中频下正弦曲面触头真空电弧特性研究

随着多电/全电飞机技术的发展,交流中频(360～800Hz)供电体制成为航电系统的主要发展方向,对新型小体积、轻重量、大开断容量开关的需求更加迫切。真空开关凭借自身的开断原理和结构特点,具备应用于航空领域的优势。提出一种新型触头结构——正弦曲面触头真空灭弧室,研究新型触头在中频下的真空电弧特性,对比分析了同等触头直径(41mm)和材料的正弦曲面触头和平板触头在小开距下的真空电弧形态的演变过程、电弧电压特性、燃弧能量、开断性能、阳极烧蚀程度及电弧生成物凝结能力,得到燃弧能量与电流幅值和频率的关系,以及燃弧能量对开断能力的影响规律。结果表明,在开断中频真空电弧时,正弦曲面触头的燃弧能量低,电弧电压噪声小、峰值低,阳极触头表面烧蚀程度轻,开断能力和电弧生成物凝结能力更强,具有很强的应用潜力。     

中频供电系统真空电弧开断过程与液滴喷射分析

为研究真空开关在航空交流中频(360～800Hz)供电系统中的开断性能,该文选择触头直径为41mm、触头材料为CuCr50合金的真空灭弧室,进行短路开断实验;研究开断过程,拟合得到电弧电压与频率和电流、极限开断能力与频率的关系式;分析弧后液滴喷射现象,计算液滴的受力和运动轨迹。结果表明:中频真空电弧的电压峰值和电压上升率随电流频率和峰值的增加而增大;而电流开断能力随频率增加而下降,但与等值的工频电流相比,由于燃弧时间缩短,触头烧蚀减弱;电弧重燃时,有金属液滴从弧隙向外喷射,喷射速度范围为10～20m/s,驱动力为从燃弧区域内部向外的压力,压力梯度约为7.9×10~4 Pa/mm。     

横向磁场下中频真空电弧形态及电弧电压特性

研究了杯状横向磁场触头中频真空电弧(400~800 Hz)的电弧形态及电压特性。实验在单频回路中进行,采用去掉屏蔽罩的杯状横向磁场真空灭弧室进行实验,触头直径为66 mm,触头开距为4 mm。实验结果表明:只有当电流升高到一定值时,电弧才有运动现象;电弧的运动特性主要受磁场的影响;电弧运动不是产生高频电弧电压噪声的原因,而当阴极斑点占据整个阴极表面时,电弧电压才产生高频噪声。最后根据实验结果得到电弧电压与电流幅值和频率的关系公式。     

平板触头分离过程直流真空电弧形态与电压特性

基于强迫换流原理的混合型直流真空断路器是直流开断技术的有效方式之一,其参数设计及开断能力与电弧形态演化密切相关。利用可拆卸真空灭弧室,对直径为45?mm的CuCr50平板触头,在1~8?kA的近似恒定直流条件下分离过程中真空电弧的形态演化规律和电弧电压特性进行了研究。实验结果表明:触头分离初期,电弧集聚在电弧引燃处;随着开距的增加,电弧逐渐扩散。当电流小于5?kA时,电弧始终呈扩散型,电弧电压噪声较小;当电流大于5?kA,电弧能扩散到整个触头表面,但电弧初始引燃处多发展成阳极亮斑,且燃弧时间大于1.5?ms后,电弧电压噪声分量急剧增加。实验结果可以用于指导混合型直流真空负荷开关的设计。     

直流真空电弧强迫开断电弧形态

随着航空270V直流系统的应用,直流开关的需求逐渐增加。现阶段直流开关大多为空气开关,其开断容量较小,使用真空开关将对于提高开断容量具有一定优势。针对航空270V直流用短间隙真空灭弧室进行高频开断实验,研究了直流强迫开断的电弧电压、电流特性,分析了回路参数对直流强迫开断中平均电流变化率di/dt和弧后过电压dv/dt的影响。通过相同开断实验电流、相同电流变化率、不同触头结构情况下开断实验,分析了电弧直径动态特性。强迫熄弧过程中,平板触头电弧直径逐渐减小,纵磁触头电弧直径变化较小并在熄弧前迅速变化。针对不同电流实验,随电流升高电弧直径略有增加。起弧阶段,平板触头电弧直径随燃弧时间呈对数函数增加,而纵磁触头电弧直径基本保持不变。拟合得到平板电弧起弧时直径变化函数,随燃弧时间延长,平板触头电弧直径逐渐增大至大于纵磁触头电弧直径。     

混合型直流真空断路器小间隙下的分断特性

混合型直流真空断路器技术是舰船电力系统短路保护的有效方式,其换流参数的优化设计取决于真空灭弧室的分断特性。利用可拆卸真空灭弧室,研究了直径为45 mm 的CuCr50平板触头在直流3~5 kA,燃弧时间约为50μs,触头开距约0.5 mm 的分断过程中,灭弧室电流下降过零变化率di/dt对电弧性能的影响。实验结果表明：di/dt>90 A/μs时,灭弧室电流过零后继续流通;di/dt<60 A/μs 时,灭弧室电流过零截止,电弧熄灭,可以为介质恢复过程创造近似零电压的恢复条件。实验条件下,经过约50μs的近似零电压恢复过程,真空间隙介电强度恢复到静态耐压水平,击穿电压幅值主要受触头表面状态的影响。实验结果可以用于指导低压混合型直流真空限流断路器的研发。     

中频真空电弧边缘击穿现象及仿真研究

为深入掌握航空变频(360～800 Hz)电力系统中真空电器电弧特性,该文围绕中频灭弧室弧后发生的边缘击穿现象,以双温磁流体动力学仿真结合实验的研究方法,得到了以下结论：中频真空电弧离子数密度的最大值为2.6×10¹⁹m^-3,离子温度的范围为0.30～0.91eV,电子温度的范围为1.50～2.43 eV;电子与离子之间存在能量交换,电子温度的变化会引起离子温度的变化;最高离子温度出现在阳极触头边缘处,与实验发现的边缘击穿位置重合,证明了此处确实存在能量集中;中频真空电弧是超声速流体,速度在边界处减慢,根据动能热能互换原理,中频真空电弧的质量流运动规律是边缘击穿的本质原因。     

基于电弧图像的中频真空电弧阳极燃烧特性研究

为了研究中频真空电弧的阳极燃烧规律,利用CMOS高速摄像机,对可拆卸真空灭弧室中的纯铜平板触头之间的中频真空电弧进行拍摄,触头开距为8 mm,触头直径为28 mm,分别采集了不同电流频率以及不同电流峰值下的电弧图像。利用MATLAB图像处理技术对阳极触头的灰度分布、阳极高灰度值区域的持续时间以及运动规律等进行了分析处理。结果表明电流峰值大小对阳极灰度分布的影响要远大于电流频率;阳极高灰度值区域的持续时间占总半波燃弧时间百分比随电流频率的增加而下降,而随电流峰值的增加而增加;阳极高灰度值区域在电流上升阶段发生融合,在下降阶段发生收缩。     

横磁触头真空电弧起始运动的临界触头开距实验研究

起始桥柱状真空电弧运动的临界开距是对应于横磁触头大电流真空电弧运动模式演变的标志性物理量,对横磁触头真空断路器大电流开断性能具有重要影响。本文的研究目标是实验研究横磁触头开槽方式、燃弧时间和电弧电流等因素对横磁触头起始桥柱状真空电弧运动临界开距的影响规律。研究结果显示在燃弧时间0 ms~10 ms、电流有效值5 kA~31.5 kA的实验条件下,3种结构的横磁触头的起始桥柱状电弧有越靠近电流峰值起弧,停滞时间越长的趋势。直角槽型卐字形横磁触头（CuCr40）、螺旋槽型横磁触头（CuCr25）和曲线槽型卐字形横磁触头（CuCr50）的电弧运动临界开距分别在0.96,1.1 mm 和1.7 mm有概率最大值点。相关研究结果对横磁触头大电流真空电弧的发展和演变特性的理解提供基础。     

新型直流真空断路器强迫换流分断特性

基于强迫换流原理的新型混合型直流真空断路器是解决高上升率直流短路电流分断难题的有效方式。获知短燃弧、短间隙条件下真空开关大电流分断特性是快速直流真空断路器的研制基础。利用合成实验平台,研究了采用Cu Cr50平板型触头的真空开关,燃弧时间数百微秒,触头开距不足2 mm的条件下,分断20 kA左右电流的介质强度恢复特性。实验结果表明:真空开关分断电流17 kA时,以110 A/μs的速率换流过零后,经过41μs的近似零电压阶段的恢复,可以成功抗受10 kV/mm的电场应力,但延迟击穿重燃现象时有发生;分断电流21 k A时,电场应力不足5 kV/mm时,便会发生击穿重燃。通过触头结构设计,使开关分离拉燃电弧时形成双柱乃至多柱电弧成为改善真空开关分断特性的可行方法。     

低压真空电弧分断性能的研究

低压真空电弧由于开距小，真空金属过零后的金属蒸汽扩散主要以触头吸收为主，其开断性能与高压真空电弧有很大差异，对于低压真空断路器，需要对触头材料和开距进行细致考虑方能发挥真空灭弧室开断电流的优势，同时有效地减少截流值。     

真空电弧阳极斑点对电流过零时刻阳极表面温度的影响研究

大电流真空开断的电弧过程主要由阳极现象,特别是阳极斑点现象所支配。真空电弧阳极斑点形成制约着真空开断的成功与否,其中原因为阳极斑点形成过程伴随着阳极表面加热、熔化甚至蒸发,对阳极热特征产生至关重要的影响,并决定了弧后介质恢复过程。由此文中展开了真空电弧阳极斑点出现后电流过零时刻阳极表面温度的研究。实验测量结果表明阳极斑点形成后零时刻阳极表面温度T0anode并不随电弧电流Iarc、分闸速度v的改变发生显著变化,而是趋向于一个稳定的范围,触头材料为CuCr25时该温度范围为1 600~1 800 K,但外施纵向磁场BAMF则有利于T0anode的波动范围减小。同时,实验测量发现不同触头材料下阳极斑点形成后电流过零时刻阳极表面温度T0anode的稳定范围不同,Cu、CuCr50时T0anode范围分别为18 00~1 900 K和1 700~1 800 K。     

一种新型高压真空灭弧室触头及其特性

高压真空开关的核心部件之一是真空灭弧室,由于其触头开距较大,因此多采用纵向磁场触头,希望触头间隙有较强且较均匀的纵向磁场,这样可降低电弧电流密度,降低电弧能量,从而提高开断性能。该文提出了一种适合应用于高电压等级真空灭弧室的新型纵向磁场触头结构,该触头结构结构简单,便于加工,而且结构强度更好。利用有限元方法对这种新型的真空灭弧室磁向磁场触头间隙的磁场分布特性进行了计算与分析, 结果表明其磁场特性优于现有传统纵磁触头结构。利用这种新型触头结构制做了真空灭弧室样机,在单频LC振荡回路上进行了性能测试,结果表明在触头开距为40和60 mm时其同样具有良好的开断短路电流的性能。     

中频条件下真空灭弧室的纵向磁场仿真

该文研究了中频400～800Hz条件下纵磁真空灭弧室内的磁场特性,利用Ansys Maxwell求解了三维瞬态纵向磁场分布.由计算结果可知:在电流变化的过程中,中心区域纵向磁场的变化明显滞后于其他区域.电流峰值时在触头片开槽交错放置的位置有磁场峰值区域,电流过零时中心区域有明显剩磁.当频率增加时,涡流效应更明显,使纵向磁场的磁感应强度值减弱.对中心点,频率提高导致过零时剩磁增加,磁场滞后相位更明显,影响电弧扩散.增加触头片开槽数可以减弱涡流效应,而增加触头杯座槽旋转角,触头中间平面磁感应强度的最大值近似线性增加.文中通过分析电弧形态和电压等实验结果验证了磁场滞后对真空灭弧室的开断能力的影响.     

中频条件下真空灭弧室的纵向磁场仿真（英文）

该文研究了中频400～800Hz条件下纵磁真空灭弧室内的磁场特性,利用Ansys Maxwell求解了三维瞬态纵向磁场分布。由计算结果可知:在电流变化的过程中,中心区域纵向磁场的变化明显滞后于其他区域。电流峰值时在触头片开槽交错放置的位置有磁场峰值区域,电流过零时中心区域有明显剩磁。当频率增加时,涡流效应更明显,使纵向磁场的磁感应强度值减弱。对中心点,频率提高导致过零时剩磁增加,磁场滞后相位更明显,影响电弧扩散。增加触头片开槽数可以减弱涡流效应,而增加触头杯座槽旋转角,触头中间平面磁感应强度的最大值近似线性增加。文中通过分析电弧形态和电压等实验结果验证了磁场滞后对真空灭弧室的开断能力的影响。     

杯状纵磁真空灭弧室开断能力与触头直径和触头开距关系的试验比对

对杯状纵磁真空灭弧室的极限电流开断能力与触头直径和触头开距间的关系I=k×D2×Bz0.4进行了试验验证。当触头直径分别为48,58,66mm时,触头开距设定为8,11,14mm,对9只真空灭弧室试品在振荡回路上进行极限开断能力试验;用三维有限元方法对9种情况下的纵向磁场进行了计算;将计算结果带入公式与试验结果及灭弧室开断能力标定值进行比较,考虑试验的误差,认为公式有参考意义。     

低压真空断路器的大电流开断技术

低压真空断路器具有无火灾爆炸危险、良好的环境适应性,以及寿命长、维护量小等一系列优点。低压真空断路器的开断能力与触头直径之间呈线性关系,其极限开断能力取决于电流过零时的触头表面温度。当它开断大的短路电流时,一般采用与电弧轴向垂直的横向磁场真空电弧控制技术,使集聚态真空电弧在触头表面上快速旋转,减轻时局部触头区域的烧蚀。在低压真空断路器中CuCr触头材料显示出最好的性能。低压真空断路器将在煤矿、化工、冶金、纺织、采矿等时断路器有较高环境要求的领域中占有一席之地。     

杯状纵磁真空灭弧室开断能力与触头直径和触头开距的关系

研究了杯状纵磁真空灭弧室的极限电流开断能力与触头直径和触头开距间的规律,建立便于设计时应用的计算公式。从合成回路上开断能力的试验结果出发,将三维有限元法对杯状纵磁触头的纵向磁场的计算结果引入到开断能力与触头直径和触头开距的关系式中,初步得到极限电流开断能力与触头直径和触头开距的关系为I=k×D2×Bz0.4,式中k是系数。该式的物理意义是开断能力随触头直径的增加而增大,随触头开距的增加而减小。     

50Hz和400Hz下银镍合金触头材料电弧侵蚀研究

为研究低压、小电流、纯阻性负载下银基合金触头材料在交流400Hz的电弧侵蚀特性,通过研制的小容量可变频ASTM触头通断微机测试系统、SEM和EDAX,测量与分析了50Hz和400Hz下触头开断过程中AgNi、AgC和AgW触头材料燃弧特征值,分析了AgNi触头材料的表面形貌与微区组份,探讨了50Hz和400Hz两种交流频率下AgNi合金触头材料电弧侵蚀的成因。     

基于阳极放电模式的杯状纵磁触头真空灭弧室分闸速度设计

真空断路器短路开断能力与真空电弧的控制技术及断路器分闸速度的控制技术紧密相关。该文的研究目标为基于真空电弧强电弧模式向扩散态模式转变规律对杯状纵磁触头真空灭弧室分闸速度进行设计。通过对杯状纵磁触头在不同分闸速度、不同燃弧时间条件下进行拉弧试验,研究的影响强电弧模式持续时间、强电弧模式转变为扩散态模式时刻的临界纵向磁场及与之对应的临界触头开距与分闸速度的关系。试验结果显示,真空灭弧室分闸速度和燃弧时间对真空电弧阳极放电模式的演变具有显著影响,较高的分闸速度能够使得强电弧模式快速转变为扩散态模式。强电弧模式转变为扩散态模式时刻对应的临界触头开距及其临界纵向磁场强度、强电弧模式持续时间,随电弧电流的增大而增大,且不同的分闸速度条件下强电弧模式转变为扩散态模式的临界触头开距具有峰值效应。在真空断路器分闸速度的设计过程中,宜使得真空灭弧室刚分速度高于该峰值临界触头开距所对应的分闸速度。研究结果可为应用杯状纵磁触头的真空断路器的分闸速度的设计提供理论依据。