摘要:直流空氣斷路器的觸頭熔蝕行為是決定其電壽命與開斷可靠性的關鍵因素，而空氣環境中的氧氣通過高溫氧化反應直接參與觸頭材料的動態損耗及變化過程，進一步改變了熔蝕及噴濺液滴特征參數，影響其使用壽命和開斷電弧特性。因此針對空氣環境中氧氣對觸頭熔蝕的復雜作用機制，建立了觸頭二維瞬態熔蝕模型，該模型突破了傳統模型中僅考慮電弧燒蝕過程中的傳熱傳質和流體流動，采用氧化動力學方程來描述高溫氧化引起的質量流流入，將觸頭表面氧濃度作為溫度函數處理，并應用于表面張力系數表達式。利用改進的水平集方法來追蹤自由表面并考慮氧化和蒸發引起的傳質，并在模型中耦合了包含表面張力、反沖壓力、馬蘭戈尼效應和剪切應力對熔蝕形貌的影響。基于該模型研究了空氣環境下不同電弧能量對觸頭熔蝕形貌的影響以及液滴噴濺的角度、粒徑和速度的變化。結果表明:在電弧施加給觸頭的能量未達到熔點時，其表面會形成“圓頂”狀的氧化物凸起，且氧化物的形成速度隨著溫度升高而升高并逐漸達到閾值。當電弧能量超過熔點時，氧氣所導致表面張力系數的改變對熔蝕形貌的影響大于氧質量流流入所引起觸頭增益的影響，并且液滴的噴濺角度和尺寸變小，液滴的速度變大。但隨著電弧能量的提高，氧化引起的增益逐漸減小，表面張力系數逐漸變小，此時反沖壓力和重力對熔蝕形貌的影響大于表面張力的影響。

一、引言

1.1 研究背景與意義

隨著太陽能發電、海軍艦艇以及軌道交通領域的快速發展，直流空氣斷路器在開斷性能、使用壽命及運行可靠性方面面臨日益嚴峻的挑戰。直流空氣斷路器在開斷負載電流或短路電流時，其觸頭材料會因電弧高溫作用發生熔融、蒸發及噴濺現象。由于直流系統不存在自然過零點和極性變換，觸頭的侵蝕問題比交流系統更為嚴重，直接制約著斷路器的電壽命。

觸頭在開斷熔蝕過程中會產生金屬液滴噴濺現象，液滴質量和噴濺角度與熔蝕過程密切相關。噴濺液滴不僅影響空氣斷路器的開斷性能，嚴重時甚至可能導致開斷失敗。因此，深入研究觸頭熔蝕機理，對于提高斷路器可靠性、延長使用壽命具有重要意義。

1.2 研究現狀與問題

熔蝕與液滴噴濺現象在真空斷路器中已有較多研究。有學者利用實驗研究了電弧電壓、開斷能力與頻率的關系，定量分析了電弧重燃過程中液滴運動現象。另有研究關注中頻真空電弧發生弧后擊穿時金屬液滴的蒸發過程，發現液滴半徑和噴射速度對金屬液滴壽命有顯著影響，進而影響弧后擊穿現象。

然而，在空氣斷路器中，由于滅弧介質對熔蝕的影響較為復雜，數值仿真存在較大難度，因此空氣斷路器中熔蝕特性的研究大多以實驗為主。已有學者通過實驗研究了銅在空氣中的燒蝕行為和機制，提出了一種非均勻燒蝕機制來描述銅的燒蝕行為，但并未建立數值仿真模型詳細分析非均勻燒蝕的產生原因。也有研究通過實驗分析了CuZr/Zn2SnO4復合材料的電弧侵蝕行為，發現高溫下的氧化現象改善了觸頭的導電性。還有學者通過實驗研究了Ti3SiC2在不同電壓下的燒蝕性能，分析了高能量電弧作用下材料分解氧化以及在電磁力、重力共同作用下熔蝕形貌的形成原因。

盡管這些實驗研究為理解觸頭熔蝕行為提供了重要依據，但實驗方法只能得到熔蝕的最終結果，難以探究燒蝕過程中熔坑形貌變化的深層機理。此外，實驗環境的復雜性導致熔蝕變化具有較大的分散性，因此需要建立更貼合實際的數值模型進行分析。

1.3 理論建模的進展與不足

一般認為，電弧對觸頭的燒蝕作用包括蒸發和噴濺兩種形式。近年來，空氣電弧燒蝕理論與模型逐步產生和完善。有研究考慮了直流空氣電弧作用下的觸頭燒蝕，分析了蒸發和噴濺兩種燒蝕機制以及觸頭參數和電流大小對燒蝕特性的影響，但忽略了空氣介質中氧氣在燒蝕過程中的作用。有學者提出了基于能量漲落的噴濺模型，得出觸頭噴濺量與熔池表面張力束縛能和動能之間的關系。另有研究建立了接觸器分斷過程的三維磁流體動力學模型，研究了觸頭燒蝕產生的銅蒸氣對電弧行為的影響。還有研究在理論分析基礎上對熔池中液態金屬的噴濺概率進行了分析，建立了噴濺侵蝕的數學統計模型。

值得注意的是，有學者研究了不同鉻含量的銅鉻化合物的電弧燒蝕行為，發現氧化鉻含量的增加使放電均勻性增加，但該研究只考慮了鉻的氧化現象，并未考慮銅的氧化現象對熔蝕的影響。總體而言，現有空氣電弧作用下觸頭的熔蝕模型對氧氣參與的考慮仍然較少。

1.4 氧氣作用的重要性

空氣斷路器多采用銅基觸頭。在電弧高溫作用下，氧氣在熔融金屬中的溶解會導致熔融金屬的表面張力系數發生變化，進而影響液滴噴濺量、速度與尺寸大小，改變液滴的噴濺速度和軌跡。另一方面，氧質量流的流入會導致觸頭厚度發生變化，進而改變觸頭表面的熔蝕形貌以及電器產品的使用壽命。缺乏氧氣作用下的熔蝕研究，導致仿真與實驗數據之間存在較大差異。

因此，為了模擬真實環境下的觸頭熔蝕現象，對氧氣作用下空氣斷路器銅基觸頭的熔蝕過程進行建模仿真，對于探明直流空氣斷路器觸頭熔蝕的影響因素、提高觸頭使用壽命、完善熔蝕機理具有重要的理論和實際意義。

1.5 本文工作

基于上述背景，本文建立了空氣環境下銅基觸頭熔蝕的二維瞬態模型。該模型考慮了傳熱傳質和流體流動，建立了氧化動力學模型來描述銅的高溫氧化引起的氧質量流流入和氧溶解度的變化，利用Arrhenius方程將氧化速率轉變為溫度的函數來改進連續性方程和水平集方程。通過改進水平集方法來追蹤自由表面并考慮氧質量流流入和氧溶解度隨溫度變化對表面張力的影響，并在模型中耦合了表面張力、反沖壓力、剪切應力和馬蘭戈尼效應對熔蝕形貌的影響。基于該模型，研究了氧氣參與下不同空氣電弧能量對銅基觸頭熔蝕形貌以及液滴噴濺大小和速度的影響。