汪 浩，官小莎，李治軍，師慧倩

斷路器觸頭磨損研究綜述

汪 浩1，官小莎2，李治軍1，師慧倩1

（1. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064； 2. 中國人民解放軍91458部隊，三亞 572021）

斷路器使用過程中會發(fā)生觸頭磨損現(xiàn)象，為提高斷路器使用壽命需對斷路器觸頭磨損進(jìn)行研究分析。斷路器動、靜觸頭間產(chǎn)生的電弧是一個涉及多學(xué)科交叉耦合的問題，目前對斷路器觸頭電弧侵蝕磨損的物理機理和電弧特性了解不夠全面。斷路器觸頭在電弧燒蝕產(chǎn)生的局部高溫處，觸頭材料的物理特性產(chǎn)生局部變化，進(jìn)而造成常溫區(qū)域的觸頭間機械磨損與高溫區(qū)域觸頭間機械磨損不一樣。本文以斷路器觸頭磨損為研究對象，從電弧侵蝕磨損和觸頭機械碰撞磨損兩個方面，綜述國內(nèi)外斷路器電弧侵蝕數(shù)學(xué)模型、電弧特性、機械磨損機理以及觸頭碰撞機械磨損的特性，并對斷路器觸頭磨損的研究進(jìn)行展望。

電弧侵蝕 觸頭碰撞磨損 磨損機理

0 引言

斷路器觸頭磨損是指斷路器在分、合閘（有載或無載電路）時，由于觸頭之間碰撞、摩擦及電弧燒蝕等造成觸頭材料損失的現(xiàn)象[1]。由于觸頭磨損現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致斷路器觸頭超程減少、觸頭壓力降低、接觸電阻變大等參數(shù)改變，嚴(yán)重時會使斷路器失效，影響電力系統(tǒng)安全。為提高斷路器的使用壽命，需對斷路器觸頭磨損進(jìn)行研究分析。斷路器觸頭磨損主要為機械磨損和電磨損，本文對斷路器觸頭磨損研究的進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)。

1 電磨損研究

對斷路器的電磨損研究主要通過理論及模型、試驗兩種不同的研究途徑。

1.1 觸頭電磨損理論分析

斷路器的動、靜觸頭在接觸或分離過程中會產(chǎn)生電弧。由于電弧溫度較高，觸頭材料表面會出現(xiàn)熔化、氣化和金屬液滴噴射等現(xiàn)象，進(jìn)而造成觸頭磨損。斷路器在關(guān)合或分?jǐn)嘈‰娏鲿r，觸頭之間的電磨損主要原因是蒸發(fā)侵蝕磨損；隨著分?jǐn)嗷蜿P(guān)合電流增大，觸頭之間的電磨損有蒸發(fā)侵蝕磨損和液態(tài)金屬液滴的噴射磨損，并且主要原因是金屬液滴噴射磨損。

觸頭的電磨損主要有蒸發(fā)氣化、液滴噴濺、熔池馬拉高尼效應(yīng)和固態(tài)微粒噴射。

1.1.1蒸發(fā)氣化侵蝕磨損

冷陰極的銀基材料常作為觸頭材料。根據(jù)熱-電發(fā)射機理，斷路器為維持電弧的持續(xù)燃燒，電弧斑點處表面溫度通常高于材料的沸點。觸頭材料的蒸發(fā)氣化在整個電弧燃燒過程中一直進(jìn)行著，觸頭材料的蒸發(fā)氣化會導(dǎo)致觸頭材料的磨損減少、變形。

蒸發(fā)氣化侵蝕磨損可通過蒸發(fā)侵蝕率C（kg/C）進(jìn)行定量描述，其定義如式（1）所示。

式中：C——蒸發(fā)侵蝕率；——蒸發(fā)速率（kg/s）；I——電弧電流（A）。

文獻(xiàn)[1]、[2]是通過仿真分析得到觸頭表面溫度分布情況，并根據(jù)溫度分布情況找出達(dá)到觸頭材料沸點以上區(qū)域，并認(rèn)為高溫區(qū)域進(jìn)行著蒸發(fā)侵蝕磨損，進(jìn)而確定觸頭材料的蒸發(fā)侵蝕率，但文獻(xiàn)中忽略的因素較多，計算結(jié)果不精確。

文獻(xiàn)[3]、[4]根據(jù)電弧-觸頭邊界能量平衡模型仿真計算由于蒸發(fā)帶走的熱流密度，進(jìn)而計算出觸頭材料表面的蒸發(fā)速率，通過蒸發(fā)速率計算分析得到觸頭材料的蒸發(fā)侵蝕率。蒸發(fā)速率常采用Langmuir方程的方法進(jìn)行計算，Langmuir方程如公式（2）所示。

式中：——蒸發(fā)通量（kg/（m2s））；p——金屬飽和蒸氣壓；V觸頭材料氣化摩爾質(zhì)量；——氣體常數(shù)；T——熔池表面溫度。

但實際試驗結(jié)果比采用Langmuir方程計算的觸頭材料的蒸發(fā)通量小，計算得到的蒸發(fā)侵蝕率也不太準(zhǔn)確。

1.1.2噴濺侵蝕磨損

噴濺侵蝕磨損是指觸頭材料以金屬液滴的形式磨損的現(xiàn)象。

文獻(xiàn)[5]通過建立電弧-觸頭之間的數(shù)學(xué)模型，分析觸頭材料的侵蝕與陰極斑點關(guān)系，并得出斷路器觸頭在大電流下，噴濺侵蝕磨損的主要原因是粒子的轟擊力。文獻(xiàn)[6]通過研究真空電弧陰極斑點內(nèi)的觸頭材料噴濺侵蝕磨損的發(fā)生條件，得到臨界電流和臨界斑點壓力是噴濺侵蝕磨損發(fā)生主要原因的結(jié)論。

文獻(xiàn)[7]首先通過仿真分析計算得到觸頭溫度分布情況，并根據(jù)觸頭表面溫度的分布情況，以觸頭材料的熔化量來表示觸頭材料的噴濺量，進(jìn)而得到噴濺侵蝕磨損量。文獻(xiàn)[8]通過建立基于能量漲落以及概率統(tǒng)計得到觸頭材料噴濺侵蝕磨損模型，得到在特定燃弧功率和電弧電流下不同觸頭材料的噴濺量期望。

通過對文獻(xiàn)分析可知道斷路器觸頭材料噴濺侵蝕磨損的相關(guān)研究結(jié)論并不一致。

1.1.3固態(tài)微粒噴射侵蝕磨損

當(dāng)斷路器觸頭在熱、力作用下其表面會產(chǎn)生熱伸縮力。當(dāng)力大到能克服觸頭材料的機械強度時，觸頭表面會急劇的膨脹，進(jìn)而會有固態(tài)微粒從觸頭表面噴射而出，進(jìn)而造成觸頭磨損。

文獻(xiàn)[11]對等離子體噴流與觸頭表面粗糙程度的關(guān)系進(jìn)行了研究分析，通過研究分析得到等離子體噴流在粗糙的金屬表面更容易發(fā)生的結(jié)論。

1.1.4小結(jié)

以上對電弧侵蝕磨損的研究都僅針對單一因素、特定條件導(dǎo)致的電弧侵蝕磨損，假設(shè)條件相對較多，研究結(jié)果具有一定的局限性。

需要對電弧侵蝕磨損從以下方向進(jìn)行研究分析：1）觸頭材料的電弧侵蝕機理研究分析；2）建立更加完善的多物理場耦合的數(shù)學(xué)模型，分析觸頭材料轉(zhuǎn)移、觸頭表面形狀演變的影響因素。

1.2 觸頭電磨損的試驗研究

斷路器觸頭的電磨損可通過稱重法、表面成分分析、表面形貌觀測及測量接觸電阻這四種方式對電弧侵蝕磨損進(jìn)行研究分析。

文獻(xiàn)[12]采用CuW80觸頭作為研究對象進(jìn)行觸頭侵蝕試驗研究。試驗進(jìn)行了20次后進(jìn)行工頻耐壓測試、接觸電阻測試和拍攝觸頭表面照片，并且測量每一次關(guān)合的燃弧時間。通過對其拍攝的觸頭表面照片來看，觸頭表面上有明顯的燒蝕痕跡；隨著關(guān)合次數(shù)增加燃弧時間也會增加；通過仿真計算得到關(guān)合預(yù)擊穿電弧侵蝕率小于0.6mg/C，機械磨損過程質(zhì)量損失率大于1mg/C。試驗結(jié)果給出了斷路器觸頭侵蝕磨損主要是電弧燒蝕以及電弧加熱后的機械磨損這兩個因素，機械磨損不可忽略。沒有對機械磨損進(jìn)行深入分析。

2 機械磨損研究

根據(jù)文獻(xiàn)[12]的研究，斷路器觸頭間的機械磨損相比電氣磨損更為嚴(yán)重。因此，研究動、靜觸頭之間的機械磨損，揭示機械磨損機理的類型，對提出改善觸頭之間機械磨損措施，提高斷路器壽命十分有必要。

機械磨損主要是通過計算動、靜觸頭之間的碰撞應(yīng)力進(jìn)而計算得到斷路器觸頭在常溫下的磨損分析。然后根據(jù)觸頭材料特性對電弧燒蝕后局部高溫進(jìn)行高溫條件下觸頭機械磨損分析。

2.1 動靜觸頭之間碰撞應(yīng)力計算

通過仿真軟件計算得到動觸頭速度曲線，并將仿真計算得到曲線與實際測量得到曲線比對分析，進(jìn)而得到斷路器動觸頭的運動速度，進(jìn)一步得到動、靜觸頭之間碰撞接觸應(yīng)力。通過查閱文獻(xiàn)資料得到斷路器觸頭所采用材料的力學(xué)特性。在仿真軟件中建立仿真模型并對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分后仿真計算動靜觸頭之間接觸應(yīng)力。

根據(jù)仿真計算可得到靜觸頭的支撐反力，由于該支撐反力反映了兩弧觸頭碰撞接觸時的碰撞力，以及隨后滑動過程中的摩擦力大小。

2.2 常溫下觸頭磨損分析

斷路器常會在檢修時進(jìn)行無載操作，此時斷路器動、靜觸頭不受電弧的燒蝕，觸頭接觸區(qū)域及非接觸區(qū)均為常溫狀態(tài)。在有載操作時，預(yù)擊穿電弧燒蝕會在一瞬間完成。只會造成動、靜觸頭局部高溫，電弧未燒蝕區(qū)域溫度也基本保持常溫。

結(jié)婚五周年紀(jì)念日，原本他們計劃好要去補度蜜月，丁小慧沒有等許諾，一個人去了。那個小海島在南太平洋上，是被譽為一生中一定要帶最愛的人來一次的地方。每到傍晚時分，就有人仿照當(dāng)?shù)赝林娘L(fēng)俗舉行婚禮，伴隨著節(jié)奏感強烈的鼓點聲，人們又唱又跳的，向兩位新人祝賀，那場景熱烈又浪漫。只是，身邊沒有許諾，只能讓她更加感傷。

磨損一般分成 4 類：磨粒磨損、粘著磨損、表面疲勞磨損和腐蝕磨損。由于斷路器的動、靜觸頭接觸碰撞為滑動摩擦，因此在其過程中造成磨損不符合表面疲勞磨損和腐蝕磨損的條件，只需主要考慮磨粒磨損、粘著磨損。

根據(jù) Rabinowics 粘著磨損理論，發(fā)生粘著磨損需要兩個條件：一是材料局部應(yīng)力超過屈服應(yīng)力，發(fā)生塑性變形；二是發(fā)生塑性變形的磨削半徑滿足式(5)的要求：

式中：為材料的彈性模量；為屈服應(yīng)力；為磨削分離后單位面積的表面能。

根據(jù)以上分析動靜觸頭接觸碰撞的應(yīng)力以及觸頭材料特性，分析斷路器動靜觸頭在常溫下觸頭磨損分析。

2.3高溫下觸頭磨損分析

由于在電弧燒蝕的情況下，觸頭受到電弧燒蝕后高溫的影響，觸頭材料的表面能、硬度等物性參數(shù)會發(fā)生變化，磨損情況與常溫時有較大差異。

首先通過材料的熱物性確定、仿真模型網(wǎng)格劃分、電弧能量輸入進(jìn)行電弧燒蝕的觸頭溫度場仿真分析。通過仿真計算分析，得到觸頭表面溫度場分布。

式中：為單位面積的熵，是溫度。

得到觸頭材料在各溫度點處的表面能。不同溫度條件下固態(tài)金屬的表面能可用經(jīng)驗公式（7）計算得到，不同溫度條件下液態(tài)金屬的表面能可用經(jīng)驗公式（8）計算得到。

3 結(jié)束語

研究人員從理論分析、試驗測量角度對觸頭磨損數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了長期、持續(xù)的研究，推動了觸頭磨損理論的完善，但需對以下進(jìn)一步研究：

1）進(jìn)一步研究觸頭表面金屬熔池動力學(xué)數(shù)學(xué)模型，得到材料噴濺特性與電弧燃燒的時間關(guān)系曲線，建立更為準(zhǔn)確的耦合磁流體動力學(xué)模型，進(jìn)一步進(jìn)行觸頭材料電磨損量的仿真計算。

2）建立觸頭材料磨損數(shù)學(xué)模型，既考慮了電弧侵蝕磨損，又考慮了機械磨損。對斷路器觸頭磨損進(jìn)行定量計算磨損進(jìn)而對斷路器觸頭進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計提高斷路器的使用壽命。

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Review of research on contact wear of circuit breakers

Wang Hao1, Guan Xiaosha2, Li Zhijun1, Shi Huiqian1

(1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2. No. 91458 Troop in PLA, Sanya, Hainan, China)

TM561

A

1003-4862（2022）03-0030-04

2021-07-21

汪浩（1989-），男，工程師，主要從事低壓電器設(shè)備。E-mail：xjtu3005@163.com