考虑器壁侵蚀影响的低压断路器电弧运动特性仿真及实验

以磁流体动力学(MHD)为基础建立了考虑器壁侵蚀影响的低压断路器中的电弧的数学模型.在传统的质量、动量和能量守恒方程的基础上增加了器壁材料的浓度方程,考虑了器壁材料的烧蚀对气体的热动力学特性和传输系数的影响,并且采用"视角因数法"计算到达器壁的辐射能量.利用基于有限容积法的商业软件对上述模型进行求解,得出灭弧室内温度场、浓度场、气流场的分布情况以及电压随时间的变化过程.仿真结果表明,由于灭弧室内"漩涡"的存在使得电弧后方的聚合物蒸气浓度大于电弧前方的聚合物蒸气浓度;由于产气材料的影响,电弧的最大电压增加了19.2%;产气材料对电弧运动有加速作用,由于产气材料的影响,电弧的平均运动速度增加了20.1%.实验结果验证了仿真模型的合理性.     

直流电弧对导线电极侵蚀特性的仿真及实验研究

导线的绝缘劣化和接头处电极接触不良等因素时常导致电弧的发生。直流电流因其无过零点的缘故,发生电弧时会对设备造成极大的侵蚀损害,甚至造成失火。针对电流为几十安的光伏及直流配电网等直流电应用场景,基于磁流体动力学(MHD)理论并且考虑电弧与电极之间的能量耦合,建立了导线电极的电弧–电极多物理场耦合仿真模型。模型中电弧热源考虑了焓传递项,电弧与阴极能量传递过程中考虑了热电发射电子流与阴极表面温度的关系和电场隧道效应,研究分析了电弧系统的温度场特性,探究了在不同电流、导线截面积和导线电极间距情况下,直流电弧对导线电极的侵蚀程度。研究结果表明：电弧的温度在靠近电极的区域高于弧柱中心的温度,阴极附近的温度略高于阳极附近的温度;然而,阳极的温度始终高于阴极温度;并且,电弧电流越大或者电极间距越大,电极表面的侵蚀熔融区越大;线径越大,电极表面的侵蚀熔融区越小。仿真与实验均表明10mm²导线截面积的导线要求通过的电流在20 A以下才能有效防范电弧对导线电极的侵蚀;仿真结果表明并不是增大电极间距便可减轻侵蚀,间距为2 mm时导线电极未发生侵蚀;50 A的电流需要选择35 mm     

纵向磁场对真空电弧微观特性影响的研究

纵向磁场作用下真空电弧等离子体的微观参数变化趋势对于真空电弧的发展和能量变化有着重要的意义。文中基于气体动力学的漂移扩散方程,耦合电场计算的泊松方程,仿真分析了真空电弧在液态金属桥断裂之后,极间充满了大量的Cu金属蒸气后,到电弧等离子形成的这段非平衡态过程。考虑了真空电弧等离子体中微观电子、离子与金属蒸气分子间的碰撞、重组及粒子的漂移、扩散等复杂变化情况,建立了纵向磁场影响下非平衡态真空电弧的微观模型。数值模拟并分析了不同磁场强度对电弧等离子区微观参数的影响及变化规律。仿真结果表明:随着纵向磁场的增大,阴极与阳极鞘层的电场强度减小,有利于电弧熄灭;同时电极过程减弱,电子和铜离子的数密度均减小,阳极表面的电子温度分布均匀且减小,有利于抑制真空电弧能量的提高。     

高压自能式SF6断路器电弧能量作用过程仿真

建立了高压自能式SR6断路器电弧的磁流体动力学(MHD)数学模型。此模型创新地考虑了传导散热对喷口材料烧蚀。进而对电弧及气流场产生影响，即同时计入了电弧能量以辐射和传导方式烧蚀喷口材料，并考虑了喷口材料烧蚀所产生的蒸气带来的影响。通过对比考虑传导散热与不考虑传导散热两种情况下的开断过程中气流场的分布及变化，深入研究了灭弧室内电弧能量的传递方式。根据文中的计算条件和结果，得出考虑传导散热时，电弧最高温度为不考虑传导散热时的90％。最后，从电弧能量利用角度出发，就灭弧室结构参数对开断性能的影响进行了研究。     

电极烧蚀对密闭容器内空气故障电弧的影响

文中基于磁流体动力学理论(MHD)建立了密闭容器内空气故障电弧的二维数学模型,研究了铜电极烧蚀金属蒸汽对故障电弧的影响。在充分考虑由电极烧蚀引起的熔化、蒸发及化学反应等不同能量传递过程的基础上,通过求解质量、动量、能量、电磁场守恒方程以及金属蒸汽浓度方程描述故障电弧内部的流体动力学和电磁场耦合过程。计算获得了电弧等离子体的温度,压力和铜蒸汽浓度分布。比较分析了考虑和不考虑电极烧蚀情况下的计算结果,研究表明电极烧蚀铜蒸汽对压力上升的影响很小,这主要归因于内部能量平衡的变化。此外,电弧电压对铜蒸汽的存在也不敏感。压力上升、电极烧蚀质量和电弧电压的仿真结果和实验结果相一致,验证了故障电弧仿真模型的有效性。     

小电流下弧根运动对空气直流电弧的影响

阴极弧根为电子发射的主要区域，弧根的运动对空气直流电弧等离子体特性有重要意义。通过电极旋转驱动阴极弧根运动，实验观测得到电极旋转情况下空气直流电弧拉弧过程电极表面烧蚀情况、扭曲的弧柱形态，同时提取并对比了直线拉弧和旋转拉弧的电弧电压上升曲线。参照临界电流试验条件，建立小电流下平行电极间三维电弧仿真模型，探究在小电流情况下，自由燃烧态电弧的演变过程。仿真结果表明：阴极弧根运动使得发射后极间带电粒子空间分布变化，间隙放电通道改变，电弧的最大温度值降低；当电弧放电通道不稳定时，极间电弧电压出现波动，电弧能量包络空间相对变小，间隙中高能粒子较少，有利于电弧能量的空间逸散。     

PTFE蒸气对电弧特性影响的数值分析

在喷口电弧动态数学模型中 ,考虑了喷口烧蚀产生的PTFE蒸气的作用。应用有限元方法模拟了SF6 自能膨胀式断路器开断短路电流的过程。通过与不考虑PTFE蒸气影响的开断过程的模拟结果相比较 ,得到了PTFE蒸气对喷口电弧特性影响的结果。表明 :PTFE蒸气使喷口电弧的压力明显增高 ;使电流较高时的电弧温度降低 ;使电弧电流过零时的弧区温度升高 ;在电弧电流下降时 ,电弧的温度下降速度变慢 ;使电弧的半径增大。     

高压直流继电器电弧运动仿真分析与实验研究

电弧是影响高压直流继电器性能的重要因素,研究电弧运动特性及其灭弧措施对提高其电寿命和可靠性具有重要意义。该文基于磁流体动力学(MHD)建立了高压直流继电器电弧等离子体的三维数学模型,对不同外加磁场、不同银蒸气浓度和增设纵向绝缘栅片条件下的电弧运动进行了一系列的仿真计算,得到不同条件下的电弧电压;通过计算弧根的位置坐标对电弧运动进行表征,得到弧根运动曲线。利用高速摄像机拍摄燃弧过程,对仿真结果进行验证。结果表明,触头烧蚀产生的银蒸气不利于电弧的熄灭并阻碍电弧运动;外加磁场作用下触头断开后的一段时间内,电弧在较小范围内做随机运动,是造成烧蚀的主要阶段,增大外加磁场有利于缩短随机运动时间;增设纵向绝缘栅片将提高电弧电压,加快电弧的熄灭。     

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     

基于磁流体动力学模型的弓网电弧温度场仿真

笔者针对弓网电弧产生的瞬时高温严重烧蚀受电弓滑板和接触网导线的问题展开研究。以磁流体动力学(MHD)理论为基础,考虑电弧的基本物理特性及电磁效应、热效应和辐射效应,建立了静态弓网电弧二维磁流体动力学模型,仿真计算了电弧的温度场分布,得到了电弧弧柱和两电极内部的温度分布特性。仿真结果表明,弧柱中心区域温度最高,并逐渐向外衰减;滑板表面温度高于导线表面,两电极表面温度低于弧柱温度;受电弓滑板表面的温度随着滑板材料热导率的增大而降低;电弧区域、滑板和导线上的温度随电流的增加而增大,而两电极之间的电位差基本保持不变。     

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。     

低压断路器中空气电弧重击穿现象的仿真与实验研究

低压断路器用于接通和分断电路中的电流。当故障电流产生时，动触头和静触头打开，在触头间产生电弧，随后在电磁场和气流场的作用下向灭弧栅片运动。在运动过程中会出现电弧的停滞和后退的重击穿现象，严重降低了断路器的开断性能。该文以磁流体动力学(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的数学模型，此模型可以预测电弧的重击穿现象，并发现当灭弧室的出口面积为60%时，电弧在3mT磁场的作用下运动时出现了重击穿现象，而当磁场增大到5mT时重击穿现象消失。此外，还发现当磁场为10mT时，在出口面积分别为20%、60%和100% 3种情况下电弧均可以顺利到达栅片，在运动的过程中没有电弧重击穿现象的发生。     

不同纵向磁场对大电流真空电弧中阳极活动影响的仿真研究

纵向磁场对阳极活动的控制效果对于大电流真空电弧成功开断十分关键。采用建模仿真的方法,分析不同纵向磁场强度对阳极活动的影响。基于大电流真空电弧模型,仿真得到不同纵向磁场强度下输入阳极的能流密度分布,并以此作为阳极活动模型的边界条件,得到不同磁场强度下的阳极熔化、蒸发情况。仿真结果表明:对于工频电流(50 Hz)电弧,阳极温度的最大值出现7 ms时刻附近;随着纵向磁场的增大,阳极表面温度、饱和蒸汽压、阳极蒸汽流量都相应减小;随着纵向磁场的增大,熔化半径增大,但是熔化深度减小,改善了阳极的烧蚀情况。     

密封式继电器稳态热平衡条件下的电弧等离子体微观参数计算

在电弧等离子体处于稳态热平衡条件下,针对密封式电磁继电器,从主要的化学反应过程出发,考虑反应产生的化合物都是气态的假设,建立了描述电弧微观特性的物理模型,并以铜触头和高纯氮气氛条件为例,分别计算了纯氮气和混有一定量铜蒸气的高纯氮气工作环境下电弧的微观参数.计算结果表明,在氮气为主体的情况下,氮和铜元素的比例变化对电弧等离子体中各种粒子的数密度的影响很小.     

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。     

Arc erosion characteristics of Cu-W contact at load current range in SF6 gas

Development of SF₆ gas-insulated switches that have a long service life and are highly reliable at medium voltage ratings require arc erosion of contacts in SF₆ gas to be decreased. The effects of SF₆ gas pressure and magnetic field for arc blow-out on erosion were studied experimentally in detail using sintered Cu-W contacts. The test current, SF₆ pressure and magnetic field were 100 to 400 A, 0.1 to 0.6 MPa and 0 to 50 mT, respectively. The results show that the arc erosion rate increased linearly with the SF₆ pressure. The magnetic field effectively reduced anode erosion (i.e., the application of a mere 50 mT lowered the erosion rate to 1/3 to 1/4). These phenomena may be attributed, respectively, to the increase in evaporation rate according to the shrinkage of arcing spot areas caused SF₆ pressure and a decrease of the evaporation rate correlating to high-speed movement of the arcing spot on the anode by the magnetic field. However, the cathode erosion was insensitive to the magnetic field. The influence of both W grain size and composition ratio, Cu:W, on the erosion rate was also studied. The smaller W grain at Cu content of 50 to 70 wt.% was found to be best for suppression of erosion under the present conditions. Further, the increase of N₂ mixture ratio to SF₆ under constant total gas pressure greatly decreased contact erosion. © 1997 Scripta Technica, Inc. Electr Eng Jpn, 118 (1): 41–51, 1997     

低气压下空气间隙电弧对覆冰绝缘子串直流闪络的影响

覆冰绝缘子串在直流闪络过程特别是低气压条件下中易产生空气间隙电弧形成"飘弧"现象,飘弧易桥接覆冰绝缘子串,且空气间隙电弧和冰面电弧具有不同的伏安特性,而传统的覆冰绝缘子串直流闪络模型由冰面电弧和剩余冰层电阻构成,没有考虑空气间隙电弧,在低气压下计算结果与实际情况相差较大。为了解此一现象,首先从理论上分析了飘弧对低气压下覆冰绝缘子串直流闪络电压的影响,建立了考虑和忽略空气间隙电弧的覆冰绝缘子串直流闪络模型,根据理论模型计算了相应的闪络电压,并与试验结果进行了比较分析。试验与理论计算结果表明,飘弧现象随着气压的降低和绝缘子串覆冰及污秽的程度增加而增加,低气压下进行绝缘子串直流闪络建模、预测和特性试验时应考虑空气间隙电弧及其飘弧的影响。     

基于自收缩效应液态金属限流器中电弧行为特性的实验研究

研究基于自收缩效应液态金属限流器(LMCL)中的电弧行为特性。设计了具有LMCL基本结构特征的实验模型。利用高速摄影技术获得的起弧和燃弧过程的影像以及通过数字示波器记录的电弧电压和电流波形,揭示了液态金属中电弧起弧机理,分析了电流对弧前自收缩过程的影响,研究了在单孔条件下电弧形态随电弧电压的演变规律。同时在实验过程中发现了电弧对电极的侵蚀现象,并通过分析其成因提出一种能够有效避免侵蚀的电极结构改进方法。该研究对进一步提高LMCL限流性能具指导意义。