縱向與橫向磁場作用下分?jǐn)嘀绷鞲行载?fù)載時的電弧特性實驗

翟國富 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，深入研究開關(guān)電弧特性、影響因素從而提出限制電弧的手段對提高電器壽命具有實際意義。

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

以上研究主要針對磁場作用下的燃弧時間與電弧移動現(xiàn)象，本文在此基礎(chǔ)之上，以AgSnO2觸頭組為研究對像，研究橫向與縱向磁場作用下，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動現(xiàn)象，以及電弧運動速度、停滯時間等參數(shù)。并進一步研究磁場作用下觸頭表面材料轉(zhuǎn)移量與磁場強度的規(guī)律。

2 實驗條件

2.1 實驗裝置

電弧分?jǐn)鄬嶒炑b置原理如圖1 所示，它是在Ben Jemaa 開發(fā)的試驗系統(tǒng)上進行修改得到[9]。PC 將動作指令與分?jǐn)嗨俣惹€等參數(shù)發(fā)送給分?jǐn)嗫刂茊卧?。該單元通過步進電機驅(qū)動器使電機轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)滑塊的滑動。滑動速度達到設(shè)定值時，與動觸頭卡具碰撞，并與之一起移動，實現(xiàn)較好的勻速分?jǐn)?。動觸頭裝卡機構(gòu)在滾珠導(dǎo)軌上滑動，受到壓縮彈簧提供的壓力，使動觸頭裝卡機構(gòu)在碰撞瞬間與滑塊一起運動，同時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)備實現(xiàn)的分?jǐn)嗨俣确秶鸀?～500mm/s。

圖1 實驗裝置原理圖 Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

觸頭組及永磁體的相對位置如圖2 所示，建立坐標(biāo)系如下：靜觸頭（陰極）表面中心為原點，指向動觸頭（陽極）的軸向方向為y 軸，垂直紙面向里的方向為x 軸。橫向磁吹實驗時，永磁體S 極面向觸頭組，S 極面與觸頭組軸線的距離為l，通過調(diào)整l 值可改變吹弧磁場強度?？v向磁吹作用時，采用如圖3 所示的鋁質(zhì)裝卡機構(gòu)。同樣，通過調(diào)整圖中的距離l 值可改變吹弧磁場強度。

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

實驗的分?jǐn)嗨俣确謩e為 10mm/s、30mm/s 和50mm/s 等三個分?jǐn)嗨俣?。磁場由一直徑?6mm 的永磁體提供，永磁體的S 極面向電弧。通過調(diào)整圖2 與圖3 中的l 值，設(shè)置吹弧磁感應(yīng)強度為0、100mT和200mT。

2.3 實驗條件

圖4 所示為實驗電路，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?；芈窌r間常數(shù)為2ms。電弧電壓經(jīng)過調(diào)理放大，由示波器采集并經(jīng)Ethernet 傳給計算機進行分析。

圖4 實驗電路圖 Fig.4 Experiment circuit

采用Phantom V7.3 型相機對斷開電弧進行拍攝，分辨率為256×64，像素大小為22μm，幀速度為100 000 幀/s，幀間時間和曝光時間分別設(shè)置為10μs 和8μs，以保證電弧移動過程完全被拍攝。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。同時可以通過標(biāo)定得到像素與尺寸的比值P 為46pixels/mm。

采用型號為BP211D 的電子天平（精度為10μg）測量實驗中陰、陽極觸頭重量，從而得到材料轉(zhuǎn)移量。每項實驗進行15 000 次實驗，并且在每實驗完5000 次對觸頭重量進行稱量。

2.4 觸頭材料及觸頭處理

實驗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，長度為10mm 圓柱形觸頭，以及直徑為3mm，長度為2mm 的鉚釘形觸頭。觸頭表面采用2000 號細砂紙打磨，然后在酒精中超聲清洗15min，蒸餾水沖洗20min，空氣中自動風(fēng)干。以256×64 分辨率拍到的觸頭實物如圖5 所示。

圖5 觸頭組實物 Fig.5 Photo of contacts

2.5 電弧的圖像處理

為了獲取電弧陰極與陽極弧根，即圖6 所示電弧的xa值與xc值，對電弧進行如下處理。

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

（2）獲取弧長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yn＜6，則認(rèn)為陰極與陽極弧根位置相同，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時電弧邊緣坐標(biāo)的平均值，陽極是y 從yn到y(tǒng)n?2時邊緣坐標(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間確定電弧在觸頭上運動速度。計算公式為

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——幀間時間（10μs）。

3 實驗結(jié)果

3.1 燃弧時間與停滯時間

測試電弧電壓波形及電弧照片時，先將實驗觸頭動作100 次，使其燃弧狀態(tài)趨于穩(wěn)定。每組實驗進行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與縱向磁場作用下的燃弧時間。燃弧時間均隨分?jǐn)嗨俣鹊脑黾佣鴾p小，而與吹弧磁場的類型和強弱沒有關(guān)系。在橫向磁場作用下，燃弧時間隨吹弧磁感應(yīng)強度的增大均略顯減小趨勢，如圖 7a所示?？v向磁場基本上對燃弧時間沒有影響，如圖7b 所示。橫向磁場對電弧的縮短作用在10mm/s 分?jǐn)嗨俣认戮哂休^好的效果，200mT 的磁場使燃弧時間減少22%。

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

停滯時間是指在燃弧開始時，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停滯不動[10-12]。一般來說，減小停滯時間有利于減小表面燒蝕。將拍攝得到的電弧圖片進行前文所述的處理，獲取其陰、陽極弧根隨時間的波動曲線，從而獲取停滯時間。停滯時間（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來說，停滯時間隨橫向磁場的增大會減小，而與縱向磁場沒有明顯的關(guān)系。橫向磁場提供與電弧電流垂直的洛倫茲力，驅(qū)動電弧運動。洛倫茲力越大，則會驅(qū)使電弧越快地運動，從而使停滯時間也越小。因此，在電器觸頭分?jǐn)噙^程中，可采用橫向磁場吹弧縮短電弧在起弧點處停滯的時間，減輕電弧對起弧點的燒蝕，有利于減小觸頭閉合時的接觸電阻。

圖8 電弧停滯時間與磁通密度的關(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

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

圖9 所示為橫向磁場作用下，燃弧過程中的電弧電壓波形、弧根位置和電弧圖片。圖中縱坐標(biāo)正方向為圖2 所示坐標(biāo)系的x 正方向，Δx 為陰極弧根與陽極弧根位置之差，即Δx=xc?xa。t0為停滯時間。圖9a 所示為零磁場結(jié)果，電弧在觸頭表面進行隨機運動。在11ms 之前，電弧在0.4mm（約為此時電弧直徑的4 倍）范圍內(nèi)運動。隨著電弧的拉長，弧根位置的波動范圍及速率明顯增大。同時，陰極與陽極弧根位置之間的差Δx 也明顯增大。磁場為零時，Δx 的平均值接近零。圖9b 和9c 所示為100mT和200mT 時的結(jié)果。電弧位置整體性偏向于+x 方向。電弧拉長的過程中，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 方向運動，即進行反向運動或后退運動。一種解釋如下：陰極過程中，電弧近陰極區(qū)產(chǎn)生的正離子以較大速度V 向陽極作集體性遷移運動。雖然在運動過程中部分正離子會與大氣中粒子、氣體分子、原子等發(fā)生碰撞而失去能量，最終在未到達陽極之前返回到陰極，但是在小電流電弧時，弧長較小，正離子因碰撞而損失的能量較小，大部分仍然能進入陽極。因此，向陽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，雖然電子是從陰極向陽極運動，所受洛倫茲力正好相反，但是由于其質(zhì)量相對正離子而言微不足道，所以電弧運動主要取決于正離子的群體性橫向偏移，即電弧出現(xiàn)反向運動[13]。電弧圖片陰、陽弧根相對位置及Δx 趨向于正值表明陰 極反向運動的趨勢強于陽極，陰極弧根移動在前，陽極弧根在后，體現(xiàn)出陰極“拉動”陽極進行反向運動。這是由于正離子剛從近陰極區(qū)域發(fā)射出來，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)磁場為100mT 時，電弧在12.5ms時刻沿?x 方向運動，此時，陰極弧根位置值仍大于陽極值，需要進一步研究才可解釋該現(xiàn)象的原因。但它反映了磁場強度越大，電弧的反向運動會越明顯。如圖9c 所示，當(dāng)磁感應(yīng)強度為200mT 時，電弧將要熄滅時（16.9ms），其陰極弧根已移動到觸頭側(cè)面上。

圖9 橫向磁場作用下的電弧圖像、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時，燃弧過程中的電弧電壓波形和位置。不同磁場下，電壓波形及弧根位置隨時間波動曲線沒有明顯區(qū)別，這表明磁場對電弧影響不大。此時，電弧圖片、弧根位置以及陰、陽極弧根的相對位置（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時弧根的位置隨時間的變化關(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 運動速度

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

圖13 電弧運動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間 的縮短，材料轉(zhuǎn)移量減小。分?jǐn)嗨俣葹?0mm/s 時，在橫向磁場作用下，材料轉(zhuǎn)移量存在明顯的減小。磁感應(yīng)強度為200mT 時，15 000 次動作約減小為58%。而當(dāng)速度為30mm/s 和50mm/s 時，磁場對材料轉(zhuǎn)移基本上沒有影響。當(dāng)磁場為縱向磁場時，材料轉(zhuǎn)移與磁感應(yīng)強度之間的關(guān)系不明顯，且縱向磁場對其沒有明顯影響。

綜上所述，較之橫向磁場，縱向磁場不能明顯地改變電弧燃燒特性、減輕電弧帶來的材料轉(zhuǎn)移，因此，在實際應(yīng)用中，可以采用橫向磁場進行滅弧和驅(qū)動電弧運動。

4 結(jié)論

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

（1）橫向磁場作用下，燃弧時間隨吹弧磁感應(yīng)強度的增大均略顯減小趨勢。縱向磁場基本上對燃弧時間沒有影響。

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

（3）橫向磁場使弧根位置偏移，偏移方向與電弧電流所受洛倫茲力方向相反，即電弧反向運動。反向運動過程中，陰極反向運動的趨勢強于陽極，陰極弧根在前，陽極弧根在后。磁場為200mT 時，反向運動強于磁場為100mT 時的情況。

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

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

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

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