劉樹華 魯 創(chuàng)

（1.海軍駐武漢七一二所軍事代表室，湖北 武漢430064；2.武漢長海電氣科技開發(fā)有限公司，湖北 武漢430064）

0 引言

基于自收縮效應(yīng)的液態(tài)金屬限流器是一種新型自復(fù)式限流器，其對短路故障電流的限制是通過液態(tài)金屬自收縮效應(yīng)產(chǎn)生的金屬蒸汽電弧而實現(xiàn)的。但金屬蒸汽電弧會對限流器電極產(chǎn)生侵蝕，從而極大地影響電極的使用壽命。因此，研究金屬蒸汽電弧對電極的侵蝕機理，對于液態(tài)金屬限流器的研制具有重要的意義。

圖1為自收縮效應(yīng)的液態(tài)金屬限流器結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可見，液態(tài)金屬限流器兩端各安裝有一個用于導(dǎo)電的固態(tài)電極，殼體內(nèi)部的密封空間被若干個串聯(lián)的耐高溫的絕緣擋板分割成多個隔層，每個絕緣擋板上都有一個圓形通流孔，液態(tài)金屬灌注在密封空間的隔層中，并通過通流孔與兩端電極形成電流流通路徑。

圖1 液態(tài)金屬限流器結(jié)構(gòu)示意圖

1 GaInSn金屬蒸汽電弧對電極侵蝕現(xiàn)象的試驗

圖2給出了預(yù)期電流峰值為3kA 時通流孔處金屬蒸汽電弧的發(fā)展過程。與本組試驗結(jié)果相對應(yīng)的電弧電壓和電流波形隨時間變化的特性曲線如圖3所示。

由圖2、圖3可見，在4.127ms時刻，通流孔處能觀察到明顯的燃弧現(xiàn)象，此時電弧電壓有明顯提高。隨著電流的上升，在t＝4.247ms時刻，電弧在通流孔處逐漸膨脹，其亮度也不斷增強。此后，電弧形態(tài)開始沿通流孔向電弧兩側(cè)延伸，直至t＝5.207ms時刻電弧發(fā)展至最長，并已擴展至電極附近。在此期間，電弧電壓急劇增加直至最大值311V，此后電流則快速下降。當(dāng)電弧電壓達(dá)到最大值后，電弧電壓隨著電弧電流的下降逐漸下降，電弧也開始收縮，其強度也隨之減弱，直至電流過零時，電弧熄滅。液態(tài)金屬重新回流至通流孔中形成通路，電弧電壓降至0V。

2 GaInSn金屬蒸汽電弧對電極侵蝕機理的仿真

為研究金屬蒸汽電弧燃弧過程的溫度及流場分布，建立了基于磁流體模型的二維軸對稱電弧暫態(tài)模型。其初始溫度場和流場通過穩(wěn)態(tài)電弧進(jìn)行計算，此時高溫區(qū)域充滿整個通流孔，并以5.72kA 的峰值電流進(jìn)行暫態(tài)計算。

圖2 通流孔處金屬蒸汽電弧的發(fā)展過程

圖3 電弧電壓、電流波形隨時間變化特性曲線

圖4給出了GaInSn金屬蒸汽電弧在t＝5.2ms時刻的溫度分布。由圖可見，相對于其他區(qū)域，電弧在通流孔內(nèi)部具有較高溫度，沿著通流孔兩側(cè)向電極方向，溫度呈遞減趨勢，其最高溫度可達(dá)約30 000K。同時，電弧的較高溫度區(qū)在通流孔兩側(cè)形成的擴散分布，使電弧的溫度分布在通流孔區(qū)域呈“啞鈴”狀，這與試驗結(jié)果中電弧完全膨脹伸展時的形態(tài)相似。電弧在完全發(fā)展?fàn)顟B(tài)這種的溫度分布，一方面是由于電流密度在這種擴展—收縮的幾何結(jié)構(gòu)中分布不均，從而導(dǎo)致通流孔區(qū)域的局部高溫；另一方面是由于電極溫度相對弧柱溫度較低，從而導(dǎo)致靠近電極處的電弧溫度也較低，這也是造成電弧弧柱在近電極區(qū)域收縮的原因之一。

圖4 金屬蒸汽電弧溫度場分布(t=5.2 ms)

圖5為GaInSn金屬蒸汽電弧在t＝5.2ms時刻的壓力分布。由圖可見，在通流孔內(nèi)，沿徑向方向從孔壁至孔的中心，壓力呈逐漸增加趨勢，孔壁區(qū)域的壓力僅有0.1個大氣壓左右，而孔中心壓力則達(dá)到2.8個大氣壓，這主要是孔內(nèi)電弧氣體受到自身磁場產(chǎn)生的洛侖茲力收縮作用所導(dǎo)致的。而在軸向方向，由于電弧溫度的分布，通流孔內(nèi)壓力較大，并沿著通流孔向兩極逐漸減少，但在兩極相對于通流孔的位置處卻各形成一個相對于周圍壓力分布而言的局部高壓區(qū)。

圖5 金屬蒸汽電弧壓力場分布(t=5.2 ms)

在上述壓力分布下所形成的電弧氣流場如圖6所示，由于徑向壓力梯度的作用，在通流孔內(nèi)氣流由孔壁流向孔的中心；在軸向壓力梯度作用下，通流孔兩側(cè)氣流逐漸由沿徑向r流動轉(zhuǎn)為沿軸向z 流動，在孔兩側(cè)形成兩股方向指向兩極的“噴流”。

值得注意的是，這兩股高溫“噴流”的高速區(qū)集中在通流孔的中軸附近，寬度與孔徑相當(dāng)，并沿軸向方向噴射至電極表面。GaInSn金屬蒸汽電弧對電極的侵蝕會在兩極相對通流孔的位置各形成一個直徑與孔徑相當(dāng)?shù)陌伎?。因此，通過上述分析，可以推斷電弧對電極侵蝕的主要原因是通流孔內(nèi)外壓力梯度所形成的高溫“噴流”噴射至電極表面，電極表面材料在高溫氣流作用下汽化蒸發(fā)所導(dǎo)致。另外，凹坑大小與通流孔相似也可能是由于噴流高速區(qū)寬度與孔徑相當(dāng)所造成的。

圖6 金屬蒸汽電弧速度場分布(t=5.2 ms)最大速度為2 850 m/s

3 結(jié)語

通過分析研究，GaInSn金屬蒸汽電弧對電極的侵蝕機理主要是通流孔內(nèi)外壓力梯度變化所形成的高溫“噴流”噴射至電極表面，電極表面材料在高溫氣流作用下汽化蒸發(fā)所導(dǎo)致。為了提高電極耐電弧燒損的能力，延長電極使用壽命，有必要對電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。通過試驗驗證，在電極相對于通流孔的位置內(nèi)嵌一塊陶瓷片，陶瓷片選用高硬度、耐燒蝕的氮化硼材料，可以抵御電弧的燒蝕。觀察改進(jìn)型電極在多次通電后的表面情況可知，電極表面并無電弧侵蝕痕跡，可見內(nèi)嵌的陶瓷片對電極起到了很好的保護(hù)作用。

［1］Berger F，Dühr O，Kr?tzschmar A，et al.Physical Effects and Arc Characteristics of Liquid Metal Current Limiters［C］//9th Int Conf on Switching Arc Phenomena，Lodz，Poland，2001：272－277.

［2］Kr?tzschmar A，Berger F，Terhoeven P，et al.Liquid Metal Current Limiters［C］//20th Int Conf on Electrical Contacts，Stockholm，Sweden，2000：167－172.

［3］盧學(xué)山.液態(tài)金屬（GaInSn）流在故障電流限制器中的數(shù)值模擬［D］.南京：南京理工大學(xué)，2008.

［4］江道灼，敖志香，盧旭日，等.短路限流技術(shù)的研究與發(fā)展［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2007，19（3）：8－19.