纵向磁场和外部横向磁场共同作用下真空电弧偏移与阳极偏烧现象的仿真研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)电力设备电气绝缘国家重点实验室 作者:黄小龙

  在真空开关的开断过程中,外部母线和导电杆所形成的“U”型回路会在极间电弧区域产生横向磁场(transverse magnetic field,TMF)。横向磁场的存在会影响真空开关的开断性能,通过仿真对这一影响进行了初步的探索。基于真空电弧二维磁流体动力学模型及阳极熔化凝固模型,大电流真空电弧(high current vacuum arc,HCVA)在TMF 和电极系统自生纵向磁场共同作用下的电弧参数分布及阳极温度分布得到了揭示。仿真结果中,HCVA 在TMF 的影响下会产生明显的偏移,并且各项参数都有所变化;阳极温度分布也会产生同样的偏移,最终使得阳极熔化也发生偏移。这些变化会对真空开关的开断产生不利影响,特别是离子密度的增大使得电流过零时极间残留等离子体增多,降低开关的开断性能。

  引言

  真空电弧与一般气体电弧不同,其放电环境为真空,因此真空电弧等离子体主要由电极材料烧蚀产生的金属蒸汽及其电离物构成。在真空灭弧室、真空镀膜和脉冲功率等领域真空电弧等离子体都得到了广泛的应用。以往对真空电弧的研究主要采用实验的方法,随着计算机技术的发展,建模仿真已成为另外一种行而有效的方法,可以对电弧等离子体进行微观参数定量研究,从而更加有效地理解真空电弧。

  近年来,真空断路器向着高电压、大电流的方向发展,为了提高真空断路器的开断容量,对真空电弧与电极之间相互作用的研究显得尤为重要。在真空电弧建模与仿真方面,Boxman、Keidar 和Beilis、Schade 和Shmelev、Hauser、Wenzel、王立军等研究者都做了大量研究工作,其中Schade 和Shmelev 的模型较为全面,Hauser 建立了三维瞬态模型,Wenzel 考虑了铜铬电极产生的铜和铬原子,王立军等人研究了不同分布纵向磁场以及不同开距对真空电弧的影响,并在后来对真空电弧进行了三维建模。在阳极活动建模与仿真方面,Gellert 和Egli建立了一维模型,Niwa等人考虑了蒸发和质量损失,Schade 和Shmelev考虑了阳极蒸汽对电弧的作用,Watanabe等人得到了阳极表面温度,王立军等人则对阳极热过程建立了二维轴对称模型并在后来的研究中考虑了不同纵磁强度的影响。

  以上对真空电弧和阳极活动的研究都主要集中在没有外部横向磁场影响的情况下,但是在实际的真空断路器开断过程中,灭弧室外部母线U 型回路会在电极极间区域产生一个横向磁场(transversemagnetic field,TMF),TMF 的存在使得电弧的形态发生变化,并在安培力的作用下向一侧偏移,从而使阳极的烧蚀区域也发生偏移,直接影响着开断过程。不少研究者在实验中都观察到这一现象,得到了阳极偏烧过后的照片。王立军等人在仿真中曾考虑了TMF 对电弧的影响,但是并没有考虑偏移电弧对阳极烧蚀的影响。

  本文首先利用二维磁流体动力学(magnetohydrodynamics,MHD)模型对TMF 和电极系统自生纵向磁场(axial magnetic field,AMF)共同作用下的真空电弧进行仿真,得到注入阳极的能流密度;然后将电弧仿真得到的能流密度施加到阳极熔化模型上,最终得到阳极偏烧现象的仿真结果。

  1、仿真模型

  灭弧室外部连接母线导通电流时,根据右手定则,会在极间电弧区域产生指向里面的横向磁场,如图1 所示。电弧电流流经此区域时受到指向右侧方向的安培力,整个电弧会产生偏移。偏移的弧柱携带着能流注入阳极,使阳极熔化的中心区域偏离电极中心,最终产生偏烧现象。

纵向磁场和外部横向磁场共同作用下真空电弧偏移与阳极偏烧现象的仿真研究

图1 物理模型

  本文首先利用MHD 模型对真空电弧进行仿真,将所得能流密度作为边界条件加入到阳极模型中,经阳极模型仿真最终得到阳极偏烧情况。因此,在本文的仿真中分别用到了电弧MHD 和阳极烧蚀两个模型,所用数学模型及边界条件在文献中有详细阐述,这里不再详述。本文仿真时采用了3种不同场强的TMF 作为对比,分别是:BTMF 0、60 和120mT。因为外部母线和导电杆是产生TMF的主要原因,因此3 种不同场强分别代表了不同的外部母线和导电杆的长度搭配关系,外部母线越长,导电杆越短,产生的TMF 就越强。0mT 代表去掉TMF 的影响。其他仿真条件相同:电弧电流I分别为有效值20 和28kA,触头直径d=50 mm,开距h=10mm,阳极触头片厚度为4mm(即阳极仿真区域),纵向磁场考虑为均匀分布BAMF=120mT(根据实际触头3~5mT/kA 选取),材料为纯铜。

  4、结论

  1)外部母线产生的横向磁场使电弧在安培力的作用下偏离电极中心,电弧的各种分布参数(如压力、离子密度等)出现明显的偏移。

  2)电弧的偏移使得注入阳极的能流密度分布也出现同样的偏移,而且在量值上也有很大的增加(最大值已达到近2 倍)。

  3)阳极温度由注入阳极的能流密度决定,因此阳极温度也产生了明显的偏移,而且随着横向磁场的增大,阳极的熔化区域已经扩展到阳极边缘,这将增大真空开关开断失败的概率。为了减小外部磁场的影响,有必要采取一些屏蔽手段。

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