摘要:直流空氣斷路器的觸頭熔蝕行為是決定其電壽命與開(kāi)斷可靠性的關(guān)鍵因素，而空氣環(huán)境中的氧氣通過(guò)高溫氧化反應(yīng)直接參與觸頭材料的動(dòng)態(tài)損耗及變化過(guò)程，進(jìn)一步改變了熔蝕及噴濺液滴特征參數(shù)，影響其使用壽命和開(kāi)斷電弧特性。因此針對(duì)空氣環(huán)境中氧氣對(duì)觸頭熔蝕的復(fù)雜作用機(jī)制，建立了觸頭二維瞬態(tài)熔蝕模型，該模型突破了傳統(tǒng)模型中僅考慮電弧燒蝕過(guò)程中的傳熱傳質(zhì)和流體流動(dòng)，采用氧化動(dòng)力學(xué)方程來(lái)描述高溫氧化引起的質(zhì)量流流入，將觸頭表面氧濃度作為溫度函數(shù)處理，并應(yīng)用于表面張力系數(shù)表達(dá)式。利用改進(jìn)的水平集方法來(lái)追蹤自由表面并考慮氧化和蒸發(fā)引起的傳質(zhì)，并在模型中耦合了包含表面張力、反沖壓力、馬蘭戈尼效應(yīng)和剪切應(yīng)力對(duì)熔蝕形貌的影響。基于該模型研究了空氣環(huán)境下不同電弧能量對(duì)觸頭熔蝕形貌的影響以及液滴噴濺的角度、粒徑和速度的變化。結(jié)果表明:在電弧施加給觸頭的能量未達(dá)到熔點(diǎn)時(shí)，其表面會(huì)形成“圓頂”狀的氧化物凸起，且氧化物的形成速度隨著溫度升高而升高并逐漸達(dá)到閾值。當(dāng)電弧能量超過(guò)熔點(diǎn)時(shí)，氧氣所導(dǎo)致表面張力系數(shù)的改變對(duì)熔蝕形貌的影響大于氧質(zhì)量流流入所引起觸頭增益的影響，并且液滴的噴濺角度和尺寸變小，液滴的速度變大。但隨著電弧能量的提高，氧化引起的增益逐漸減小，表面張力系數(shù)逐漸變小，此時(shí)反沖壓力和重力對(duì)熔蝕形貌的影響大于表面張力的影響。

一、引言

1.1 研究背景與意義

隨著太陽(yáng)能發(fā)電、海軍艦艇以及軌道交通領(lǐng)域的快速發(fā)展，直流空氣斷路器在開(kāi)斷性能、使用壽命及運(yùn)行可靠性方面面臨日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。直流空氣斷路器在開(kāi)斷負(fù)載電流或短路電流時(shí)，其觸頭材料會(huì)因電弧高溫作用發(fā)生熔融、蒸發(fā)及噴濺現(xiàn)象。由于直流系統(tǒng)不存在自然過(guò)零點(diǎn)和極性變換，觸頭的侵蝕問(wèn)題比交流系統(tǒng)更為嚴(yán)重，直接制約著斷路器的電壽命。

觸頭在開(kāi)斷熔蝕過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生金屬液滴噴濺現(xiàn)象，液滴質(zhì)量和噴濺角度與熔蝕過(guò)程密切相關(guān)。噴濺液滴不僅影響空氣斷路器的開(kāi)斷性能，嚴(yán)重時(shí)甚至可能導(dǎo)致開(kāi)斷失敗。因此，深入研究觸頭熔蝕機(jī)理，對(duì)于提高斷路器可靠性、延長(zhǎng)使用壽命具有重要意義。

1.2 研究現(xiàn)狀與問(wèn)題

熔蝕與液滴噴濺現(xiàn)象在真空斷路器中已有較多研究。有學(xué)者利用實(shí)驗(yàn)研究了電弧電壓、開(kāi)斷能力與頻率的關(guān)系，定量分析了電弧重燃過(guò)程中液滴運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。另有研究關(guān)注中頻真空電弧發(fā)生弧后擊穿時(shí)金屬液滴的蒸發(fā)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)液滴半徑和噴射速度對(duì)金屬液滴壽命有顯著影響，進(jìn)而影響弧后擊穿現(xiàn)象。

然而，在空氣斷路器中，由于滅弧介質(zhì)對(duì)熔蝕的影響較為復(fù)雜，數(shù)值仿真存在較大難度，因此空氣斷路器中熔蝕特性的研究大多以實(shí)驗(yàn)為主。已有學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了銅在空氣中的燒蝕行為和機(jī)制，提出了一種非均勻燒蝕機(jī)制來(lái)描述銅的燒蝕行為，但并未建立數(shù)值仿真模型詳細(xì)分析非均勻燒蝕的產(chǎn)生原因。也有研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了CuZr/Zn2SnO4復(fù)合材料的電弧侵蝕行為，發(fā)現(xiàn)高溫下的氧化現(xiàn)象改善了觸頭的導(dǎo)電性。還有學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了Ti3SiC2在不同電壓下的燒蝕性能，分析了高能量電弧作用下材料分解氧化以及在電磁力、重力共同作用下熔蝕形貌的形成原因。

盡管這些實(shí)驗(yàn)研究為理解觸頭熔蝕行為提供了重要依據(jù)，但實(shí)驗(yàn)方法只能得到熔蝕的最終結(jié)果，難以探究燒蝕過(guò)程中熔坑形貌變化的深層機(jī)理。此外，實(shí)驗(yàn)環(huán)境的復(fù)雜性導(dǎo)致熔蝕變化具有較大的分散性，因此需要建立更貼合實(shí)際的數(shù)值模型進(jìn)行分析。

1.3 理論建模的進(jìn)展與不足

一般認(rèn)為，電弧對(duì)觸頭的燒蝕作用包括蒸發(fā)和噴濺兩種形式。近年來(lái)，空氣電弧燒蝕理論與模型逐步產(chǎn)生和完善。有研究考慮了直流空氣電弧作用下的觸頭燒蝕，分析了蒸發(fā)和噴濺兩種燒蝕機(jī)制以及觸頭參數(shù)和電流大小對(duì)燒蝕特性的影響，但忽略了空氣介質(zhì)中氧氣在燒蝕過(guò)程中的作用。有學(xué)者提出了基于能量漲落的噴濺模型，得出觸頭噴濺量與熔池表面張力束縛能和動(dòng)能之間的關(guān)系。另有研究建立了接觸器分?jǐn)噙^(guò)程的三維磁流體動(dòng)力學(xué)模型，研究了觸頭燒蝕產(chǎn)生的銅蒸氣對(duì)電弧行為的影響。還有研究在理論分析基礎(chǔ)上對(duì)熔池中液態(tài)金屬的噴濺概率進(jìn)行了分析，建立了噴濺侵蝕的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)模型。

值得注意的是，有學(xué)者研究了不同鉻含量的銅鉻化合物的電弧燒蝕行為，發(fā)現(xiàn)氧化鉻含量的增加使放電均勻性增加，但該研究只考慮了鉻的氧化現(xiàn)象，并未考慮銅的氧化現(xiàn)象對(duì)熔蝕的影響。總體而言，現(xiàn)有空氣電弧作用下觸頭的熔蝕模型對(duì)氧氣參與的考慮仍然較少。

1.4 氧氣作用的重要性

空氣斷路器多采用銅基觸頭。在電弧高溫作用下，氧氣在熔融金屬中的溶解會(huì)導(dǎo)致熔融金屬的表面張力系數(shù)發(fā)生變化，進(jìn)而影響液滴噴濺量、速度與尺寸大小，改變液滴的噴濺速度和軌跡。另一方面，氧質(zhì)量流的流入會(huì)導(dǎo)致觸頭厚度發(fā)生變化，進(jìn)而改變觸頭表面的熔蝕形貌以及電器產(chǎn)品的使用壽命。缺乏氧氣作用下的熔蝕研究，導(dǎo)致仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間存在較大差異。

因此，為了模擬真實(shí)環(huán)境下的觸頭熔蝕現(xiàn)象，對(duì)氧氣作用下空氣斷路器銅基觸頭的熔蝕過(guò)程進(jìn)行建模仿真，對(duì)于探明直流空氣斷路器觸頭熔蝕的影響因素、提高觸頭使用壽命、完善熔蝕機(jī)理具有重要的理論和實(shí)際意義。

1.5 本文工作

基于上述背景，本文建立了空氣環(huán)境下銅基觸頭熔蝕的二維瞬態(tài)模型。該模型考慮了傳熱傳質(zhì)和流體流動(dòng)，建立了氧化動(dòng)力學(xué)模型來(lái)描述銅的高溫氧化引起的氧質(zhì)量流流入和氧溶解度的變化，利用Arrhenius方程將氧化速率轉(zhuǎn)變?yōu)闇囟鹊暮瘮?shù)來(lái)改進(jìn)連續(xù)性方程和水平集方程。通過(guò)改進(jìn)水平集方法來(lái)追蹤自由表面并考慮氧質(zhì)量流流入和氧溶解度隨溫度變化對(duì)表面張力的影響，并在模型中耦合了表面張力、反沖壓力、剪切應(yīng)力和馬蘭戈尼效應(yīng)對(duì)熔蝕形貌的影響。基于該模型，研究了氧氣參與下不同空氣電弧能量對(duì)銅基觸頭熔蝕形貌以及液滴噴濺大小和速度的影響。