GaInSn金属蒸汽电弧对电极的侵蚀机理研究

刘树华 鲁 创

（1.海军驻武汉七一二所军事代表室，湖北 武汉430064；2.武汉长海电气科技开发有限公司，湖北 武汉430064）

0 引言

基于自收缩效应的液态金属限流器是一种新型自复式限流器，其对短路故障电流的限制是通过液态金属自收缩效应产生的金属蒸汽电弧而实现的。但金属蒸汽电弧会对限流器电极产生侵蚀，从而极大地影响电极的使用寿命。因此，研究金属蒸汽电弧对电极的侵蚀机理，对于液态金属限流器的研制具有重要的意义。

图1为自收缩效应的液态金属限流器结构示意图。由图可见，液态金属限流器两端各安装有一个用于导电的固态电极，壳体内部的密封空间被若干个串联的耐高温的绝缘挡板分割成多个隔层，每个绝缘挡板上都有一个圆形通流孔，液态金属灌注在密封空间的隔层中，并通过通流孔与两端电极形成电流流通路径。

图1 液态金属限流器结构示意图

1 GaInSn金属蒸汽电弧对电极侵蚀现象的试验

图2给出了预期电流峰值为3kA 时通流孔处金属蒸汽电弧的发展过程。与本组试验结果相对应的电弧电压和电流波形随时间变化的特性曲线如图3所示。

由图2、图3可见，在4.127ms时刻，通流孔处能观察到明显的燃弧现象，此时电弧电压有明显提高。随着电流的上升，在t＝4.247ms时刻，电弧在通流孔处逐渐膨胀，其亮度也不断增强。此后，电弧形态开始沿通流孔向电弧两侧延伸，直至t＝5.207ms时刻电弧发展至最长，并已扩展至电极附近。在此期间，电弧电压急剧增加直至最大值311V，此后电流则快速下降。当电弧电压达到最大值后，电弧电压随着电弧电流的下降逐渐下降，电弧也开始收缩，其强度也随之减弱，直至电流过零时，电弧熄灭。液态金属重新回流至通流孔中形成通路，电弧电压降至0V。

2 GaInSn金属蒸汽电弧对电极侵蚀机理的仿真

为研究金属蒸汽电弧燃弧过程的温度及流场分布，建立了基于磁流体模型的二维轴对称电弧暂态模型。其初始温度场和流场通过稳态电弧进行计算，此时高温区域充满整个通流孔，并以5.72kA 的峰值电流进行暂态计算。

图2 通流孔处金属蒸汽电弧的发展过程

图3 电弧电压、电流波形随时间变化特性曲线

图4给出了GaInSn金属蒸汽电弧在t＝5.2ms时刻的温度分布。由图可见，相对于其他区域，电弧在通流孔内部具有较高温度，沿着通流孔两侧向电极方向，温度呈递减趋势，其最高温度可达约30 000K。同时，电弧的较高温度区在通流孔两侧形成的扩散分布，使电弧的温度分布在通流孔区域呈“哑铃”状，这与试验结果中电弧完全膨胀伸展时的形态相似。电弧在完全发展状态这种的温度分布，一方面是由于电流密度在这种扩展—收缩的几何结构中分布不均，从而导致通流孔区域的局部高温；另一方面是由于电极温度相对弧柱温度较低，从而导致靠近电极处的电弧温度也较低，这也是造成电弧弧柱在近电极区域收缩的原因之一。

图4 金属蒸汽电弧温度场分布(t=5.2 ms)

图5为GaInSn金属蒸汽电弧在t＝5.2ms时刻的压力分布。由图可见，在通流孔内，沿径向方向从孔壁至孔的中心，压力呈逐渐增加趋势，孔壁区域的压力仅有0.1个大气压左右，而孔中心压力则达到2.8个大气压，这主要是孔内电弧气体受到自身磁场产生的洛仑兹力收缩作用所导致的。而在轴向方向，由于电弧温度的分布，通流孔内压力较大，并沿着通流孔向两极逐渐减少，但在两极相对于通流孔的位置处却各形成一个相对于周围压力分布而言的局部高压区。

图5 金属蒸汽电弧压力场分布(t=5.2 ms)

在上述压力分布下所形成的电弧气流场如图6所示，由于径向压力梯度的作用，在通流孔内气流由孔壁流向孔的中心；在轴向压力梯度作用下，通流孔两侧气流逐渐由沿径向r流动转为沿轴向z 流动，在孔两侧形成两股方向指向两极的“喷流”。

值得注意的是，这两股高温“喷流”的高速区集中在通流孔的中轴附近，宽度与孔径相当，并沿轴向方向喷射至电极表面。GaInSn金属蒸汽电弧对电极的侵蚀会在两极相对通流孔的位置各形成一个直径与孔径相当的凹坑。因此，通过上述分析，可以推断电弧对电极侵蚀的主要原因是通流孔内外压力梯度所形成的高温“喷流”喷射至电极表面，电极表面材料在高温气流作用下汽化蒸发所导致。另外，凹坑大小与通流孔相似也可能是由于喷流高速区宽度与孔径相当所造成的。

图6 金属蒸汽电弧速度场分布(t=5.2 ms)最大速度为2 850 m/s

3 结语

通过分析研究，GaInSn金属蒸汽电弧对电极的侵蚀机理主要是通流孔内外压力梯度变化所形成的高温“喷流”喷射至电极表面，电极表面材料在高温气流作用下汽化蒸发所导致。为了提高电极耐电弧烧损的能力，延长电极使用寿命，有必要对电极结构进行改进。通过试验验证，在电极相对于通流孔的位置内嵌一块陶瓷片，陶瓷片选用高硬度、耐烧蚀的氮化硼材料，可以抵御电弧的烧蚀。观察改进型电极在多次通电后的表面情况可知，电极表面并无电弧侵蚀痕迹，可见内嵌的陶瓷片对电极起到了很好的保护作用。

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