三、实验设计

3.1 实验平台与设备

为了获得电弧能量、熔坑形貌以及仿真的初始参数，观测触头在空气电弧作用下的熔蚀形貌，本文搭建了电弧烧蚀实验平台。实验样机制备了8个直径为6mm的圆柱形铜质触头，利用气泵控制操纵机构进行开断，利用示波器采集开断过程中的电弧电压、电弧电流以及开断时间，通过电弧电压和电弧电流得到电弧功率。

3.2 实验流程

在触头烧蚀研究过程中，需要给触头施加电弧能量作为模型的初始能量。由于电弧在燃弧过程中具有较大的随机性，需要通过实验提取电弧能量，并获取触头的烧蚀形貌作为仿真结果的参照。

实验采用开断电压220V，开断电流100A，对触头进行单次开断实验。在实验开始之前，用角磨机对触头表面进行打磨抛光处理，除去表面杂质以及氧化物，然后用无水乙醇对触头表面进行清洗除去杂质。

实验准备工作结束后进行开断实验，利用电源控制柜来控制实验电路的启停。选用LF311-S型磁平衡式电流传感器和LV25-400型电压传感器，将采集后的电压电流信号经传感器处理后通过示波器采集电弧特性曲线，采用的示波器型号是RIGOL DS2302A。

3.3 实验结果

开断实验后对所有触头进行SEM电镜扫描。结果显示，熔蚀的宽度基本分布在0.81~0.88mm范围内。选取宽度为0.88mm的电流和电压计算结果作为后续熔蚀仿真的热源项，并将电镜扫描图作为实验仿真对比的依据。

从结果可以看出，触头表面经电弧侵蚀后形成圆形熔坑，熔坑呈现边缘凸起、内部凹陷的整体结构。开断时间为5.2ms，触头的开距为7mm，开断速度为1.35m/s，试验温度为室温22~25℃。

由于气流场、温度场等多场耦合作用，电弧在熄灭过程中出现了重击穿现象，熄弧过程中的弧压和弧流出现了小幅波动。忽略高频信号的干扰，积分可得燃弧期间的电弧功率。

四、结果与讨论

4.1 氧气参与下触头的熔蚀过程

4.1.1 小容量开断下的触头熔蚀分析

当电弧施加给触头的能量达不到熔点时，由于触头的氧化现象，触头表面会形成氧化物，导致触头表面产生增益。在考虑氧化的情况下，电弧作用区始终处于固相氧化状态。在辐照区内，由于电弧产生的温度达不到铜的熔点，所以触头只发生固相氧化，氧化物厚度随温度升高而增加。由于触头温度最大值集中在径向中心位置（3mm处），氧化反应在温度最大位置的速率最大。

在断路器触头氧化初期（t=1ms时），铜的氧化还没有达到最大值，氧化物的最大厚度为0.02mm。到t=2ms时，氧化物的最大厚度为0.052mm。在反应开始的前2ms内，氧化没有达到阈值，氧化速度相对较快。到t=3ms时，氧化物的最大厚度为0.0568mm，t=4ms时为0.062mm，t=5ms时为0.063mm。

从氧化物形貌来看，在径向温度最大处氧化物厚度增加最快，其余位置温度较低，氧化物增长相对缓慢，导致氧化物厚度增加不均匀，形成凸起。在0ms<t<2ms时，氧化反应的速率较大，氧化物形成较快。随着时间增加到2ms<t<5ms范围内，固相氧化速率是随温度变化的函数，当氧化反应达到阈值时，氧化反应速率减慢。因此，在一定的温度和反应时间之后，表面会形成圆顶状的凸起。

温度在1~2ms之间增速最快，之后温度增加缓慢，对应氧化物在该温度范围内增加速率最快。

4.1.2 大容量开断下的触头熔蚀分析

当电弧施加给触头的能量可以达到触头的熔点时，氧化引起质量流量变化，导致触头表面固相增益和熔融金属溶解氧后引起金属表面张力、反冲压力、剪切应力和马兰戈尼效应变化，这些因素共同引起触头熔蚀形貌的变化。质量流量和表面张力梯度对最终表面的熔蚀形貌都有重要影响。

（1）液滴喷溅角度

在电弧作用下，触头会发生熔化并产生金属液滴。金属液滴的喷溅速度和喷溅角度受到空气中氧气的影响。在不考虑氧气作用的情况下，金属液滴的喷溅角度为36.777°；在考虑氧气作用的情况下，金属液滴的喷溅角度为26.08°。二者对比，考虑氧气时的喷溅角度减少了10.697°。

这一现象的机理如下：在电弧的作用下，触头表面温度瞬间升高，金属汽化产生高流速的金属蒸气向外喷射，形成了对液面的法向反冲压力。反冲压力向熔池内部施压，迫使熔融金属向外喷出。在无氧条件下，表面张力较大，此时的表面张力梯度主要受到温度梯度的影响，并未受到氧气的影响，因此马兰戈尼效应较弱。液滴的喷溅主要受到反冲压力的影响，在表面张力和马兰戈尼效应的共同作用下，金属液滴沿着熔坑壁喷出，喷溅角度更大。而且不考虑氧时熔融金属表面张力大，液滴难以断裂，液滴尺寸较大。

在考虑氧气的条件下，表面张力梯度变大，马兰戈尼效应更加显著。液滴的喷溅受到马兰戈尼效应的影响变大，流动方向更趋于水平化，因此金属液滴的喷溅角度更小。此外，在氧气的作用下，液态铜表面张力系数下降，导致液滴更容易分裂，从而在喷溅过程中液滴尺寸变小。

（2）液滴喷溅速度

在不考虑氧气的触头熔蚀模型中，金属液滴的喷溅速度为0.3~0.5m/s；在考虑氧气的触头熔蚀模型中，金属液滴的喷溅速度为0.5~0.7m/s。可见，考虑氧气的情况下金属液滴的喷溅速度明显变大。

氧气在熔融金属中溶解造成表面张力系数降低，导致熔融金属更容易流动和变形，从而液体层之间的速度差变大，即剪切速率提高。对比两种情况下的剪切速率可以发现，考虑氧气时的剪切速率大于不考虑氧气时的剪切速率，且在出口处的剪切速率更大。由于剪切速率的提高直接增强了金属液滴的喷溅速度和动能，导致喷溅更剧烈，金属液滴喷溅速度加快。

（3）熔坑形貌

根据实验数据，选择电弧能量为3600W作为数值仿真的能量。数值模拟结果显示，熔蚀宽度为0.953mm，与实验结果近似相等，验证了仿真的正确性。

在不考虑氧作用的触头熔蚀数值模拟中，熔坑最深处为3.732mm，烧蚀深度为0.268mm，熔坑宽度为0.82mm。考虑氧化导致触头增量以及溶解氧导致的熔体受力变化的触头熔蚀数值模拟中，熔蚀最深处为3.702mm，熔蚀深度为0.298mm，熔蚀宽度为0.953mm。二者对比发现，考虑氧气对熔蚀作用下的熔坑形貌比不考虑氧气作用下的熔坑形貌更深且更宽。

（4）氧化质量流与表面张力影响的分离分析

环境空气对熔蚀的影响主要体现在两个方面：一是氧化引起质量流量的变化，二是熔融金属溶解氧引起表面张力的变化。为了分别探究这两种因素的影响，本文分别建立了数值模型进行分析。

数值模拟氧化引起触头增益对触头熔蚀的影响显示，该熔蚀考虑氧质量流入对触头表面的影响，熔坑最深处为3.776mm，烧蚀深度为0.224mm，熔坑宽度为0.804mm。而不考虑氧作用下的触头熔蚀中，熔坑最深处为3.732mm，烧蚀深度为0.268mm，熔坑宽度为0.82mm。对比可知，有氧气参与时的熔蚀深度相比于没有氧气参与的熔蚀深度变浅了0.044mm。

对这一现象的解释如下：在有氧气参与的熔蚀模型中，反应初期温度没有达到熔点时，触头表面发生固相氧化反应，由于氧质量流的流入造成触头表面发生凸起。随着时间的增长，当触头表面温度达到熔点时，触头开始熔化并发生液相氧化过程。在液相氧化过程中，单位面积的质量增益上升非常轻微，因为熔坑表面的氧含量可以认为等于氧在熔融铜中的溶解度，熔坑内部的氧化速率受到氧化学扩散系数的限制，单位面积的质量增益增长速率非常小。因此，在触头熔蚀过程中，固相氧化相较于液相氧化对熔坑单位面积的质量增益效果更大，由此得出氧质量流入使触头熔坑变得更浅的结论。

考虑熔融金属氧溶解度情况的模拟结果与未考虑氧的熔蚀形貌进行对比发现，在考虑了氧气的溶解对熔池内流体受力的影响后，熔蚀形貌发生了较大变化。考虑氧溶解度时，熔蚀最深处为3.67mm，烧蚀深度为0.33mm，熔坑宽度为0.97mm。与不考虑氧的情况相比，熔坑深度变深了0.062mm，熔坑宽度变宽了0.133mm。

造成这一现象的原因在于：在熔蚀过程中，氧气和温度都会造成液态金属表面张力的减小，并且表面张力系数随着温度的升高而逐渐降低。在氧气的参与下，表面张力系数下降的速度更快，且值始终较小。

由于触头中心位置是能量的作用区域，温度较两边相对较高，液态金属的表面张力在中心处最小。在考虑氧气的作用下，表面张力系数和空气中的氧含量有关，而且触头表面形成液态氧化铜。由于氧化铜的形成速度在能量作用处最大，导致触头中心的液态金属表面张力系数小于周围区域的液态金属张力系数。因此，熔池表面的熔融金属在Marangoni效应的作用下从中心向边缘流动，靠近熔蚀上边界的流体有溢出熔池的趋势，导致熔坑宽度变宽。

从径向来看，在触头熔蚀过程中，熔融液体所受的表面张力合力方向指向液体上方。由于表面张力在氧气的作用下变得更小，而熔融液体所受的重力方向和反冲压力的方向一致向下，与张力合力的方向相反，因此导致在氧气的参与下熔坑的深度变深。

综合以上分析可以得出结论：当电弧能量超过熔点时，氧气所导致表面张力系数的改变对熔蚀形貌的影响大于氧质量流流入所引起触头增益的影响。

4.2 电弧能量对触头熔蚀的影响

基于前期实验发现，在不同开断速度下，电弧具有不同的能量。本文将不同的电弧能量耦合到触头的氧化熔蚀模型中，对比分析在不同电弧能量下的触头熔蚀现象，并讨论它们对触头熔蚀形貌的影响。

4.2.1 电弧能量为4500W时的情况

当电弧能量为4500W时，未考虑氧的熔蚀形貌显示，熔坑最深处为3.514mm，烧蚀深度为0.486mm，熔坑宽度为1.025mm。考虑氧质量流流入的熔蚀形貌显示，熔坑最深处为3.544mm，烧蚀深度为0.445mm，熔坑宽度为1.028mm。考虑熔体氧溶解度的熔蚀形貌显示，熔坑最深处为3.47mm，烧蚀深度为0.53mm，熔坑宽度为1.069mm。

4.2.2 电弧能量为5400W时的情况

当电弧能量为5400W时，未考虑氧的熔蚀形貌显示，熔坑最深处为3.366mm，烧蚀深度为0.634mm，熔坑宽度为1.125mm。考虑氧质量流流入的熔蚀形貌显示，熔坑最深处为3.388mm，烧蚀深度为0.612mm，熔坑宽度为1.121mm。考虑熔体氧溶解度的熔蚀形貌显示，熔坑最深处为3.37mm，烧蚀深度为0.63mm，熔坑宽度为1.16mm。

4.2.3 不同能量下的对比分析

在3600W能量下，考虑氧质量流流入的剖面图比未考虑氧的剖面图深度浅0.044mm，考虑熔体氧溶解度的熔蚀剖面图比未考虑氧的模型深了0.062mm，而考虑氧质量流流入的烧蚀宽度比未考虑氧的熔坑窄0.016mm，可以认为大致相等。

在4500W能量下，氧质量流流入的剖面图比未考虑氧的模型中心截面图浅0.03mm，考虑熔体氧溶解度的熔蚀剖面图比未考虑氧的模型深了0.044mm，烧蚀宽度的差值为0.003mm。

在5400W能量下，氧质量流流入的剖面图比未考虑氧的模型剖面图浅0.018mm，考虑熔体氧溶解度的熔蚀剖面图比未考虑氧的模型深了0.004mm，二者之间的变化可以忽略不计，烧蚀宽度差值为0.004mm。

随着电弧能量的逐渐增大，考虑熔体氧溶解度的剖面图和未考虑氧的模型剖面图逐渐接近，二者熔蚀深度几乎一致。换言之，在提高电弧能量的情况下，熔融液体受张力对于熔蚀形貌的影响逐渐减小。

造成这一现象的主要原因在于：表面张力系数随着温度的增加逐渐减小，此时熔蚀的深度主要由反冲压力和重力决定。因此，氧气引起表面张力变化对熔蚀形貌的影响变小，熔坑深度之间的差距逐渐变小。这就是未考虑氧的模型熔蚀剖面图和氧溶解度熔蚀剖面图形貌几乎一致的原因。

而氧质量流流入的剖面图和未考虑氧的模型剖面图相差越来越小的主要原因是：随着电弧能量的提高，触头温度达到熔点的时间逐渐加快，导致固相氧化时间减少，质量增益减小。

五、结论

本文通过建立空气环境下铜基触头熔蚀的二维瞬态模型，系统研究了氧气对直流空气断路器铜基触头电弧侵蚀的影响机制，得出以下主要结论：

第一，在开断电弧容量较低、电弧对触头施加的能量未达到触头熔点时，触头发生氧化现象。氧质量流流入的速率与温度密切相关，在1~2ms之间温度变化最快，氧化反应速率最大。随着时间的增加，氧化反应达到阈值后速度减慢，最终在触头表面形成"圆顶"结构。

第二，当电弧能量超过触头熔点时，氧气对熔蚀的影响体现在两个方面：一方面，氧质量流流入导致触头表面产生固相增益，使熔坑变浅；另一方面，熔融金属溶解氧引起表面张力系数变小，使熔坑变深变宽。两者综合作用下，氧气所导致表面张力系数的改变对熔蚀形貌的影响大于氧质量流流入所引起触头增益的影响。

第三，在氧气的参与下，熔体的表面张力系数变小，熔融金属在Marangoni效应的作用下从中心向边缘流动，导致熔坑宽度变宽。同时，由于表面张力的减小和重力的共同作用，熔蚀深度加深。金属液滴的喷溅角度和喷溅量减少，但喷溅速度和金属液滴的剪切速率有所提高。

第四，在电弧能量逐渐提升时，考虑氧质量流流入的熔蚀深度、未考虑氧的熔蚀深度与考虑氧溶解度的熔蚀深度之间的差距逐渐变小。在开断大电弧能量时，触头经历固相氧化的时间减少，液相氧化时间相对增多，而液相氧化对触头增益效果甚微。由于在熔蚀过程中氧气对固相的影响比液相的影响大，随着开断电弧能量的提高，无论是否考虑氧气的影响，熔融金属的表面张力系数逐渐变小，此时的熔蚀形貌主要由反冲压力和重力决定。