Experiment on DC Inductive Arcs Driven by Axial and Transverse Magnetic Fields

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2011年1 月电 工 技 术 学 报Vol.26 No. 1第26卷第1期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETYJan. 2011

纵向与横向磁场作用下分断直流感性负载时的电弧特性实验

翟国富 周学 杨文英(哈尔滨工业大学军用电器研究所 哈尔滨 150001)

摘要 研究AgSnO2触头组以不同速度分断直流感性回路产生的电弧在纵向与横向磁吹作用下的特性参数。电压与电流为28V/5A,回路时间常数为2ms。吹弧磁感应强度为0~200mT,分断速度为10~50mm/s。采用高速摄像机记录电弧随时间变化的图像,同时,采用数字示波器存储电弧电压波形。研究在不同分断速度下,燃弧时间、电弧停滞时间与吹弧磁场强度的关系,以及弧根位置分布、移动速度与吹弧磁场强度的关系。在不同磁场与分断速度下,每5000次分断操作测试质量转移,比较不同强度与类型的磁场对质量转移的影响。该研究可为永磁体吹弧技术在开关设计中的应用提供依据。关键词:质量转移 弧根分布 吹弧磁场 电弧 感性负载中图分类号:TM581.3

Experiment on DC Inductive Arcs Driven by Axial and Transverse Magnetic FieldsZhai Guofu Zhou Xue Yang Wenying(Harbin Institute of Technology Harbin 150001 China)

Abstract Electrical arc within a pair of AgSnO2 contacts is investigated when a DC inductive circuit is opened at different velocities. The arc is driven by axial and transverse magnetic fields. A 28V/5A inductive circuit is adopted as the experiment circuit, of which the time constant is 2 ms. Density of both the axial and the transverse magnetic fields varies from 0mT to 200mT. The opening speed varies from 10mm/s to 50mm/s. A high speed camera and an oscilloscope are used to record time variations of arc images and arc voltages, simultaneously. Relationships between flux density and arc parameters, such as arc durations, arc stagnation time, distribution of arc positions and arc root velocities, are obtained at those opening speeds. Material transfer mass is measured at every 5000 breaking operations. Influences of the magnetic fields on the transfer mass are obtained under two types of the magnetic fields at those speeds. The results can be used to design magnetic blow contacts in switches.Keywords:Material transfer, arc root distribution, axial and transverse magnetic fields, electrical arc, inductive load

1 引言电弧烧蚀以及燃弧过程中发生的材料转移是决

定电器电寿命的关键因素,因此,深入研究开关电弧特性、影响因素从而提出限制电弧的手段对提高电器寿命具有实际意义。磁场(包括横向与纵向磁场)吹弧作为一种加速电弧熄灭,缩短燃弧时间,降低电弧对触头腐蚀的灭弧方式被应用于各种开关电器中[1-3]。目前,

总装“十一五”预研资助项目(51323050302)。收稿日期 2010-02-20 改稿日期 2010-05-20第26卷第1期 翟国富等 纵向与横向磁场作用下分断直流感性负载时的电弧特性实验69针对磁场吹弧主要有采用MHD仿真的理论研究[4-5]与采用高速摄像等方法进行的试验研究[3, 6-8]。文献[6]研究了不同强度的横向磁场作用下的燃弧时间,研究了电弧阴、阳极弧根在触头表面的移动规律。文献[7]研究了在轴对称的径向磁场产生的洛伦兹力作用下的电弧旋转运动规律。文献[8]研究了横向与纵向磁场作用下的电弧燃弧时间变化规律,以及电弧弧根在触头表面的一维运动情况等。以上研究主要针对磁场作用下的燃弧时间与电弧移动现象,本文在此基础之上,以AgSnO2触头组为研究对像,研究横向与纵向磁场作用下,触头组分断直流28V/5A感性负载产生电弧在触头表面的反向运动现象,以及电弧运动速度、停滞时间等参数。并进一步研究磁场作用下触头表面材料转移量与磁场强度的规律。2 实验条件2.1 实验装置电弧分断实验装置原理如图1所示,它是在Ben Jemaa开发的试验系统上进行修改得到[9]。PC将动作指令与分断速度曲线等参数发送给分断控制单元。该单元通过步进电机驱动器使电机转动,从而驱动滚珠丝杠的转动,实现滑块的滑动。滑动速度达到设定值时,与动触头卡具碰撞,并与之一起移动,实现较好的匀速分断。动触头装卡机构在滚珠导轨上滑动,受到压缩弹簧提供的压力,使动触头装卡机构在碰撞瞬间与滑块一起运动,同时还提供触头接触压力。轴向吹弧永磁体置于触头组后侧,S极面向触头组。该设备实现的分断速度范围为1~500mm/s。图1 实验装置原理图Fig.1 Schematic diagram of experimental setup触头组及永磁体的相对位置如图2所示,建立坐标系如下:静触头(阴极)表面中心为原点,指向动触头(阳极)的轴向方向为y轴,垂直纸面向里的方向为x轴。横向磁吹实验时,永磁体S极面向触头组,S极面与触头组轴线的距离为l,通过调整l值可改变吹弧磁场强度。纵向磁吹作用时,采用如图3所示的铝质装卡机构。同样,通过调整图中的距离l值可改变吹弧磁场强度。

图2 横向吹弧触头组Fig.2 Contacts of TMF

图3 纵向吹弧触头组Fig.3 Contacts of AMF2.2 分断速度与磁场实验的分断速度分别为10mm/s、30mm/s和50mm/s等三个分断速度。磁场由一直径为16mm的永磁体提供,永磁体的S极面向电弧。通过调整图2与图3中的l值,设置吹弧磁感应强度为0、100mT和200mT。2.3 实验条件图4所示为实验电路,由直流电源(28V)、负载电阻(5.6/300W)、负载电感(10mH)、触头组串联组成,分断电流为5A。回路时间常数为2ms。电弧电压经过调理放大,由示波器采集并经Ethernet传给计算机进行分析。

图4 实验电路图Fig.4 Experiment circuit采用Phantom V7.3型相机对断开电弧进行拍摄,分辨率为256×64,像素大小为22m,帧速度为100 000帧/s,帧间时间和曝光时间分别设置为10s和8s,以保证电弧移动过程完全被拍摄。镜头的焦距为90mm,物距和像距均为180mm,因此电弧与其照片之间的尺寸比率为1∶1。同时可以70电 工 技 术 学 报2011年1月通过标定得到像素与尺寸的比值P为46pixels/mm。采用型号为BP211D的电子天平(精度为10g)测量实验中阴、阳极触头重量,从而得到材料转移量。每项实验进行15 000次实验,并且在每实验完5000次对触头重量进行称量。2.4 触头材料及触头处理实验中采用的触头材料分别为Ag/SnO2(SnO2的质量分数为12%)。将其加工成直径为3mm,长度为10mm圆柱形触头,以及直径为3mm,长度为2mm的铆钉形触头。触头表面采用2000号细砂纸打磨,然后在酒精中超声清洗15min,蒸馏水冲洗20min,空气中自动风干。以256×64分辨率拍到的触头实物如图5所示。图5 触头组实物Fig.5 Photo of contacts2.5 电弧的图像处理为了获取电弧阴极与阳极弧根,即图6所示电弧的xa值与xc值,对电弧进行如下处理。(1)按阴极与阳极的位置进行图像分割,得到图中方框内的电弧区域。(2)获取弧长yn,单位为像素。 (3)采用Canny算子获取电弧及虚像的左右边缘坐标。(4)如果弧长yn<6,则认为阴极与阳极弧根位置相同,是电弧左右边缘坐标的平均值。(5)如果yn≥6,认为阴极弧根是y从1到3时电弧边缘坐标的平均值,阳极是y从yn到yn2时边缘坐标平均值。图6 弧根位置定义Fig.6 Definition of arc roots根据弧根在xy平面的位置和帧间时间确定电弧在触头上运动速度。计算公式为1avg11|()|1NnvvnN (1)11|(1)()|11NiinlnlnNPt式中 vavg——平均速度;N——电弧的帧数;li——弧根坐标;

P——像素与毫米之比(46 pixels/mm);t——帧间时间(10s)。

3 实验结果3.1 燃弧时间与停滞时间测试电弧电压波形及电弧照片时,先将实验触头动作100次,使其燃弧状态趋于稳定。每组实验进行10次取其平均值,结果中的所有电弧参数均为10次燃弧参数的平均值。图7所示为不同分断速度下,不同磁通密度的横向磁场与纵向磁场作用下的燃弧时间。燃弧时间均随分断速度的增加而减小,而与吹弧磁场的类型和强弱没有关系。在横向磁场作用下,燃弧时间随吹弧磁感应强度的增大均略显减小趋势,如图7a所示。纵向磁场基本上对燃弧时间没有影响,如图7b所示。横向磁场对电弧的缩短作用在10mm/s分断速度下具有较好的效果,200mT的磁场使燃弧时间减少22%。

(a)横向磁场 (b)纵向磁场图7 燃弧时间与磁通密度的关系Fig.7 Relationship between arc duration and flux density停滞时间是指在燃弧开始时,由于触头之间的间隙极小,电弧主要由金属离子维持燃烧,电弧的位置在触头间隙中某一点停滞不动[10-12]。一般来说,减小停滞时间有利于减小表面烧蚀。将拍摄得到的电弧图片进行前文所述的处理,获取其阴、阳极弧根随时间的波动曲线,从而获取停滞时间。停滞时间(10次燃弧的平均值)与磁通密度之间的关系如图8所示。总体来说,停滞时间随横向磁场的增大会减小,而与纵向磁场没有明显的关系。横向磁场提供与电弧电流垂直的洛伦兹力,驱动电弧运动。洛伦兹力越大,则会驱使电弧越快地运动,从而使停滞时间也越小。因此,在电器触头分断过程中,可采用横向磁场吹弧缩短电弧在起弧点处停滞的时