劉志偉, 陳少昆, 李成坤, 朱銀龍, 高晉峰

(1.國網(wǎng)山西省電力公司 客戶服務中心,山西 太原 030000; 2.西南交通大學 電氣工程學院,四川 成都 610000)

0 引 言

碳、銅電極是一種常見的滑動電接觸材料,特別是在電機電刷、軌道交通弓網(wǎng)受流等領域應用廣泛。電弧侵蝕會顯著影響觸頭系統(tǒng)壽命和相關電力設備的工作可靠性。碳、銅配對時,由于碳元素和銅元素的物理化學性質有很大差異,所以當電極極性反轉時電弧的燃弧特性以及侵蝕特性也會有較大變化。探究不同極性下的電弧侵蝕問題,對改善電極材料的耐燒蝕性能,延長其壽命具有一定現(xiàn)實意義。

目前,國內外學者對碳、銅材料電極對的電弧燒蝕從多個方面已經(jīng)做了較多的基礎研究。有學者研究了電流、壓力、溫升等因素對碳、銅材料配對下的載流摩擦磨損特性,并討論了其對磨損量、表面微觀形貌的影響[1-2]。有學者研究電極分離時的電弧和熱力學行為,得到氣流場評估方法[3]。前期研究發(fā)現(xiàn)碳、銅材料配對載流摩擦時,其磨損率與電弧的放電強度和持續(xù)時間有很大關系,且當電弧能量較小時,碳材料磨損形式主要為磨粒磨損和粘著磨損[4-5];D PAULMIER研究了銅、石墨配對,當不同方向的電流通過銅、石墨接觸對時,銅、石墨對的摩擦學特性會發(fā)生改變,同時還觀察到摩擦系數(shù)和接觸電阻的減小取決于電流的方向。賈申利教授、李興文教授等[6-7]利用等離子體特征光譜來獲取等離子體溫度。何俊佳教授[8]發(fā)現(xiàn)電弧燃弧是逐漸從蒸氣相電弧過渡到氣相電弧,并且發(fā)現(xiàn)金屬相電弧到氣相電弧存在臨界間距,也有學者研究了電弧電流、間距和加工工藝對電弧燒蝕的影響[9-13]。

目前對于碳、銅這種特殊的金屬、非金屬配對,高熔沸點、高導電性、耐磨性配對材料研究較少,對極性效應也集中在載流摩擦方面,關于極性效應在電弧方面的研究很少,故需要探究不同極性時在電弧侵蝕下的電弧行為及演化過程,弧根對材料轉移的作用機理。本文用電弧燒蝕實驗平臺進行電弧燒蝕實驗,選用銅棒和碳板材料,用示波器記錄測量燃弧過程中的電壓、電流波形,光譜儀捕捉燃弧過程中的燃弧光譜,相機捕捉電弧的運動軌跡和燃弧過程中的一些典型特征。通過這些測量參數(shù)分析得到不同極性下的電弧燃弧規(guī)律。

1 實驗方法

本實驗采用銅合金材料和碳材料進行實驗,分別用示波器(TektronixMDO3024)記錄測量電壓/電流波形,同步觸發(fā)可見光光譜儀(FX PG2000)捕捉燃弧光譜,以及使用數(shù)碼相機拍攝燃弧時弧根運動軌跡;其中直流電壓源提供50 V的直流電壓,銅棒初始時和碳板材料是接觸狀態(tài),通過使用步進電機控制碳電極位置,使其以特定速度與銅棒分離,產(chǎn)生電弧。實驗前后利用精密電子天平測量電弧侵蝕前后銅棒和碳電極的質量變化量。實驗裝置原理如圖1所示。

2 實驗結果及分析

2.1 不同極性時的燃弧特性

不同極性時燃弧的電壓、電流波形如圖2所示。由圖2可以看出,兩種條件下電壓、電流變化趨勢有很大區(qū)別,當銅為陽極、碳為陰極時,電極分離過程中電極間電壓大約以10 V/s的上升率增大,在1.2 s左右電極間距不再變化,然后固定間隙穩(wěn)定燃弧,電弧弧根在一定的范圍做無規(guī)則運動,電壓、電流穩(wěn)定在小范圍內波動。當銅為陰極、碳為陽極時,電弧電壓有一個短時降低之后增高的過程,且電壓變化幅度較大,可能是銅作陰極時,在電極分離時電弧運動迅速,電壓變化范圍相對較大,直到在2 s左右電壓、電流出現(xiàn)突變,其后電壓振蕩幅值明顯減小,可以推測此時電弧由碳-銅放電進入到穩(wěn)定的碳-碳放電狀態(tài),電弧弧根不再處于無規(guī)律的運動狀態(tài)。

2.2 不同極性時的電弧電阻

電極分離時兩種不同極性配對情況下的電弧電阻隨時間變化圖如圖3所示。

銅為陽極、碳為陰極時,分離瞬間,電弧電阻為0.7 Ω左右;銅為陰極、碳為陽極時,電弧電阻均為1 Ω左右。說明銅為陰極時,極間電阻明顯更大;銅作陰極時,由銅電極表面的金屬氧化膜發(fā)射電子,轟擊碳電極,產(chǎn)生碳蒸氣,由陰極發(fā)射的電子撞擊碳蒸氣,碳蒸氣相對于銅蒸氣更難電離,故形成電子和陽離子能力相對弱,所以導電率低,電弧電阻更大。此外,碳材料多孔、疏松,被轟擊時產(chǎn)生更多的蒸氣,微粒數(shù)目更多,產(chǎn)生電弧瞬間時電弧電阻更大。隨著電極的進一步分離,電弧電阻迅速增大,其中銅為陽極、碳為陰極時,電弧電阻增加速度最快,大約為1.2 Ω/s;銅為陰極、碳為陽極時,電弧電阻增加相對平緩。 在電極分離過程中,隨著電極距離逐漸增大,電弧長度隨之增加,隨著電極間距逐漸達到最大值,電弧電阻逐漸穩(wěn)定下來。其中銅為陰極、碳為陽極時,電弧電阻有一個突變的過程,突然增加然后緩慢減小,當電極在1.5 s到達固定間距不再變化時,這時銅蒸氣和碳蒸氣密度變化緩慢,由銅蒸氣和碳蒸氣參與放電,隨著放電的進行,蒸氣密度減少,電弧電阻逐漸降低,銅為陽極時電弧電阻降低的更為緩慢。

圖3中,電弧電阻有個突變的過程,可能是因為碳凸起和燒蝕坑中的碳電極之間形成了穩(wěn)定的碳-碳放電,電弧電阻在2 s左右發(fā)生突變,迅速增大,碳-碳放電相對于金屬放電較為穩(wěn)定,電弧電阻也較穩(wěn)定,變化范圍小,隨著放電的進行,碳蒸氣的含量也在緩慢減少,電弧電阻也相應減小。

2.3 不同極性時電弧形貌

不同極性時整個燃弧過程中由數(shù)碼相機記錄的電弧發(fā)光形貌如圖4所示。當銅為陽極、碳為陰極時,電弧沿著電極表面快速運動,當電弧在銅電極中間部分時,電弧呈現(xiàn)陽極收縮現(xiàn)象,陰極弧根面積明顯大于陽極。隨后,當電弧運動到電極邊緣時,電弧出現(xiàn)明顯的拉伸、彎曲現(xiàn)象。整體電弧呈現(xiàn)藍色,這主要是由銅蒸氣電離發(fā)出的顏色。電弧灼燒碳電極,碳電極表面呈明亮的扇形。當電弧作用的時間較長后,電極局部溫度超過銅的熔點,銅電極表面開始融化,出現(xiàn)熔融銅。銅為陰極時,銅材料表面出現(xiàn)碳凸起,這是碳電極表面的碳材料升華后在銅表面冷凝形成的。碳凸起對應位置上出現(xiàn)了燒蝕坑,由電極材料的碳-銅放電變成了碳-碳放電,弧根被限制在碳凸起和燒蝕坑內。隨著時間增長,電極實際有效距離也在減小,碳電極表面的高溫部分逐漸增大,材料轉移量也隨之升高。

2.4 不同極性時的光譜特征

利用可見光譜儀記錄了燃弧期間的可見光譜,不同極性下的光譜圖如圖5所示。圖5中,實線是銅材料作陽極、純碳材料作陰極,電弧等離子體中主要是金屬元素的特征譜線,極間電弧等離子體的輻射光譜中含有大量的銅原子譜線(427.51、 465.11、 510.55、 515.32、 521.82、 529.25、 570.02、 578.21、 793.31 nm),同時夾雜

著少量的銅離子(589.79 nm)和氧元素的特征譜線(459.09、538.03 nm),以及CN分子的Violet系的Δv=1、0、-1譜帶。

CN分子出現(xiàn)的原因是當蒸氣濃度較低時,空氣參與電離,空氣中的N2與碳蒸氣中的C2分子發(fā)生反應形成CN分子,較銅作陰極時,光譜中的特征譜線明顯更強,利用Bolezmann斜率法來計算等離子體溫度,計算公式為

(1)

式中:I——譜線強度;

λ——譜線波長;

g——能級統(tǒng)計權重;

A——躍遷幾率;

T——等離子體溫度;

E——高能態(tài)激發(fā)能;

n——等離子體的中性粒子密度;

c——光速;

h——普朗克常數(shù);

Z——原子配分函數(shù);

k——玻耳茲曼常數(shù)。

利用同一元素的不同輻射譜線的In(Iλ/gA)與能級E進行線性擬合,均在燃弧10 s時計算可知,銅為陽極時電弧溫度約為3 150 K ,銅為陰極時電弧溫度約為3 560 K,即銅作為陰極時,電弧溫度更高。

2.5 不同極性時的電極形貌

不同極性時碳電極侵蝕形貌圖如圖6所示。當銅為陽極、碳為陰極時,弧根在碳電極表面移動比較均勻,基本呈一個圓形,圓形中間分布著紅色的銅相及其氧化物。

由于此種極性下兩電極間銅蒸氣密度較大,所以很可能是銅蒸氣擴散到陰極表面也沉積在碳電極(陰極)表面,在起弧的位置燒蝕是相對更嚴重的,有一個明顯的黑色燒蝕區(qū)。當銅為陰極、碳為陽極時,碳材料表面形成一個明顯的燒蝕坑,還伴有裂紋的產(chǎn)生。當表面溫度一旦達到碳材料的升華溫度,其表面的碳原子便會以集合體的方式從碳電極表面蒸發(fā),碳相大量升華為碳蒸氣,導致碳電極表面材料的損失,碳板上會形成燒蝕坑,隨著電弧弧根緩慢的移動,燒蝕凹坑生成的位置也隨之變化,最終表現(xiàn)為環(huán)梯狀的深淺不同的凹坑。

3 結 語

本文對銅與碳材料配對時,從放電電壓/電流、燃弧形貌、可見光譜和微觀侵蝕形貌等方面研究了極性效應對電弧燃弧特性的影響,得出了以下結論:

(1) 銅為陽極時,電弧主要侵蝕銅電極,弧根在有限范圍運動,較長時間后銅電極出現(xiàn)熔融銅;銅為陰極時,主要侵蝕碳電極,材料升華嚴重。

(2) 銅為陰極時的電弧溫度比銅為陽極時的電弧溫度高。

(3) 材料轉移會影響弧根運動,碳凸起的形成限制了弧根運動范圍,進而加劇材料轉移。