燃弧参数对小间隙真空电弧特性的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)大连理工大学电气工程学院 作者:向 川

  阳极表面能流密度(EFD)分布可以表征极间等离子体对阳极的加热作用,是重要的真空电弧特性参数。为此,在前期建立的真空电弧磁流体动力学(MHD)模型的基础上,引入边界条件,计算了小间隙中超音速电弧和亚音速电弧的阳极表面能流密度参数,并进一步分析讨论了电弧电流、触头开距、触头半径和纵向磁场(AMF)等燃弧参数变化对该参数的影响。

  研究结果表明:1)当电弧电流增大时,上述参数均增大,且向弧心收缩加剧,亚音速电弧收缩更加明显;2)当触头开距增大时,上述参数也向弧心区域逐渐收缩;3)当触头半径增大时,上述参数均逐渐减小,且沿径向分布越来越均匀;4)当纵向磁场增大时,上述参数的径向分布越来越平缓。上述燃弧参数变化对阳极表面能流密度的分布均有影响,因此,减小触头开距、增大触头半径和纵向磁场均能抑制阳极表面能流密度的收缩,减少输入阳极的能量,提高真空开关开断性能。

  引言

  小间隙真空电弧是新一代多断口真空开关技术和相控开关技术中常见的电弧,对其进行深入研究是研发新型真空开关的基础。根据真空电弧阳极斑点形成理论,极间电弧等离子体收缩使输入阳极局部区域的能流密度增大,进而导致阳极局部过热,形成阳极斑点。

  Schellekens和Schulman采用高速摄像技术研究发现,电弧电流、触头半径、触头开距和外加纵向磁场等燃弧参数的变化对真空电弧形态演变及收缩状况有着重要影响。Schade总结得出,随着纵向磁场和电弧电流的变化,真空电弧呈现超音速扩散电弧、多弧、亚音速扩散电弧、扩散柱电弧和收缩柱电弧等燃弧模式。董华军等采用CMOS高速摄像机,结合Matlab数字图像处理方法对不同触头结构下的小间隙真空电弧形态演变进行了定量研究。

  通过实验可定性研究电弧形态的变化及其影响因素,但真空电弧是在全封闭真空环境中燃烧的,其内部等离子体参数的测量和诊断十分困难。随着计算机技术的不断进步,研究人员通过对真空电弧进行数学建模,并采用数值方法求解,得到了真空电弧内部等离子体参数,从微观角度定量分析了电弧特性,从而丰富了真空电弧的研究手段。Boxman等研究人员均在这方面取得了卓越研究成果。

  阳极表面能流密度(energy flux density,EFD)是衡量极间等离子体对阳极加热作用的参数,是最重要的电弧特性参数。本文采用数值模拟技术,求解真空电弧真空电弧磁流体动力学(magneto hydrodynamic,MHD)模型,得到阳极表面EFD的径向分布,讨论分析了电弧电流、触头半径、触头开距和纵向磁场等燃弧参数变化对其分布的具体影响。进而提出了真空电弧调控策略,抑制电弧收缩,可进一步提高真空开关的开断能力。

  结论

  1)阳极能流密度主要由电子产生,而离子的贡献较少。

  2)当电弧电流增大时,超音速和亚音速电弧的阳极能流密度均随之增大,且向弧心区域收缩加剧;特别是对于大电流亚音速电弧,其增加更迅速且收缩更严重。

  3)当触头开距增大时,超音速和亚音速电弧阳极能流密度均向弧心区域逐渐收缩,向边缘区域逐渐降低。

  4)当触头半径增大时,超音速和亚音速电弧流入阳极的能流密度均逐渐减小,径向分布更加均匀,收缩程度也有所减轻。

  5)当纵向磁场增大时,阳极能流密度沿径向分布越来越平缓;特别是在大电流情况下,纵向磁场有效抑制了能流密度的收缩,减小了输入阳极的能量。在真空开关触头结构一定的情况下,改变纵向磁场是实现电弧调控、提高开关开断能力的主要手段。

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