碳铜电极在不同极性下的燃弧特性分析

刘志伟, 陈少昆, 李成坤, 朱银龙, 高晋峰

(1.国网山西省电力公司 客户服务中心,山西 太原 030000; 2.西南交通大学 电气工程学院,四川 成都 610000)

0 引 言

碳、铜电极是一种常见的滑动电接触材料,特别是在电机电刷、轨道交通弓网受流等领域应用广泛。电弧侵蚀会显著影响触头系统寿命和相关电力设备的工作可靠性。碳、铜配对时,由于碳元素和铜元素的物理化学性质有很大差异,所以当电极极性反转时电弧的燃弧特性以及侵蚀特性也会有较大变化。探究不同极性下的电弧侵蚀问题,对改善电极材料的耐烧蚀性能,延长其寿命具有一定现实意义。

目前,国内外学者对碳、铜材料电极对的电弧烧蚀从多个方面已经做了较多的基础研究。有学者研究了电流、压力、温升等因素对碳、铜材料配对下的载流摩擦磨损特性,并讨论了其对磨损量、表面微观形貌的影响[1-2]。有学者研究电极分离时的电弧和热力学行为,得到气流场评估方法[3]。前期研究发现碳、铜材料配对载流摩擦时,其磨损率与电弧的放电强度和持续时间有很大关系,且当电弧能量较小时,碳材料磨损形式主要为磨粒磨损和粘着磨损[4-5];D PAULMIER研究了铜、石墨配对,当不同方向的电流通过铜、石墨接触对时,铜、石墨对的摩擦学特性会发生改变,同时还观察到摩擦系数和接触电阻的减小取决于电流的方向。贾申利教授、李兴文教授等[6-7]利用等离子体特征光谱来获取等离子体温度。何俊佳教授[8]发现电弧燃弧是逐渐从蒸气相电弧过渡到气相电弧,并且发现金属相电弧到气相电弧存在临界间距,也有学者研究了电弧电流、间距和加工工艺对电弧烧蚀的影响[9-13]。

目前对于碳、铜这种特殊的金属、非金属配对,高熔沸点、高导电性、耐磨性配对材料研究较少,对极性效应也集中在载流摩擦方面,关于极性效应在电弧方面的研究很少,故需要探究不同极性时在电弧侵蚀下的电弧行为及演化过程,弧根对材料转移的作用机理。本文用电弧烧蚀实验平台进行电弧烧蚀实验,选用铜棒和碳板材料,用示波器记录测量燃弧过程中的电压、电流波形,光谱仪捕捉燃弧过程中的燃弧光谱,相机捕捉电弧的运动轨迹和燃弧过程中的一些典型特征。通过这些测量参数分析得到不同极性下的电弧燃弧规律。

1 实验方法

本实验采用铜合金材料和碳材料进行实验,分别用示波器(TektronixMDO3024)记录测量电压/电流波形,同步触发可见光光谱仪(FX PG2000)捕捉燃弧光谱,以及使用数码相机拍摄燃弧时弧根运动轨迹;其中直流电压源提供50 V的直流电压,铜棒初始时和碳板材料是接触状态,通过使用步进电机控制碳电极位置,使其以特定速度与铜棒分离,产生电弧。实验前后利用精密电子天平测量电弧侵蚀前后铜棒和碳电极的质量变化量。实验装置原理如图1所示。

2 实验结果及分析

2.1 不同极性时的燃弧特性

不同极性时燃弧的电压、电流波形如图2所示。由图2可以看出,两种条件下电压、电流变化趋势有很大区别,当铜为阳极、碳为阴极时,电极分离过程中电极间电压大约以10 V/s的上升率增大,在1.2 s左右电极间距不再变化,然后固定间隙稳定燃弧,电弧弧根在一定的范围做无规则运动,电压、电流稳定在小范围内波动。当铜为阴极、碳为阳极时,电弧电压有一个短时降低之后增高的过程,且电压变化幅度较大,可能是铜作阴极时,在电极分离时电弧运动迅速,电压变化范围相对较大,直到在2 s左右电压、电流出现突变,其后电压振荡幅值明显减小,可以推测此时电弧由碳-铜放电进入到稳定的碳-碳放电状态,电弧弧根不再处于无规律的运动状态。

2.2 不同极性时的电弧电阻

电极分离时两种不同极性配对情况下的电弧电阻随时间变化图如图3所示。

铜为阳极、碳为阴极时,分离瞬间,电弧电阻为0.7 Ω左右;铜为阴极、碳为阳极时,电弧电阻均为1 Ω左右。说明铜为阴极时,极间电阻明显更大;铜作阴极时,由铜电极表面的金属氧化膜发射电子,轰击碳电极,产生碳蒸气,由阴极发射的电子撞击碳蒸气,碳蒸气相对于铜蒸气更难电离,故形成电子和阳离子能力相对弱,所以导电率低,电弧电阻更大。此外,碳材料多孔、疏松,被轰击时产生更多的蒸气,微粒数目更多,产生电弧瞬间时电弧电阻更大。随着电极的进一步分离,电弧电阻迅速增大,其中铜为阳极、碳为阴极时,电弧电阻增加速度最快,大约为1.2 Ω/s;铜为阴极、碳为阳极时,电弧电阻增加相对平缓。 在电极分离过程中,随着电极距离逐渐增大,电弧长度随之增加,随着电极间距逐渐达到最大值,电弧电阻逐渐稳定下来。其中铜为阴极、碳为阳极时,电弧电阻有一个突变的过程,突然增加然后缓慢减小,当电极在1.5 s到达固定间距不再变化时,这时铜蒸气和碳蒸气密度变化缓慢,由铜蒸气和碳蒸气参与放电,随着放电的进行,蒸气密度减少,电弧电阻逐渐降低,铜为阳极时电弧电阻降低的更为缓慢。

图3中,电弧电阻有个突变的过程,可能是因为碳凸起和烧蚀坑中的碳电极之间形成了稳定的碳-碳放电,电弧电阻在2 s左右发生突变,迅速增大,碳-碳放电相对于金属放电较为稳定,电弧电阻也较稳定,变化范围小,随着放电的进行,碳蒸气的含量也在缓慢减少,电弧电阻也相应减小。

2.3 不同极性时电弧形貌

不同极性时整个燃弧过程中由数码相机记录的电弧发光形貌如图4所示。当铜为阳极、碳为阴极时,电弧沿着电极表面快速运动,当电弧在铜电极中间部分时,电弧呈现阳极收缩现象,阴极弧根面积明显大于阳极。随后,当电弧运动到电极边缘时,电弧出现明显的拉伸、弯曲现象。整体电弧呈现蓝色,这主要是由铜蒸气电离发出的颜色。电弧灼烧碳电极,碳电极表面呈明亮的扇形。当电弧作用的时间较长后,电极局部温度超过铜的熔点,铜电极表面开始融化,出现熔融铜。铜为阴极时,铜材料表面出现碳凸起,这是碳电极表面的碳材料升华后在铜表面冷凝形成的。碳凸起对应位置上出现了烧蚀坑,由电极材料的碳-铜放电变成了碳-碳放电,弧根被限制在碳凸起和烧蚀坑内。随着时间增长,电极实际有效距离也在减小,碳电极表面的高温部分逐渐增大,材料转移量也随之升高。

2.4 不同极性时的光谱特征

利用可见光谱仪记录了燃弧期间的可见光谱,不同极性下的光谱图如图5所示。图5中,实线是铜材料作阳极、纯碳材料作阴极,电弧等离子体中主要是金属元素的特征谱线,极间电弧等离子体的辐射光谱中含有大量的铜原子谱线(427.51、 465.11、 510.55、 515.32、 521.82、 529.25、 570.02、 578.21、 793.31 nm),同时夹杂

着少量的铜离子(589.79 nm)和氧元素的特征谱线(459.09、538.03 nm),以及CN分子的Violet系的Δv=1、0、-1谱带。

CN分子出现的原因是当蒸气浓度较低时,空气参与电离,空气中的N2与碳蒸气中的C2分子发生反应形成CN分子,较铜作阴极时,光谱中的特征谱线明显更强,利用Bolezmann斜率法来计算等离子体温度,计算公式为

(1)

式中:I——谱线强度;

λ——谱线波长;

g——能级统计权重;

A——跃迁几率;

T——等离子体温度;

E——高能态激发能;

n——等离子体的中性粒子密度;

c——光速;

h——普朗克常数;

Z——原子配分函数;

k——玻耳兹曼常数。

利用同一元素的不同辐射谱线的In(Iλ/gA)与能级E进行线性拟合,均在燃弧10 s时计算可知,铜为阳极时电弧温度约为3 150 K ,铜为阴极时电弧温度约为3 560 K,即铜作为阴极时,电弧温度更高。

2.5 不同极性时的电极形貌

不同极性时碳电极侵蚀形貌图如图6所示。当铜为阳极、碳为阴极时,弧根在碳电极表面移动比较均匀,基本呈一个圆形,圆形中间分布着红色的铜相及其氧化物。

由于此种极性下两电极间铜蒸气密度较大,所以很可能是铜蒸气扩散到阴极表面也沉积在碳电极(阴极)表面,在起弧的位置烧蚀是相对更严重的,有一个明显的黑色烧蚀区。当铜为阴极、碳为阳极时,碳材料表面形成一个明显的烧蚀坑,还伴有裂纹的产生。当表面温度一旦达到碳材料的升华温度,其表面的碳原子便会以集合体的方式从碳电极表面蒸发,碳相大量升华为碳蒸气,导致碳电极表面材料的损失,碳板上会形成烧蚀坑,随着电弧弧根缓慢的移动,烧蚀凹坑生成的位置也随之变化,最终表现为环梯状的深浅不同的凹坑。

3 结 语

本文对铜与碳材料配对时,从放电电压/电流、燃弧形貌、可见光谱和微观侵蚀形貌等方面研究了极性效应对电弧燃弧特性的影响,得出了以下结论:

(1) 铜为阳极时,电弧主要侵蚀铜电极,弧根在有限范围运动,较长时间后铜电极出现熔融铜;铜为阴极时,主要侵蚀碳电极,材料升华严重。

(2) 铜为阴极时的电弧温度比铜为阳极时的电弧温度高。

(3) 材料转移会影响弧根运动,碳凸起的形成限制了弧根运动范围,进而加剧材料转移。