稳态电弧作用下触头烧蚀特性的试验研究

稳态电弧作用下触头烧蚀特性的研究对于探究触头性能退化及失效机理具有重要意义。针对稳态电弧作用下的触头烧蚀特性展开了试验研究。采用触头开距可调的电弧试验系统进行了不同稳态电弧电流下的烧蚀试验,得到了触头烧蚀量和表面形貌的变化。结合试验结果分析了稳态电弧大小对于触头侵蚀和材料转移的影响。     

高钨含量铜钨触头材料裂纹机理探讨

本文基于力学及热学观点，从CuW触头生产工艺出发结合电弧对触头的侵蚀作用，分析了CuW触头材料袭纹形成机理及在后续燃弧过程中的扩展路径及相关行为，认为影响裂纹形成及扩展的主要因素为：（1）钨粉粒度及空间架构，（2）Cu/W之间的界面，（3）表面润湿性。     

CuW触头着色探伤缺陷的研究

重点研究了CuW触头产品着色探伤缺陷的种类、缺陷材料机械性能、缺陷材料断口形貌宏观分析,提出了CuW触头着色探伤缺陷的判定原则和方法。材料性能试验结果表明,着色探伤缺陷产品中具有CuW疏松、CuW-Cu界面裂纹、Cu端裂纹和Cu端疏松缺陷的材料其抗拉强度、硬度低于无缺陷材料,不符合CuW触头的技术要求;具有CuW-Cu界面气孔缺陷的材料其抗拉强度与无缺陷材料相当,符合CuW触头的技术要求。通过对CuW触头着色探伤缺陷断口组织形貌宏观分析,发现着色探伤缺陷部位是CuW触头的内部缺陷组织,材料缺陷具有一定的深度,在材料受力时预先开裂,产生了应力集中,减少了材料的受力面积,使CuW触头的机械性能降低,这是导致CuW触头着色探伤缺陷机械性能低的原因。     

中频下正弦曲面触头真空电弧特性研究

随着多电/全电飞机技术的发展,交流中频(360～800Hz)供电体制成为航电系统的主要发展方向,对新型小体积、轻重量、大开断容量开关的需求更加迫切。真空开关凭借自身的开断原理和结构特点,具备应用于航空领域的优势。提出一种新型触头结构——正弦曲面触头真空灭弧室,研究新型触头在中频下的真空电弧特性,对比分析了同等触头直径(41mm)和材料的正弦曲面触头和平板触头在小开距下的真空电弧形态的演变过程、电弧电压特性、燃弧能量、开断性能、阳极烧蚀程度及电弧生成物凝结能力,得到燃弧能量与电流幅值和频率的关系,以及燃弧能量对开断能力的影响规律。结果表明,在开断中频真空电弧时,正弦曲面触头的燃弧能量低,电弧电压噪声小、峰值低,阳极触头表面烧蚀程度轻,开断能力和电弧生成物凝结能力更强,具有很强的应用潜力。     

电弧作用下触头烧蚀特性的仿真研究

开断电弧对断路器触头的烧蚀会影响其使用寿命和可靠性。针对空气电弧作用下的断路器触头烧蚀行为进行了仿真研究。将电弧等效为正态分布的热源,基于传热学和流体学,分析了触头材料的温度变化过程和相变过程;此外,研究了熔池受力对熔池流动及温度的影响;最后,考虑触头材料的蒸发,模拟了触头表面的形貌及温度变化。仿真结果表明：触头温度由表面向内以半圆弧的形式扩散,熔池会先逐渐增大,在电弧作用消失一段时间后才逐渐减小;表面张力对熔池区域内的流动起主导作用,电磁力和浮力依次;考虑触头材料的蒸发时,触头表面会形成烧蚀凹坑,凹坑处的温度最高,凹坑随燃弧时间持续增大。     

电弧作用下铜钨触头材料表面特征及失效机理

1引言电触头是电器开关的接触元件,主要担负着接触、断开电路及负载电流的任务,触头和灭弧系统是开关的心脏,开关的安全性、可靠性及开断和关合特性很大程度上取决于触头材料的物理性质及其电特性。因此,它的性能直接影响着开关电器的可靠性运行。CuW系触头材料因其具有良好的耐电弧侵蚀性、抗熔焊性及高强度而得到了广泛应用,在其工作过程中,因承受着机械冲击及电弧腐蚀作用,在使用过程中触头材料常常会产生缺陷和失效。从而影响材料的机械物理性能和电性能,到至开关设备不能实现正常合分,严重时会引起开关爆炸等事故。为此有必要通过电弧侵蚀后触头表面形貌,分析触头在燃弧过程中的行为及失效原因,为以后技术人员从事有关电器产品的开发和改进触头材料的制造工艺和生产提供理论依据。2试样的制备及实验CuW70/CuCr整体触头由西安福莱电工合金有限公司提供,型式试验在西安高压电器研究所进行,触头装在SF6断路器上进行126kV型式试验。用扫描电镜观察实验后触头表面形貌。3触头表面组织特点及失效形貌附图为型式试验后铜钨触头的SEM图象,可看出触头材料的表面出现裂纹(龟裂)、铜喷溅和细孔洞等缺陷。3.1触头表面孔洞对型式试验后的铜钨触头进行观察,由附图...     

平板触头小开距中频真空电弧特性研究EI北大核心CSCD

为验证小开距平板真空触头在航空变频(360~800Hz)电力系统中作为保护电器应用的可行性,该文选择触头直径为20mm、触头材料为Cu-W-WC合金的真空灭弧室,在3mm开距条件下进行电弧特性实验,并基于磁流体理论,建立中频真空电弧的多物理场耦合仿真模型。研究结果表明:平板触头内的小开距中频真空电弧,燃弧能量低、对触头表面烧蚀轻,开断失败时未形成阳极斑点;大电流模式下,电流的自身磁场可使对称的柱状电弧合并,峰值时形成扩散态中频真空电弧;在360~800Hz范围内,随电流频率增加,小开距平板触头的开断能力略有下降,开断能力大于12.4kA,满足航空变频电力系统的保护需求。     

微型断路器短路开断过程中电极烧蚀特性仿真研究

短路开断过程中电极烧蚀严重影响微型断路器开断性能和使用寿命,因此研究短路开断过程中微型断路器电极烧蚀特性具有重要意义。该文建立了电极烧蚀模型,该模型综合考虑了电极材料相变、电弧与电极表面之间的能量平衡关系以及烧蚀过程中边界的移动问题。测量了电弧在动静触头之间的停滞时间以及电弧电流波形,并基于二者获得了电极烧蚀过程中的电弧电流波形,将该电流波形作为模型的输入电流,利用该文电极烧蚀模型计算了短路电流为3k A时电极的温度分布,烧蚀体积和烧蚀质量,并与实验测得的烧蚀质量数据进行了对比,验证了模型的正确性和有效性。此外,基于该模型分析了短路电流为3k A时电弧停滞时间以及氧化锡质量分数对电极烧蚀质量的影响,结果表明在0.5~1ms范围内随着电弧停滞时间的增加,触头烧蚀质量近似线性增加,并且斜率约为7.06mg/ms;对于氧化锡质量分数分别为8%、10%和12%的银氧化锡材料,随着电极材料中氧化锡质量分数的增加,电极烧蚀质量增加比较平缓,整体上三种不同电极材料的烧蚀质量在4.5~4.8mg之间。     

关合电容器组高频涌流对真空灭弧室绝缘特性的影响研究

研究发现单断口或者常规串联双断口真空断路器，无法有效提高电容器组开断参数、降低重击穿概率的原因为无法避免高频涌流电弧对触头表面的烧蚀破坏，从而导致断口绝缘强度大为降低。研究获得了高频涌流电弧烧蚀对真空断口绝缘强度和串联断口分压特性的影响规律；高频涌流电弧烧蚀对单个真空灭弧室和串联双真空断口绝缘强度的影响规律及串联断口的分压规律。实验结果表明，真空灭弧室受到涌流电弧烧蚀后场致发射电流大大增加，触头表面破坏越严重场致发射电流越大。触头都受到烧蚀后的串联双断口各自分压约50%，而未受烧蚀灭弧室与受烧蚀灭弧室的串联双断口，前者分压大于70%。以上研究成果可为提高断口绝缘强度、提升断路器电容器组开断参数及降低重击穿概率提供理论参考。     

低压真空断路器的大电流开断技术

低压真空断路器具有无火灾爆炸危险、良好的环境适应性,以及寿命长、维护量小等一系列优点。低压真空断路器的开断能力与触头直径之间呈线性关系,其极限开断能力取决于电流过零时的触头表面温度。当它开断大的短路电流时,一般采用与电弧轴向垂直的横向磁场真空电弧控制技术,使集聚态真空电弧在触头表面上快速旋转,减轻时局部触头区域的烧蚀。在低压真空断路器中CuCr触头材料显示出最好的性能。低压真空断路器将在煤矿、化工、冶金、纺织、采矿等时断路器有较高环境要求的领域中占有一席之地。     

C_p/CuCd电接触材料在电弧作用下的失效行为

本文对电弧作用下 Cp/Cu Cd电接触材料表面烧蚀行为进行了研究。研究表明 ,Cp/Cu Cd电接触材料表面烧蚀区主要由气孔、微突起、裂纹和急冷组织构成。在烧蚀区附近有熔覆层和喷溅物存在 ;远离电弧区的组织发生氧化。电弧能量和触头闭合冲击力是造成 Cp/Cu Cd电接触材料裂纹萌生与扩展的主要原因。孔洞和相界面是裂纹萌生的主要部位。裂纹以孔洞连接和沿晶界开裂形式扩展     

中频供电系统真空电弧开断过程与液滴喷射分析

为研究真空开关在航空交流中频(360～800Hz)供电系统中的开断性能,该文选择触头直径为41mm、触头材料为CuCr50合金的真空灭弧室,进行短路开断实验;研究开断过程,拟合得到电弧电压与频率和电流、极限开断能力与频率的关系式;分析弧后液滴喷射现象,计算液滴的受力和运动轨迹。结果表明:中频真空电弧的电压峰值和电压上升率随电流频率和峰值的增加而增大;而电流开断能力随频率增加而下降,但与等值的工频电流相比,由于燃弧时间缩短,触头烧蚀减弱;电弧重燃时,有金属液滴从弧隙向外喷射,喷射速度范围为10～20m/s,驱动力为从燃弧区域内部向外的压力,压力梯度约为7.9×10~4 Pa/mm。     

电容器组用SF_6断路器弧触头关合磨损特性

电容器组用SF_6断路器存在关合涌流,其预击穿电弧烧蚀使动、静弧触头间机械磨损加剧,研究弧触头机械磨损,提出改善磨损措施,对提高断路器电寿命具有重要意义。通过弧触头碰撞接触应力与电弧烧蚀温度场仿真计算,分析高温下弧触头物性参数,结合试验后弧触头的检测分析揭示了弧触头在常温和高温情况下的磨损机理的类型,提出减少磨损措施的建议。常温下弧触头磨损符合磨粒磨损的特点,电弧烧蚀的高温下,烧蚀中心区域,以粘着磨损为主;距离电弧烧蚀中心较近处,CuW与CuW滑动接触区域同时具有磨粒磨损与粘着磨损的特点;距离电弧烧蚀中心较远处为磨粒磨损。提出的解决措施为弧触头间尽可能为面与面的平行接触,增大接触面积,适当提高断路器关合速度,以减轻弧触头磨损。     

高压跌落式熔断器过零延时灭弧结构设计

为开发能带负荷分合闸的高压熔断器,设计具有过零延时灭弧结构的10 kV高压跌落式熔断器,并对其开断过程展开研究。现有的熔断器带载分合闸时,触头间易产生电弧引起触头烧蚀,甚至发生电弧持续燃烧无法分断;串联高压硅堆后,相同条件下有载开断过程可靠性得到大幅上升,有效切断电弧能量注入,使触头间“零休”延长,错过弧后快速上升恢复电压,促进触头间隙介质绝缘恢复,对降低触头间隙击穿概率、改善弧后介质恢复特性十分有利。     

钨粉粒度及组成对铜钨触头抗电弧烧蚀性能的影响

铜钨合金是高压开关电器中的重要触头材料,铜钨触头的抗电弧烧蚀性能是衡量触头优劣的重要指标。本文采用熔渗法制备了三组铜钨合金,研究了钨粉粒度及组成对合金金相组织、力学物理性能及抗电弧烧蚀性能的影响,分析了影响铜钨触头抗电弧烧损性能的原因。     

Cp／CuCd电接触材料在电弧作用下的失效行为

本文对电弧作用下Ｃｐ／ＣｕＣｄ电接触材料表面烧蚀行为进行了研究,研究表明,Ｃｐ／ＣｕＣｄ电接触材料表面烧蚀区主要由气孔、微突起、,裂纹和急冷组织构成,在烧蚀区附近有熔覆层和喷溅物存在;远离电弧区的组织和发生氧化。电弧能量和触头闭合冲击力是造成Ｃｐ／ＣｕＣｄ电接触材料纹萌生与扩展的主要原因。孔洞和相界面是裂纹萌生的主要部位,裂纹以孔洞连接和沿晶界开裂形式扩展。     

铜钨(70)自力型触头的研制

本文对CuW（80）／CrCu与CuW（70）／CrCu两种自力型触头界面结合强度作了比较。研究了不同W粒粒度对CuW（70）硬度、电阻率、抗弯强度及抗电弧烧损性能的影响，用扫描电镜观察了触头烧损后的组织结构。阐述了电子束焊接方法的优点，探讨了焊后的检验手段。制造的CuW（70）／CrCu自力型触头装于ELF．SL2－1Ⅱ断路器上，通过了全部开关试验。     

直流空气电弧作用下触头烧蚀特性

触头烧蚀会影响低压断路器的使用寿命和可靠性,研究触头烧蚀特性对于低压断路器的研制具有重要意义。为此建立了直流空气电弧作用下的触头烧蚀模型,考虑蒸发和喷溅两种烧蚀机制。针对触头熔池的传热和流动现象,建立了熔池的二维磁流体动力学模型,并结合熔化凝固模型模拟触头熔化相变过程。在熔池模型的基础上,建立蒸发和喷溅烧蚀模型。基于Langmuir方程和气体动力学理论建立蒸发模型,综合考虑沸点以下蒸发过程和沸点以上蒸发过程,分析蒸发通量与熔池表面温度的关系。基于概率统计理论建立喷溅烧蚀模型,得到材料的喷溅烧蚀质量。此外,定量分析触头材料、电流、触头尺寸和触头形状4种因素对触头烧蚀特性的影响,以期得到降低触头烧蚀的方法。研究结果表明:电流低于20 A时以蒸发烧蚀为主,电流高于200 A时以喷溅烧蚀为主;在保证触头尺寸大于熔池尺寸的前提下,减小圆柱形触头的半径,可降低触头材料烧蚀,但触头尺寸对触头烧蚀的影响很微弱;同等条件下半球形触头烧蚀质量最大,其次是圆台形,圆柱形触头烧蚀质量最小。     

考虑Ag触头蒸发烧蚀条件下的航天继电器分断电弧特性的研究

建立了考虑Ag触头材料烧蚀作用的航天继电器分断电弧的磁流体动力学模型.研究了Ag触头蒸汽和氮气均匀混合且各向同性条件下,静态电弧温度场、电弧电压等特性和Ag蒸汽比例之间的关系.分析了Ag蒸汽通过改变电弧等离子体电导率和热导率从而影响电弧特性的机理.同时,研究了Ag蒸汽在电弧中扩散作用时分断过程中动态电弧温度场、Ag浓度分布及触头烧蚀过程等,给出了分断电流的大小对Ag蒸汽质量浓度及触头单次分断烧蚀量的影响规律.最终,通过拍摄Ag原子发射光强,定性证明了电弧中Ag蒸汽浓度仿真结果的正确性.     

直流真空电弧强迫开断电弧形态

随着航空270V直流系统的应用,直流开关的需求逐渐增加。现阶段直流开关大多为空气开关,其开断容量较小,使用真空开关将对于提高开断容量具有一定优势。针对航空270V直流用短间隙真空灭弧室进行高频开断实验,研究了直流强迫开断的电弧电压、电流特性,分析了回路参数对直流强迫开断中平均电流变化率di/dt和弧后过电压dv/dt的影响。通过相同开断实验电流、相同电流变化率、不同触头结构情况下开断实验,分析了电弧直径动态特性。强迫熄弧过程中,平板触头电弧直径逐渐减小,纵磁触头电弧直径变化较小并在熄弧前迅速变化。针对不同电流实验,随电流升高电弧直径略有增加。起弧阶段,平板触头电弧直径随燃弧时间呈对数函数增加,而纵磁触头电弧直径基本保持不变。拟合得到平板电弧起弧时直径变化函数,随燃弧时间延长,平板触头电弧直径逐渐增大至大于纵磁触头电弧直径。