极性对载流电弧演化及其烧蚀的影响

宋联美，张永振，上官宝，杨正海

(1.机械科学研究总院 武汉材料保护研究所特种表面保护材料及应用国家重点实验室，湖北 武汉 430030；2.河南科技大学 高端轴承摩擦学技术与应用国家地方联合工程实验室，河南 洛阳 471023；3.洛阳理工学院 材料科学与工程学院，河南 洛阳 471023)

极性对载流电弧演化及其烧蚀的影响

宋联美1,3，张永振1,2，上官宝2，杨正海2

(1.机械科学研究总院 武汉材料保护研究所特种表面保护材料及应用国家重点实验室，湖北 武汉 430030；2.河南科技大学 高端轴承摩擦学技术与应用国家地方联合工程实验室，河南 洛阳 471023；3.洛阳理工学院 材料科学与工程学院，河南 洛阳 471023)

在自制的载流电弧试验机上进行了极性对载流电弧的演化过程和烧蚀影响试验。试验结果表明：当钨探针为阳极、铜试样为阴极时，载流电弧燃烧剧烈，燃弧时间长，大量蒸气溢出，载流摩擦副的烧蚀严重；当钨探针为阴极、铜试样为阳极时，载流电弧燃烧剧烈程度明显减弱，燃弧时间短，少量蒸气溢出，载流摩擦副的烧蚀较轻。载流电弧具有明显的极性特性，从带电粒子的产生机理、电弧状态和电弧烧蚀机理方面进行了分析，发现阳极材料蒸发气化是电弧燃烧的主要影响因素，可通过分散电子对阳极材料的热输入来抑制电弧燃烧，缩短金属蒸气态电弧存在时间以减轻电弧烧蚀。

载流电弧；极性；电弧演化；电弧烧蚀

0 引言

载流摩擦副是在相对滑动接触过程中传递电能的摩擦副，应用于电气化铁路的弓网系统、发电机的碳刷与集电环系统、高低压输变电系统的各种开关以及运载火箭升空过程中的整流装置[1]。随着经济和科技的高速发展，载流摩擦副的工作条件日益苛刻，传递电流和运行速度大幅度提高，同时载流摩擦副的使用可靠性要求也随之提高，而载流摩擦副的摩擦磨损性能影响到摩擦副电能传递的可靠性和使用寿命[2]。

国内外学者从材料、电流、速度和载荷等方面，对载流摩擦副的摩擦磨损性能进行了较深入的研究。载流摩擦副材料具有良好的导电导热性能、低接触电阻和较高的机械性能，在金属基体中加入固体润滑剂如石墨和硫化钼等，不仅能保证电能的传递，而且可以提高材料的摩擦磨损性能[3-4]。电流密度增加，载流摩擦副表面温度升高，发生强烈的塑性变形，并且容易产生电弧，加剧磨损，但是摩擦因数降低[5-7]。运行速度增加，载流摩擦副间摩擦热增加，同时也加剧载流摩擦副非周期性振动和冲击，导致接触状态恶化。低速时，材料损伤主要由摩擦热引起的黏着磨损为主；而高速时，主要以电弧烧蚀为主[8-9]。随着载荷增加，载流摩擦副的摩擦因数和磨损率呈现先降低后增加的变化趋势，存在理想接触压力值。载荷较小时，接触不良引起载流电弧，导致电弧损伤；载荷较大时，接触平稳但磨损加剧，主要以犁沟和黏着磨损为主[10-11]。综上所述，载流摩擦副在运动过程中不可避免地会出现脱离或闭合现象，导致载流电弧产生。载流摩擦副的磨损率与电弧能量呈指数关系增加[12]，载流电弧是导致载流摩擦副摩擦磨损性能恶化的主要因素，所以抑制载流电弧的产生和减缓电弧烧蚀是载流摩擦研究的重点。但是，目前的研究在销盘式或线块式载流摩擦磨损试验机上进行，试验过程中载流摩擦副始终保持接触，材料损伤在摩擦热、电阻热和电弧热共同作用下产生，并且载流电弧是在摩擦副脱离瞬间产生，不容易捕捉，这都不利于研究载流电弧的性能。

因此，本文自制了针板式载流电弧试验机，最大程度地减小摩擦热和电阻热对材料损伤的影响。主要以载流摩擦副脱离时产生的载流电弧为研究对象，进行了不同极性下载流电弧的演化过程和烧蚀机理的试验研究，为提出抑制载流电弧和减缓电弧烧蚀的有效措施提供理论指导。

图1 载流电弧试验机示意图

1 试验装置和试验过程

1.1 试验装置

在自制的针板式载流电弧试验机上进行试验，载流电弧试验机示意图见图1。探针沿Z方向上下移动，板沿X方向往复运动。当探针和板滑动接触时，探针、板和电源组成封闭电流回路，电流通过探针和板的接触面进行传递。当探针和板脱离时，探针、电弧、板和电源组成封闭的电流回路，电流通过载流电弧传递。电源采用JP50100D型直流电源，可提供稳定的直流电流或电压；电弧电流由量程为0～50 A的霍尔式电流传感器测定；电弧电压由量程为0～50 V的霍尔式电压传感器测定。燃弧过程中的电弧图像由拍摄速度为1 000帧/s的高速摄像机采集，所有信号由数据采集卡同步采集，采集频率为5 kHz，通过软件处理后在计算机显示器上显示。

1.2 试验过程

试验中探针材料是钨合金，由钨(W)和二氧化钍(ThO2)组成，其中ThO2的质量分数为0.70%～0.99%，钨探针直径2.4 mm，长45.0 mm，末端加工成锥角为30°的圆锥状。板试样材料是纯铜，尺寸是80 mm×40 mm×8 mm，试验前用800号金相砂纸对其进行打磨。试验电流分别为20 A、25 A、30 A、35 A和40 A，试验电压为30 V。试验开始前钨探针与铜试样保持接触，接通电源后铜试样沿X方向以10 mm/s的速度运动，钨探针静止，此时铜试样与钨探针保持滑动接触；2 s后，钨探针以3 mm/s的速度沿Z方向上移，与仍保持运动的铜试样逐渐脱离，产生载流电弧。

利用Memrecam HX-3型高速摄像机对整个燃弧过程的电弧图像进行采集，通过Image-Pro Plus软件对图像进行测量，用电弧图像的像素点数目表示电弧面积。利用JSM-5610LV型扫描电子显微镜对电弧烧蚀表面进行观察分析，并用配套的EDAX能谱分析仪分析烧蚀表面成分变化。利用Nanofocus AG 型三维表面轮廓仪对烧蚀表面进行扫描，测量烧蚀坑尺寸，以计算得到的烧蚀坑体积表示烧蚀量。

2 试验结果

2.1 载流电弧演化过程

图2是钨探针为阳极、铜试样为阴极时载流电弧演化过程(35 A)。开始时钨探针与铜试样保持滑动接触，随后上移并与铜试样逐渐脱离，这时钨探针和铜试样接触面积减少，接触电阻和传递的电流密度增加，大量的电阻热使钨探针和铜试样表面发生熔化和蒸发气化，金属蒸气在高电场强度下产生带电粒子，形成金属蒸气等离子云，载流电弧形成。

电弧在起弧阶段出现飞溅，如图2a所示。约30 ms时蒸气溢出，如图2b所示，标志着电弧进入稳定燃烧阶段。随着燃弧时间延长，大量的蒸气溢出，电弧面积增加，电弧呈亮白色，如图2c所示。约690 ms时电弧面积开始减小，如图2d所示，电弧进入衰减阶段。随着钨探针和铜试样间距增大，带电粒子特别是电子无法到达阳极时，通过复合、附着或扩散的方式消失[13]，带电粒子减少，等离子云出现分离，电弧不连续，如图2e所示。随后，电弧迅速熄灭(见图2f)。

图3是钨探针为阴极、铜试样为阳极时载流电弧演化过程(35 A)。电弧在起弧阶段产生的飞溅不大，如图3a所示。约30 ms时观察到蒸气溢出，如图3b所示。随着燃弧时间延长，蒸气不断溢出，但溢出量较少，电弧面积增加，如图3c所示。约260 ms时电弧面积开始减小，如图3d所示，电弧进入衰减阶段。在衰减阶段没有观察到电弧不连续现象，电弧迅速熄灭，如图3e所示。

图4是电流为35 A时，不同极性下电弧面积随燃弧时间的变化曲线。由图4可知：电弧面积开始迅速增加，然后缓慢增加，最后迅速降低。当钨探针为阳极、铜试样为阴极时，燃弧时间长，电弧面积大；但是当钨探针为阴极、铜试样为阳极时，燃弧时间短，电弧面积小。

图2 钨探针为阳极、铜试样为阴极时载流电弧演化过程(35 A)

图3 钨探针为阴极、铜试样为阳极时载流电弧演化过程(35 A)

2.2 不同极性下电弧烧蚀体积变化

图5是不同极性下铜试样烧蚀坑体积随电流的变化曲线。由图5可知：当钨探针为阳极、铜试样为阴极时，随电流增加，铜试样烧蚀坑体积几乎呈线性增加，电流为20 A时，烧蚀坑体积为1.8×105μm3；电流为40 A时，烧蚀坑体积高达64.2×105μm3。当钨探针为阴极、铜试样为阳极时，铜试样的烧蚀坑体积先增加后降低，电流为30 A时，烧蚀坑体积为10.1×105μm3，达到最大值，这与材料的氧化有关。通过比较得出：不同极性下电弧烧蚀体积明显不同，当钨探针为阳极、铜试样为阴极时，铜试样的电弧烧蚀更为严重。

图4 不同极性下电弧面积随燃弧时间的变化(35A)图5 不同极性下铜试样烧蚀坑体积随电流的变化

3 讨论

3.1 带电粒子的产生机理

电弧在燃烧过程中，阳极受到大量电子轰击而达到高温，发生蒸发气化，金属蒸气电离产生带电粒子。阴极受到阳离子撞击，温度升高，有利于电子发射，但发射电子消耗能量，阴极表面被冷却[13]，所以阴极的蒸发气化现象没有阳极强烈。带电粒子产生的同时还以扩散和复合的形式消失，电弧稳定燃烧实质上是带电粒子产生、运动和消失的动态平衡过程。因金属蒸气比气体的电离电压低，更容易电离产生带电粒子[14]，所以电弧燃烧取决于金属蒸气产生的难易程度。电弧中金属蒸气由阳极和阴极材料蒸发气化产生，但由于阴极发射电子消耗能量，所以金属蒸气主要通过阳极蒸发气化产生。

当钨探针为阳极、铜试样为阴极时，阳极钨探针直径小，受到大量电子的集中撞击，发生强烈地蒸发气化，提供大量金属蒸气，促进电弧剧烈燃烧。当钨探针为阴极、铜试样为阳极时，阳极铜试样处于运动状态，电子撞击位置发生变化，并且铜导热快，所以发生蒸发气化不强烈，导致电弧燃烧困难。

3.2 电弧烧蚀机理分析

由文献[15]可知，开关触头间电弧发展经历两个阶段：第一阶段是金属蒸气态电弧，即电弧在金属蒸气中燃烧；第二阶段是气体态电弧，当金属蒸气密度降低时，周围气体会参与电弧燃烧，电弧由金属蒸气态向气体态过渡，这时电弧电压会出现明显变化。

图6是钨探针为阳极、铜试样为阴极时电弧电压随燃弧时间的变化图(20 A)。由图6可知：电弧电压先是迅速增加，然后缓慢增加，约244 ms时电弧电压保持稳定，随后迅速增加到空载电压30 V，标志着载流电弧发生了由金属蒸气态电弧向气体态电弧的转变。电弧为金属蒸气态时，金属蒸气产生的带电粒子质量大，运动性较差，电弧热量集中[14]，导致电弧烧蚀严重。当金属蒸气减少，空气参与电离，电弧转化为气体态，气体态电弧质量小，运动性好，电弧热量分散[14]，电弧烧蚀较轻。图7为不同极性下金属蒸气态电弧燃弧时间随电流的变化图。由图7可知：随着电流增加，金属蒸气态电弧燃弧时间增长，但是钨探针为阳极、铜试样为阴极时，金属蒸气态电弧燃弧时间比钨探针为阴极、铜试样为阳极时长得多，所以导致电弧烧蚀严重。

图6 钨探针为阳极、铜试样为阴极时电弧电压随燃弧时间变化(20A) 图7 不同极性下金属蒸气态电弧燃弧时间随电流变化

3.3 电弧烧蚀机理的影响

图8是不同极性下钨探针和铜试样的微观烧蚀形貌(25 A)。当钨探针为阳极、铜试样为阴极时，钨探针表面凸凹不平，铜试样表面形成明显的烧蚀坑，如图8a和图8b所示。当钨探针为阴极、铜试样为阳极时，钨探针表面较平坦，铜试样烧蚀坑特征不明显，如图8c和图8d所示。

图8 不同极性下钨探针和铜试样微观烧蚀形貌(25 A)

表1是不同极性下钨探针和铜试样的烧蚀表面上不同区域(见图8)的能谱分析。图8和表1中：区域1和区域5是钨探针分别为阳极和阴极时烧蚀表面；区域2、区域3和区域4分别是铜试样为阴极时表面烧蚀坑的底部、边缘和电弧未直接烧蚀到的位置；区域6、区域7和区域8分别是铜试样为阳极时表面烧蚀坑的底部、边缘和电弧未直接烧蚀到的位置。由表1可知：材料在电弧作用下除了发生材料转移外，还发生了不同程度的氧化。钨探针为阳极时，烧蚀表面的氧质量分数为38.37% (见表1的区域1)，钨探针为阴极时，烧蚀表面的氧质量分数为26.28% (见表1的区域5)；与钨探针相匹配的铜试样为阴极时，烧蚀表面的氧质量分数为5.22% (见表1的区域2)，铜试样为阳极时，烧蚀表面的氧质量分数为14.59% (见表1的区域6)，可见载流摩擦副的阳极比阴极氧化严重。这是因为电弧产生大量的电子，空气中的氧对电子亲和力强，电子被氧原子获得成为负氧离子，在电场力作用下会吸附在阳极表面发生氧化[16]，有利于阳极表面氧化。另一方面，阴极表面受到质量较大的阳离子撞击，击碎表面氧化膜而起到净化作用[13]，氧质量分数减低。

表1 不同极性下钨探针和铜试样烧蚀表面能谱分析

当钨探针为阳极、铜试样为阴极时，电弧燃烧剧烈，燃弧时间长，电弧能量高，钨探针发生强烈地蒸发气化和氧化，导致烧蚀严重，表面凸凹不平，如图8a所示；并且钨蒸气冷凝后沉积在铜试样烧蚀坑边缘处，呈颗粒状，结构疏松，如图8b的区域4所示。铜试样因阴极净化作用，表面氧质量分数低，在电弧作用下发生熔化时，液态金属黏度小，在电弧力作用下容易被排开，从而形成明显的烧蚀坑，如图8b中区域2所示。

当钨探针为阴极、铜试样为阳极时，电弧燃烧不剧烈，燃弧时间短，电弧能量低，钨探针表面发生轻微地蒸发气化，并且与其匹配的阳极铜试样蒸发气化后沉积在钨探针表面；进一步减轻钨探针的烧蚀，表面较为平坦，如图8c所示。作为阳极的铜试样烧蚀表面氧化严重，在电弧作用下发生熔化时，高熔点氧化物会增加液态金属黏度[17-18]，在电弧力作用下液态金属不容易被排开，阻碍烧蚀坑的形成，所以形成的烧蚀坑窄而浅，如图8d所示。

4 结论

(1)钨探针为阳极、铜试样为阴极时，燃弧时间长，电弧面积大，电弧燃烧剧烈，有大量蒸气溢出,钨探针表面凸凹不平,铜试样表面形成宽而深的烧蚀坑，烧蚀严重。钨探针为阴极、铜试样为阳极时，燃弧时间短，电弧面积小，电弧燃烧过程中有少量蒸气溢出，钨探针表面平坦，铜试样表面形成窄而浅的烧蚀坑，烧蚀较轻。

(2)载流电弧具有明显的极性特性，阳极材料蒸发气化是电弧燃烧的主要影响因素，可通过分散电子对阳极材料的热输入抑制电弧燃烧，缩短金属蒸气态电弧存在时间以减轻电弧烧蚀。

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国家自然科学基金项目(51375147,51405134);河南省自然科学基金项目(162300410091)

宋联美(1973-)，女，河南新乡人，博士生；张永振(1963-)，男，陕西澄城人，教授，博士，博士生导师，主要从事材料载流摩擦学研究.

2016-12-27

1672-6871(2017)04-0010-06

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.04.003

TH117

A