斷路器觸頭磨損研究綜述

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. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064； 2. 中國人民解放軍91458部隊，三亞 572021）

斷路器使用過程中會發生觸頭磨損現象，為提高斷路器使用壽命需對斷路器觸頭磨損進行研究分析。斷路器動、靜觸頭間產生的電弧是一個涉及多學科交叉耦合的問題，目前對斷路器觸頭電弧侵蝕磨損的物理機理和電弧特性了解不夠全面。斷路器觸頭在電弧燒蝕產生的局部高溫處，觸頭材料的物理特性產生局部變化，進而造成常溫區域的觸頭間機械磨損與高溫區域觸頭間機械磨損不一樣。本文以斷路器觸頭磨損為研究對象，從電弧侵蝕磨損和觸頭機械碰撞磨損兩個方面，綜述國內外斷路器電弧侵蝕數學模型、電弧特性、機械磨損機理以及觸頭碰撞機械磨損的特性，并對斷路器觸頭磨損的研究進行展望。

電弧侵蝕 觸頭碰撞磨損 磨損機理

0 引言

斷路器觸頭磨損是指斷路器在分、合閘（有載或無載電路）時，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象[1]。由于觸頭磨損現象，進而導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改變，嚴重時會使斷路器失效，影響電力系統安全。為提高斷路器的使用壽命，需對斷路器觸頭磨損進行研究分析。斷路器觸頭磨損主要為機械磨損和電磨損，本文對斷路器觸頭磨損研究的進展進行總結。

1 電磨損研究

對斷路器的電磨損研究主要通過理論及模型、試驗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、靜觸頭在接觸或分離過程中會產生電弧。由于電弧溫度較高，觸頭材料表面會出現熔化、氣化和金屬液滴噴射等現象，進而造成觸頭磨損。斷路器在關合或分斷小電流時，觸頭之間的電磨損主要原因是蒸發侵蝕磨損；隨著分斷或關合電流增大，觸頭之間的電磨損有蒸發侵蝕磨損和液態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氣化、液滴噴濺、熔池馬拉高尼效應和固態微粒噴射。

1.1.1蒸發氣化侵蝕磨損

冷陰極的銀基材料常作為觸頭材料。根據熱-電發射機理，斷路器為維持電弧的持續燃燒，電弧斑點處表面溫度通常高于材料的沸點。觸頭材料的蒸發氣化在整個電弧燃燒過程中一直進行著，觸頭材料的蒸發氣化會導致觸頭材料的磨損減少、變形。

蒸發氣化侵蝕磨損可通過蒸發侵蝕率C（kg/C）進行定量描述，其定義如式（1）所示。

式中：C——蒸發侵蝕率；——蒸發速率（kg/s）；I——電弧電流（A）。

文獻[1]、[2]是通過仿真分析得到觸頭表面溫度分布情況，并根據溫度分布情況找出達到觸頭材料沸點以上區域，并認為高溫區域進行著蒸發侵蝕磨損，進而確定觸頭材料的蒸發侵蝕率，但文獻中忽略的因素較多，計算結果不精確。

文獻[3]、[4]根據電弧-觸頭邊界能量平衡模型仿真計算由于蒸發帶走的熱流密度，進而計算出觸頭材料表面的蒸發速率，通過蒸發速率計算分析得到觸頭材料的蒸發侵蝕率。蒸發速率常采用Langmuir方程的方法進行計算，Langmuir方程如公式（2）所示。

式中：——蒸發通量（kg/（m2s））；p——金屬飽和蒸氣壓；V觸頭材料氣化摩爾質量；——氣體常數；T——熔池表面溫度。

但實際試驗結果比采用Langmuir方程計算的觸頭材料的蒸發通量小，計算得到的蒸發侵蝕率也不太準確。

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象。

文獻[5]通過建立電弧-觸頭之間的數學模型，分析觸頭材料的侵蝕與陰極斑點關系，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[6]通過研究真空電弧陰極斑點內的觸頭材料噴濺侵蝕磨損的發生條件，得到臨界電流和臨界斑點壓力是噴濺侵蝕磨損發生主要原因的結論。

文獻[7]首先通過仿真分析計算得到觸頭溫度分布情況，并根據觸頭表面溫度的分布情況，以觸頭材料的熔化量來表示觸頭材料的噴濺量，進而得到噴濺侵蝕磨損量。文獻[8]通過建立基于能量漲落以及概率統計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。

通過對文獻分析可知道斷路器觸頭材料噴濺侵蝕磨損的相關研究結論并不一致。

1.1.3固態微粒噴射侵蝕磨損

當斷路器觸頭在熱、力作用下其表面會產生熱伸縮力。當力大到能克服觸頭材料的機械強度時，觸頭表面會急劇的膨脹，進而會有固態微粒從觸頭表面噴射而出，進而造成觸頭磨損。

文獻[11]對等離子體噴流與觸頭表面粗糙程度的關系進行了研究分析，通過研究分析得到等離子體噴流在粗糙的金屬表面更容易發生的結論。

1.1.4小結

以上對電弧侵蝕磨損的研究都僅針對單一因素、特定條件導致的電弧侵蝕磨損，假設條件相對較多，研究結果具有一定的局限性。

需要對電弧侵蝕磨損從以下方向進行研究分析：1）觸頭材料的電弧侵蝕機理研究分析；2）建立更加完善的多物理場耦合的數學模型，分析觸頭材料轉移、觸頭表面形狀演變的影響因素。

1.2 觸頭電磨損的試驗研究

斷路器觸頭的電磨損可通過稱重法、表面成分分析、表面形貌觀測及測量接觸電阻這四種方式對電弧侵蝕磨損進行研究分析。

文獻[12]采用CuW80觸頭作為研究對象進行觸頭侵蝕試驗研究。試驗進行了20次后進行工頻耐壓測試、接觸電阻測試和拍攝觸頭表面照片，并且測量每一次關合的燃弧時間。通過對其拍攝的觸頭表面照片來看，觸頭表面上有明顯的燒蝕痕跡；隨著關合次數增加燃弧時間也會增加；通過仿真計算得到關合預擊穿電弧侵蝕率小于0.6mg/C，機械磨損過程質量損失率大于1mg/C。試驗結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械磨損這兩個因素，機械磨損不可忽略。沒有對機械磨損進行深入分析。

2 機械磨損研究

根據文獻[12]的研究，斷路器觸頭間的機械磨損相比電氣磨損更為嚴重。因此，研究動、靜觸頭之間的機械磨損，揭示機械磨損機理的類型，對提出改善觸頭之間機械磨損措施，提高斷路器壽命十分有必要。

機械磨損主要是通過計算動、靜觸頭之間的碰撞應力進而計算得到斷路器觸頭在常溫下的磨損分析。然后根據觸頭材料特性對電弧燒蝕后局部高溫進行高溫條件下觸頭機械磨損分析。

2.1 動靜觸頭之間碰撞應力計算

通過仿真軟件計算得到動觸頭速度曲線，并將仿真計算得到曲線與實際測量得到曲線比對分析，進而得到斷路器動觸頭的運動速度，進一步得到動、靜觸頭之間碰撞接觸應力。通過查閱文獻資料得到斷路器觸頭所采用材料的力學特性。在仿真軟件中建立仿真模型并對模型進行網格劃分后仿真計算動靜觸頭之間接觸應力。

根據仿真計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的碰撞力，以及隨后滑動過程中的摩擦力大小。

2.2 常溫下觸頭磨損分析

斷路器常會在檢修時進行無載操作，此時斷路器動、靜觸頭不受電弧的燒蝕，觸頭接觸區域及非接觸區均為常溫狀態。在有載操作時，預擊穿電弧燒蝕會在一瞬間完成。只會造成動、靜觸頭局部高溫，電弧未燒蝕區域溫度也基本保持常溫。

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磨損一般分成 4 類：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、靜觸頭接觸碰撞為滑動摩擦，因此在其過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 Rabinowics 粘著磨損理論，發生粘著磨損需要兩個條件：一是材料局部應力超過屈服應力，發生塑性變形；二是發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；為屈服應力；為磨削分離后單位面積的表面能。

根據以上分析動靜觸頭接觸碰撞的應力以及觸頭材料特性，分析斷路器動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、硬度等物性參數會發生變化，磨損情況與常溫時有較大差異。

首先通過材料的熱物性確定、仿真模型網格劃分、電弧能量輸入進行電弧燒蝕的觸頭溫度場仿真分析。通過仿真計算分析，得到觸頭表面溫度場分布。

式中：為單位面積的熵，是溫度。

得到觸頭材料在各溫度點處的表面能。不同溫度條件下固態金屬的表面能可用經驗公式（7）計算得到，不同溫度條件下液態金屬的表面能可用經驗公式（8）計算得到。

3 結束語

研究人員從理論分析、試驗測量角度對觸頭磨損數學模型進行了長期、持續的研究，推動了觸頭磨損理論的完善，但需對以下進一步研究：

1）進一步研究觸頭表面金屬熔池動力學數學模型，得到材料噴濺特性與電弧燃燒的時間關系曲線，建立更為準確的耦合磁流體動力學模型，進一步進行觸頭材料電磨損量的仿真計算。

2）建立觸頭材料磨損數學模型，既考慮了電弧侵蝕磨損，又考慮了機械磨損。對斷路器觸頭磨損進行定量計算磨損進而對斷路器觸頭進行優化設計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備。E-mail：xjtu3005@163.com