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     

横向磁场对真空电弧离子镀中阴极弧斑运动速度的影响

本文就真空电弧离子镀中,横向磁场对阴极弧斑运动速度的影响进行了研究。实验中,用暂态波形存贮器采集阴极弧斑的光电信号。对弧斑运动速度进行测量的方法,是简单可靠的。所得结论对真空电弧离子镀这门新技术的进一步发展,即开发受拉电弧离子镀膜能提供一定的参考。     

真空电弧电压与电弧形态关系的实验研究

在可拆卸式真空灭弧室中对平板式电极进行了试验,通过高速电荷耦合器件(CCD)摄像机拍摄的电弧形态照片及示波器记录的电弧电压波形,研究了真空电弧的电弧电压与电弧形态的关系。作为对比,也对杯状纵磁触头进行了一些试验。     

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。     

中频真空电弧的等离子体特性

目前应用于未来多电和全电飞机（电流频率360～800Hz）的中频真空开关正成为研究热点,中频真空电弧理论的研究正不断深入。分析了电弧等离子体连续光谱的辐射理论,在假定中频真空电弧处于部分局部热力学平衡态（partial local thermodynamic equilibrium,PLTE）的基础上,结合实际光学通路的简化模型,得到通过双波段窄带连续光谱测量电子温度和电子密度的方法,然后设计了中频真空电弧的参数测量系统实现上述过程。该系统由添加了双波段窄带滤光片的彩色数字电荷耦合器（change．coupleddevice,CCD）摄像机和电弧图像数据分析程序组成,能够同时拍摄电弧图像并获取所需数据。在对光学通路模型进行标定后,利用该系统观测了中频（400、650和800H而电弧形态的演变,并测量了真空电弧的电子温度和电子密度,结果表明理论分析和实验过程有效。中频情况下,电弧主要呈现过渡态电弧和扩散态电弧2种形态。过渡态电弧演变迅速,并在电流峰值时刻转变为扩散态电弧。有效值约为8kA的中频电流在峰值时刻电子温度处于0．5～3eV之间,而电子密度量级为10^20-10^21 m^-3,这些与其他学者得到的电弧等离子体参数相符。     

126kV真空灭弧室3/4匝纵向磁场触头磁场特性及电弧形态研究

文中针对一种126 kV真空灭弧室3/4匝线圈型纵磁触头,采用电磁仿真分析及拉弧试验方式对其磁场特性及真空电弧形态进行研究。选择3种触头片开槽位置以及3种触头电流连通位置、有无导流排结构,共8种结构进行磁场强度与分布、触头回路电阻的对比,选择当触头电流连通位置对应时,触头片开槽位置在左侧(结构2)与开槽位置在右侧(结构3)的无导流排及有导流排的两种结构进行电弧试验,试验电流为40 k A(rms),燃弧时间为9 ms。分析及试验结果表明,当开槽位置在右边,磁场强度较强且均匀,真空电弧扩散态模式持续时间较。在第2个电流半波峰值时,有导流排的结构的触头之间的电弧集聚更强烈,阳极射流开始形成至阴极区域,真空电弧处于阳极斑点模式。通过对8种触头结构进行分析比较,126 kV真空灭弧室3/4匝线圈型触头选择触头结构3,触头电流连通位置对应,开槽位置在右,无导流排。     

真空电弧的磁场效应

根据大电流真空电弧物理模型,基于磁场对电流的作用力,分析了真空电弧自生磁场收缩效应及对分断电弧的影响,得到弧柱中自生磁场产生的电磁压强分布,指出了外加纵向磁场分量对减小自生磁场收缩效应的作用.     

纵向磁场作用下触头间隙间的真空电弧形态变化的分析

正确的利用纵向磁场可大大改善真空灭弧室的分断能力，文中介绍了利用外加磁场的方式及在触头背面设置线圈产生纵向磁场的方式所做的各种真空电弧电流下的性能，分析了两种方式下的试验结果，研究了纵向磁场和真空电弧间的相互作用。     

真空电弧的磁场效应

从宏观角度讨论了真空电弧电流产生的自生磁场的收缩效应和涡电流磁场效应对电流开断的影响。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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...     

杯状带铁心和不带铁心两种纵磁触头磁场特性的分析比较

用三维有限元方法研究了不同开距下杯状带铁心和不带铁心两种纵磁触头的磁场特性,包括纵向磁感应强度和纵向磁场滞后时间。对两种触头进行对比分析的结果表明:①杯状纵磁触头引入铁磁环后在铁心区域纵向磁场大大增强,在触头中心区域减弱,呈凹形分布。电流过零时,在铁心区域剩余纵向磁场明显高于不带铁心情况,而在非铁心区域非常接近。随着开距的增大,铁心区域纵向磁场下降显著,非铁心区域纵向磁场几乎不变。而不带铁心结构纵向磁场随开距的增加呈较均匀的下降。②与杯状不带铁心纵磁触头相比,带铁心结构纵向磁场滞后时间在整个区域增大。随着开距的增大,两种纵磁触头纵向磁场滞后时间都下降。③铁磁环的引入一方面使得纵向磁感应强度以及分布都发生了很大的变化,另一方面带来的涡流效应也变得更加明显了,因此在设计触头时应同时关注其正反两方面的效应。     

基于正交设计的杯状纵磁真空灭弧室磁场特性分析

采用正交设计方法对杯状纵磁触头的杯厚、杯指数等7个触头设计参数进行实验设计，用三维有限元方法对实验方案进行磁场特性分析，其中磁场特性包括纵向磁感应强度、纵向磁场滞后时间以及导体电阻值。通过对实验结果进行方差分析，得出了触头设计参数对磁场特性影响程度的定量关系，由此找出影响杯状纵磁触头磁场特性的显著因素与非显著因素。对显著因素和实验结果进行回归分析，得出杯状纵磁触头磁场特性与显著因素关系的回归方程。采用正交设计方法，大大减少计算次数，提高计算质量。得到的结果可以为真空灭弧室的研究和设计提供参考。     

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。