纵向磁场对单阴极斑点真空电弧的影响

本文在小电流下真空电弧的试验研究基础上,着重分析了纵向磁场对单阴极斑点真空电弧的影响,并用电弧等离子体的运动解释了纵向磁场的作用,对纵向磁场作用下的强电流真空电弧也作了推论。     

关于阴极斑点后退运动的理论分析

一、前言电弧阴极斑点的后退运动(retrograde-motion)又称反向运动或退缩运动。其特征是在外加磁场的作用下,阴极斑点的运动方向与正常载流导体所受电动力的方向相反。换句话说,阴极斑点不是沿着电动力的方向前进,而是后退。几十年来,许多研究者做了大量工作,对这一现象提出了理论解释。但尚未得到令人满意的解释。二、存在问题文将各种理论观点归结为两大类。简单地说,一类理论认为阴极斑点的反向运动是正切磁场作用于电极金属内部的热流和电流使得沿金属表面斑点温度分布改变的结果,它影响发射热电子最大值的位置,     

电弧反向运动与电极关系

就大气压下电弧反向运动问题,通过一系列试验,测得了大气压下电弧反向运动速度与横向磁场、电弧电流、电极材料和距离的关系数据,验证大气压下电弧反向运动是电弧整体的反向运动,而电弧的整体运动是由阴极斑点固有特性造成的。     

基于NSGA-Ⅱ和BP神经网络的杯状纵磁触头结构优化设计

在直流开断工况下,现有常用工频触头需要开断高频反向电流,但其在高频电流下的电弧调控性能还需要进一步研究。该文以工频常用杯状纵磁触头为例,首先对其在1 000Hz电流下进行磁场仿真,发现电流峰值的触头间隙中心可产生3.17mT/kA的纵向磁场,磁场分布极不均匀;然后为了提高磁场强度最大值以及分布均匀度,提出一种基于BP神经网络与遗传算法相结合的方法对触头结构进行优化设计,建立以触头开槽宽度、开槽长度、径向开槽旋转角度、触头杯斜槽高度和斜槽倾斜度为输入,触头间隙中心电流峰值磁场强度最大值和磁场分布不均匀度为输出的BP神经网络模型;最后通过NSGA-Ⅱ算法对杯状纵磁触头的结构参数进行优化。优化的结果表明：当杯状纵磁触头的参数L₁为2.9mm、L₂为18.0mm、θ₁为20.0°、H为17.5mm和θ2为26.0°时,电流峰值的触头间隙中心可产生4.34mT/kA的纵向磁场,不均匀度从6.89减小到3.39,均匀度得到了较大提升,从而可以提高纵向磁场对真空电弧的调控能力。     

真空电弧截流现象的理论研究

对小电流冷阴极真空电弧的单个阴极斑点建立了以能量平衡、离子守衡为基础的数学模型,将真空电弧的电流ｉ、阴极压降ｖｃ 这些宏观参数与阴极斑点的半径ｒ、温度ｔ 及电子电流占总电流的比例ｓ,这些微观参数联系起来,并对铜和银分别研究了电弧电流对阴极斑点状态的影响,而且比较了铜和银在相同条件下阴极斑点的所有可能状态。发现对同种阴极材料电弧电流越大则阴极斑点可能的存在状态越多,在标度相同的ｒ－ ｔ 平面上存在的点越多,点堆积成的图形面积也越大。在相同的电弧电流下的不同触头材料,截流水平越低阴极斑点可能存在的状态越多,因此提出了用相同标度下ｒｔ 平面上的阴极斑点可能的存在状态面积作为衡量真空电弧相对稳定性的标准。这为比较不同触头材料截流水平相对大小提供了简便方法,有利于对低截流值触头材料的研究。     

横向磁场中的阴极斑点反向运动模型

在一定条件下,处于横向磁场中的阴极斑点会出现停滞或反向运动。从力学角度出发,将单个阴极斑点看成一个达到动态平衡的质点,提出了单个阴极斑点运动模型,分析了阴极斑点发生正反向运动的原因,并试用该模型解释了一些实验所观测到的现象。     

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。     

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。     

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.     

126kV真空灭弧室1/2线圈纵磁触头三维磁场仿真

建立了126kV、1/2线圈纵磁触头三维电极结构模型,并利用有限元法对考虑了电弧影响的有限元模型进行了三维静磁场和涡流场仿真。结果表明静磁场下纵向磁场在触头片开槽处发生畸变,在触头间隙中心平面分布呈"平顶帐篷"形状。在涡流场下,当电流处于峰值时,纵向磁场在触头片上的分布和触头间隙中心平面上的分布与静磁场作用下相似;在电流过零时,纵向磁场在触头片中心形成一个最高峰,在最高峰周围形成6个次高峰;而在触头间隙中心平面分布呈"尖顶帐篷"形;沿路径(0,-60,110)~(0,60,110)纵向磁场的分布为开口向上的抛物线型,最大滞后时间0.36ms。     

杯状纵磁真空灭弧室三维涡流场仿真

对杯状纵磁真空灭弧室触头建立了与实际触头结构完全一致的有限元分析模型,模型中把电弧弧柱处理成圆柱形金属导体.对模型用有限元法进行了三维涡流场仿真.仿真结果表明,考虑电弧以及杯和电弧的涡流效应后,在电流峰值时,触头片中电流密度最大值变大;触头片上槽一侧的纵向磁场比另一侧强;磁感应强度B矢量在触头表面上的分布呈"旋涡"形状,其纵向分量在触头中心较大,越靠近触头边缘越小,而横向分量则增大;电流过零时,与未考虑电弧以及杯和电弧的涡流效应时的计算结果相比,触头间隙中心平面上及触头表面上的纵向磁场分布变为"帐篷"形状,纵向磁感应强度最大值也变大.在触头开距中心处纵向磁场较强且纵向磁场滞后时间也相对较长.     

Field emission from nanometer protuberances at high current density

The results of experimental and theoretical investigations of high-current-density field emission from nanometer objects on the tungsten cathode surface are presented. Such objects were microprotuberances, and spots of Zr or ZrO, produced by a thermal-field buildup process (microtips) and selective adsorption (spots). The limiting values of stable emission current densities from local areas of the cathode surface were determined. The process of the cathode heating was numerically simulated in terms of a heat transfer equation approach for three-dimensional axial-symmetric model. The dependencies of the equation's coefficients upon temperature and mutual influence of the temperature and current distributions were taken into account. The main feature of the calculated temperature distribution consists in forming the overheated region in the inner emitter's volume. It was established that the limiting current densities of stable emission for nanometer objects can be almost an order of magnitude higher than for the traditional field emitter, in accordance with the experimental results     

杯状纵磁触头纵向磁场滞后时间研究

用有限元法对杯状纵磁真空灭弧室触头简化的轴对称模型涡流场进行了分析,给出了触头间隙中纵向磁场滞后时间的空间分布,讨论了触头设计参数对纵向磁场滞后时间的影响。计算结果表明,纵向磁场滞后时间沿径向分布的形状近似于凹面朝下的抛物线右半部,在触头边缘处纵向磁场滞后时间随径向位置增大而线性增加。纵向磁场滞后时间沿轴向的分布规律是,靠近触头中心处,纵向磁场滞后时间沿轴向的变化接近一条直线;越靠近触头边缘这种变化越显著,在杯壁中间处呈不规则的“正弦曲线”分布,在触头边缘处呈凹面朝上的抛物线分布。纵向磁场滞后时间与设计参数的关系是:纵向磁场滞后时间随开距的减小而线性增加;随触头直径的减小而单调递减;随触头片厚度的增加而线性增加;触头材料从CuCr50变到CuCr25时纵向磁场滞后时间增幅显著;杯壁厚度和杯高度对纵向磁场滞后时间几乎没有影响。     

新型真空灭弧室1/3匝线圈纵磁触头三维磁场仿真

设计了一种新型真空灭弧室线圈式纵向磁场触头结构,这种不对称式结构中,静触头具有两层以串联方式相连接的线圈,而动触头侧无任何线圈,使动触头结构大为简化,机械强度得以加强,而动触头质量的减轻将有利于触头开断速度的提高。利用有限元方法建立三维结构模型并仿真,在电流分别处于峰值和电流过零时,得出静触头表面、触头间隙中心平面和动触头表面上的纵向磁场分布以及纵向磁场的滞后时间。仿真结果表明,该不对称式触头结构具有较强的纵向磁场,电流过零后的剩余磁场小、滞后时间短,且导电回路电阻较小。     

Kerr electro-optic field measurement and charge dynamics intransformer-oil/solid composite insulation systems

We measured the electric field in transformer oil/solid composite insulation system under dc voltage application using a Kerr electro-optic measurement system. When a pressboard was inserted at the center between two parallel-plane electrodes, the electric field at the mid-point between the pressboard and the cathode decreased with time. On the other hand, the electric field at the mid-point between the pressboard and the anode increased initially with time, reached a maximum value and then fell down. We measured also the electric field before and after polarity reversal of the dc voltage. The results revealed that the electric field after polarity reversal reached a magnitude 2.7× as much as the average dc applied field. We interpreted the above results on the time transition of the electric field in terms of a charge dynamic model, considering the difference in charge accumulation speed on the pressboard between positive and negative charges. This model was verified to be applicable to the time transition of the electric field in oil/solid composite system and BTA added oil/solid composite system as well     

无轴承电动机轴向磁轴承参数设计与控制系统研究

在介绍无轴承电动机轴向止推主动磁轴承结构和工作原理的基础上 ,阐述了其悬浮力产生原理 ,导出了磁轴承吸力方程 ,推导了位移刚度、电流刚度和最大承载力的数学表达式 ,给出了磁轴承气隙磁感应强度、磁极面积、电磁铁参数、线圈腔参数、辅助轴承等设计或计算方法。建立了磁轴承控制系统的数学模型 ,给出了控制器控制算法和控制系统仿真结果 ,并用模拟和数字控制器实现了磁轴承稳定悬浮。研究表明 ,实验结果和理论设计基本一致 ,提出的设计、计算和控制方法是切实可行的。研究成果对制作无轴承电动机轴向定位磁轴承、 5自由度磁轴承和高速飞轮储能系统中磁轴承等具有参考和应用价值     

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。     

纵磁真空灭弧室的弧后电流

测试和研究了纵磁灭弧室中真空电弧弧后电流的变化与开断电流和电极开距之间的规律,得出了使弧后电流快速上升的转折电流,它表征了燃弧期间开始出现阳极斑点.