導率、電導率等材料屬性對噴濺侵蝕特性的影響，為大電流下觸頭材料抗燒蝕能力理論設計和評價提供了新方法。進行了大電弧電流下的穩(wěn)態(tài)燃弧實驗，得到了噴濺導致的觸頭質量和形貌的

6、變化，并與理論計算結果進行了比較和分析。
　　建立了觸頭分斷過程各個階段的等效模型，結合熔池仿真模型，研究了分斷過程觸頭材料侵蝕和轉移特性。建立了接觸斑點、液橋和電弧的簡化模型，提出了分斷過程觸頭電壓-電流預測方法，得到了分斷過程各階段注入觸頭的電流密度和熱流密度。在此基礎上，建立了分斷過程熔池仿真模型，得到不同時刻熔池內(nèi)部各物理場分布。通過分析蒸發(fā)和噴濺導致的觸頭侵蝕和轉移特性，實現(xiàn)了單次燃弧過程中蒸發(fā)和噴濺導致的侵蝕和轉移特性

7、的理論分析。在30V/50A阻性負載回路中進行了10000次分斷燃弧實驗，得到了觸頭電壓波形和質量變化，分析了仿真與實驗結果差異的原因。
　　根據(jù)電弧和觸頭之間的物質和能量傳遞過程，建立了包括陰極、陽極和電弧弧柱區(qū)域的電弧-觸頭雙向多場耦合的磁流體動力學模型，研究了分斷燃弧過程觸頭材料侵蝕和轉移特性。建立了包含陰極、鞘層、預鞘層和弧柱的陰極極旁區(qū)域數(shù)學模型，得到了陰極表面電子流密度和離子流密度與陰極表面溫度的關系?；陉帢O和陽極表