纵向与横向磁场作用下分断直流感性负载时的电弧特性实验

翟国富 周 学 杨文英

（哈尔滨工业大学军用电器研究所 哈尔滨 150001）

1 引言

电弧烧蚀以及燃弧过程中发生的材料转移是决定电器电寿命的关键因素，因此，深入研究开关电弧特性、影响因素从而提出限制电弧的手段对提高电器寿命具有实际意义。

磁场（包括横向与纵向磁场）吹弧作为一种加速电弧熄灭，缩短燃弧时间，降低电弧对触头腐蚀的灭弧方式被应用于各种开关电器中[1-3]。目前，针对磁场吹弧主要有采用MHD 仿真的理论研究[4-5]与采用高速摄像等方法进行的试验研究[3,6-8]。文献[6]研究了不同强度的横向磁场作用下的燃弧时间，研究了电弧阴、阳极弧根在触头表面的移动规律。文献[7]研究了在轴对称的径向磁场产生的洛伦兹力作用下的电弧旋转运动规律。文献[8]研究了横向与纵向磁场作用下的电弧燃弧时间变化规律，以及电弧弧根在触头表面的一维运动情况等。

以上研究主要针对磁场作用下的燃弧时间与电弧移动现象，本文在此基础之上，以AgSnO2触头组为研究对像，研究横向与纵向磁场作用下，触头组分断直流28V/5A 感性负载产生电弧在触头表面的反向运动现象，以及电弧运动速度、停滞时间等参数。并进一步研究磁场作用下触头表面材料转移量与磁场强度的规律。

2 实验条件

2.1 实验装置

电弧分断实验装置原理如图1 所示，它是在Ben Jemaa 开发的试验系统上进行修改得到[9]。PC 将动作指令与分断速度曲线等参数发送给分断控制单元。该单元通过步进电机驱动器使电机转动，从而驱动滚珠丝杠的转动，实现滑块的滑动。滑动速度达到设定值时，与动触头卡具碰撞，并与之一起移动，实现较好的匀速分断。动触头装卡机构在滚珠导轨上滑动，受到压缩弹簧提供的压力，使动触头装卡机构在碰撞瞬间与滑块一起运动，同时还提供触头接触压力。轴向吹弧永磁体置于触头组后侧，S 极面向触头组。该设备实现的分断速度范围为1～500mm/s。

图1 实验装置原理图 Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

触头组及永磁体的相对位置如图2 所示，建立坐标系如下：静触头（阴极）表面中心为原点，指向动触头（阳极）的轴向方向为y 轴，垂直纸面向里的方向为x 轴。横向磁吹实验时，永磁体S 极面向触头组，S 极面与触头组轴线的距离为l，通过调整l 值可改变吹弧磁场强度。纵向磁吹作用时，采用如图3 所示的铝质装卡机构。同样，通过调整图中的距离l 值可改变吹弧磁场强度。

图2 横向吹弧触头组 Fig.2 Contacts of TMF

图3 纵向吹弧触头组 Fig.3 Contacts of AMF

2.2 分断速度与磁场

实验的分断速度分别为 10mm/s、30mm/s 和50mm/s 等三个分断速度。磁场由一直径为16mm 的永磁体提供，永磁体的S 极面向电弧。通过调整图2 与图3 中的l 值，设置吹弧磁感应强度为0、100mT和200mT。

2.3 实验条件

图4 所示为实验电路，由直流电源（28V）、负载电阻（5.6Ω/300W）、负载电感（10mH）、触头组串联组成，分断电流为5A。回路时间常数为2ms。电弧电压经过调理放大，由示波器采集并经Ethernet 传给计算机进行分析。

图4 实验电路图 Fig.4 Experiment circuit

采用Phantom V7.3 型相机对断开电弧进行拍摄，分辨率为256×64，像素大小为22μm，帧速度为100 000 帧/s，帧间时间和曝光时间分别设置为10μs 和8μs，以保证电弧移动过程完全被拍摄。镜头的焦距为90mm，物距和像距均为180mm，因此电弧与其照片之间的尺寸比率为1∶1。同时可以通过标定得到像素与尺寸的比值P 为46pixels/mm。

采用型号为BP211D 的电子天平（精度为10μg）测量实验中阴、阳极触头重量，从而得到材料转移量。每项实验进行15 000 次实验，并且在每实验完5000 次对触头重量进行称量。

2.4 触头材料及触头处理

实验中采用的触头材料分别为Ag/SnO2（SnO2的质量分数为12%）。将其加工成直径为3mm，长度为10mm 圆柱形触头，以及直径为3mm，长度为2mm 的铆钉形触头。触头表面采用2000 号细砂纸打磨，然后在酒精中超声清洗15min，蒸馏水冲洗20min，空气中自动风干。以256×64 分辨率拍到的触头实物如图5 所示。

图5 触头组实物 Fig.5 Photo of contacts

2.5 电弧的图像处理

为了获取电弧阴极与阳极弧根，即图6 所示电弧的xa值与xc值，对电弧进行如下处理。

（1）按阴极与阳极的位置进行图像分割，得到图中方框内的电弧区域。

（2）获取弧长yn，单位为像素。

（3）采用Canny 算子获取电弧及虚像的左右边缘坐标。

（4）如果弧长yn＜6，则认为阴极与阳极弧根位置相同，是电弧左右边缘坐标的平均值。

（5）如果yn≥6，认为阴极弧根是y 从1 到3时电弧边缘坐标的平均值，阳极是y 从yn到yn−2时边缘坐标平均值。

图6 弧根位置定义 Fig.6 Definition of arc roots

根据弧根在xy 平面的位置和帧间时间确定电弧在触头上运动速度。计算公式为

式中 vavg——平均速度；

N——电弧的帧数；

li——弧根坐标；

P——像素与毫米之比（46 pixels/mm）；

t——帧间时间（10μs）。

3 实验结果

3.1 燃弧时间与停滞时间

测试电弧电压波形及电弧照片时，先将实验触头动作100 次，使其燃弧状态趋于稳定。每组实验进行10 次取其平均值，结果中的所有电弧参数均为10 次燃弧参数的平均值。

图7 所示为不同分断速度下，不同磁通密度的横向磁场与纵向磁场作用下的燃弧时间。燃弧时间均随分断速度的增加而减小，而与吹弧磁场的类型和强弱没有关系。在横向磁场作用下，燃弧时间随吹弧磁感应强度的增大均略显减小趋势，如图 7a所示。纵向磁场基本上对燃弧时间没有影响，如图7b 所示。横向磁场对电弧的缩短作用在10mm/s 分断速度下具有较好的效果，200mT 的磁场使燃弧时间减少22%。

图7 燃弧时间与磁通密度的关系 Fig.7 Relationship between arc duration and flux density

停滞时间是指在燃弧开始时，由于触头之间的间隙极小，电弧主要由金属离子维持燃烧，电弧的位置在触头间隙中某一点停滞不动[10-12]。一般来说，减小停滞时间有利于减小表面烧蚀。将拍摄得到的电弧图片进行前文所述的处理，获取其阴、阳极弧根随时间的波动曲线，从而获取停滞时间。停滞时间（10 次燃弧的平均值）与磁通密度之间的关系如图8 所示。总体来说，停滞时间随横向磁场的增大会减小，而与纵向磁场没有明显的关系。横向磁场提供与电弧电流垂直的洛伦兹力，驱动电弧运动。洛伦兹力越大，则会驱使电弧越快地运动，从而使停滞时间也越小。因此，在电器触头分断过程中，可采用横向磁场吹弧缩短电弧在起弧点处停滞的时间，减轻电弧对起弧点的烧蚀，有利于减小触头闭合时的接触电阻。

图8 电弧停滞时间与磁通密度的关系 Fig.8 Relationship between arc immobility time and magnetic flux density

3.2 电弧图像与弧根位置分布

燃弧时间具有分散性，因此，在说明电弧图像及弧根位置时，取燃弧时间与10 次平均燃弧时间最为接近的一组电弧图像与电压波形数据进行分析。而分断速度为10mm/s 时，磁场对燃弧时间的缩短效果最明显，因此取该速度下的数据进行说明。

图9 所示为横向磁场作用下，燃弧过程中的电弧电压波形、弧根位置和电弧图片。图中纵坐标正方向为图2 所示坐标系的x 正方向，Δx 为阴极弧根与阳极弧根位置之差，即Δx=xc−xa。t0为停滞时间。图9a 所示为零磁场结果，电弧在触头表面进行随机运动。在11ms 之前，电弧在0.4mm（约为此时电弧直径的4 倍）范围内运动。随着电弧的拉长，弧根位置的波动范围及速率明显增大。同时，阴极与阳极弧根位置之间的差Δx 也明显增大。磁场为零时，Δx 的平均值接近零。图9b 和9c 所示为100mT和200mT 时的结果。电弧位置整体性偏向于+x 方向。电弧拉长的过程中，虽然电弧电流受到−x 方向洛伦兹力的作用，但是电弧却沿+x 方向运动，即进行反向运动或后退运动。一种解释如下：阴极过程中，电弧近阴极区产生的正离子以较大速度V 向阳极作集体性迁移运动。虽然在运动过程中部分正离子会与大气中粒子、气体分子、原子等发生碰撞而失去能量，最终在未到达阳极之前返回到阴极，但是在小电流电弧时，弧长较小，正离子因碰撞而损失的能量较小，大部分仍然能进入阳极。因此，向阳极迁移的正离子受到qV×B 的作用向−J×B 方向作横向偏移。此时，虽然电子是从阴极向阳极运动，所受洛伦兹力正好相反，但是由于其质量相对正离子而言微不足道，所以电弧运动主要取决于正离子的群体性横向偏移，即电弧出现反向运动[13]。电弧图片阴、阳弧根相对位置及Δx 趋向于正值表明阴 极反向运动的趋势强于阳极，阴极弧根移动在前，阳极弧根在后，体现出阴极“拉动”阳极进行反向运动。这是由于正离子刚从近阴极区域发射出来，受到的碰撞较少，具有较高的速度，因此所受洛伦兹力较大。但当磁场为100mT 时，电弧在12.5ms时刻沿−x 方向运动，此时，阴极弧根位置值仍大于阳极值，需要进一步研究才可解释该现象的原因。但它反映了磁场强度越大，电弧的反向运动会越明显。如图9c 所示，当磁感应强度为200mT 时，电弧将要熄灭时（16.9ms），其阴极弧根已移动到触头侧面上。

图9 横向磁场作用下的电弧图像、弧根及电压波形 Fig.9 Arc voltage and time evolutions of arc images and root positions when transverse magnetic field is applied

图10 所示为存在纵向磁场时，燃弧过程中的电弧电压波形和位置。不同磁场下，电压波形及弧根位置随时间波动曲线没有明显区别，这表明磁场对电弧影响不大。此时，电弧图片、弧根位置以及阴、阳极弧根的相对位置（即Δx）均与图9a 所示一致。图11 与图12 所示为分断速度为30mm/s 和50mm/s时弧根的位置随时间的变化关系，其规律与10mm/s情况下一致。

图10 纵向磁场作用下的电弧图像、弧根及电压波形 Fig.10 Arc voltage and time evolutions of arc root positions when axial magnetic field is applied

图11 弧根位置（分断速度为30mm/s） Fig.11 Time evolutions of arc root at speed of 30mm/s

图12 弧根位置（分断速度为50mm/s） Fig.12 Time evolutions of arc root at speed of 50mm/s

3.3 运动速度

电弧在触头上某一点静止时，对触头造成局部严重烧蚀，会带来接触电阻增大，并使动静触头凸起与凹坑勾连而难以分断。电弧在触头表面移动可使触头烧蚀均匀，因此，电弧的运动速度也是分断拉弧过程中的重要参数[6-7]。采用式（1）计算图9～图12 所示弧根位置波形，并将阴极与阳极运动速度进行平均，获得电弧在触头表面上运动的速度。速度与横向、纵向磁感应强度之间的关系分别如图13a、13b 所示。分断速度为10mm/s 时，燃弧时间较长，燃弧后期弧根位置波动较大，因此，整个燃弧时间段的平均电弧运动速度大于分断速度为30mm/s 和50mm/s。可知，电弧运动速度受横向磁场的影响明显大于受同等强度纵向磁场的影响。横向磁场对分断速度为30mm/s 和50mm/s 时的电弧的加速作用最大，200mT 的磁场使速度增加1.7 倍。而同样条件下，纵向磁场仅增加22%。因此，采用横向磁场吹弧有利于减轻触头的局部烧蚀。

图13 电弧运动速度与磁通密度的关系 Fig.13 Relationship between arc motion speed and flux density

3.4 材料转移

图14 横向磁场作用下的材料转移曲线 Fig.14 Material transfer under transverse magnetic field

图15 纵向磁场作用下的材料转移曲线 Fig.15 Material transfer under the axial magnetic field

横向与纵向磁场作用下的质量转移曲线如图14 和图15 所示。随着分断速度的增加和燃弧时间 的缩短，材料转移量减小。分断速度为10mm/s 时，在横向磁场作用下，材料转移量存在明显的减小。磁感应强度为200mT 时，15 000 次动作约减小为58%。而当速度为30mm/s 和50mm/s 时，磁场对材料转移基本上没有影响。当磁场为纵向磁场时，材料转移与磁感应强度之间的关系不明显，且纵向磁场对其没有明显影响。

综上所述，较之横向磁场，纵向磁场不能明显地改变电弧燃烧特性、减轻电弧带来的材料转移，因此，在实际应用中，可以采用横向磁场进行灭弧和驱动电弧运动。

4 结论

本文研究了AgSnO2触头分断直流28V/5A 感性负载回路时的电弧特性，研究了永磁体提供的横向与纵向磁场对电弧特性的影响，得到如下结论。

（1）横向磁场作用下，燃弧时间随吹弧磁感应强度的增大均略显减小趋势。纵向磁场基本上对燃弧时间没有影响。

（2）起弧之后一段时间内，电弧在触头表面某一点保持停滞状态。采用横向磁场吹弧，可以缩短电弧停滞时间，减轻触头表面的局部烧蚀。

（3）横向磁场使弧根位置偏移，偏移方向与电弧电流所受洛伦兹力方向相反，即电弧反向运动。反向运动过程中，阴极反向运动的趋势强于阳极，阴极弧根在前，阳极弧根在后。磁场为200mT 时，反向运动强于磁场为100mT 时的情况。

（4）电弧运动速度受横向磁场的影响明显大于受同等强度纵向磁场的影响。较高的电弧运动速度有利于减轻触头局部烧蚀，减小接触电阻。

（5）横向磁场对材料转移量存在较大程度的减小，而纵向磁场不能减轻材料转移。

总之，对于AgSnO2触头分断感性负载情况，纵向磁场对其电弧特性的影响可以忽略。因此，在开关电器中可采用永磁体进行横向磁场吹弧的方式进行加速灭弧，减轻触头烧蚀和材料转移，从而达到长寿命的目的。

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