外部磁场对直流电弧等离子体放电特性的影响及其机理

通过外部磁场驱动电弧旋转产生相对均匀的等离子体是一种可能的改进等离子体放电特性的有效手段。利用高速摄像技术和虚拟仪器技术,观察并测量了大气条件下、非均匀磁场驱动的直流电弧等离子体阳极弧根运动以及电弧电压波动。结果发现:相比无外部磁场,非均匀外部磁场驱动下的直流电弧等离子体在旋转力和稳弧力的作用下阳极弧根旋转,均匀性提高;其电弧电压波动幅度增大,放电模式发生改变;伏安特性曲线向上平移,电弧等离子体炬放电功率提高。另外,由于等离子体射流的高速运动而引起的等离子体射流在喷口处径向扩张,使等离子体射流横截面扩大,进一步提高了射流的均匀性。从结果中可以看出,外部磁场改善了直流电弧等离子体炬的基本特性,对直流电弧等离子体炬应用效率的提高具有重要的意义。     

磁旋转电弧中热阴极弧根形态的实验研究

阴极弧根形态对电弧状态和电极损耗有着重要影响。在同轴电极磁旋转电弧等离子体发生器中,利用高速CCD观察了阴极弧根斑点形态随外加轴向磁场的演化过程,采用双波长法从CCD影像得到阴极端面温度分布;利用水冷电探针对近阴极区等离子体参数进行诊断,得到了阴极附近电子温度及阴极区位降。实验结果表明:(1)在50 A电弧电流下,随着轴向磁场从0.01 T增加到0.02 T,阴极端面最高温度下降,阴极弧根斑点增大,阴极附近等离子体电子温度逐渐降低,阴极弧根为收缩模式;(2)在100 A电弧弧电流下,轴向磁场从0.01 T增加至0.015T,阴极状态变化趋势与前相同;(3)在100 A电弧弧电流下,当轴向磁场增大到0.02 T时,弧根斑点弥散均匀,阴极区位降明显升高,阴极弧根模式由收缩模式转变为扩散模式。分析认为,磁旋转电弧中弧根模式的转变是一个突变的过程。     

低压断路器中空气电弧运动的仿真及实验研究

以磁流体动力学(MHD)为基础建立了三维空气电弧等离子体在外部磁场作用下运动时的数学模型。考虑到阴极和阳极各自的特点,提出了更加合理的电流分布边界条件;采用一种与电弧等离子体自身电导率密切相关的方法确定电弧的弧根位置。利用基于有限容积法的商业软件对上述模型进行求解,并利用高速数字摄像机进行了相关的实验,对仿真结果进行验证,充分证明模型的有效性,揭示了空气电弧在外部磁场作用下,在低压断路器的灭弧室中的运动规律,并指出压力波在灭弧室中的传播和反射是产生这种运动规律的原因。此外,对阴极喷流所形成的双漩涡和电弧等离子体后部的“尾巴”这2种物理现象进行了详细的描述。     

横向磁场作用下真空电弧阴极过程数学模型的研究

通过联立沙哈方程、质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、空间电荷方程、电流连续性方程及电子发射公式，建立了横向磁场作用下直流真空电弧阴极过程的定量数学模型，模型中不仅考虑了多价离子的作用，而且计及了阴极表面外加横向磁场对等离子体的影响。通过对电弧电流为８０Ａ的钛阴极真空电弧的数值求解，得到了大量等离子体参数随磁场变化的规律。计算结果与实验测量值相吻合。本文联系人     

纵向与横向磁场作用下分断直流感性负载时的电弧特性实验

研究AgSnO2触头组以不同速度分断直流感性回路产生的电弧在纵向与横向磁吹作用下的特性参数.电压与电流为28V/5A,回路时间常数为2ms.吹弧磁感应强度为0～200mT,分断速度为10～50mm/s.采用高速摄像机记录电弧随时间变化的图像,同时,采用数字示波器存储电弧电压波形.研究在不同分断速度下,燃弧时间、电弧停滞...     

轴向磁场控制的旋转电弧开关的研制

开关在脉冲功率技术中极其重要，其已成为制约脉冲功率技术发展的主要技术瓶颈。为了满足高电压、大电流、高电荷转移量、电极烧蚀小、寿命长的要求，文中设计了一个由轴向磁场控制的旋转电弧间隙开关，研究了其电磁场分布及轴向磁场下电弧的运动机制，并进行了初步实验。结果表明此开关中的电弧确实在轴向磁场控制下做旋转运动，且运动速度很快，不需要对触发脉冲进行陡化就能得到纳秒级脉冲。实验放电波形比较稳定，分散性为2ns；开关电极表面的烧蚀小，有利于延长开关的寿命；开关工作参数为：电压23kV，单脉冲能量0.314MJ，峰值电流100kA，电荷转移量27.3C/脉冲。     

纵向磁场对电弧带电粒子密度的影响

在稳态模型和局域热力学平衡的假设下。推导了在纵向磁场内,真空电弧带电粒子密度的数学表达式,分析了纵向磁场对真空电弧所产生的影响及其阳极斑点形成的机理,     

直流电弧炉电弧等离子体射流的数值模拟

数值模拟是研究直流电弧炉中电弧等离子体射流特性的有效方法,它可为理解和优化电弧炉冶炼过程提供参考依据。本文对直流电弧炉冶炼过程建立了电弧等离子体的二维稳态轴对称磁流体力学模型,采用大型商业软件PHOENICS对电弧流场和温度场进行了计算,仿真结果与文献报导的实际测量结果吻合良好。     

大尺度磁分散电弧等离子体位形的静电探针诊断

磁旋转电弧可以产生大面积均匀等离子体:磁分散电弧等离子体。利用快速移动水冷静电探针对大气压氩弧磁分散电弧等离子体进行了诊断,得到发生器弧室内的电子温度分布、电弧位形以及等离子体波动等信息。诊断结果表明:等离子体弧柱区呈圆盘状,并在轴向有较大扩张,弧柱区下游等离子体波动较大,为等离子体云与冷气团混合所致。将探针诊断结果与采用热力学平衡模型的数值计算结果比较,发现2者具有相似的等离子体位形,但实验测量得到的电子温度更高,等离子体分布范围更广。分析认为,这种差异可能是等离子体偏离局域热力学平衡和等离子体的不稳定性造成的。     

外加准轴向磁场POS断路过程的粒子模拟

为了研究外加准轴向磁场同轴内阴极结构等离子体断路开关(POS)的工作特性,采用单元粒子方法对激磁线圈分别放置在内阴极内侧和外阳极外侧的POS断路过程进行研究,模拟分析POS中电场和磁场的时空变化、等离子体电子的动力学行为和特性,重点研究内阴极结构POS的断路过程.结果表明:激磁线圈置于内阴极内侧时,极间磁场为线圈外磁场,在开关区的矢量磁密变化曲率大,有较大径向分量且中心区域值较两侧为小,这种外加磁场对POS的断路过程影响较小;激磁线圈置于外阳极外侧时,极间磁场为线圈内磁场,在开关区的均匀性较好,该准轴向磁场改变了电子运动的轨迹,也改变了原角向磁场的分布,更容易实现POS的断路,实现较高幅值的断路电压,并且电流损失较小,POS的断路效率较高;准轴向磁场和自角向磁场的共同作用使等离子体电子作向下游扩散的锥体螺旋运动.     

电弧电流以及纵向磁场对小电流真空电弧特性影响的数值仿真

建立了小电流真空电弧的双温度磁流体动力学模型,根据该模型首先对小电流真空电弧的基本特性进行了仿真研究,分析了不同电弧电流和不同纵向磁场强度对小电流真空电弧特性的影响。仿真结果表明,电弧电流和纵向磁场对小电流真空电弧特性的影响是明显的,仿真结果与实验结果基本吻合,尤其是离子温度的仿真结果与实验更加接近。另外,仿真结果还表明,对于小电流真空电弧而言,随着纵向磁场的增大,电子温度逐渐增大,变化趋势与实验结果一致。     

杯状纵磁真空灭弧室磁场特性分析

用三维有限元法研究了7个设计参数对杯状纵磁触头的纵向磁感应强度、纵向磁场滞后时间、杯中和触头片中电流密度最大值以及导体电阻值的影响。研究表明:譹增加触头直径或开距会减弱纵向磁感应强度,增加杯指旋转角或杯指数目可使其增强,而杯指和水平面夹角、触头片上开槽数及触头材料采用CuCr50或CuCr25对其影响不大。譺设计参数在较大范围内变化时,纵向磁场滞后时间的变化很小。譻增加触头直径或触头片开槽数、减小杯指旋转角、合理选择杯指与水平面夹角和杯指数目或采用CuCr50触头材料可减少杯中或触头片中的电流集中。譼增加触头直径或杯指与水平面夹角,或减小杯指旋转角和杯指数目、减小触头片开槽数及采用CuCr25触头材料可减小导体电阻。     

多阴极斑点真空电弧均匀分布时的纵向磁场

从真空电弧的稳态磁流体动力学方程出发 ,对多阴极斑点的大电流真空电弧均匀分布时的纵向磁场进行分析 ,得到真空电弧在电极表面上均匀分布 ,即形态为与电极同直径的直圆柱时的纵向磁场与半径的关系为Bzopt=qr2 +c (q与c为系数 )。并由此提出了临界半径的概念 ,临界半径R0c是当纵向磁场沿径向均匀分布时电弧也均匀分布的电极半径。电极半径超过R0c时纵向磁场沿径向分布递减可使电弧均匀分布 ,电极半径小于临界半径时纵向磁场沿径向递增可使电弧均匀分布。此结果可以为真空灭弧室小型化提供思路和理论依据。     

线圈式纵向磁场真空灭弧室磁场特性

分析了1/2、1/3和1/4匝纵向磁场真空灭弧室触头设计参数对纵向磁感应强度分布、触头片上涡流分布、纵向磁场滞后时间以及导体电阻值的影响。研究表明:增加触头直径、线圈高度或触头开距会减弱纵向磁感应强度,线圈厚度及触头材料采用CuCr50或CuCr25对其影响不大;减小触头直径、增加开距可使纵向磁场滞后时间减小。触头片上开槽数以及触头材料会对滞后时间产生影响;增加触头直径、线圈高度、线圈厚度、都可以减小导体电阻,而触头片上开槽数以及触头材料也会对导体电阻产生影响。由于设计参数的变化对纵向磁感应强度分布、触头片上涡流分布、纵向磁场滞后时间以及导体电阻值会产生不同的影响,因此设计者应综合考虑各种参数的影响,得到综合性能优的结果。     

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...     

纵磁下真空电弧阳极热过程的仿真

建立了纵磁下真空电弧阳极热过程的二维瞬态轴对称模型,并对极限开断条件下不同能流密度作用下纯铜电极的阳极热过程进行了仿真分析.通过仿真获得了阳极温度沿径向、轴向的变化过程.仿真结果表明,随着能流密度的增大,阳极温度逐渐增大,但由于温升导致蒸发作用增强,温度的增幅减弱;阳极温度最大值并没有出现在能流密度峰值时刻,而是有所滞...     

纵磁真空灭弧室内电弧形态及其转变

从灭弧室实际开断情况出发,阐述了起始收缩型电弧转变成扩散型电弧的条件与机理,并引用美国西屋公司近期的实验研究结果加以分析讨论;最后介绍了设计纵磁触头所需的临界磁场计算公式.