断路器触头磨损研究综述

汪 浩，官小莎，李治军，师慧倩

断路器触头磨损研究综述

汪 浩1，官小莎2，李治军1，师慧倩1

（1. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064； 2. 中国人民解放军91458部队，三亚 572021）

断路器使用过程中会发生触头磨损现象，为提高断路器使用寿命需对断路器触头磨损进行研究分析。断路器动、静触头间产生的电弧是一个涉及多学科交叉耦合的问题，目前对断路器触头电弧侵蚀磨损的物理机理和电弧特性了解不够全面。断路器触头在电弧烧蚀产生的局部高温处，触头材料的物理特性产生局部变化，进而造成常温区域的触头间机械磨损与高温区域触头间机械磨损不一样。本文以断路器触头磨损为研究对象，从电弧侵蚀磨损和触头机械碰撞磨损两个方面，综述国内外断路器电弧侵蚀数学模型、电弧特性、机械磨损机理以及触头碰撞机械磨损的特性，并对断路器触头磨损的研究进行展望。

电弧侵蚀 触头碰撞磨损 磨损机理

0 引言

断路器触头磨损是指断路器在分、合闸（有载或无载电路）时，由于触头之间碰撞、摩擦及电弧烧蚀等造成触头材料损失的现象[1]。由于触头磨损现象，进而导致断路器触头超程减少、触头压力降低、接触电阻变大等参数改变，严重时会使断路器失效，影响电力系统安全。为提高断路器的使用寿命，需对断路器触头磨损进行研究分析。断路器触头磨损主要为机械磨损和电磨损，本文对断路器触头磨损研究的进展进行总结。

1 电磨损研究

对断路器的电磨损研究主要通过理论及模型、试验两种不同的研究途径。

1.1 触头电磨损理论分析

断路器的动、静触头在接触或分离过程中会产生电弧。由于电弧温度较高，触头材料表面会出现熔化、气化和金属液滴喷射等现象，进而造成触头磨损。断路器在关合或分断小电流时，触头之间的电磨损主要原因是蒸发侵蚀磨损；随着分断或关合电流增大，触头之间的电磨损有蒸发侵蚀磨损和液态金属液滴的喷射磨损，并且主要原因是金属液滴喷射磨损。

触头的电磨损主要有蒸发气化、液滴喷溅、熔池马拉高尼效应和固态微粒喷射。

1.1.1蒸发气化侵蚀磨损

冷阴极的银基材料常作为触头材料。根据热-电发射机理，断路器为维持电弧的持续燃烧，电弧斑点处表面温度通常高于材料的沸点。触头材料的蒸发气化在整个电弧燃烧过程中一直进行着，触头材料的蒸发气化会导致触头材料的磨损减少、变形。

蒸发气化侵蚀磨损可通过蒸发侵蚀率C（kg/C）进行定量描述，其定义如式（1）所示。

式中：C——蒸发侵蚀率；——蒸发速率（kg/s）；I——电弧电流（A）。

文献[1]、[2]是通过仿真分析得到触头表面温度分布情况，并根据温度分布情况找出达到触头材料沸点以上区域，并认为高温区域进行着蒸发侵蚀磨损，进而确定触头材料的蒸发侵蚀率，但文献中忽略的因素较多，计算结果不精确。

文献[3]、[4]根据电弧-触头边界能量平衡模型仿真计算由于蒸发带走的热流密度，进而计算出触头材料表面的蒸发速率，通过蒸发速率计算分析得到触头材料的蒸发侵蚀率。蒸发速率常采用Langmuir方程的方法进行计算，Langmuir方程如公式（2）所示。

式中：——蒸发通量（kg/（m2s））；p——金属饱和蒸气压；V触头材料气化摩尔质量；——气体常数；T——熔池表面温度。

但实际试验结果比采用Langmuir方程计算的触头材料的蒸发通量小，计算得到的蒸发侵蚀率也不太准确。

1.1.2喷溅侵蚀磨损

喷溅侵蚀磨损是指触头材料以金属液滴的形式磨损的现象。

文献[5]通过建立电弧-触头之间的数学模型，分析触头材料的侵蚀与阴极斑点关系，并得出断路器触头在大电流下，喷溅侵蚀磨损的主要原因是粒子的轰击力。文献[6]通过研究真空电弧阴极斑点内的触头材料喷溅侵蚀磨损的发生条件，得到临界电流和临界斑点压力是喷溅侵蚀磨损发生主要原因的结论。

文献[7]首先通过仿真分析计算得到触头温度分布情况，并根据触头表面温度的分布情况，以触头材料的熔化量来表示触头材料的喷溅量，进而得到喷溅侵蚀磨损量。文献[8]通过建立基于能量涨落以及概率统计得到触头材料喷溅侵蚀磨损模型，得到在特定燃弧功率和电弧电流下不同触头材料的喷溅量期望。

通过对文献分析可知道断路器触头材料喷溅侵蚀磨损的相关研究结论并不一致。

1.1.3固态微粒喷射侵蚀磨损

当断路器触头在热、力作用下其表面会产生热伸缩力。当力大到能克服触头材料的机械强度时，触头表面会急剧的膨胀，进而会有固态微粒从触头表面喷射而出，进而造成触头磨损。

文献[11]对等离子体喷流与触头表面粗糙程度的关系进行了研究分析，通过研究分析得到等离子体喷流在粗糙的金属表面更容易发生的结论。

1.1.4小结

以上对电弧侵蚀磨损的研究都仅针对单一因素、特定条件导致的电弧侵蚀磨损，假设条件相对较多，研究结果具有一定的局限性。

需要对电弧侵蚀磨损从以下方向进行研究分析：1）触头材料的电弧侵蚀机理研究分析；2）建立更加完善的多物理场耦合的数学模型，分析触头材料转移、触头表面形状演变的影响因素。

1.2 触头电磨损的试验研究

断路器触头的电磨损可通过称重法、表面成分分析、表面形貌观测及测量接触电阻这四种方式对电弧侵蚀磨损进行研究分析。

文献[12]采用CuW80触头作为研究对象进行触头侵蚀试验研究。试验进行了20次后进行工频耐压测试、接触电阻测试和拍摄触头表面照片，并且测量每一次关合的燃弧时间。通过对其拍摄的触头表面照片来看，触头表面上有明显的烧蚀痕迹；随着关合次数增加燃弧时间也会增加；通过仿真计算得到关合预击穿电弧侵蚀率小于0.6mg/C，机械磨损过程质量损失率大于1mg/C。试验结果给出了断路器触头侵蚀磨损主要是电弧烧蚀以及电弧加热后的机械磨损这两个因素，机械磨损不可忽略。没有对机械磨损进行深入分析。

2 机械磨损研究

根据文献[12]的研究，断路器触头间的机械磨损相比电气磨损更为严重。因此，研究动、静触头之间的机械磨损，揭示机械磨损机理的类型，对提出改善触头之间机械磨损措施，提高断路器寿命十分有必要。

机械磨损主要是通过计算动、静触头之间的碰撞应力进而计算得到断路器触头在常温下的磨损分析。然后根据触头材料特性对电弧烧蚀后局部高温进行高温条件下触头机械磨损分析。

2.1 动静触头之间碰撞应力计算

通过仿真软件计算得到动触头速度曲线，并将仿真计算得到曲线与实际测量得到曲线比对分析，进而得到断路器动触头的运动速度，进一步得到动、静触头之间碰撞接触应力。通过查阅文献资料得到断路器触头所采用材料的力学特性。在仿真软件中建立仿真模型并对模型进行网格划分后仿真计算动静触头之间接触应力。

根据仿真计算可得到静触头的支撑反力，由于该支撑反力反映了两弧触头碰撞接触时的碰撞力，以及随后滑动过程中的摩擦力大小。

2.2 常温下触头磨损分析

断路器常会在检修时进行无载操作，此时断路器动、静触头不受电弧的烧蚀，触头接触区域及非接触区均为常温状态。在有载操作时，预击穿电弧烧蚀会在一瞬间完成。只会造成动、静触头局部高温，电弧未烧蚀区域温度也基本保持常温。

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磨损一般分成 4 类：磨粒磨损、粘着磨损、表面疲劳磨损和腐蚀磨损。由于断路器的动、静触头接触碰撞为滑动摩擦，因此在其过程中造成磨损不符合表面疲劳磨损和腐蚀磨损的条件，只需主要考虑磨粒磨损、粘着磨损。

根据 Rabinowics 粘着磨损理论，发生粘着磨损需要两个条件：一是材料局部应力超过屈服应力，发生塑性变形；二是发生塑性变形的磨削半径满足式(5)的要求：

式中：为材料的弹性模量；为屈服应力；为磨削分离后单位面积的表面能。

根据以上分析动静触头接触碰撞的应力以及触头材料特性，分析断路器动静触头在常温下触头磨损分析。

2.3高温下触头磨损分析

由于在电弧烧蚀的情况下，触头受到电弧烧蚀后高温的影响，触头材料的表面能、硬度等物性参数会发生变化，磨损情况与常温时有较大差异。

首先通过材料的热物性确定、仿真模型网格划分、电弧能量输入进行电弧烧蚀的触头温度场仿真分析。通过仿真计算分析，得到触头表面温度场分布。

式中：为单位面积的熵，是温度。

得到触头材料在各温度点处的表面能。不同温度条件下固态金属的表面能可用经验公式（7）计算得到，不同温度条件下液态金属的表面能可用经验公式（8）计算得到。

3 结束语

研究人员从理论分析、试验测量角度对触头磨损数学模型进行了长期、持续的研究，推动了触头磨损理论的完善，但需对以下进一步研究：

1）进一步研究触头表面金属熔池动力学数学模型，得到材料喷溅特性与电弧燃烧的时间关系曲线，建立更为准确的耦合磁流体动力学模型，进一步进行触头材料电磨损量的仿真计算。

2）建立触头材料磨损数学模型，既考虑了电弧侵蚀磨损，又考虑了机械磨损。对断路器触头磨损进行定量计算磨损进而对断路器触头进行优化设计提高断路器的使用寿命。

[1] Nakagawa Y and Yoshioka Y. Theoretical Calculation of the process of contact Arc erosion using a one-dimensional contact Model [J]. IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology, 1978, CHMT-1(1): 99-102.

[2] Swingler J and Mc Bride J W. Modeling of energy transport in arcing electrical contacts to determine mass loss [J]. IEEE Transactions on Components, Packaging, and Manufacturing Technology-Part A, 1998, 21（1）: 54-60.

[3] Lu F G and Tang X H. Numerical simulation on Interaction between TIG welding arc and weld pool [J]. Computational Materials Science, 2006, 35（4）: 458-465.

[4] Rong M Z, Ma Q, Wu Y, Xu T J, and Murphy A B. The influence of electrode erosion on air arc in a low-voltage circuit breaker [J]. Journal of Applied Physics, 2009, 106（023308）: 1-10.

[5] Zhou X, Heberlein J, and Pfender E. Theoretical Study of Factors Influencing Arc Erosion of Cathode[J]. IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology-Part A, 1994, 17（1）: 107-112.

[6] Mesyats G A and Zubarev N M. Hydrodynamics of the molten metal in a vacuum arc cathode Spot at Near-threshold Currents [J]. Journal of Applied Physics, 2013, 113（203301）: 1-5.

[7] Kharlov A V. Arc Motion and Electrode Erosion in High-current Rail Spark Gaps[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2010, 38（9）: 2474-2478.

[8] 吴细秀, 李震彪. 电器电极材料喷溅侵蚀的理论计算[J]. 中国电机工程学报, 2003, 23（6）: 96-101.

[9] 崔行磊. 直流电弧作用下的触头材料的侵蚀机理和转移特性研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2014.

[10] Kharin S N. Mathematical models of heat and mass transfer in electrical contacts[C]//Proceeding of the 61st IEEE Holm Conference on Electrical Contacts, San Diego, CA, USA, 2015: 1-21.

[11] Zhai Guofu, Bo Kai, Chen Mo, et a1. Investigation on plasma jet flow phenomena during DC air arc motion in a bridge-type contacts[J]. Plasma Science and Technology, 2016, 18(5): 485-489

[12] 丁粲, 原浠超, 李志兵, 等. SF6 断路器弧触头的关合侵蚀特性，高电压技术，2014，40(10): 3228-3234.

[13] 郭凤仪. 电器学[M]. 北京: 机械工业出版社, 2013.

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，工程师，主要从事低压电器设备。E-mail：xjtu3005@163.com