直流电弧作用下触头材料的侵蚀机理和转移特性研究

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1、博士学位论文直流电弧作用下触头材料的侵蚀机理和转移特性研究RESEARCHONCONTACTEROSIONMECHANISMANDMATERIALTRANSFERCHARACTERISTICSUNDERDIRECTCURRENTARC哈尔滨工业大学2014年11月国内图书分类号：TM501.2学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工学博士学位论文直流电弧作用下触头材料的侵蚀机理和转移特性研究博士研究生：崔行磊导师：翟国富申请学位：工学博士学科：电机与电器所在单位：电气工程及自动化学院答辩日期：2014

2、年11月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TM501.2U.D.C:621.3DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONCONTACTEROSIONMECHANISMANDMATERIALTRANSFERCHARACTERISTICSUNDERDIRECTCURRENTARCCandidate：CuiXingleiSupervisor：ZhaiGuofuAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngi

3、neeringSpecialty：ElectricalMachineryandElectricalApparatusAffiliation：SchoolofElectricalEngineeringandAutomationDateofDefence：November,2014Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要电磁继电器动作时，触头间会形成电弧，并伴随蒸发和喷溅现象。蒸发和喷溅会导致触头材料侵蚀和转移，是接触系统失效的主要原因。现有

4、的蒸发侵蚀模型只适用于真空中燃弧过程，不适用于继电器中的常压气体环境；现有的喷溅侵蚀模型无法定量描述喷溅侵蚀特性与电弧特性之间的关系；而对于蒸发和喷溅导致的材料转移现象目前国内外尚未开展理论研究。以上问题导致至今仍无法定量评估继电器动作过程中电弧对触头的烧蚀程度，不能为触头抗烧蚀能力设计和优化提供有效的理论依据。本文通过建立触头熔池三维磁流体动力学模型和电弧-触头统一模型，对稳态电弧和分断燃弧过程引起的蒸发和喷溅侵蚀机理及材料转移特性进行了研究。蒸发导致的触头材料侵蚀和转移是触头分断小电流时性能退化和失效主要原因。针对

5、触头及熔池内部传热和流动现象，建立了熔池三维磁流体动力学模型，得到了熔池物理特性及触头表面热场分布。基于气体动力学理论，建立了包含努森层、蒸气层、暂态电弧层和稳态电弧层的熔池表面蒸发数学模型，通过求解层与层交界面物质状态如密度、温度和压力等满足的气体动力学方程，得到了蒸发通量与熔池表面温度的关系。结合熔池表面热场分布和蒸发通量与熔池表面温度的关系，得到了稳态电弧作用下触头的蒸发侵蚀率。在零材料损失假设下，通过求解阴极和阳极的蒸发侵蚀率，得到了蒸发导致的材料转移方向和转移速率。基于上述模型，分析了触头热导率、电导率等材料

6、属性对蒸发侵蚀特性的影响，解决了小电流下触头材料抗烧蚀能力设计和评价缺乏理论依据的问题。利用开距可调的电弧试验系统进行了小电弧电流下的稳态燃弧实验，得到了不同稳态电流电弧烧蚀触头质量和形貌的变化。喷溅导致的触头材料侵蚀机理和转移特性的研究对于大电流下接触系统失效模式和失效机理的分析至关重要。通过对熔池表面进行受力分析，建立了电弧对熔池作用力突变导致材料喷溅的物理模型，分析了斑点产生、消亡与喷溅形式的关系。基于机械能守恒原理，推导了电弧力做功表达式，根据电弧力做功和表面张力束缚能的关系，给出了喷溅发生的定量判据。结合电弧

7、斑点的等效模型，得到了稳态电弧作用下喷溅侵蚀率。分析了斑点电流密度、斑点更替周期和运动速率等斑点特性对喷溅侵蚀特性的影响。由于喷溅具有随机性，在喷溅液滴初始状态概率分布假设下，进行了液滴在电弧中运动轨迹模拟，得到-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文了喷溅液滴导致材料损失和转移的比例与液滴初始状态、触头半径及间隙之间的关系。基于以上研究，分析了触头热导率、电导率等材料属性对喷溅侵蚀特性的影响，为大电流下触头材料抗烧蚀能力理论设计和评价提供了新方法。进行了大电弧电流下的稳态燃弧实验，得到了喷溅导致的触头质量和形貌的变化，并

8、与理论计算结果进行了比较和分析。建立了触头分断过程各个阶段的等效模型，结合熔池仿真模型，研究了分断过程触头材料侵蚀和转移特性。建立了接触斑点、液桥和电弧的简化模型，提出了分断过程触头电压-电流预测方法，得到了分断过程各阶段注入触头的电流密度和热流密度。在此基础上，建立了分断过程熔池仿真模型，得到不同时刻熔池内部各物理场分布。通过分