电弧作用下浸铜碳材料烧蚀过程的数值模拟
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联合主办
中国电工技术学会
北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室
联合承办
中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会
国家高速列车技术创新中心
《电气技术》杂志社
会议日期/地点
2019年10月25-27日/山东青岛
西南交通大学电气工程学院、国家电网成都供电公司的研究人员伍玉鑫、王阳明、杨泽锋、许潘、吴广宁，在2019年第6期《电工技术学报》上撰文指出，电弧侵蚀是影响浸铜碳材料使用寿命的关键因素之一。
首先，将电弧等效为高斯分布的热源，基于热传导理论和流体理论，考虑材料相变，探讨了浸铜碳材料的温度变化过程、材料发生相变的熔化-凝固过程；接着，分析了液体表面张力是烧蚀熔池流动的主导因素，影响材料内部的温度分布；最后，考虑浸铜碳材料的蒸发升华，求解了材料表面的形貌及温度分布。
仿真研究结果表明：电弧作用下，浸铜碳材料相变形成熔池域，电弧熄灭后，熔池域继续扩大一段时间才逐渐减小；熔池表面散热较内部散热快。液体表面张力导致熔池表面流动，进而加快材料表面散热。电弧持续作用下，浸铜碳材料表面逐渐形成烧蚀熔池和烧蚀凹坑。烧蚀熔池的半径和深度随着时间的变化近似线性增长，材料表面烧蚀凹坑处的温度最高，其值在碳的升华温度附近波动。
电弧侵蚀严重影响电接触系统的受流质量和接触材料的使用寿命，是电接触领域的关键问题之一。浸铜碳材料具有导电性好、机械强度高、润滑性和耐磨损性能良好等优点，广泛地应用于电接触领域，如电机电刷、高速动车组齿轮箱接地电刷和地铁受电靴滑块等滑动电接触部件。
在高能量、高温度的电弧等离子体作用下，材料不但会发生熔化、汽化，在材料表面形成的熔池中发生的流动、凝固等一系列物理现象，还会导致材料成为气态脱离表面或者以微小液滴形式喷溅出去，造成电弧侵蚀。因此，研究电弧对浸铜碳材料的侵蚀过程对评估其使用寿命，改善其耐电弧烧蚀性能具有重要意义。
电弧侵蚀是极复杂的多物理场耦合问题，涉及热学、流体力学、电磁学和电动力学等多门学科知识。电弧侵蚀过程主要有两个方面：一是电弧特性及其对熔池表面热应力、气体压力和电磁力等因素的综合作用；二是材料对电弧热、力作用的响应。
在电极材料烧蚀及烧蚀熔池方面，目前已有相关学者做了大量的研究工作。文献[5]基于磁流体动力学（Magnetic Hydro-Dynamics, MHD）建立了考虑电极烧蚀影响的低压断路器中的电弧数学模型，求解了灭弧室内温度场、浓度场、气流场、电位场的分布情况，并分析了电弧运动过程中铜蒸气在灭弧室中的分布情况以及铜蒸气对电弧特性的影响。文献[6]建立了阳极热过程的一维数学模型，模型中考虑了熔化、蒸发带走的能量以及质量损失等物理过程。文献[7-9]建立了阳极熔池的瞬态MHD模型，通过仿真计算，得到了阳极温度分布、阳极熔化情况以及熔池的运动情况等。
随着浸金属碳材料在电接触领域的广泛应用，国内外学者针对电弧侵蚀浸金属碳材料开展了大量研究工作，发现电弧作用后留下了许多烧蚀坑，并对烧蚀后的材料微观形貌进行了分析。然而，关于浸铜碳材料热烧蚀过程的仿真研究极少，因此本文针对电弧作用浸铜碳材料的烧蚀过程展开了相应的研究工作。
本文基于热传导理论、流体理论，将电弧等效为高斯热源，考虑材料熔化-凝固过程，求解了浸铜碳材料的温度变化规律、材料的相变过程；探究了熔池内部液体表面张力对浸铜碳材料表面温度、速度的影响规律；考虑浸铜碳材料受热会蒸发升华，求解了材料表面的形貌变化及温升规律。
图1 仿真模型示意图
1）在浸铜碳材料表面注入电弧热流密度峰值为1.8×108W/m2的电弧热源时，约0.25ms材料表面开始相变逐渐形成熔池；电弧作用15ms熄灭后，材料的熔池域继续扩大，约15ms后，熔池域逐渐减小。在熔化-凝固过程中，浸铜碳材料表面散热较熔池内部散热快，熔池表面半径的变化率大于熔池深度的变化率。
2）液体表面张力是烧蚀熔池流动的主导因素，影响材料内部的温度分布。熔池流动加快材料内部散热，使得浸铜碳材料的高温侵蚀区变小。
3）浸铜碳材料在电弧热流密度峰值为3.2× 108W/m2的电弧热源持续作用下，逐渐熔化、蒸发、升华，在材料表面形成烧蚀熔池和烧蚀凹坑。熔池的半径和深度随着时间的变化近似线性增长，10ms时熔池半径约0.56mm，熔池深度达0.32mm，烧蚀凹坑半径约0.16mm，烧蚀深度约0.07mm。材料表面的温度烧蚀凹坑处最高，温度达到碳的升华温度后不再骤增并在3930K附近波动。