对高压断路器Cu W触体侵蚀的调查.doc

对高压断路器Cu/ W触头侵蚀的调查JensTepper,MartinSeeger,Member,IEEE,TorstenVotteler,VolkerBehrens,andThomasHonig摘要:预测和理解高压断路器的Cu/ W触头电弧接触的侵蚀过程对提高断路器的寿命很重要。由于侵蚀导致的几何接触变化是影响断路器寿命的一个主要因素。据了解，触点材料的烧蚀至少取决于像电弧电流幅度，燃弧时间，总电量，和触头材料性能等参数。在实验结果的基础上，得到了一种改进预测侵蚀的方法。实验已经实现了对SF6自爆断路器测试装置随商业高压断路器触头当电流幅度高达45 kA和燃弧时间达17毫秒时的试验。根据电极能量平衡，由蒸发引起的材料的侵蚀可以计算出来。由此产生的侵蚀率与实验结果相吻合说明了具体侵蚀规模与电流，极性和燃弧时间有关。这表明，在这个范围内的电弧侵蚀主要由于触头材料的蒸发和辐射。关键词:电弧接触，铜钨，侵蚀，高压断路器。. 简介高压断路器电弧作用导致触头材料在电弧接触时被腐蚀。由于侵蚀，从而对触点几何接触产生的变化是决定了断路器使用寿命的一个主要因素。截至目前，高压断路器触头侵蚀预测常用的方法是基于文1的实验研究结果。本文的目的是介绍一个基于物理冲刷弧电极相互作用模型的触头腐蚀预测的改进方法。在过去，文2 -6已经完成了一些电弧电极相互作用的调查研究。这些出版物中常见的方法认为电极材料的蒸发是由于电极表面的发热的结果，例如由于电弧辐射和发热导致电极下降。此外，文7认为腐蚀导致电极材料放射金属粒子。从其他出版物了解到，电弧接触时的质量损失涉及到电荷量通过电弧作用传递使得电流增大8，侵蚀取决于接触电极9。文10提出了一种考虑由于接触热传导导致的功率损耗的一维接触模型用于对不同的铜/钨含量的材料的触头腐蚀的估算。图1.实验设置在本文中，电弧接触侵蚀是对高压断路器应用的研究。对传统的铜/钨电弧触点的断路器在电流幅度高达45 kA和燃弧时间达到17毫秒时进行了实验。对如接触极性和燃弧时间参数对接触磨损的影响进行了研究。 从实验结果和理论分析，推导出了一种在给定的应力范围内腐蚀的计算方法。 实验研究A.设置实验中测试电路所用图1所示。充电后的电容器组发出的测试电流幅值在3 kA到约45 kA。用20 MF至80 MF的电容器组和100uH至500uH的电感，50Hz和29Hz的频率分别产生不同幅值的电流。通过测试设备的电压用一个阻容分压器测量，通过测试设备的电流用一个电阻分流器测量。进一步测量了压力（压电换能器）和接触行程（线性电位器）。所有信号均用数字存储示波器（500兆赫带宽）进行了记录。随着测量分别确定了行程，和通过测试设备的电压，燃弧时间和接触分离时间。从测得的电流和接触分离时间，可计算出通过测试设备的电荷量。图2. 灭弧室的测试设备（自爆炸断路器）示意图.图3. 典型的电流和电压波形示意图.使用一个伴有传统高压断路器开关触头的自爆断路器测试装置。在测试设备中充满了5 bar绝对压力的SF6气体。图2显示了灭弧装置绘制示意图。最大接触行程为70毫米和接触速度为5米/秒。喷嘴的布置是比较典型的高压断路器布置。塞子的半径为8.5毫米。所用的标准弧触头材料中包含大约80 +/ -3的重量钨和20 +/ -3重量的铜。它是一种烧结物质并显示一个钨骨架。钨的平均晶粒尺寸约为14um。测试前后确定触头的重量的准确性低于5 *10-6kg。图3显示了一个实验典型的电流和电压波形。正如在图3中，只测试了一个极的电流脉冲。B. 步骤一般来说，实验前后分别对灭弧接触重量进行测定。实验结束后在非侵蚀地区清理电弧接触以便达到更高的称量精度。每个实验由一组电弧操作组成。这个数字被选为总费用之一，通过测试设备的电弧约2000As到3000作As。在一次实验中，电弧时间，所有的接触的极性和电弧电流的幅度约为常数。由于每个实验结果的特定接触侵蚀计算为质量损失率和通过电弧的总电荷（测量不确定度的8） （1）图4. 在不同电流幅度和极性的具体侵蚀随着开断次数i，每次开断的质量损失mi，可电荷量Qi. (2)i（t）-瞬间电弧电流，tArc-总燃弧时间和IRMS-燃弧时间内的平均电流值。正弦电流波形电量约等于IRMS和tArc产生的量。在一项实验中一个特定的侵蚀也代表了一次开断操作。最大燃弧时间总是低于一个半周期。对于9毫秒和5毫秒燃弧时间实验以50Hz的频率和17毫秒燃弧时间实验以29Hz的频率。在下面，电流的幅度将以平方方根值（RMS）给出。纵观本文中的具体侵蚀百分比与对应的典型模型相一致，平均有效电弧的下降电压值和触头材料从20蒸发的热量（见第三节- B）。C. 实验结果在对电弧电流幅值和极性，燃弧时间，接触分离特定时间侵蚀的影响进行了研究。对实验结果的重复性进行了验证。测量不确定性在8的范围之内。 1）电流幅值和极性：第一次实验进行了电流幅度3 kA，10 kA，29 kA，和45 kA，相同的极性（塞子=阴极），电弧时间为9ms和频率为50Hz的环境。图4显示了特定侵蚀作为电流幅值的功能。图5. 在不同电流幅度和电弧时间的具体侵蚀可以观察到两个接触增加非线性电流幅度时的具体侵蚀。此外，郁金香（阳极）接触显示了较高的具体侵蚀与插头（阴极）接触的对比。这在特定的侵蚀差异也随着电流的幅度而变化。调查的具体侵蚀对极性的影响的实验（除3 kA的实验）是通过变化的极性重复进行的。在这种情况下，塞子接触是阳极。图4显示了结果。对于这两种极性的具体侵蚀始终是阳极高于阴极。进一步阳极和阴极之间的具体侵蚀的差异，例如几何接触，似乎是29 kA的固定电流和更高的电流（30）。下面可以推断。具体侵蚀取决于：l 电流幅值;l 联系极性（差异约30）;l 几何接触。该电流幅值取决于具体的侵蚀已经发现于8。这以后将表明，这可解释由于触头材料热传导导致的功耗（“冷却”）。阳极和阴极的接触侵蚀差异发现于9，但作者不提供任何解释。这在以后将有说明，极性效应的起因是阳极与阴极的有效电压降的差异。这些电压降决定了侵蚀过程接触的净功率输入。该几何接触的具体侵蚀的关系可以解释为郁金香和塞子接触的附加弧根不同的接触面积。进一步详情载于第三节。 2）燃弧时间：其他试验电弧时间对具体腐蚀的影响进行了调查。测试的电弧时间为5ms，电流为45 kA在频率为50Hz。进一步测试了电弧时间为17ms，电流为29 kA和频率为29Hz。在这些实验中每一个相同的极性（塞子=阴极）被使用。 图5显示了比较9ms和相同极性的实验结果。在29 kA的电流的具体侵蚀，燃弧时间由9ms增加至17ms。此外，在45 kA电流的具体侵蚀，燃弧时间从大约9ms减少到5ms。这表明，具体的侵蚀与燃弧时间极其关联。将在第三节中所示，这种影响的原因也可以解释了接触热传导的功耗。 3）“高”电流时接触分离：电弧时间5ms和电流频率为50Hz时接触分离的实验中电流幅度最大范围如上所述。在当前的最大电流接触分离实验澄清的具体侵蚀的影响。以下参数分别采用：29 kA的电流，29Hz的频率和电弧时间10ms。具体的侵蚀与接触分离电流无关。本实验的结果显示在图10。. 侵蚀理论为了解释上述实验结果，并改善接触侵蚀预报，从理论上研究了侵蚀。A. 对侵蚀过程的基本假设 如果开关电弧电流被从热电弧等离子体（通常约为20000至30000 K表K）移送到电弧接触冷固/液体（通常约为5000 K表可达6000 K）的表面。 电弧接触的能量通量，从高温电弧等离子体推导出电弧电流和电弧弧根分别导致烧熔和烧沸，和电弧接触的电弧侵蚀。这是假定发生接触材料的侵蚀的原因在于蒸发和另外由于熔融液滴排放。主要确定了腐蚀机制，是净能量输入到电弧接触和电弧能量损失机制。这些能量损失机制可能主要是接触材料的蒸发和热传导散失。 铜的熔点和沸点温度（1358 K和2840 K）和钨（3680 K和5928 K）表明，接触面加热的逐步顺序为： 1）铜融化;2）铜融化与固体钨分离; 3）钨熔化; 4）钨沸腾。 这样做的结果是，经过充分加热，接触表面具有层状结构，如图6所示。 完整的固体接触材料覆盖钨骨架和渗透液体铜，钨的固体骨架层湿透了进一步的层，其中铜蒸气煮出来的熔化层，通过它钨铜蒸气气泡表面。该接触表面温度等于钨沸点温度，大约Tg = 5930K。这是可以预料的是，Cu/ W的接触铜的成分被彻底水汽侵蚀。此外，预计该Vu/ W的接触钨成分作为蒸汽和水滴被侵蚀。熄弧后和观察到钨层接触面重新凝固。这种结构也证实了Cu/ W的接触研究微观的电弧侵蚀的SEM照片如图7所示。据推测，对电弧接触的主要能量通量可从弧根附件过程推导。电弧等离子体和良好导电材料接触之间的电流传递只能由一个急剧有限附件区负责。图6. 层状结构接触面经过充分加热（L.尼迈耶）的示意图（钨骨架如图7所示）图7. 经过充分加热的接触面层状结构;钨是光明的，铜是灰色的重要的积分弧根参数是弧根电流密度J和电极下降，这是电弧等离子体与电极之间的电位降。只要弧根没有外部约束，内部弧根电流密度j0大约是具体的物质在1* 10 A/m2 到2 *108 A/m2的范围内保持恒定11，13 ，15。然后假设弧根横截面与电流成正比。如果弧根断面不能扩展，例如，通过一个有限的接触面积，弧根电流密度增大了。图8.侵蚀过程接触面的功率平衡电弧电极降U是不能准确的区别阳极和阴极的，但它们的和在断路器中可以很容易地计算如接触分离的时刻的电压跳变。它们的和被发现于相当迟钝的Cu/ W的接触材料中，6测量了阳极和阴极电压的总和下降约为15 V至17.3V，8使用的阴极电压降约为15V，此外，一个11 V 的“有效的电极电压降”由文2给出。14计算约2个V阳极的同轴氩弧焊配置的电压降。12提出一个Cu/ W的接触和SF6灭弧给予精确测量，阳极和阴极17.5 V的电压下降的总和与电弧电流无关。在我们的实验中，Cu/ W的接触和阳极和阴极电压跳变之和约为18V，在接触分离的电流无关。B. 在“侵蚀区”的能源通量侵蚀发生在从电弧加强的能量通量的接触表面。从图8显示设计原理图区域假设能量平衡。在下面的，将讨论电源输入和损耗的信号。 1）由于触点材料蒸发的功率损耗PVap：在接触表面由于接触材料蒸发的损耗可以dm/dt单位时间的质量损失进行估算，和hvap接触材料从20汽化的热量 (3)所用的电接触材料包括重量为20的铜和80的钨。可由以下方法来计算触头材料的hVap (4)汽化现象并不明显伴随温度和压力的变化。因此，可以假定其为常数。2）电极降PU：代表加强于接触表面的有效输入功率，导致通过粒子轰击弧根。它被定义为 (5)一个有效的电压降Ueff和电弧电流iArc(t)。这显示在5，这种有效的电压Ueff可用阴极表达 (6)此是电子温度Te（电子离开阴极边界层）和接触材料的功能函数。这个等式在阴极包括完整的电源平衡5。阳极有效电压与4一致(7)TP和Ta分别是电弧等离子体温度和阳极表面温度。电弧电极下降UAnode和UCathode都是不甚了解彼此分开。在我们的实验中，对一个18 V的值进行了测量，证明与电流无关。对于TE（TP-Ta）4， 5，从（6）和（7）如下： (8)3）触头的热传导PCond：如果有足够的能量是施加到接触面，温度会上升，直到接触材料沸腾最低达到沸点（铜）的温度。直到温度沸点达到施加到接触头的能量是完全消散到触头，并无腐蚀发生（计算显示约1ms到2ms）。 据推测该接触表面的最高温度是钨沸点。当在表面温度T0达到沸点时，一维瞬态温度分布T用误差函数erfct所描述 (9)其中x是进入接触深度，t是达到沸点时的表面温度，X是热扩散率。因此接触功耗Pcond (10)与其中为热导率，是对接触表面发生热传导区域。该铜钨触头材料的热和电导率几乎与钨相同。因此，常数C可以钨材料特性估计。考虑到温度取决于热扩散和热传导，因此结果：C= 1* 107 Ws0.5/m2至3* 107 Ws0.5/m2。图9. 断路器侵蚀过程的简化流程模式4）其他热传机制：用于加热或冷却的可能更多的接触面辐射和对流机制，从电弧热量传递到接触面，反之亦然。这将在下面进行讨论。据推测接触面产生的流态金属蒸气的简化图如图9所示。金属蒸气（全系）对外部流动的弧等离子体流动和在对称轴形成停滞点（虚线）。金属蒸气流动是由外部向下流动的。两个等离子体区，即电弧等离子和金属离子蒸气的混合，只发生在下游。因此，外部等离子流动不能达到弧根和对流换热的弧根假设可以忽略不计。根据文献16，从等离子辐射的能量和接触表面的辐射表明可以忽略功率平衡。辐射功率通量rad和电弧半径R大致可估算 (11)其中J为电弧的电流密度，为电弧透明的有效辐射功率和为电弧有效电导率。典型值如j= 108 A/m2，R =1cm，= 0.5，=10000S/m，其辐射功率通量如下此值高于估计值16和适当的输入功率导致电位下降。另一方面，这个辐射功率通量要用来加热一个非常短的距离，蒸发金属蒸气等离子体温度。假设出现腐蚀只导致电位下降，金属蒸气温度加热到沸腾必要的能量电弧等离子体温度TP可估计 (12)其中J是弧根电流密度和H表示在各自温度下的特定热量。假设H（TP=20000K）=1.8* 107J/kg和hvap= 4.6* 106J/kg，Ueff=9V，对于j= 108 A/m2时的一个值 由上面估计，这跟辐射功率通量同数量级。因此，我们有理由认为辐射功率通量被完全吸收来加热金属蒸气电弧等离子体的温度。这可能解释了为什么在表面辐射通量不参与接触表面能量平衡。以下，忽视辐射功率通量。C. 在“侵蚀区”由于功率平衡引起的质量损失如前文所说，在“侵蚀区”的功率平衡可以由以下假设给出。l 接触面积受接触弧根的影响。l 侵蚀发生只导致接触材料蒸发。l 认为只有输入功率导致弧根电位下降。l 唯一的功率损耗机制接触材料的蒸发和接触材料的热传导。l 侵蚀发生在整个燃弧时间。所有其他在第四节中讨论的功率输入和损失会被忽略。从输入功率引起电位下降和接触热传导导致的功耗之间的不同而推导出每一次的质量损失 (13)由（3），（5），（10）和（13）每一次质量损失可写为 (14)（14）整合超出电弧时间产生的特殊侵蚀 (15)由（2），（15）可写为 (16)这表明，特定的侵蚀因两个方面的差异而定。第一项是电极电压下降率和从20到触头材料汽化的热量。这个项是常数，对于一个给定触头材料只取决于有效电压下降，这是不同的阳极和阴极。第二项表示对功耗因热传导接触到具体的侵蚀影响。分别对于小接触面积和高电流幅值和燃弧时间，相对于第一项这个项的影响变小。. 讨论如图所示（15），具体侵蚀取决于有效电极的电压降。正如第三节- B2的讨论，该电压降是分为阳极和阴极，它可以解释在实验观察到的具体侵蚀接触不同极性的影响。图10. 比较计算（15）和实验结果一个15V的阴极电压典型值UCathode3。与（8），阳极电压下降UAnode为3 V，这是一个合理的值计算17。随着4.6eV的功函数和假设的电子温度Te（TP-Ta）14000K，有效电压遵循（6）及（7）：Ueff+10.6 V和阴极Ueff-7.4V，因此Ueff+/Ueff-1.4。如上所述，高电流的振幅和燃弧时间，分别由于接触热传导引起的功耗可以忽略不计。因此，在这个范围内的具体参数可估计侵蚀只从有效电压下降率和从20到触头材料汽化的热量。在这种情况下，有效减少了两种极性的电压和具体腐蚀的比例应大致相等 (17)在实验中，如图4所示，在阳极和阴极电流为29 kA或以上是具体侵蚀率介于1.3和1.4之间，这是很好的协议（17）。对于一般的具体侵蚀的影响，可以假设平均9伏的电压降见（8）。随着一个汽化热量hvap=4.6 *106J/kg和常数C=11 *106Ws0.5/m2，（15）给出具体的平均侵蚀和图10进行比较试验结果。由（15），具体比例侵蚀如下： (18)其中x是横坐标在图10给出横坐标值高于3* 106 As0.5/m2时计算结果是令人满意的。这表明，这个理论的假设是合理的。它表明，在目前的调查，腐蚀可以不需要液体接触材料（“水滴”）便可解释。此外，它表明了燃弧时间和电流幅值对具体腐蚀的影响可以解释接触的热传导。这可由（16）证明，燃弧时间越长，第二项是影响越小（16）和具体的侵蚀接近一个常数。图11. 电弧插头表面附着面积在“低”（3kA）电流的幅度在功耗平衡下假设由于接触热传导引起了固定接触面积承的功耗。据推测，高达30 kA的电流的弧根面积应比接触面积较小，使之的成立。然后，弧根可以在有效接触面无规律移动，并可将它几乎平稳地加热。因此，计算结果与实验相符合得到了很好的解释。对横坐标值小于大约3 *106As0.5/m2，图10表明，（15）是无效的。在图11，显示了一个可能的原因。观察腐蚀的接触面积比有效的接触面积小。假设接触面积固定，由（14）和（15）热传导引起的功耗的计算，这种功率的损失被高估。因此，据推测，在这个范围内的横坐标“有效”的接触面积应与电弧电流幅值一致 (19)如果（19）适用于（15），这个范围内横坐标低于3*106 As0.5/m2具体侵蚀的计算公式为(20)此时= 7.5* 10-8m2/A和= 0.9与实验结果基本吻合由（20）获得。这显示在图12。这表明，这个理论的主要不确定因素中的“有效”的接触面积的定义，即接触面积在弧根中使用。这将导致更高的不确定性在较低的电流和/或燃弧时间（通常低于20 kA和10ms）下。在较高的电流，假设完全填满的弧根可用接触面积。然后，由（16）对特定腐蚀的预测变得更加可靠。图12. 比较计算（20）和实验结果. 结论对传统的高压断路器接触测试电路断路器电弧接触特定的侵蚀进行了研究。这项调查是在当前的范围内进行，这相当于高压断路器的正常应用。结果发现，具体的腐蚀随电弧电流的幅度和时间而增加。此外，发现由不同的阳极和阴极电极电压下降可有效解释接触极性的影响。插头和郁金香接触的平均具体侵蚀弥补了侵蚀极性效应。平均具体侵蚀只依赖于电流和燃弧时间。它符合令人满意的一个来自于电弧和接触面之间的功率平衡的简单的理论。结果表明，在所调查的电流范围内出现腐蚀主要是由于铜/钨触头材料的蒸发。这主要取决于分别来自弧根附件和由于接触热传导引起的功耗通量。在其他参数，例如喷管的侵蚀，触头材料电弧侵蚀量可以决定一个高压断路器使用寿命。通过这项工作的结果的方法可以计算出相应的断路器寿命。断路器寿命增加成为现实，例如可以通过增加由于接触热传导引起的功耗实现。这有可能通过增加接触材料的热导率或增加弧根附加的面积来增加热传导。鸣谢笔者要感谢Dr.L.尼迈耶的激烈和有益的讨论和对这项工作部分图纸的绘制。参考文献1A.Muharemovic and M.Kapetanovic et al., ”Arcing contacts and nozzle condition diagnostics by means of measure of thermal stresses,” in Proc. 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