电气参数和机械参数对继电器直流电弧的影响

电气参数和机械参数是影响小型继电器直流电弧开断性能的主要因素。在实验中改变电源电压、负载条件、继电器分闸弹簧数量以及触头对数,测量继电器开断过程中直流电弧的电压电流波形,总结电弧燃弧时间和能量的规律。研究表明:电源电压升高极大地提高了电弧燃弧时间和能量;电源电压一定时,电弧的燃弧时间和能量随电流的上升而增长;电压等级较低时,继电器分断初速度对燃弧时间和电弧能量的影响不大,电压等级较高时,速度对燃弧时间和电弧能量影响较显著;双组触点分断负荷相对于单组触点的情形大大减少了电弧的燃弧时间和电弧能量,有利于减轻电弧对触头侵蚀。     

汽车继电器燃弧时间分析

燃弧时间是影响电弧能量的一个非常重要的参数.电弧的燃烧会造成触头熔焊、侵蚀等失效现象,进而影响继电器的工作可靠性和电寿命.分析了电流、电源电压、电路电感、触头材料和分断速度等是如何影响燃弧时间的,指出电流与燃弧时间之间呈指数或线性关系,分断速度与燃弧时间之间表现为负指数或倒数关系.     

直流真空电弧形态演变的动态影响因素研究

基于新型永磁斥力混合高速操动机构和转移回路强迫过零开断的方法,在合成回路系统中进行了真空电弧直流开断实验。利用CMOS高速摄像机观测直流开断过程中不同转移电流频率下真空电弧的燃烧及转移过程,采用图像处理技术提取了电弧图像特征,得到了不同转移电流频率下强迫过零阶段电弧的形态变化,不同燃弧时间下的电弧形态变化以及不同预充电电压下的电弧形态变化,并对电弧形态变化的原因进行了分析。分析结果表明,注入同等的电弧能量,转移电流频率较低时,电弧形态演化过程长,有利于熄弧后电极间隙介质绝缘强度的恢复;电压过充对电弧形态的演变过程影响较小;燃弧时间较长时,电弧处于大面积稳定燃烧状态的时间较长,产生的金属蒸汽越多,不利于开断。     

SF6断路器灭弧室内短路电流开断过程仿真研究

SF₆断路器灭弧室为封闭式结构,难以直接观测到开断过程灭弧室内各物理场的变化情况,为此建立灭弧室内开断过程的电-热-流体多物理场耦合仿真模型,研究开断过程中各物理场的变化规律。研究发现：当电流在开距较小时过零易导致电弧重燃,电弧的熄灭必须具备足够的吹弧气流速度与介质恢复强度;在开断30 kA短路电流时,电弧最高温度约18 000 K,熄弧后弧隙温度迅速降低到3 000 K以下;压气缸内气体压力随触头运动逐渐增大,最大可达1.0 MPa;吹弧气体速度随喷口的打开逐渐增大,最大速度为253 m/s,冷态气体会带走大量电弧能量并不断压缩电弧半径,为电流过零创造有利的熄弧条件;弧隙最大电场强度随间隙距离与电压变化,一般出现在静弧触头端部与动弧触头弧角处。研究结果可为SF₆断路器短路开断过程与机理分析提供理论支撑。     

汽车起动器触点通断过程燃弧时间试验研究

分别利用RC并联电路和RL串联电路模拟汽车起动器的通断过程,测试了不同闭合浪涌电流和不同电源电压条件下的闭合燃弧时间和分断燃弧时间。试验结果表明,闭合燃弧时间明显小于分断燃弧时间;分断燃弧时间随分断电弧能量的增加而单调增加。     

C_4F_7N/CO_2混合气体熄弧特性试验研究

为研究全氟异丁腈(C_4F_7N)与二氧化碳(CO_2)混合气体的熄弧特性,利用LC振荡回路搭建电弧试验平台,对六氟化硫(SF_6)、5%C_4F_7N/95%CO_2以及9%C_4F_7N/91%CO_2混合气体在0.6、0.8MPa下进行20kA短路电流开断试验,利用测量得到的电弧电压、电弧电流,计算电弧电导,进而研究C_4F_7N/CO_2混合气体的熄弧性能。研究结果表明,随着C_4F_7N含量的增加,电弧电压熄弧峰值以及电弧电导与SF_6气体逐渐接近,表现出优良的灭弧性能。     

直流氢气-氮气混合气体电弧开断过程实验研究

对纯铜双触头结构下氢气混合气体电弧与氮气电弧特性进行研究,在直流回路中,采用可拆、透明及密封的灭弧室,触头直径为18 mm,触头额定开距为1.5 mm,通过高速图像观测系统捕捉触头分断过程中的电弧形态,同时对电弧电压与电流进行测量。研究不同电流下电弧电压、电弧形态、电弧功率以及电阻特性,分析直流电弧的演变过程,并对每个阶段进行定义,分析每个阶段的特点;寻找电弧熄弧时间与气体的扩散系数和电流之间的关系。最后比较不同灭弧介质对开关开断能力的影响。实验结果及理论分析表明,氢气混合气体熄弧特性比氮气优越,与其气体扩散系数和导热系数呈正比。     

H_2和空气下的直流开断电弧的燃弧特性分析

为解决航空电器要求体积小、重量轻、开断容量大的问题,选用H2和空气开关电器样机进行试验研究,建立直流开断试验电路,分析不同气体下直流电弧的电弧电压、电流波形、燃弧时间特性,电弧能量特性及电弧相转变过程。试验结果表明,H2比空气开关电器燃弧时间短、灭弧能力强,具有应用于航空供电系统的优势。     

大功率直流接触器在不同介质中开断电弧特性的实验研究

电动汽车的快速发展和航空系统供电容量的进一步提升对大功率直流接触器提出更高的要求。为了研究大功率直流接触器中密封气体的种类及压强对于接触器开断电弧特性的影响,设计了带单向气阀的桥式直流接触器样机,搭建了直流开断实验平台,测试了不同气体介质和压强下的电弧电压、电流、燃弧时间、燃弧能量等,对比分析了灭弧介质和压强对直流接触器开断特性的影响。结果表明:直流接触器燃弧过程3个阶段中,电弧在触头之间拉长阶段占据了总燃弧时间的60%以上;压强为0.3 MPa时,氢气、氮气、氦气3种气体分断200 V/1 200 A的燃弧时间分别为1.20 ms、1.42 ms和1.54 ms,氢气电弧电压的峰值远高于其他两种气体,且燃弧能量低,表现出优良的灭弧性能;压强从0.1MPa升至0.3MPa,3种气体的灭弧性能均得到显著提高,表现为燃弧时间缩短17%,燃弧能量降低约15%,电弧运动速度加快。     

270V直流开断特性研究与耗散功率变化的Mayr模型仿真分析

为了优化航空270V直流接触器结构设计以及预期接触器的开断容量,采用一种以栅片和磁吹系统相结合的直流接触器,进行典型负载类型下的开断性能实验,得到了感性负载情况下开断难度最大,且随着回路电感值的增大,燃弧时间和电弧熄灭时过电压峰值增加。主触点间并联RC支路虽然会增加整个燃弧时间,但能有效限制过电压的数值,且过电压峰值随并联支路电容C的增加而减小。假设燃弧过程中电弧具有对称性,并对电弧进行受力分析,提出横向磁场中电弧运动速度和消散功率的计算方法,得到一种Mayr电弧修正模型。在不同等级的阻性负载情况下,分别对燃弧过程进行数值仿真,经仿真与实验结果对比,所提Mayr电弧修正模型能够准确描述电极分断过程中电弧电压及运动速度的变化情况,为航空直流接触器的设计提供有效的参考。     

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。     

Relationship between current waveform just before current zero and interruption ability of high‐speed VCB

A high‐speed vacuum circuit breaker which forces the fault current to zero was investigated. The test circuit breaker consisted of a vacuum interrupter and a high‐frequency current source. A vacuum interrupter with an axial magnetic field electrode and a disk‐shaped electrode was tested. The arcing period of the high‐speed vacuum circuit breaker is much shorter than that of a conventional circuit breaker. The arc behavior of the test electrodes immediately after the contact separation was observed by a high‐speed video recorder. The relation between the current waveform just before the current zero point and the interruption ability was investigated experimentally by varying the high‐frequency current source. The results demonstrate the interruption ability and the arc behavior of the high‐speed vacuum circuit breaker. Effective current interruption is made possible by a low current period just before the current zero point, even though the arcing time is short and the arc is concentrated. © 2010 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 172(2): 20–27, 2010; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.20915     

Influence of power supply on continuity of vacuum arc with Al cathode and N2 flow under medium vacuum

The continuity of a steered vacuum arc with Al cathode and N₂ flow at a pressure between 0.1 and 5 Pa is investigated. Two constant‐current power supplies (60 V open‐circuit voltage/30 V load voltage and 310 V/240 V) and a constant‐voltage power supply with open‐circuit voltage 550 V are used. The arc current is 30 A, the N₂ flow rate is 20 ml/min, and the transverse magnetic field density at the cathode edge is 1.2 mT. The following results are obtained. (1) When the power supply with lower open‐circuit and load voltages is used, a decrease in pressure causes the arc to lose sustainability. (2) When the power supply with high open‐circuit and load voltages is used, the arc can continue even at lower pressure. (3) When the power supply with higher load voltage is used, abnormal discharge behind the magnet field guide‐disk may occur at lower pressure. The above‐mentioned influence of power supply on arc continuity is interpreted in terms of column fall and generation of a new cathode spot. © 1999 Scripta Technica, Electr Eng Jpn, 128(3): 9–15, 1999     

外施横磁下真空断路器弧后金属蒸汽击穿过程仿真研究

从微观的角度分析外施横向磁场下直流真空断路器弧后金属蒸汽击穿过程。首先,建立了可以描述直流真空断路器弧后金属蒸汽击穿过程的粒子模拟-蒙特卡洛碰撞仿真模型，确定了弧后金属蒸汽击穿判据；其次对比了不同横向磁场强度下弧后金属蒸汽击穿的发展过程，分析外施横磁强度对弧后金属蒸汽击穿的作用；最后，分析了外施横向磁场强度对弧后金属蒸汽击穿时刻的影响。研究结果表明：场致发射提供了金属蒸汽击穿的初始电子，是诱发金属蒸汽击穿的“种子”，电子崩的出现意味着金属蒸汽击穿的发生；横向磁场会降低真空间隙内的电子数和铜离子数，这是因为间隙内的电子和铜离子会在横磁的作用下横向扩散；横向磁场越大，金属蒸汽击穿速度越慢，当外施磁场由0 mT增加至2 000 mT时，击穿时刻由1.913×10^-7 s增加至2.72×10^-7 s。本文的研究结果有助于理解外施横磁下直流真空开断的弧后金属蒸汽击穿过程，可为低压直流真空断路器的开发提供理论依据。     

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。     

储罐罐壁缺陷检测爬壁机器人吸附机构的磁场分析

针对阶梯形变截面罐壁缺陷漏磁检测的可调节磁路问题,设计了吸附机构,实现吸附的同时对12mm厚罐壁进行有效磁化。基于传统的标准缺陷漏磁测量法,再结合剖分试件法,通过Ansys仿真和实验测量磁感应强度、背底磁场以及漏磁场特性,得到气隙值分别为5.5mm、6.5mm、7.5mm、8.5mm、9.5mm、10.5mm的漏磁场曲线。验证了磁路设计的正确性和仿真的可参考性,为通过仿真确定不同厚度钢板所需气隙提供依据。实验发现,钢板缝隙正上方漏磁场Bx和Bz存在峰值,随着气隙增大Bx峰值下降至5~10m T,偏离缝隙Bx骤减,钢板无缝隙处的背底磁场在20~30m T,钢板缝隙内磁化强度在771~893m T,且磁化较均匀。     

不同触头开距下真空电弧现象的研究

利用动态图象高速微机采集系统,对纵向磁场线圈触头真空电弧形态进行了研究,触头开距从10mm到40mm变化,得出在相同电弧电流下,电弧扩散区域随开距增加而增加;电弧电压随开距增加而呈线性增加;弧柱电弧电场强度随开距增加而减少。这说明在长开距下,由于弧柱表面积增加,扩散到弧柱外的电子、离子和金属粒子相应增多,因而使输入到弧隙的能量增加以加热触头表面和加强粒子的扩散。     

Arc behavior and interruption ability of uniform vacuum arc control technology and its application to vacuum interrupter

The vacuum arc characteristics and high current interruption ability of several different sized electrodes applied in the uniform vacuum arc control method named self arc diffusion by electrode (SADE) are presented. The arc behavior of the test electrode during the arcing period was observed by a high‐speed video camera. At extremely high interruption currents, the arc of the conventional axial magnetic field (AMF) electrode concentrates, causing local heating of the electrode. However, the arc of the SADE diffuses over the whole contact area thus avoiding local heating. The interruption ability of SADE is about twice as much as that of the conventional AMF for the same sized electrode. By applying this arc control method to vacuum circuit breaker (VCB), it can be made more compact and lighter than the conventional type. © 2011 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

Investigation of a new extinguishing principle for a gas circuit breaker

A self-extinguishing principle of a gas circuit breaker (GCB) without puffer action (autopuffer GCB) using an external magnetic field was investigated to improve the interrupting capability in the small current region (several kA). Properties of the rotating speed of an arc, the arc voltage, and the gas pressure rise in an expansion space under the external magnetic field were studied experimentally. The relation between the interrupting capability and the radial magnetic flux density in the autopuffer GCB with a permanent magnet (magnet-assisted autopuffer GCB) was obtained experimentally and also analyzed numerically. The results are summarized as follows.

• 1 The arc column is driven in the azimuthal direction by the radial component of the external magnetic field.
• 2 The rotating speed of the arc driven by the radial magnetic field of a permanent magnet remains constant in the arc current range below several kA, and it decreases with an increasing current in the current above several kA.
• 3 Since the arc rotation raises the arc voltage and gas pressure in the expansion space, the gas flow from the expansion space to the arc increases in the vicinity of current zero. The interrupting capability is then improved in the small current region.
• 4 It is confirmed that the magnet-assisted auto-puffer GCB has a good interrupting capability not only for the large current region but also for the small current region.

     

自能式SF6断路器熄弧性能的并行计算仿真

自能式SF6断路器开断过程中,电弧的产生、熄灭过程是一个多场耦合的问题,要对之建立数学模型并对其进行求解是一项非常庞大、复杂的计算任务,并且需要有高性能的计算机和较高的计算速度。到目前为止对电弧数学模型的求解建立在许多的假设以及忽略很多无法用计算来描述的现象的基础上。该文希望在以往的熄弧性能研究基础上,在微机集群上(COWS),率先采用并行计算技术,利用流体力学软件PHOENCIS,采用区域分解算法对自能式SF6断路器的熄弧性能进行并行计算仿真。对微机集群(COWS)并行效率和加速比进行了测试,并对计算结果进行了理论分析。结果表明,文中建立的微机集群用于并行计算是可行的,计算结果是符合自能式SF6断路器的熄弧原理和开断规律的。