摘要:直流空气断路器的触头熔蚀行为是决定其电寿命与开断可靠性的关键因素，而空气环境中的氧气通过高温氧化反应直接参与触头材料的动态损耗及变化过程，进一步改变了熔蚀及喷溅液滴特征参数，影响其使用寿命和开断电弧特性。因此针对空气环境中氧气对触头熔蚀的复杂作用机制，建立了触头二维瞬态熔蚀模型，该模型突破了传统模型中仅考虑电弧烧蚀过程中的传热传质和流体流动，采用氧化动力学方程来描述高温氧化引起的质量流流入，将触头表面氧浓度作为温度函数处理，并应用于表面张力系数表达式。利用改进的水平集方法来追踪自由表面并考虑氧化和蒸发引起的传质，并在模型中耦合了包含表面张力、反冲压力、马兰戈尼效应和剪切应力对熔蚀形貌的影响。基于该模型研究了空气环境下不同电弧能量对触头熔蚀形貌的影响以及液滴喷溅的角度、粒径和速度的变化。结果表明:在电弧施加给触头的能量未达到熔点时，其表面会形成“圆顶”状的氧化物凸起，且氧化物的形成速度随着温度升高而升高并逐渐达到阈值。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，并且液滴的喷溅角度和尺寸变小，液滴的速度变大。但随着电弧能量的提高，氧化引起的增益逐渐减小，表面张力系数逐渐变小，此时反冲压力和重力对熔蚀形貌的影响大于表面张力的影响。

一、引言

1.1 研究背景与意义

随着太阳能发电、海军舰艇以及轨道交通领域的快速发展，直流空气断路器在开断性能、使用寿命及运行可靠性方面面临日益严峻的挑战。直流空气断路器在开断负载电流或短路电流时，其触头材料会因电弧高温作用发生熔融、蒸发及喷溅现象。由于直流系统不存在自然过零点和极性变换，触头的侵蚀问题比交流系统更为严重，直接制约着断路器的电寿命。

触头在开断熔蚀过程中会产生金属液滴喷溅现象，液滴质量和喷溅角度与熔蚀过程密切相关。喷溅液滴不仅影响空气断路器的开断性能，严重时甚至可能导致开断失败。因此，深入研究触头熔蚀机理，对于提高断路器可靠性、延长使用寿命具有重要意义。

1.2 研究现状与问题

熔蚀与液滴喷溅现象在真空断路器中已有较多研究。有学者利用实验研究了电弧电压、开断能力与频率的关系，定量分析了电弧重燃过程中液滴运动现象。另有研究关注中频真空电弧发生弧后击穿时金属液滴的蒸发过程，发现液滴半径和喷射速度对金属液滴寿命有显著影响，进而影响弧后击穿现象。

然而，在空气断路器中，由于灭弧介质对熔蚀的影响较为复杂，数值仿真存在较大难度，因此空气断路器中熔蚀特性的研究大多以实验为主。已有学者通过实验研究了铜在空气中的烧蚀行为和机制，提出了一种非均匀烧蚀机制来描述铜的烧蚀行为，但并未建立数值仿真模型详细分析非均匀烧蚀的产生原因。也有研究通过实验分析了CuZr/Zn2SnO4复合材料的电弧侵蚀行为，发现高温下的氧化现象改善了触头的导电性。还有学者通过实验研究了Ti3SiC2在不同电压下的烧蚀性能，分析了高能量电弧作用下材料分解氧化以及在电磁力、重力共同作用下熔蚀形貌的形成原因。

尽管这些实验研究为理解触头熔蚀行为提供了重要依据，但实验方法只能得到熔蚀的最终结果，难以探究烧蚀过程中熔坑形貌变化的深层机理。此外，实验环境的复杂性导致熔蚀变化具有较大的分散性，因此需要建立更贴合实际的数值模型进行分析。

1.3 理论建模的进展与不足

一般认为，电弧对触头的烧蚀作用包括蒸发和喷溅两种形式。近年来，空气电弧烧蚀理论与模型逐步产生和完善。有研究考虑了直流空气电弧作用下的触头烧蚀，分析了蒸发和喷溅两种烧蚀机制以及触头参数和电流大小对烧蚀特性的影响，但忽略了空气介质中氧气在烧蚀过程中的作用。有学者提出了基于能量涨落的喷溅模型，得出触头喷溅量与熔池表面张力束缚能和动能之间的关系。另有研究建立了接触器分断过程的三维磁流体动力学模型，研究了触头烧蚀产生的铜蒸气对电弧行为的影响。还有研究在理论分析基础上对熔池中液态金属的喷溅概率进行了分析，建立了喷溅侵蚀的数学统计模型。

值得注意的是，有学者研究了不同铬含量的铜铬化合物的电弧烧蚀行为，发现氧化铬含量的增加使放电均匀性增加，但该研究只考虑了铬的氧化现象，并未考虑铜的氧化现象对熔蚀的影响。总体而言，现有空气电弧作用下触头的熔蚀模型对氧气参与的考虑仍然较少。

1.4 氧气作用的重要性

空气断路器多采用铜基触头。在电弧高温作用下，氧气在熔融金属中的溶解会导致熔融金属的表面张力系数发生变化，进而影响液滴喷溅量、速度与尺寸大小，改变液滴的喷溅速度和轨迹。另一方面，氧质量流的流入会导致触头厚度发生变化，进而改变触头表面的熔蚀形貌以及电器产品的使用寿命。缺乏氧气作用下的熔蚀研究，导致仿真与实验数据之间存在较大差异。

因此，为了模拟真实环境下的触头熔蚀现象，对氧气作用下空气断路器铜基触头的熔蚀过程进行建模仿真，对于探明直流空气断路器触头熔蚀的影响因素、提高触头使用寿命、完善熔蚀机理具有重要的理论和实际意义。

1.5 本文工作

基于上述背景，本文建立了空气环境下铜基触头熔蚀的二维瞬态模型。该模型考虑了传热传质和流体流动，建立了氧化动力学模型来描述铜的高温氧化引起的氧质量流流入和氧溶解度的变化，利用Arrhenius方程将氧化速率转变为温度的函数来改进连续性方程和水平集方程。通过改进水平集方法来追踪自由表面并考虑氧质量流流入和氧溶解度随温度变化对表面张力的影响，并在模型中耦合了表面张力、反冲压力、剪切应力和马兰戈尼效应对熔蚀形貌的影响。基于该模型，研究了氧气参与下不同空气电弧能量对铜基触头熔蚀形貌以及液滴喷溅大小和速度的影响。