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(guó)人民解放軍91458部隊(duì)，三亞 572021）

斷路器使用過(guò)程中會(huì)發(fā)生觸頭磨損現(xiàn)象，為提高斷路器使用壽命需對(duì)斷路器觸頭磨損進(jìn)行研究分析。斷路器動(dòng)、靜觸頭間產(chǎn)生的電弧是一個(gè)涉及多學(xué)科交叉耦合的問(wèn)題，目前對(duì)斷路器觸頭電弧侵蝕磨損的物理機(jī)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(jī)械磨損與高溫區(qū)域觸頭間機(jī)械磨損不一樣。本文以斷路器觸頭磨損為研究對(duì)象，從電弧侵蝕磨損和觸頭機(jī)械碰撞磨損兩個(gè)方面，綜述國(guó)內(nèi)外斷路器電弧侵蝕數(shù)學(xué)模型、電弧特性、機(jī)械磨損機(jī)理以及觸頭碰撞機(jī)械磨損的特性，并對(duì)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(jī)理

0 引言

斷路器觸頭磨損是指斷路器在分、合閘（有載或無(wú)載電路）時(shí)，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(shí)會(huì)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(duì)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(jī)械磨損和電磨損，本文對(duì)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(duì)斷路器的電磨損研究主要通過(guò)理論及模型、試驗(yàn)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(dòng)、靜觸頭在接觸或分離過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生電弧。由于電弧溫度較高，觸頭材料表面會(huì)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(shí)，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(jī)理，斷路器為維持電弧的持續(xù)燃燒，電弧斑點(diǎn)處表面溫度通常高于材料的沸點(diǎn)。觸頭材料的蒸發(fā)氣化在整個(gè)電弧燃燒過(guò)程中一直進(jìn)行著，觸頭材料的蒸發(fā)氣化會(huì)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(guò)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(guò)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(diǎn)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(jì)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(jì)算由于蒸發(fā)帶走的熱流密度，進(jìn)而計(jì)算出觸頭材料表面的蒸發(fā)速率，通過(guò)蒸發(fā)速率計(jì)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(jì)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；——?dú)怏w常數(shù)；T——熔池表面溫度。

但實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果比采用Langmuir方程計(jì)算的觸頭材料的蒸發(fā)通量小，計(jì)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(guò)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(diǎn)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(guò)研究真空電弧陰極斑點(diǎn)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(diǎn)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(guò)仿真分析計(jì)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(lái)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(guò)建立基于能量漲落以及概率統(tǒng)計(jì)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(guò)對(duì)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(huì)產(chǎn)生熱伸縮力。當(dāng)力大到能克服觸頭材料的機(jī)械強(qiáng)度時(shí)，觸頭表面會(huì)急劇的膨脹，進(jìn)而會(huì)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(duì)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(guò)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(duì)電弧侵蝕磨損的研究都僅針對(duì)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(duì)較多，研究結(jié)果具有一定的局限性。

需要對(duì)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(jī)理研究分析；2）建立更加完善的多物理場(chǎng)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(yàn)研究

斷路器觸頭的電磨損可通過(guò)稱(chēng)重法、表面成分分析、表面形貌觀測(cè)及測(cè)量接觸電阻這四種方式對(duì)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(duì)象進(jìn)行觸頭侵蝕試驗(yàn)研究。試驗(yàn)進(jìn)行了20次后進(jìn)行工頻耐壓測(cè)試、接觸電阻測(cè)試和拍攝觸頭表面照片，并且測(cè)量每一次關(guān)合的燃弧時(shí)間。通過(guò)對(duì)其拍攝的觸頭表面照片來(lái)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(shí)間也會(huì)增加；通過(guò)仿真計(jì)算得到關(guān)合預(yù)擊穿電弧侵蝕率小于0.6mg/C，機(jī)械磨損過(guò)程質(zhì)量損失率大于1mg/C。試驗(yàn)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(jī)械磨損這兩個(gè)因素，機(jī)械磨損不可忽略。沒(méi)有對(duì)機(jī)械磨損進(jìn)行深入分析。

2 機(jī)械磨損研究

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

機(jī)械磨損主要是通過(guò)計(jì)算動(dòng)、靜觸頭之間的碰撞應(yīng)力進(jìn)而計(jì)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(duì)電弧燒蝕后局部高溫進(jìn)行高溫條件下觸頭機(jī)械磨損分析。

2.1 動(dòng)靜觸頭之間碰撞應(yīng)力計(jì)算

通過(guò)仿真軟件計(jì)算得到動(dòng)觸頭速度曲線，并將仿真計(jì)算得到曲線與實(shí)際測(cè)量得到曲線比對(duì)分析，進(jìn)而得到斷路器動(dòng)觸頭的運(yùn)動(dòng)速度，進(jìn)一步得到動(dòng)、靜觸頭之間碰撞接觸應(yīng)力。通過(guò)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(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分后仿真計(jì)算動(dòng)靜觸頭之間接觸應(yīng)力。

根據(jù)仿真計(jì)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(shí)的碰撞力，以及隨后滑動(dòng)過(guò)程中的摩擦力大小。

2.2 常溫下觸頭磨損分析

斷路器常會(huì)在檢修時(shí)進(jìn)行無(wú)載操作，此時(shí)斷路器動(dòng)、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(shí)，預(yù)擊穿電弧燒蝕會(huì)在一瞬間完成。只會(huì)造成動(dòng)、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(jì)劃好要去補(bǔ)度蜜月，丁小慧沒(méi)有等許諾，一個(gè)人去了。那個(gè)小海島在南太平洋上，是被譽(yù)為一生中一定要帶最?lèi)?ài)的人來(lái)一次的地方。每到傍晚時(shí)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(qiáng)烈的鼓點(diǎn)聲，人們又唱又跳的，向兩位新人祝賀，那場(chǎng)景熱烈又浪漫。只是，身邊沒(méi)有許諾，只能讓她更加感傷。

磨損一般分成 4 類(lèi)：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(dòng)、靜觸頭接觸碰撞為滑動(dòng)摩擦，因此在其過(guò)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(gè)條件：一是材料局部應(yīng)力超過(guò)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(dòng)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(dòng)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(huì)發(fā)生變化，磨損情況與常溫時(shí)有較大差異。

首先通過(guò)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(chǎng)仿真分析。通過(guò)仿真計(jì)算分析，得到觸頭表面溫度場(chǎng)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(diǎn)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(yàn)公式（7）計(jì)算得到，不同溫度條件下液態(tài)金屬的表面能可用經(jīng)驗(yàn)公式（8）計(jì)算得到。

3 結(jié)束語(yǔ)

研究人員從理論分析、試驗(yàn)測(cè)量角度對(duì)觸頭磨損數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了長(zhǎng)期、持續(xù)的研究，推動(dòng)了觸頭磨損理論的完善，但需對(duì)以下進(jìn)一步研究：

1）進(jìn)一步研究觸頭表面金屬熔池動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，得到材料噴濺特性與電弧燃燒的時(shí)間關(guān)系曲線，建立更為準(zhǔn)確的耦合磁流體動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)一步進(jìn)行觸頭材料電磨損量的仿真計(jì)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(jī)械磨損。對(duì)斷路器觸頭磨損進(jìn)行定量計(jì)算磨損進(jìn)而對(duì)斷路器觸頭進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)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