縱向與橫向磁場(chǎng)作用下分?jǐn)嘀绷鞲行载?fù)載時(shí)的電弧特性實(shí)驗(yàn)

翟國(guó)富 周 學(xué) 楊文英

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)軍用電器研究所 哈爾濱 150001）

1 引言

電弧燒蝕以及燃弧過(guò)程中發(fā)生的材料轉(zhuǎn)移是決定電器電壽命的關(guān)鍵因素，因此，深入研究開(kāi)關(guān)電弧特性、影響因素從而提出限制電弧的手段對(duì)提高電器壽命具有實(shí)際意義。

磁場(chǎng)（包括橫向與縱向磁場(chǎng)）吹弧作為一種加速電弧熄滅，縮短燃弧時(shí)間，降低電弧對(duì)觸頭腐蝕的滅弧方式被應(yīng)用于各種開(kāi)關(guān)電器中[1-3]。目前，針對(duì)磁場(chǎng)吹弧主要有采用MHD 仿真的理論研究[4-5]與采用高速攝像等方法進(jìn)行的試驗(yàn)研究[3,6-8]。文獻(xiàn)[6]研究了不同強(qiáng)度的橫向磁場(chǎng)作用下的燃弧時(shí)間，研究了電弧陰、陽(yáng)極弧根在觸頭表面的移動(dòng)規(guī)律。文獻(xiàn)[7]研究了在軸對(duì)稱的徑向磁場(chǎng)產(chǎn)生的洛倫茲力作用下的電弧旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。文獻(xiàn)[8]研究了橫向與縱向磁場(chǎng)作用下的電弧燃弧時(shí)間變化規(guī)律，以及電弧弧根在觸頭表面的一維運(yùn)動(dòng)情況等。

以上研究主要針對(duì)磁場(chǎng)作用下的燃弧時(shí)間與電弧移動(dòng)現(xiàn)象，本文在此基礎(chǔ)之上，以AgSnO2觸頭組為研究對(duì)像，研究橫向與縱向磁場(chǎng)作用下，觸頭組分?jǐn)嘀绷?8V/5A 感性負(fù)載產(chǎn)生電弧在觸頭表面的反向運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，以及電弧運(yùn)動(dòng)速度、停滯時(shí)間等參數(shù)。并進(jìn)一步研究磁場(chǎng)作用下觸頭表面材料轉(zhuǎn)移量與磁場(chǎng)強(qiáng)度的規(guī)律。

2 實(shí)驗(yàn)條件

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

電弧分?jǐn)鄬?shí)驗(yàn)裝置原理如圖1 所示，它是在Ben Jemaa 開(kāi)發(fā)的試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行修改得到[9]。PC 將動(dòng)作指令與分?jǐn)嗨俣惹€等參數(shù)發(fā)送給分?jǐn)嗫刂茊卧?。該單元通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)滑塊的滑動(dòng)?；瑒?dòng)速度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，與動(dòng)觸頭卡具碰撞，并與之一起移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)較好的勻速分?jǐn)?。?dòng)觸頭裝卡機(jī)構(gòu)在滾珠導(dǎo)軌上滑動(dòng)，受到壓縮彈簧提供的壓力，使動(dòng)觸頭裝卡機(jī)構(gòu)在碰撞瞬間與滑塊一起運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還提供觸頭接觸壓力。軸向吹弧永磁體置于觸頭組后側(cè)，S 極面向觸頭組。該設(shè)備實(shí)現(xiàn)的分?jǐn)嗨俣确秶鸀?～500mm/s。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置原理圖 Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

觸頭組及永磁體的相對(duì)位置如圖2 所示，建立坐標(biāo)系如下：靜觸頭（陰極）表面中心為原點(diǎn)，指向動(dòng)觸頭（陽(yáng)極）的軸向方向?yàn)閥 軸，垂直紙面向里的方向?yàn)閤 軸。橫向磁吹實(shí)驗(yàn)時(shí)，永磁體S 極面向觸頭組，S 極面與觸頭組軸線的距離為l，通過(guò)調(diào)整l 值可改變吹弧磁場(chǎng)強(qiáng)度?？v向磁吹作用時(shí)，采用如圖3 所示的鋁質(zhì)裝卡機(jī)構(gòu)。同樣，通過(guò)調(diào)整圖中的距離l 值可改變吹弧磁場(chǎng)強(qiáng)度。

圖2 橫向吹弧觸頭組 Fig.2 Contacts of TMF

圖3 縱向吹弧觸頭組 Fig.3 Contacts of AMF

2.2 分?jǐn)嗨俣扰c磁場(chǎng)

實(shí)驗(yàn)的分?jǐn)嗨俣确謩e為 10mm/s、30mm/s 和50mm/s 等三個(gè)分?jǐn)嗨俣?。磁?chǎng)由一直徑為16mm 的永磁體提供，永磁體的S 極面向電弧。通過(guò)調(diào)整圖2 與圖3 中的l 值，設(shè)置吹弧磁感應(yīng)強(qiáng)度為0、100mT和200mT。

2.3 實(shí)驗(yàn)條件

圖4 所示為實(shí)驗(yàn)電路，由直流電源（28V）、負(fù)載電阻（5.6Ω/300W）、負(fù)載電感（10mH）、觸頭組串聯(lián)組成，分?jǐn)嚯娏鳛?A。回路時(shí)間常數(shù)為2ms。電弧電壓經(jīng)過(guò)調(diào)理放大，由示波器采集并經(jīng)Ethernet 傳給計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。

圖4 實(shí)驗(yàn)電路圖 Fig.4 Experiment circuit

采用Phantom V7.3 型相機(jī)對(duì)斷開(kāi)電弧進(jìn)行拍攝，分辨率為256×64，像素大小為22μm，幀速度為100 000 幀/s，幀間時(shí)間和曝光時(shí)間分別設(shè)置為10μs 和8μs，以保證電弧移動(dòng)過(guò)程完全被拍攝。鏡頭的焦距為90mm，物距和像距均為180mm，因此電弧與其照片之間的尺寸比率為1∶1。同時(shí)可以通過(guò)標(biāo)定得到像素與尺寸的比值P 為46pixels/mm。

采用型號(hào)為BP211D 的電子天平（精度為10μg）測(cè)量實(shí)驗(yàn)中陰、陽(yáng)極觸頭重量，從而得到材料轉(zhuǎn)移量。每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行15 000 次實(shí)驗(yàn)，并且在每實(shí)驗(yàn)完5000 次對(duì)觸頭重量進(jìn)行稱量。

2.4 觸頭材料及觸頭處理

實(shí)驗(yàn)中采用的觸頭材料分別為Ag/SnO2（SnO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%）。將其加工成直徑為3mm，長(zhǎng)度為10mm 圓柱形觸頭，以及直徑為3mm，長(zhǎng)度為2mm 的鉚釘形觸頭。觸頭表面采用2000 號(hào)細(xì)砂紙打磨，然后在酒精中超聲清洗15min，蒸餾水沖洗20min，空氣中自動(dòng)風(fēng)干。以256×64 分辨率拍到的觸頭實(shí)物如圖5 所示。

圖5 觸頭組實(shí)物 Fig.5 Photo of contacts

2.5 電弧的圖像處理

為了獲取電弧陰極與陽(yáng)極弧根，即圖6 所示電弧的xa值與xc值，對(duì)電弧進(jìn)行如下處理。

（1）按陰極與陽(yáng)極的位置進(jìn)行圖像分割，得到圖中方框內(nèi)的電弧區(qū)域。

（2）獲取弧長(zhǎng)yn，單位為像素。

（3）采用Canny 算子獲取電弧及虛像的左右邊緣坐標(biāo)。

（4）如果弧長(zhǎng)yn＜6，則認(rèn)為陰極與陽(yáng)極弧根位置相同，是電弧左右邊緣坐標(biāo)的平均值。

（5）如果yn≥6，認(rèn)為陰極弧根是y 從1 到3時(shí)電弧邊緣坐標(biāo)的平均值，陽(yáng)極是y 從yn到y(tǒng)n?2時(shí)邊緣坐標(biāo)平均值。

圖6 弧根位置定義 Fig.6 Definition of arc roots

根據(jù)弧根在xy 平面的位置和幀間時(shí)間確定電弧在觸頭上運(yùn)動(dòng)速度。計(jì)算公式為

式中 vavg——平均速度；

N——電弧的幀數(shù)；

li——弧根坐標(biāo)；

P——像素與毫米之比（46 pixels/mm）；

t——幀間時(shí)間（10μs）。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 燃弧時(shí)間與停滯時(shí)間

測(cè)試電弧電壓波形及電弧照片時(shí)，先將實(shí)驗(yàn)觸頭動(dòng)作100 次，使其燃弧狀態(tài)趨于穩(wěn)定。每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行10 次取其平均值，結(jié)果中的所有電弧參數(shù)均為10 次燃弧參數(shù)的平均值。

圖7 所示為不同分?jǐn)嗨俣认?，不同磁通密度的橫向磁場(chǎng)與縱向磁場(chǎng)作用下的燃弧時(shí)間。燃弧時(shí)間均隨分?jǐn)嗨俣鹊脑黾佣鴾p小，而與吹弧磁場(chǎng)的類(lèi)型和強(qiáng)弱沒(méi)有關(guān)系。在橫向磁場(chǎng)作用下，燃弧時(shí)間隨吹弧磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大均略顯減小趨勢(shì)，如圖 7a所示?？v向磁場(chǎng)基本上對(duì)燃弧時(shí)間沒(méi)有影響，如圖7b 所示。橫向磁場(chǎng)對(duì)電弧的縮短作用在10mm/s 分?jǐn)嗨俣认戮哂休^好的效果，200mT 的磁場(chǎng)使燃弧時(shí)間減少22%。

圖7 燃弧時(shí)間與磁通密度的關(guān)系 Fig.7 Relationship between arc duration and flux density

停滯時(shí)間是指在燃弧開(kāi)始時(shí)，由于觸頭之間的間隙極小，電弧主要由金屬離子維持燃燒，電弧的位置在觸頭間隙中某一點(diǎn)停滯不動(dòng)[10-12]。一般來(lái)說(shuō)，減小停滯時(shí)間有利于減小表面燒蝕。將拍攝得到的電弧圖片進(jìn)行前文所述的處理，獲取其陰、陽(yáng)極弧根隨時(shí)間的波動(dòng)曲線，從而獲取停滯時(shí)間。停滯時(shí)間（10 次燃弧的平均值）與磁通密度之間的關(guān)系如圖8 所示?？傮w來(lái)說(shuō)，停滯時(shí)間隨橫向磁場(chǎng)的增大會(huì)減小，而與縱向磁場(chǎng)沒(méi)有明顯的關(guān)系。橫向磁場(chǎng)提供與電弧電流垂直的洛倫茲力，驅(qū)動(dòng)電弧運(yùn)動(dòng)。洛倫茲力越大，則會(huì)驅(qū)使電弧越快地運(yùn)動(dòng)，從而使停滯時(shí)間也越小。因此，在電器觸頭分?jǐn)噙^(guò)程中，可采用橫向磁場(chǎng)吹弧縮短電弧在起弧點(diǎn)處停滯的時(shí)間，減輕電弧對(duì)起弧點(diǎn)的燒蝕，有利于減小觸頭閉合時(shí)的接觸電阻。

圖8 電弧停滯時(shí)間與磁通密度的關(guān)系 Fig.8 Relationship between arc immobility time and magnetic flux density

3.2 電弧圖像與弧根位置分布

燃弧時(shí)間具有分散性，因此，在說(shuō)明電弧圖像及弧根位置時(shí)，取燃弧時(shí)間與10 次平均燃弧時(shí)間最為接近的一組電弧圖像與電壓波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。而分?jǐn)嗨俣葹?0mm/s 時(shí)，磁場(chǎng)對(duì)燃弧時(shí)間的縮短效果最明顯，因此取該速度下的數(shù)據(jù)進(jìn)行說(shuō)明。

圖9 所示為橫向磁場(chǎng)作用下，燃弧過(guò)程中的電弧電壓波形、弧根位置和電弧圖片。圖中縱坐標(biāo)正方向?yàn)閳D2 所示坐標(biāo)系的x 正方向，Δx 為陰極弧根與陽(yáng)極弧根位置之差，即Δx=xc?xa。t0為停滯時(shí)間。圖9a 所示為零磁場(chǎng)結(jié)果，電弧在觸頭表面進(jìn)行隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。在11ms 之前，電弧在0.4mm（約為此時(shí)電弧直徑的4 倍）范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。隨著電弧的拉長(zhǎng)，弧根位置的波動(dòng)范圍及速率明顯增大。同時(shí)，陰極與陽(yáng)極弧根位置之間的差Δx 也明顯增大。磁場(chǎng)為零時(shí)，Δx 的平均值接近零。圖9b 和9c 所示為100mT和200mT 時(shí)的結(jié)果。電弧位置整體性偏向于+x 方向。電弧拉長(zhǎng)的過(guò)程中，雖然電弧電流受到?x 方向洛倫茲力的作用，但是電弧卻沿+x 方向運(yùn)動(dòng)，即進(jìn)行反向運(yùn)動(dòng)或后退運(yùn)動(dòng)。一種解釋如下：陰極過(guò)程中，電弧近陰極區(qū)產(chǎn)生的正離子以較大速度V 向陽(yáng)極作集體性遷移運(yùn)動(dòng)。雖然在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中部分正離子會(huì)與大氣中粒子、氣體分子、原子等發(fā)生碰撞而失去能量，最終在未到達(dá)陽(yáng)極之前返回到陰極，但是在小電流電弧時(shí)，弧長(zhǎng)較小，正離子因碰撞而損失的能量較小，大部分仍然能進(jìn)入陽(yáng)極。因此，向陽(yáng)極遷移的正離子受到qV×B 的作用向?J×B 方向作橫向偏移。此時(shí)，雖然電子是從陰極向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，所受洛倫茲力正好相反，但是由于其質(zhì)量相對(duì)正離子而言微不足道，所以電弧運(yùn)動(dòng)主要取決于正離子的群體性橫向偏移，即電弧出現(xiàn)反向運(yùn)動(dòng)[13]。電弧圖片陰、陽(yáng)弧根相對(duì)位置及Δx 趨向于正值表明陰 極反向運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)強(qiáng)于陽(yáng)極，陰極弧根移動(dòng)在前，陽(yáng)極弧根在后，體現(xiàn)出陰極“拉動(dòng)”陽(yáng)極進(jìn)行反向運(yùn)動(dòng)。這是由于正離子剛從近陰極區(qū)域發(fā)射出來(lái)，受到的碰撞較少，具有較高的速度，因此所受洛倫茲力較大。但當(dāng)磁場(chǎng)為100mT 時(shí)，電弧在12.5ms時(shí)刻沿?x 方向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，陰極弧根位置值仍大于陽(yáng)極值，需要進(jìn)一步研究才可解釋該現(xiàn)象的原因。但它反映了磁場(chǎng)強(qiáng)度越大，電弧的反向運(yùn)動(dòng)會(huì)越明顯。如圖9c 所示，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為200mT 時(shí)，電弧將要熄滅時(shí)（16.9ms），其陰極弧根已移動(dòng)到觸頭側(cè)面上。

圖9 橫向磁場(chǎng)作用下的電弧圖像、弧根及電壓波形 Fig.9 Arc voltage and time evolutions of arc images and root positions when transverse magnetic field is applied

圖10 所示為存在縱向磁場(chǎng)時(shí)，燃弧過(guò)程中的電弧電壓波形和位置。不同磁場(chǎng)下，電壓波形及弧根位置隨時(shí)間波動(dòng)曲線沒(méi)有明顯區(qū)別，這表明磁場(chǎng)對(duì)電弧影響不大。此時(shí)，電弧圖片、弧根位置以及陰、陽(yáng)極弧根的相對(duì)位置（即Δx）均與圖9a 所示一致。圖11 與圖12 所示為分?jǐn)嗨俣葹?0mm/s 和50mm/s時(shí)弧根的位置隨時(shí)間的變化關(guān)系，其規(guī)律與10mm/s情況下一致。

圖10 縱向磁場(chǎng)作用下的電弧圖像、弧根及電壓波形 Fig.10 Arc voltage and time evolutions of arc root positions when axial magnetic field is applied

圖11 弧根位置（分?jǐn)嗨俣葹?0mm/s） Fig.11 Time evolutions of arc root at speed of 30mm/s

圖12 弧根位置（分?jǐn)嗨俣葹?0mm/s） Fig.12 Time evolutions of arc root at speed of 50mm/s

3.3 運(yùn)動(dòng)速度

電弧在觸頭上某一點(diǎn)靜止時(shí)，對(duì)觸頭造成局部嚴(yán)重?zé)g，會(huì)帶來(lái)接觸電阻增大，并使動(dòng)靜觸頭凸起與凹坑勾連而難以分?jǐn)唷ｋ娀≡谟|頭表面移動(dòng)可使觸頭燒蝕均勻，因此，電弧的運(yùn)動(dòng)速度也是分?jǐn)嗬∵^(guò)程中的重要參數(shù)[6-7]。采用式（1）計(jì)算圖9～圖12 所示弧根位置波形，并將陰極與陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行平均，獲得電弧在觸頭表面上運(yùn)動(dòng)的速度。速度與橫向、縱向磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的關(guān)系分別如圖13a、13b 所示。分?jǐn)嗨俣葹?0mm/s 時(shí)，燃弧時(shí)間較長(zhǎng)，燃弧后期弧根位置波動(dòng)較大，因此，整個(gè)燃弧時(shí)間段的平均電弧運(yùn)動(dòng)速度大于分?jǐn)嗨俣葹?0mm/s 和50mm/s?？芍娀∵\(yùn)動(dòng)速度受橫向磁場(chǎng)的影響明顯大于受同等強(qiáng)度縱向磁場(chǎng)的影響。橫向磁場(chǎng)對(duì)分?jǐn)嗨俣葹?0mm/s 和50mm/s 時(shí)的電弧的加速作用最大，200mT 的磁場(chǎng)使速度增加1.7 倍。而同樣條件下，縱向磁場(chǎng)僅增加22%。因此，采用橫向磁場(chǎng)吹弧有利于減輕觸頭的局部燒蝕。

圖13 電弧運(yùn)動(dòng)速度與磁通密度的關(guān)系 Fig.13 Relationship between arc motion speed and flux density

3.4 材料轉(zhuǎn)移

圖14 橫向磁場(chǎng)作用下的材料轉(zhuǎn)移曲線 Fig.14 Material transfer under transverse magnetic field

圖15 縱向磁場(chǎng)作用下的材料轉(zhuǎn)移曲線 Fig.15 Material transfer under the axial magnetic field

橫向與縱向磁場(chǎng)作用下的質(zhì)量轉(zhuǎn)移曲線如圖14 和圖15 所示。隨著分?jǐn)嗨俣鹊脑黾雍腿蓟r(shí)間 的縮短，材料轉(zhuǎn)移量減小。分?jǐn)嗨俣葹?0mm/s 時(shí)，在橫向磁場(chǎng)作用下，材料轉(zhuǎn)移量存在明顯的減小。磁感應(yīng)強(qiáng)度為200mT 時(shí)，15 000 次動(dòng)作約減小為58%。而當(dāng)速度為30mm/s 和50mm/s 時(shí)，磁場(chǎng)對(duì)材料轉(zhuǎn)移基本上沒(méi)有影響。當(dāng)磁場(chǎng)為縱向磁場(chǎng)時(shí)，材料轉(zhuǎn)移與磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的關(guān)系不明顯，且縱向磁場(chǎng)對(duì)其沒(méi)有明顯影響。

綜上所述，較之橫向磁場(chǎng)，縱向磁場(chǎng)不能明顯地改變電弧燃燒特性、減輕電弧帶來(lái)的材料轉(zhuǎn)移，因此，在實(shí)際應(yīng)用中，可以采用橫向磁場(chǎng)進(jìn)行滅弧和驅(qū)動(dòng)電弧運(yùn)動(dòng)。

4 結(jié)論

本文研究了AgSnO2觸頭分?jǐn)嘀绷?8V/5A 感性負(fù)載回路時(shí)的電弧特性，研究了永磁體提供的橫向與縱向磁場(chǎng)對(duì)電弧特性的影響，得到如下結(jié)論。

（1）橫向磁場(chǎng)作用下，燃弧時(shí)間隨吹弧磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大均略顯減小趨勢(shì)?？v向磁場(chǎng)基本上對(duì)燃弧時(shí)間沒(méi)有影響。

（2）起弧之后一段時(shí)間內(nèi)，電弧在觸頭表面某一點(diǎn)保持停滯狀態(tài)。采用橫向磁場(chǎng)吹弧，可以縮短電弧停滯時(shí)間，減輕觸頭表面的局部燒蝕。

（3）橫向磁場(chǎng)使弧根位置偏移，偏移方向與電弧電流所受洛倫茲力方向相反，即電弧反向運(yùn)動(dòng)。反向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，陰極反向運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)強(qiáng)于陽(yáng)極，陰極弧根在前，陽(yáng)極弧根在后。磁場(chǎng)為200mT 時(shí)，反向運(yùn)動(dòng)強(qiáng)于磁場(chǎng)為100mT 時(shí)的情況。

（4）電弧運(yùn)動(dòng)速度受橫向磁場(chǎng)的影響明顯大于受同等強(qiáng)度縱向磁場(chǎng)的影響。較高的電弧運(yùn)動(dòng)速度有利于減輕觸頭局部燒蝕，減小接觸電阻。

（5）橫向磁場(chǎng)對(duì)材料轉(zhuǎn)移量存在較大程度的減小，而縱向磁場(chǎng)不能減輕材料轉(zhuǎn)移。

總之，對(duì)于AgSnO2觸頭分?jǐn)喔行载?fù)載情況，縱向磁場(chǎng)對(duì)其電弧特性的影響可以忽略。因此，在開(kāi)關(guān)電器中可采用永磁體進(jìn)行橫向磁場(chǎng)吹弧的方式進(jìn)行加速滅弧，減輕觸頭燒蝕和材料轉(zhuǎn)移，從而達(dá)到長(zhǎng)壽命的目的。

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