电极材料配副对电弧特性参数的影响规律研究

摘要

铜、纯碳及浸铜碳材料所组成配副在电接触领域应用广泛，无论电机电刷、高速滑动电接触部件，亦或断路器开关均存在大量运用。设备性能及工作状态对各电力系统有着至关重要的作用。然而在断路器接触器、滑动电接触系统均存在频繁分断燃弧现象，分断燃弧造成的烧蚀、过电压以及电磁干扰将对电力设备及接触系统造成严重损害，分断电弧已成为制约电接触材料服役寿命和工作可靠性的关键因素。　　对于铜、碳及浸铜碳材料的电弧烧蚀作用已存在一定研究，但对于碳及浸铜碳材料配副分断燃弧研究缺乏，且对于不同材料对称式电极分断燃弧差异大多停留在实验现象探究规律阶段而缺乏理论分析，也较少通过研究电弧内在参数探究不同电极材料配副分断电弧特性。然而不同电接触碳及碳铜复合材料配副已经大范围应用于电接触场合。因此，本文系统地开展了金属非金属以及复合相材料的分断特性研究。　　本文将不同材料配副分断燃弧过程分三个阶段考虑，一是电极分开前后的起弧阶段，二是电极分断燃弧阶段，三是分断燃弧后的烧蚀结果。针对第一和三阶段，依据材料属性差异和电子击穿理论，本文分别研究了三种不同电接触材料起弧前后接触电阻以及初始电位梯度的差异，探讨了材料以及不同电压、分断速度对初始电位梯度的影响，与此同时，本文还研究了三种不同材料往复分断燃弧后的电接触性能及形貌特征，简单分析了电弧分断燃弧过程材料的物化反应和表面产物的生成。　　针对材料配副分断燃弧阶段，本文首先探究了三种材料分断燃弧时间差异，从燃弧时间差异发现分断燃弧波形、能量以及电弧电阻差异。结合热场致发射，探讨了不同材料组分、微观结构对分断燃弧过程的影响机制，并对燃弧时间差异进行解释，还测算了不同材料分断燃弧过程电弧等离子体温度、蒸汽密度以及电子密度，发现分断燃弧时间和蒸汽密度呈正相关关系。　　与此同时，本文还研究了电气机械参数对分断燃弧时间的影响规律，分析了分断燃弧过程燃弧时间、电弧温度、蒸汽密度以及电弧电阻等参数，其结果一定程度上验证了用热场发射机制理论解释不同材料分断燃弧差异较大的正确性。随着电压从30V上升至70V，铜材料分断燃弧时间相对较短，而其余两者分断时间远长于铜材料。在此基础上，探讨了三种材料在不同条件下分断燃弧时间差异，并根据不同电气机械条件的情况提出了优化不同材料分断燃弧的方法。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 我国电接触产业发展概述

1.1.2 电接触系统与电接触材料分断燃弧

1.2 国内外研究现状

1.2.1 开关电极材料分断特性

1.2.2 电接触材料烧蚀特性

1.2.3 等离子体及热-场发射电弧特性

1.2.4 当前电接触材料分断电弧研究存在的问题

1.3 研究内容、目标与方法

第2章 分断电弧燃弧试验平台及测算方法

2.1 试验平台

2.2 试验材料

2.2.1 试验材料简介

2.2.2 试验材料参数

2.3 试验方案及步骤

2.3.1 试验方案

2.3.2 试验步骤

2.4 试验测试设备原理及测算方法

2.4.1 示波器、高速相机、光谱仪

2.4.2 光谱原理及其分类

2.4.3 电弧温度、蒸汽密度及电子密度测算基本方法

2.4.4 极间电弧辐射谱线的选择

2.4 本章小结

第3章 不同材料配副分断电弧燃弧机理及参数分析

3.1 不同材料配副分断起弧燃弧差异

3.1.1 不同材料配副分断燃弧差异

3.1.2 不同材料配副分断起弧差异

3.1.3 不同材料配副分断燃弧时间

3.1.4 不同材料配副分断燃弧能量

3.1.5 不同材料配副分断燃弧电弧电阻

3.2 不同材料配副燃弧机理及电弧参数分析

3.2.1 热发射、场致发射与热场致发射

3.2.2 不同材料配副起弧燃弧机理分析

3.2.3 不同材料配副分断燃弧温度差异

3.2.4 不同材料配副分断燃弧蒸汽密度变化差异

3.2.5 不同材料配副分断燃弧电子密度差异

3.3 不同材料配副往复分断烧蚀特性

3.3.1 不同材料配副烧蚀转移机理及烧蚀结果分析

3.3.2 不同材料配副往复分断接触电阻分析

3.4 本章小结

第4章 不同材料配副分断燃弧影响因素研究

4.1 燃弧时间影响因素研究

4.1.1 不同负载电压下燃弧时间测试和分析

4.1.2 不同分断速度下燃弧时间测试和分析

4.2 电弧蒸汽密度/温度影响因素研究

4.2.1 不同负载电压下温度变化/蒸汽密度

4.2.2 不同分断速度下温度变化/蒸汽密度

4.3 电弧参数影响因素研究

4.3.1 不同负载电压下电弧参数变化

4.3.2 不同分断速度下电弧参数变化

4.4 本章小结

结论与展望

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果