银金属氧化物触头材料电弧侵蚀的新型物理_数学模型.pdf

第 卷 第 期 西 安交通大学学报 腿 年 月 银金属氧化物触头材料电弧侵蚀 的新型物理 一 数学模型 关 孙明 王其平 电气工程学院 摘要 为深入理解 材料的 电弧慢蚀物 理过程 基于大量的试验结果 着重分析 了电弧能 蚤输入所 引起的材料 响应过程 特别是 材 料的物相变化及高温态组织结构 特性 粘度 熔化 态表面张力等对电弧使蚀的影响 从电弧使 蚀的 两种基本形式即气 化蒸发和液态喷暇在不同 电流下所起的作用 得出材料 物相变化的 两个界面分别对 应 材料电弧使蚀圣的上下限 通过 材料组分的 热力学性质 材料组织结构及电弧的动 力响 应对 电弧使蚀机理 的影响 建立 了简明 的材料电弧 使 蚀物理模 型 最后 在 假定 电弧 弧 柱为 资 状热源 的基 础上 运用有限差分方法对电弧使性物理过程进 行了数 学模 拟 计 算结果表明 计葬值与试 验值吻合良好 关链词 电触头 使性 电弧银 金属或化 物 中国图书资料分类法分类号 前言 银金属氧化物复合材料是低 压电器装置中常见的触头材料 其热 电特性对电器 开关的工 作性能至关重要 在触头材料与电弧的相互作用中 一方面 电弧对触头表面的能量输入使触 头材料受热 熔化及蒸发 另一方面 电弧 对触头表面的作用力会使熔池中的液态金属喷溅 产 生大量材料损耗 虽然在电弧侵蚀研 究方面已进行了大量 工作 但要 准确确 定电弧对电极表面 的 能量输入 量 仍十分困难 在电弧侵蚀计算 中 目前多采用以下两种方 法确 定电弧对 电极表面 的能 量输入 量 一 口 忽略弧柱 能量 认为只有近 极区能量输入 触头表面 忽略电弧能量的 散失 认为全部电弧 能量均 输入触头 表 面 收到日期 一 一 孙明 男 年 月出生 博士 电机 电器及控制系讲师 国家 自然科学基金资助项 目 第 卷 第 期 西 安交通大学学报 腿 年 月 银金属氧化物触头材料电弧侵蚀 的新型物理 一 数学模型 关 孙明 王其平 电气工程学院 摘要 为深入理解 材料的 电弧慢蚀物 理过程 基于大量的试验结果 着重分析 了电弧能 蚤输入所 引起的材料 响应过程 特别是 材 料的物相变化及高温态组织结构 特性 粘度 熔化 态表面张力等对电弧使蚀的影响 从电弧使 蚀的 两种基本形式即气 化蒸发和液态喷暇在不同 电流下所起的作用 得出材料 物相变化的 两个界面分别对 应 材料电弧使蚀圣的上下限 通过 材料组分的 热力学性质 材料组织结构及电弧的动 力响 应对 电弧使蚀机理 的影响 建立 了简明 的材料电弧 使 蚀物理模 型 最后 在 假定 电弧 弧 柱为 资 状热源 的基 础上 运用有限差分方法对电弧使性物理过程进 行了数 学模 拟 计 算结果表明 计葬值与试 验值吻合良好 关链词 电触头 使性 电弧银 金属或化 物 中国图书资料分类法分类号 前言 银金属氧化物复合材料是低 压电器装置中常见的触头材料 其热 电特性对电器 开关的工 作性能至关重要 在触头材料与电弧的相互作用中 一方面 电弧对触头表面的能量输入使触 头材料受热 熔化及蒸发 另一方面 电弧 对触头表面的作用力会使熔池中的液态金属喷溅 产 生大量材料损耗 虽然在电弧侵蚀研 究方面已进行了大量 工作 但要 准确确 定电弧对电极表面 的 能量输入 量 仍十分困难 在电弧侵蚀计算 中 目前多采用以下两种方 法确 定电弧对 电极表面 的能 量输入 量 一 口 忽略弧柱 能量 认为只有近 极区能量输入 触头表面 忽略电弧能量的 散失 认为全部电弧 能量均 输入触头 表 面 收到日期 一 一 孙明 男 年 月出生 博士 电机 电器及控制系讲师 国家 自然科学基金资助项 目 第 期 孙明等 银金属氧化物触头材料电弧侵蚀 的新型物理 一数学模型 表面熔化区域具有浆糊状特征 这显然由液 池金属 的高粘性所造成 而正 是 液体的高 粘性降低了液态喷溅侵蚀 量 使其 具有良好的 抗 蚀性能另外 为改善温升性 能而加 入 触头材料中的微量添 加剂 如 等粒 子 对于改善 触 头的抗电 弧侵蚀性 能也是有益的 因为微小的 添加剂粒 子 能悬 浮 在银 的熔 融体中 增 加液体的粘性 从 而降低了喷溅侵蚀量 电弧侵蚀物理模型 通过上述对触头材料电弧侵蚀机 理 的分析可以得 出 不论是均质材料银 铜 还是复合材 料 影响材料侵蚀量的因素可分为三个方面 材料各组分的热 力学性质 均质材料 的蒸发或 中 组分的蒸发和 的 分解 升华等都强烈依赖电弧能量 的输入 和 材料侵蚀特性 的差别取决 于 和 不同的热特性 材料各组分的热力学 性质主要 影响材料的蒸发侵蚀量 材料组织结构特性 即电弧作用 下材料状 态及 相 应变化过 程 尤其是表面熔化区域近 表层的结构变化 电弧与触头 相互作用产 生 的电磁搅拌作用使 粒子 向近 表层 聚集形 成 粒子的富集区 对于 材料 形成 的富集区 对于 材料 的不断 分解挥发逐渐形成的是 的贫乏区 浅表层中 粒子的富集或贫乏能使 粒子集团 粗化或细化 液池中的这种结构变化能改变表面特性如粘度和表面张力等 从而影响材料侵蚀 特性 此外 电弧热应力的作用可在浅表层中产生裂纹 该裂纹垂直或平行于表面形成和扩展 最终形成随材料类型和电流负荷而变的疏松状多孔网络区域结构 降低表面的机械强度 表层 结构的恶化可能造成侵蚀量的突变过 程 电弧的动力响应 即电弧对表面液池的动力驱动造成熔化金 属 的流动或喷溅 电弧的 运动也可造成熔化金属的表面流动 当流体流速超过临界值时 即可摆脱液体粘性阻力和表面 张力的约束 以小液滴形式向四周喷溅 液态喷溅侵蚀量 强烈依赖电弧电流大小及 电弧运动状 态 分析电弧与触头相互作用过 程中的能量流和质量流可知 电弧输入触头的能 量中 一部分 消耗于材料蒸发 一部分消耗于 粒子的分解 或升华 另一部分消耗于触头热传导过程 被烧损掉的材料质量流为 一部分通过蒸发损失 另一部分则在电弧作用力的驱动下通过喷溅 损失 由此得 到 图 所示的 触头材料电弧侵蚀的一般物理模型 该模型简明扼要地表 明了触头材料在燃弧期间内的热 一力 过 程 清楚地表示 出触头在电弧热流作用下的热传导 熔 点 沸点 分解能等重要特征 以及随之 而来的表面结构变化等过程 显 然 电弧侵蚀过程依赖 于电弧的输入 能量 在 较大电流等级 即较大输入 能量 电弧驱动力造成的喷溅侵蚀起 主要作 用 而较小电流 下 材料热力 学性质和 组织结构特性将起主要作用 模型中给出 了触 头表 面液 池 的熔点等温线和沸点等温线 如果电弧驱动力使液池熔化金 属 全部喷溅出去 那么材料侵蚀量可认为是熔点等温线所包含的部分 这显然是一种极限情 况 可视作侵蚀 量的上 限 如果电弧驱动力很小 不足以驱使液池熔化金属飞溅 那么可认为沸 点等温线所包含材料全部气化蒸发掉 这 也是极端情况 可视作侵蚀量的下限 考虑 到材料侵 蚀量为气化蒸发侵蚀量和液 态喷溅侵蚀量之 和 忽略触头间材料转移 材料侵蚀量一般在沸点 西 安 交通大学学 报 第 卷 等温线和熔点等温线之 间波动 电弧传入能 伴 喷滋授蚀 燕 发任蚀对 电弧侵蚀数学计算模型 电弧对 触头的能量输入 是 影响侵蚀量 的重 要因素 在文 中 我们得到了一 些有益 的试 验结果 在 一 电流等级 触 头表 面 的弧 根电流密度几乎为常数 电弧侵蚀 后 的表面蚀坑半径 不含熔化侵润部分 比高速 热益 一 军 二 呀 材料燕发能 热传 导能 百 由润 作用 坡充的裂纹 陇 分解 能 瑰 图 材料的侵蚀物理模型 摄影 测量的弧根半径大 一 结合 电弧形 态特征 这大出的部分可认为是弧柱炽热气 体对电极的热辐射所造成 尸方 点状热源 为得到简明的数学计算模型 在文 试验结果 和上 述对侵 图 位于触头开距中心的 点状热源示意 图 蚀过程分析的基 础上 我们假定 电弧 近极区能量从弧根处 全部输入触头 只有部分弧柱区能量传入触头 将弧柱区假定为处于开距 中心 位于对称轴线上的 点状热源 图 点状热源 功率等于弧柱 功率 并且均匀地向四周辐射状 散热 计算中忽略点热源与触头表面的介质吸热及对流传热 这样 电弧对触头表面的能量输入可表示为从弧根处输入 的近极区能量 和 点热源能量辐射输入 之和 对 于分断交流电弧 的对称配对触头 从近极区能量输入触头表面的功率密度为 弧根电流密度 阳极电压降和阴极电压降 输入区域为弧根区 从点状热源输入触头表面的功率密度为 尸 若 其中 为弧柱功率 可由电弧电流 和电弧电压波形来计算 输入区域 为整个触头 的表 面区 域 文 中我们已经得 到有关的试验数据如 电弧电流 电弧电压 弧根 电流 密度 阳极 电压 降和 阴极 电压降之 和等 所以 电弧输入触头表面的功率密度则为 尸 一 尸 尸 复合材料 的特性参数按 机械混合物的一般规 则确 定 无气化时有 久 几 一 几 一 又 热导率 材料密度 比热 中A g组分的重量百分比 假 定材 料物相变化在相变温度附近的微小温度区间 内发生 则在温区 T m 一 T T m 第3期 孙明等 银 金属氧化物触头材料 电弧侵蚀的新型物理 一数学模型 17 T 内 潜热效应可近似地 用 卯 值有很大的变化来表征 Q一 T 热一 Pc P c P c r 护 乙 其中 Q 相变潜热 p 固态密度 T m 一 T镇T毛T m T k 相变组元百分比 假定在温区 T m 一 T T T 内材料热 导率线性变化 且 固态 和液 态热导率为近似常 数 则有 二 一 尸号 票 竺 一 lr n 乙 决通 一 T T m 一 T毛T镇T m T 耘 入L 一 材料固态热导率和液态热导率 忽略电弧运动的影响 在弧根基本稳 固于触头中心时 可通过求解下列二维轴对称热传导 方程来得到触头的温度场 热传导方程为 扩 几 二 IJ 扩 护T 二二 丁 一 一 二尸气r下尸 十 二一丁l 优Pc 一r 弓介 少 您 一 边界条件为 刃 厂tr t 一 人 下二 出 丝 n T一 T Z r 0 R Z z r 一R 初始条件为 T r z 0 T 一 一 一一 一 一 一 一 0 0 51 0 1 52 0 2212 0 5 961 二 毛 气 J 户 叱 毛口 1 0 Z 图5 a AgsnO Z触头分断 电弧时温度场计算 结果的屏幕显示照片 图5 b Agsn0 2 触头分断 电弧时温度 场的计算结果 I 1000A 采 用有限差分法 进 行计算 即可得 到触头随时间变化的 温度场 图5为Agsn0 2 分断 10 0oA 电流下的温度场 材料侵 蚀量的上下限可通 过对熔化区和气化区的体积分进行计算求 图6比较了计算求得的AgsnO 材料侵蚀量的上下限和试验数据及分布的差别 由图可 侵蚀量的试验数据均分布于下限附近 这就表 明A gsno 材料 在该 电流等级下的侵蚀模式 得 知 仍以气化蒸发过 程为主 西 安 交通 大 学学 报 第2 9卷 4 结论 10 一 盖 上限 的 考 v 本文建立 的银金属氧化物触 头材 料 电弧侵蚀的 物理 一 数学模型是从能量作用的观点加以考虑 的 在 弧根 非运动条件下 分别计及电弧近 极区能量 和 弧 柱区能量对触头 表 面 的功率输入及输入区域 然 后 数值分析触头的瞬态温度场 并确定材料侵蚀量的 上限 和下限 依此估算侵蚀量 而对于弧根 运动及 磁 吹 气吹等条件下的计算方法 仍有待于进一步的研 究 l扛 1 0 一 3 2 7 1 0一 4 下 限 N AgsnO 触头I 1 00oA 图6 模型计算结果和试验数据的比较 与以往的数学模型相比 本模型具有如下特点 l 较全 面地考虑 了电弧 对触头 的功率输入 认为电弧近极区能量全部从弧 根输入触 头 并将弧柱 假想为处于开距对称中心 的点状辐射热源 辐射功率为弧 柱 功率 所 以电弧功率 输入就是近极区功率输入能量和点状辐射热源功率输入的叠 加 这种方法与以往的电弧功率 估计法或近极功率估计法相比 有更接近实际的优点 2 在材料热参数和 边值条件的基础上 采用有限差分法计算二维时变温度场 能够数 值分析触头在燃弧期间任何时刻的温度分布和相变界面位置 3 根据材料的电弧侵蚀机理 认为触头 温度场中的沸点等温线是侵蚀 量的下限 而熔 点等温线是侵蚀 量的 上限 较小 电流下 的侵蚀形式以气化蒸发为主 侵蚀量接近于下限界 面位 置 而较大电流下的侵蚀形 式以液态喷溅为主 侵蚀 量接近于上限界面位置 4 本模型计算结果与试验值的吻合性良好 具有一定的 实用价值 1 2 3 4 5 参考文献 Erk A S e hm e l ze M G run dl a g en d er S e h a l tg era t etee h n i k B er li n 一 H e id e l b er g 一 N e w Y or k S p r i n g er 一 V er l a g 1 974 6 9一78 SehroderKH D as ab brandverhaltenoffener kontaktstuekebei bean spruehungdu reh m agnetisehabgelenkte starkstrom liehtbogen d issertati o n T HB raun sehweig 1967 W enau D E i n b e it ra g zur b es t i mm un g d er d en k on t a k t s t ue k enzu g e f u h r t en l i e h t b o g ene ner gi e W i ss 2 d E 一t e e h n ik 1965 6 14 2 1 8 2 L i n dm a y er M S un M A res t ressan d eros i on l osseso f eon t aet m a t er i a l sa t eurren t su p t o 1ooo A I n G a b e DR P roeee d i n g so f 16 t hI n t erna t i ona lC on f ereneeon El ee t r i ea l C on t ae t s L ou g hb orou g h L ou g hb orou g hU n i vers i t y o fT ee h no l o g y 1992 1 6 S un M W an g Q P Li n dm a y er M Th ee l ee tr o m a g ne t i ea g i t a t io n i n t h e m o l t en p oo l on eon t ae t sur f aee I n Ch en DG P roeee di n g so fZ n dI n t erna t i ona lC on f ereneeon El ee t r i 下转第3 8 页 西 安交通大 学 学报第2 9卷 P ART IAL DIS C H AR GE ANDTHE M EAS URE M E NTI N GAS I NS UL AT E D S U BST AT ION H an XiaolianF eng Y u n P ing Q iuY ucha ng Ch en J inqing x i a n J ia o t on g U n i v er s ity G u an g d on g Ele et r iep o w er R e se ar e hIn s itiu t e Ab s t raC t Thi s p a p er d eser i b e d severa l p ar t i a ldi se h ar g e PD sourees i n g as i nsu l a t e d su b s t a t i on GI S an d t h e i re h arae te r i s t i es F or m easur i n g t h e di ff eren t f re q uene y b an d so f t h e PD s ig na l s t h reee l eetr i ea lm e t h o d s w erees t a bl i s h e di n t h es i m u l a t i n g s y s t e m Th e m easureo f t h ea pp aren t e h ar g eo fPD an d t h e l oeat i ono fPD sourees w ere i n t 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