电流强度对真空电弧收缩现象影响的仿真研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)沈阳工业大学 作者:孙鹏

  本文以双流体模型和麦克斯韦方程为基础,推导并建立了真空电弧的三维磁流体动力学(MHD)模型。通过对该模型的求解,得到等离子体压力、密度、速度和马赫数等真空电弧的重要属性参数。通过对不同开断电流下真空电弧等离子体的电流密度的仿真研究,揭示了开断电流的大小对于真空电弧的收缩程度具有影响作用。

  随着国民经济的发展,各行业对电能的需求量越来越高,因此,担负输电及配电的电力系统容量及电压等级也随之不断增高,这就对开关电器提出了更加苛刻的技术指标要求。真空开关电器以高真空作为灭弧介质和绝缘物质,与其它类型开关电器相比,由于具备触头与灭弧系统简单、使用寿命长、可靠性高、易于维护等特点,在中压开关电器领域占据了统治地位,并从中压向高压领域渗透,这就需要对真空开关中的关键技术进行更深入的研究,特别是真空开关电弧基础理论的研究。

  真空断路器的主要任务是开断短路电流。当真空灭弧室中触头分断电流时,动静触头间将产生电弧。随着分断电流的增大,电弧弧柱严重收缩而产生阳极斑点。当阳极斑点温度达到阳极材料熔点后, 阳极斑点向极间喷射金属蒸气,弧柱区等离子体趋于积聚。如果此过程过于激烈,则当电流过零后,触头间的介质恢复强度可能低于其电压恢复强度,从而导致短路电流开断失败。由此可见,对于真空电弧收缩影响因素的研究具有十分重要的理论与工程实用价值。

  电弧的特性直接影响了真空断路器的开断能力。真空电弧的建模与仿真研究是对真空电弧进行深入研究的一种重要手段。

1、真空电弧模型

  1.1、物理模型

  本文所研究的真空电弧物理模型如图1 所示,真空电弧主要由阳极斑点区、等离子区和阳极鞘层区三部分组成。等离子体的流动方向是从阴极到阳极,电流载体是电子和离子。

真空电弧物理模型

图1 真空电弧物理模型

  此模型的建立基于以下条件:

  (1) 弧柱等离子体高度电离,这是由于阴极斑点区域等离子体高度电离。等离子体密度高且碰撞频繁。

  (2) 阳极是一个等电位表面,并且被认为是理想的导体,其接收的载体无阻力。

  (3) 在外部磁场作用下,阴极斑点满足等离子体射流特性,呈圆筒状,这限制了等离子体均匀性的问题。

  (4) 等离子体的收缩是在阳极斑点形成之前。模拟的是阳极等离子体收缩前。

  (5) 附近的阴极斑点是致密的和高度不均匀的。

  2.7、阳极表面收缩程度

  在电弧阳极区,电流强度对阳极的收缩程度有一定影响。图8 表示的是不同电流对阳极弧柱收缩的影响。横坐标代表的是开断电流大小,纵坐标表示的是阳极表面等离子体积聚程度,也就是在不同开断电流下阳极表面等离子的收缩面积与初始电流密度下等离子体收缩面积的比值。当电流很小时,弧柱外形呈扩散状,此时不存在阳极斑点,当电流逐渐增大,阳极表面开始出现大而明亮的斑点,弧柱开始呈现收缩状。阳极也开始融化。随着电流继续增大,一方面弧柱收缩加剧,向大电流扩散柱弧转变的趋势更加明显,另一方面,阳极侵蚀也不断加剧,这说明弧柱形态变化跟阳极活动之间有对应关系。

4、结论

  (1) 大电流情况下,真空电弧等离子体处于亚音速运动状态,等离子体的压力、密度、速度及马赫数的分布不均匀。

  (2) 在大电流真空电弧磁流体中,最大的等离子体压力出现在阴极附近,在压力梯度的作用下,真空电弧等离子体从阴极到阳极做加速运动。

  (3) 开断电流的大小对等离子体的收缩程度有很大影响。

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