大尺寸电极条件下大电流真空电弧特性的仿真

　　基于磁流体动力学模型对大尺寸电极下大电流真空电弧特性进行了仿真研究，分析了电弧电流和纵向磁场对大电流真空电弧特性的影响。仿真结果表明，随着电弧电流的增加，离子数密度、轴向电流密度、等离子体压力以及电子温度在量值上都会增大，而等离子体速度则会减小，各参数的分布越来越不均匀，弧柱收缩加强，当电流达到60kA 时，阴极侧也出现电流的收缩；纵向磁场越强，等离子体速度就越大，而其他等离子体参数在量值上会减小，各参数的分布变得越均匀，纵磁的增强也可以使得阴极侧电流集聚得到抑制。最后，对实际纵向磁场分布以及大尺寸电极下真空电弧特性仿真结果与实际的电弧照片进行了对比，发现二者具有一致性。真空电弧的磁流体动力学模型可以为真空发电机出口断路器的研制提供理论借鉴。

　　1、引言

　　真空电弧又名金属蒸汽电弧，广泛存在于真空开关中。真空开关由于其独特的优点和优异的性能，不仅在中压领域占据了绝对的优势，而且逐渐向高压和低压领域发展，而真空电弧特性及控制措施是决定真空断路器性能的关键，因此，对真空电弧进行研究，从而进一步加强对真空电弧的认识，可为真空断路器的优化与设计提供理论依据。建模与仿真是对真空电弧进行深入研究的一种有效手段，到目前为止，已经有一些研究者对真空电弧进行了建模和仿真研究。国外的研究中， 最为典型的是Boxman 模型，Beilis 和Keidar 模型，Schade 和Shmelev 模型，其中，Boxman 将流体和电磁方程分开考虑，Beilis 和Keidar 的模型没有考虑能量平衡，Schade 和Shmelev 的模型虽然考虑了能量方程，但不是很全面。西门子公司的Hartmann 等人也采用MHD 模型对真空电弧进行了仿真研究。我国的尚文凯和王毅等研究者进行过建模与仿真研究，但其模型较为简化，很难全面地揭示真空电弧的内部物理过程。而王立军等研究者在Schade 和Shmelev模型的基础上考虑了离子和电子的动能以及离子粘性的影响，建立了更加全面的真空电弧磁流体动力学(MHD)模型。

　　大电流真空电弧广泛出现在发电机出口断路器中，而真空发电机出口断路器中的电极都具有很大电极直径的特点。因此，研究大尺寸电极下大电流真空电弧特性及控制机理对于发电机保护断路器研究就变得十分重要。因此，本文在已有工作的基础上对大尺寸电极下的大电流真空电弧进行仿真研究，并研究不同纵向磁场的控制效果。由于电弧电流和纵向磁场是真空电弧研究中两个十分重要的参数，所以，本文重点研究了电弧电流和纵向磁场对大电流真空电弧的影响。并对实际应用的纵磁电极，分析其磁场分布，仿真得到了实际纵磁控制下的真空电弧特性。为了验证仿真结果的正确性，采用高压振荡回路对大尺寸电极的真空电弧特性进行实验研究，仿真结果与电弧照片吻合得较好。

　　2、大电流真空电弧模型

　　大电流真空电弧的物理模型如图1 所示，其中离子流动处于亚音速状态。在该模型中，真空电弧主要由三部分组成，分别是：阴极斑点与混合区，极间等离子区和阳极鞘层区。当电弧电流不是足够大时，电极间的等离子体主要是由阴斑点来提供，因此，极间等离子体的流动主要是由阴极斑点发射的电子和离子流向阳极，电子和离子是电流的载体，电流的方向由阳极指向阴极。本文中仿真求解的区域是弧柱区，模型中的阴极斑点与混合区、阳极鞘层区都只是作为仿真区域的边界。阳极只是作为电流的收集器并不影响等离子体的流动。而且，根据当前的实验结果，熔化、蒸发的阳极材料难以进入弧柱中。仿真过程中并没有考虑弧柱与阴极斑点的相互作用，而只是将阴极斑点与混合区作为仿真区域的边界。

图1 大电流真空电弧物理模型

　　5、结论

　　本文针对发电机出口用真空断路器，仿真研究了大尺寸电极条件下大电流真空电弧的特性，并分析了电弧电流和纵向磁场对大电流真空电弧特性的影响，可得如下结论：随着电弧电流的增大，离子数密度、轴向电流密度、等离子体压力以及电子温度等参数在量值上都会增大，而等离子体速度则会减小，各量的分布越来越不均匀，而且弧柱的收缩性加强；尤其是当电弧电流达到60kA 时，阴极侧同样出现了电流的收缩；纵向磁场越强，离子数密度、轴向电流密度以及等离子体压力就越小，而等离子体速度则会增大，各量的分布也越均匀。纵向磁场的加强同样可以使得阴极侧电流集聚得到抑制。仿真得到的电弧形态与电弧照片吻合较好。