GaInSn金屬蒸汽電弧對(duì)電極的侵蝕機(jī)理研究

劉樹華 魯 創(chuàng)

（1.海軍駐武漢七一二所軍事代表室，湖北 武漢430064；2.武漢長(zhǎng)海電氣科技開發(fā)有限公司，湖北 武漢430064）

0 引言

基于自收縮效應(yīng)的液態(tài)金屬限流器是一種新型自復(fù)式限流器，其對(duì)短路故障電流的限制是通過液態(tài)金屬自收縮效應(yīng)產(chǎn)生的金屬蒸汽電弧而實(shí)現(xiàn)的。但金屬蒸汽電弧會(huì)對(duì)限流器電極產(chǎn)生侵蝕，從而極大地影響電極的使用壽命。因此，研究金屬蒸汽電弧對(duì)電極的侵蝕機(jī)理，對(duì)于液態(tài)金屬限流器的研制具有重要的意義。

圖1為自收縮效應(yīng)的液態(tài)金屬限流器結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可見，液態(tài)金屬限流器兩端各安裝有一個(gè)用于導(dǎo)電的固態(tài)電極，殼體內(nèi)部的密封空間被若干個(gè)串聯(lián)的耐高溫的絕緣擋板分割成多個(gè)隔層，每個(gè)絕緣擋板上都有一個(gè)圓形通流孔，液態(tài)金屬灌注在密封空間的隔層中，并通過通流孔與兩端電極形成電流流通路徑。

圖1 液態(tài)金屬限流器結(jié)構(gòu)示意圖

1 GaInSn金屬蒸汽電弧對(duì)電極侵蝕現(xiàn)象的試驗(yàn)

圖2給出了預(yù)期電流峰值為3kA 時(shí)通流孔處金屬蒸汽電弧的發(fā)展過程。與本組試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)應(yīng)的電弧電壓和電流波形隨時(shí)間變化的特性曲線如圖3所示。

由圖2、圖3可見，在4.127ms時(shí)刻，通流孔處能觀察到明顯的燃弧現(xiàn)象，此時(shí)電弧電壓有明顯提高。隨著電流的上升，在t＝4.247ms時(shí)刻，電弧在通流孔處逐漸膨脹，其亮度也不斷增強(qiáng)。此后，電弧形態(tài)開始沿通流孔向電弧兩側(cè)延伸，直至t＝5.207ms時(shí)刻電弧發(fā)展至最長(zhǎng)，并已擴(kuò)展至電極附近。在此期間，電弧電壓急劇增加直至最大值311V，此后電流則快速下降。當(dāng)電弧電壓達(dá)到最大值后，電弧電壓隨著電弧電流的下降逐漸下降，電弧也開始收縮，其強(qiáng)度也隨之減弱，直至電流過零時(shí)，電弧熄滅。液態(tài)金屬重新回流至通流孔中形成通路，電弧電壓降至0V。

2 GaInSn金屬蒸汽電弧對(duì)電極侵蝕機(jī)理的仿真

為研究金屬蒸汽電弧燃弧過程的溫度及流場(chǎng)分布，建立了基于磁流體模型的二維軸對(duì)稱電弧暫態(tài)模型。其初始溫度場(chǎng)和流場(chǎng)通過穩(wěn)態(tài)電弧進(jìn)行計(jì)算，此時(shí)高溫區(qū)域充滿整個(gè)通流孔，并以5.72kA 的峰值電流進(jìn)行暫態(tài)計(jì)算。

圖2 通流孔處金屬蒸汽電弧的發(fā)展過程

圖3 電弧電壓、電流波形隨時(shí)間變化特性曲線

圖4給出了GaInSn金屬蒸汽電弧在t＝5.2ms時(shí)刻的溫度分布。由圖可見，相對(duì)于其他區(qū)域，電弧在通流孔內(nèi)部具有較高溫度，沿著通流孔兩側(cè)向電極方向，溫度呈遞減趨勢(shì)，其最高溫度可達(dá)約30 000K。同時(shí)，電弧的較高溫度區(qū)在通流孔兩側(cè)形成的擴(kuò)散分布，使電弧的溫度分布在通流孔區(qū)域呈“啞鈴”狀，這與試驗(yàn)結(jié)果中電弧完全膨脹伸展時(shí)的形態(tài)相似。電弧在完全發(fā)展?fàn)顟B(tài)這種的溫度分布，一方面是由于電流密度在這種擴(kuò)展—收縮的幾何結(jié)構(gòu)中分布不均，從而導(dǎo)致通流孔區(qū)域的局部高溫；另一方面是由于電極溫度相對(duì)弧柱溫度較低，從而導(dǎo)致靠近電極處的電弧溫度也較低，這也是造成電弧弧柱在近電極區(qū)域收縮的原因之一。

圖4 金屬蒸汽電弧溫度場(chǎng)分布(t=5.2 ms)

圖5為GaInSn金屬蒸汽電弧在t＝5.2ms時(shí)刻的壓力分布。由圖可見，在通流孔內(nèi)，沿徑向方向從孔壁至孔的中心，壓力呈逐漸增加趨勢(shì)，孔壁區(qū)域的壓力僅有0.1個(gè)大氣壓左右，而孔中心壓力則達(dá)到2.8個(gè)大氣壓，這主要是孔內(nèi)電弧氣體受到自身磁場(chǎng)產(chǎn)生的洛侖茲力收縮作用所導(dǎo)致的。而在軸向方向，由于電弧溫度的分布，通流孔內(nèi)壓力較大，并沿著通流孔向兩極逐漸減少，但在兩極相對(duì)于通流孔的位置處卻各形成一個(gè)相對(duì)于周圍壓力分布而言的局部高壓區(qū)。

圖5 金屬蒸汽電弧壓力場(chǎng)分布(t=5.2 ms)

在上述壓力分布下所形成的電弧氣流場(chǎng)如圖6所示，由于徑向壓力梯度的作用，在通流孔內(nèi)氣流由孔壁流向孔的中心；在軸向壓力梯度作用下，通流孔兩側(cè)氣流逐漸由沿徑向r流動(dòng)轉(zhuǎn)為沿軸向z 流動(dòng)，在孔兩側(cè)形成兩股方向指向兩極的“噴流”。

值得注意的是，這兩股高溫“噴流”的高速區(qū)集中在通流孔的中軸附近，寬度與孔徑相當(dāng)，并沿軸向方向噴射至電極表面。GaInSn金屬蒸汽電弧對(duì)電極的侵蝕會(huì)在兩極相對(duì)通流孔的位置各形成一個(gè)直徑與孔徑相當(dāng)?shù)陌伎印Ｒ虼耍ㄟ^上述分析，可以推斷電弧對(duì)電極侵蝕的主要原因是通流孔內(nèi)外壓力梯度所形成的高溫“噴流”噴射至電極表面，電極表面材料在高溫氣流作用下汽化蒸發(fā)所導(dǎo)致。另外，凹坑大小與通流孔相似也可能是由于噴流高速區(qū)寬度與孔徑相當(dāng)所造成的。

圖6 金屬蒸汽電弧速度場(chǎng)分布(t=5.2 ms)最大速度為2 850 m/s

3 結(jié)語

通過分析研究，GaInSn金屬蒸汽電弧對(duì)電極的侵蝕機(jī)理主要是通流孔內(nèi)外壓力梯度變化所形成的高溫“噴流”噴射至電極表面，電極表面材料在高溫氣流作用下汽化蒸發(fā)所導(dǎo)致。為了提高電極耐電弧燒損的能力，延長(zhǎng)電極使用壽命，有必要對(duì)電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，在電極相對(duì)于通流孔的位置內(nèi)嵌一塊陶瓷片，陶瓷片選用高硬度、耐燒蝕的氮化硼材料，可以抵御電弧的燒蝕。觀察改進(jìn)型電極在多次通電后的表面情況可知，電極表面并無電弧侵蝕痕跡，可見內(nèi)嵌的陶瓷片對(duì)電極起到了很好的保護(hù)作用。

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