GaInSn金属蒸汽电弧对电极的侵蚀机理研究.docx

GaInSn金属蒸汽电弧对电极的侵蚀机理研究 摘要：针对自收缩型液态金属限流器中的GaInSn金属蒸汽电弧对电极的侵蚀现象进行了研究，结合试验与仿真结果，揭示了GaInSn金属蒸汽电弧对电极的侵蚀机理，并将研究成果应用于电极结构改进，提高了电极耐电弧烧蚀的能力关键词：液态金属限流器；电弧；电极；侵蚀；改进0引言基于自收缩效应的液态金属限流器是一种新型自复式限流器，其对短路故障电流的限制是通过液态金属自收缩效应产生的金属蒸汽电弧而实现的但金属蒸汽电弧会对限流器电极产生侵蚀，从而极大地影响电极的使用寿命因此，研究金属蒸汽电弧对电极的侵蚀机理，对于液态金属限流器的研制具有重要的意义图1为自收缩效应的液态金属限流器结构示意图由图可见，液态金属限流器两端各安装有一个用于导电的固态电极，壳体内部的密封空间被假设干个串联的耐高温的绝缘挡板分割成多个隔层，每个绝缘挡板上都有一个圆形通流孔，液态金属灌注在密封空间的隔层中，并通过通流孔与两端电极形成电流流通路径图2给出了预期电流峰值为3kA时通流孔处金属蒸汽电弧的开展过程与本组试验结果相对应的电弧电压和电流波形随时间变化的特性曲线如图3所示2GaInSn金属蒸汽电弧对电极侵蚀机理的仿真为研究金属蒸汽电弧燃弧过程的温度及流场分布，建立了基于磁流体模型的二维轴对称电弧暂态模型。

其初始温度场和流场通过稳态电弧进行计算，此时高温区域充满整个通流孔，并以5.72kA的峰值电流进行暂态计算图4给出了GaInSn金属蒸汽电弧在t=5.2ms时刻的温度分布由图可见，相对于其他区域，电弧在通流孔内部具有较高温度，沿着通流孔两侧向电极方向，温度呈递减趋势，其最高温度可达约30000K同时，电弧的较高温度区在通流孔两侧形成的扩散分布，使电弧的温度分布在通流孔区域呈“哑铃〞状，这与试验结果中电弧完全膨胀伸展时的形态相似电弧在完全开展状态这种的温度分布，一方面是由于电流密度在这种扩展—收缩的几何结构中分布不均，从而导致通流孔区域的局部高温；另一方面是由于电极温度相对弧柱温度较低，从而导致靠近电极处的电弧温度也较低，这也是造成电弧弧柱在近电极区域收缩的原因之一在上述压力分布下所形成的电弧气流场如图6所示，由于径向压力梯度的作用，在通流孔内气流由孔壁流向孔的中心；在轴向压力梯度作用下，通流孔两侧气流逐渐由沿径向r流动转为沿轴向z流动，在孔两侧形成两股方向指向两极的“喷流〞3结语通过分析研究，GaInSn金属蒸汽电弧对电极的侵蚀机理主要是通流孔内外压力梯度变化所形成的高温“喷流〞喷射至电极外表，电极外表材料在高温气流作用下汽化蒸发所导致。

为了提高电极耐电弧烧损的能力，延长电极使用寿命，有必要对电极结构进行改进通过试验验证，在电极相对于通流孔的位置内嵌一块陶瓷片，陶瓷片选用高硬度、耐烧蚀的氮化硼材料，可以抵御电弧的烧蚀观察改进型电极在屡次通电后的外表情况可知，电极外表并无电弧侵蚀痕迹，可见内嵌的陶瓷片对电极起到了很好的保护作用［参考文献］［1］BergerF，DhrO，Kr?tzschmarA，etal.PhysicalEffectsandArcCharacteristicsofLiquidMetalCurrentLimiters［C］//9thIntConfonSwitchingArcPhenomena，Lodz，Poland，2021：272-277.［2］Kr?tzschmarA，BergerF，TerhoevenP，etal.LiquidMetalCurrentLimiters［C］//20thIntConfonElectricalContacts，Stockholm，Sweden，2000：167-172.［3］卢学山.液态金属：8-19.收稿日期：2021-09-02。