真空开关电弧开断过程的数值仿真方法研究进展

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)武汉大学电气工程学院 作者:舒胜文

  随着真空开关的广泛应用,对真空电弧的研究愈显重要。由于真空电弧等离子体并未处于局部热力学平衡态,且磁场和触头起关键作用,真空开关开断过程的数值仿真和SF6 开关相比尚不成熟,但近年来随着真空电弧理论的不断完善和计算机计算能力的大幅提升而获得了迅速发展。笔者综述了磁流体动力学(MHD)模型、粒子模拟结合蒙特卡罗碰撞(PIC-MCC)方法、混合模型、阳极热模型和解析模型在真空开关电弧开断过程不同阶段数值仿真中的应用现状,并提出了电流零区、电极材料、极间等离子体不同区域相互作用、PIC-MCC 加速、高压大容量和重燃机制等6 个今后有待深入研究的方向。

  引言

  真空开关采用真空作为灭弧及绝缘介质,具有熄弧能力强、体积小、使用寿命长、无火灾爆炸危险、不污染环境等优点,广泛应用于40.5 kV 及以下的中低压配电网中。

  真空开关的开断过程是一种复杂的物理现象,目前对该物理过程的认识还不完全清楚,虽然通过实验可以测得真空电弧的部分参数及其特性,然而,单凭实验研究尚不足以全面揭示真空电弧开断的内部物理过程。理解这种复杂物理现象唯一可行的方提假设条件下,对真空开关的开断过程进行建模和数值仿真可综合考虑电弧等离子体的输运特性及相关因素的影响,有助于对实验结果进行解释,并可能对真空开关的开断性能进行预测。

  除了应力、额定电流引起的温升、磁场和电场强度的数值计算外,真空开关的产品开发基本仍处于反复试验的水平。然而,与SF6 开关不同的是,真空开关中电弧等离子体并非处于局部热力学平衡态,且磁场和触头在开断过程中起关键作用,因此,真空开关开断过程的数值仿真要复杂得多,与SF6 开关相比尚不成熟。然而,近年来随着真空电弧理论的不断完善和计算机计算能力的大幅提升,真空开关电弧开断过程的数值仿真方法获得了迅速的发展。文中综述了磁流体动力学(MHD)模型、粒子模拟结合蒙特卡罗碰撞(PIC-MCC)方法、混合模型、阳极热模型和解析模型在真空开关电弧开断过程数值仿真中的应用现状,并提出了一些可能的研究方向。

1、真空开关电弧开断过程的物理描述

  真空开关的开断过程实质上即为真空电弧的产生和熄灭过程,主要包括电弧引燃、控制、熄灭及弧后介质强度恢复等几个阶段,见图1。

真空开关电弧开断过程的不同阶段

图1 真空开关电弧开断过程的不同阶段

  真空开关分断交流电路时,触头可以在正弦电流半波的任意时刻分开。图1 中为了方便起见,假设触头在电流刚过零后分开。图1 中:Iarc 为电弧电流,Uarc 为电弧电压, 大电流时有明显的噪声;Tsurf 为触头表面温度,Tsurf,I=0、Tsurf,crit 分别为电流过零及成功开断对应的触头表面温度,当Tsurf,I=0<Tsurf,crit 时,电流开断成为可能;TMF(transverse magnetic field)为横向磁场,AMF(axial magnetic field)为纵向磁场;Ipost-arc 为弧后电流;Utrv 为电流过零后开关两端瞬态恢复电压(transient recovery voltage, TRV);Ub 为弧后介质恢复过程中真空间隙的击穿电压。

  1.1、 电弧引燃(引弧)

  在真空灭弧室触头刚分离的瞬间, 电流将收缩到触头刚分离的某一点或数点上,表现出电阻的剧烈增大和温度的迅速升高, 触头被加热以致发生金属材料的蒸发,同时形成极高的电场强度,导致强烈的场致发射和间隙的击穿,继之形成起始的真空电弧;同时出现高电流密度的阴极斑点, 一般在10 kA/cm2以上,使阴极表面局部区域的金属材料不断熔化和蒸发,以维持真空电弧。电弧引燃后,电极间隙内的空间很快被扩散的(由部分电离的金属蒸气组成)等离子体充满,成为一个良导体。

  由于触头打开后液态金属桥爆炸过程非常复杂,部分机制仍不清楚,故后文将不再对引弧过程进行讨论。

  1.2、电弧控制(燃弧)

  真空电弧的特性取决于电弧控制技术,控制电弧的目的在于把电弧热量均匀地分布在触头表面上避免触头的局部过热。真空电弧控制技术有TMF 和AMF 两种。采用TMF 真空电弧控制技术时,允许电弧处于集聚状态,但此集聚电弧必需在洛伦兹力的作用下在触头表面运动,以防止触头表面局部发生严重熔化。采用AMF 真空电弧控制技术时,电弧在所处的位置保持稳定,但在磁流体动力学效应的作用下在触头上散开。

  在电流半波的末尾,电弧形态转变为小电流模式,在TMF 作用下呈扩散电弧形态,在AMF 作用下呈多阴极斑点电弧形态,阴极斑点的运动受到AMF的控制在触头表面均匀分布。

  真空电弧主要由阴极斑点与混合区、弧柱区和阳极区3 部分组成。当电弧电流不大且施加相应的AMF 时,弧柱处于扩散态,此时电弧等离子体几乎全部由阴极斑点发射,阳极仅为被动的粒子接收者。随着电弧电流增大,弧柱收缩进一步加剧,注入阳极的能流密度不断增大且其不均匀性增加,阳极开始变得活跃,阳极斑点开始出现并成为极间等离子体新的来源。

  1.3、电弧熄灭及弧后介质强度恢复

  电流过零时真空间隙中仍然存在许多残余粒子,包括电子、离子、金属蒸气和金属液滴等。电流过零后,TRV 施加到触头间隙两端时,就会使触头间的残余电荷发生定向移动,形成弧后电流;残余带电粒子由于电场作用而产生分离,在阳极附近形成空间电荷鞘层。当弧后电流消失,全部的带电粒子也已经被吸收的情况下,介质强度的快速恢复阶段就达到其最终值,之后金属蒸气开始起决定性作用。只有当过零时触头表面温度及释放的金属蒸气密度降到足够低且残余电荷密度不超过临界值时, 才不会导致电弧的重燃。

2、结语

  国内外近年来对真空开关电弧开断过程的数值仿真方法开展了许多工作,但仍有以下一些问题有待深入研究:

  1)关于电流零区等离子体发展过程的仿真研究较少,模型一般也较为简化,需要进一步研究。

  2)当前仿真中电极材料多为铜,而实际的灭弧室中电极材料大多为合金材料,这在以后的模型中需要进一步考虑。

  3)当前的模型中仅将阴极区域和阳极鞘层区域作为计算弧柱等离子体参数的边界,而实际的物理过程中这3 个区域可能会相互作用,这也将是以后真空电弧建模需要解决的重要问题。

  4)PIC-MCC 模拟的计算量过大,计算时间过长,有些复杂问题仍无法进行2 维及3 维求解,需要采用相关技术加速PIC-MCC 模拟过程,如采用隐式推进、并行计算技术等。

  5)高压、大容量是真空开关的发展方向,目前长真空间隙和更大电流开断条件下的真空电弧数值仿真研究仍比较缺乏,需要加强研究。

  6)真空开关的重燃机制目前仍不是非常明确,需要更好的数值仿真来研究该问题。

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