摘要
电侵蚀特指电器开关中电弧放电引起的触点熔化、喷溅、质量损失和元素偏聚等物理现象。累积的电侵蚀行为不仅可使电器开关性能退化，甚至可导致电器开关发生触点熔焊。面对电磁继电器“高可靠、长寿命”的发展需求，提升触点的耐电侵蚀能力和抗熔焊能力，已经成为当前学术界和工业界重点关注的问题。继电器电寿命实验中发生的触点熔焊与电侵蚀行为直接相关，具有系统依赖性强和过程时变的特点。迄今为止，关于触点电侵蚀的表征方法还存在很大不足，这也使得人们仍无法明确电侵蚀对继电器性能退化的影响机制，以及触点熔焊的物理机理。 针对以上问题，本文分别从电侵蚀原位表征方法、触点熔焊发生机理和触点熔焊失效机理三个方面开展研究。开发了电侵蚀模拟与原位观测系统，分别提出了电侵蚀区域识别和特征参数提取方法用于电侵蚀的表征，进一步以交流继电器为示范，研究了电寿命实验中存在的“电弧放电—电侵蚀—触点熔焊”相互影响机制，最终揭示了触点熔焊失效的物理机理。 首先，研究了基于视觉图像的电侵蚀区域识别方法。设计了包括电侵蚀模拟机构单元、电性能测量单元、电侵蚀观测单元和多维数据处理单元的实验系统。基于视觉图像的差分处理、区域分割和形态学运算，提出了电侵蚀区域的识别方法，实现了电侵蚀区域面积和重心坐标的原位计算，对比验证了方法的鲁棒性和测量精度。实验获取了电侵蚀区域的连续叠加过程，分析了单点电侵蚀、多点电侵蚀和移动电侵蚀的区域特征，详细研究了交流电弧移动现象的产生原因和发生概率，为后续电寿命实验中电侵蚀演变研究提供了实验方法。 其次，研究了电侵蚀特征参数提取方法，包括电侵蚀体积变化量、触点开距和真实接触面积。原位观测了动触点和静触点的三维形貌数据并构建了触点的三维数字模型，基于动触点三维数字模型在空间坐标系中的位姿变换，提出了触点分断状态的数字模拟方法，在此基础上通过平移动触点模型并计算真实位移量，模拟了触点的闭合状态，实现了电侵蚀体积变化量、触点开距和真实接触面积的提取。基于电弧与电接触理论，详细研究了体积变化量与电弧热量之间的物理关系，分析了触点开距降低对交流燃弧时间影响，提出了基于真实接触面积的接触电阻计算方法，为触点电接触特性分析和熔焊物理过程研究提供了技术手段。 再次，针对电侵蚀引起的触点熔焊问题，基于电侵蚀特征参数和电性能参数研究了触点熔焊的发生机理。通过观测触点闭合交流电产生的电侵蚀特征参数和熔焊现象，提出了触点熔焊斑点的识别方法，确定了熔焊力与真实熔焊面积的关系。研究了回跳能量对电侵蚀特征参数以及熔焊特性的影响，研究了接触斑点数量和分布重心距对触点闭合熔焊的影响。通过观测触点分断交流电产生的电侵蚀特征参数和熔焊现象，研究了金属液桥引起的触点熔焊过程，详细分析了峰值电压、分断熔焊相角以及接触斑点超程、表面算术平均高度和峰谷高度差对熔焊力的影响。进一步基于实验观测的电侵蚀特征，归纳总结了触点发生熔焊的接触面和熔焊面形貌特征，分析了触点发生熔焊的条件和熔焊力波动的物理机理。 最后，针对交流继电器在电寿命实验中触点熔焊失效的问题，原位观测了实验中触点的视觉图像和三维形貌数据，研究了电侵蚀特征演变规律和触点熔焊失效机理。基于累积电侵蚀面积、体积变化量、触点开距和真实接触面积等特征参数随触点动作次数的变化，分别研究了电侵蚀区域演变、形貌演变和触点材料元素演变规律。揭示了触点熔焊失效是电侵蚀区域集中、接触斑点表面粗糙度提高和元素偏聚的结果，随着动作次数的增加，强熔焊发生的概率显著增加。当熔焊力超过继电器提供的最大分断力时，继电器触点熔焊失效。 本课题在电侵蚀和触点熔焊机理的研究方面提出了创新和探索，对于交流继电器“高可靠、长寿命”设计具有参考价值。
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