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磁控触头旋转开断过程中直流真空电弧形态与电压特性

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真空科学与技术学报 2024年第7期44卷 636-645页

作者：徐鸿飞李争博付思曹云东沈阳工业大学特种电机与高压电器教育部重点实验室沈阳110870

为探索直流断路器磁控触头开断产生的真空电弧形态演变规律及其电压特性,提出了一种在触头直拉基础上附加阴极旋转运动的开断方式“旋转—直拉开断”。由于磁控触头开断电流自生磁场会影响真空电弧发展过程,文章对阴极旋转开断产生的磁... 详细信息

为探索直流断路器磁控触头开断产生的真空电弧形态演变规律及其电压特性,提出了一种在触头直拉基础上附加阴极旋转运动的开断方式“旋转—直拉开断”。由于磁控触头开断电流自生磁场会影响真空电弧发展过程,文章对阴极旋转开断产生的磁场进行了仿真分析。同时搭建了可拆卸真空灭弧实验平台,对万字型横磁触头和杯状纵磁触头在不同开断方式下的真空电弧的形态演化规律以及电弧电压特性进行了对比分析研究。仿真与实验结果表明:真空电弧在旋转开断方式下受到触头磁场和旋转离心力的共同作用,燃弧时间更短、由限制型电弧向扩散态的转变更快、熄弧效率更高。“旋转—直拉开断”使得在阴极表面的亮斑运动加速,使得电弧能量逸散更快有效提高熄弧能力。

关键词：磁控触头真空电弧旋转开断电弧形态

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小电流真空电弧多物理场仿真耦合机理研究

广东电力 2024年第7期37卷 98-106页

作者：张宏波张铁柱赵一鉴周健宇李玉玉董华军国家电网内蒙古东部电力有限公司兴安供电公司内蒙古乌兰浩特137400 大连交通大学机械工程学院辽宁大连116028 大连沣毅电力科技有限公司辽宁大连116028

真空开关开断过程中产生的真空电弧涉及电、磁、热等多物理场耦合及多物性参数变化,研究其特性对于改进真空开关至关重要。为此,建立小电流真空电弧多物理场耦合模型,利用COMSOL Multiphysics对燃烧过程中的温度、压力、速度、电流密度... 详细信息

真空开关开断过程中产生的真空电弧涉及电、磁、热等多物理场耦合及多物性参数变化,研究其特性对于改进真空开关至关重要。为此,建立小电流真空电弧多物理场耦合模型,利用COMSOL Multiphysics对燃烧过程中的温度、压力、速度、电流密度、磁场强度等关键参量进行仿真,并分析多物理场间耦合机理。结果表明:等离子体温度、压力、电流密度最大值均在阴极表面中心处,磁场最大处靠近阴极侧,速度最大处靠近阳极侧;温度场、电流密度场、磁场随时间变化波动趋势基本一致,速度场波动滞后于压力场。

关键词：真空电弧多物理场电弧参数仿真耦合

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大电流真空电弧开断过程瞬态特性仿真分析

电机与控制学报 2024年第1期28卷 189-196页

作者：董华军程靖洲赵一鉴库照宇李东恒大连交通大学机械工程学院辽宁大连116028

针对开断过程中传统稳态模型无法表征真空电弧动态特性问题,以工频电流下开断峰值为10 kA大电流真空电弧为研究对象,搭建等离子体弧柱区二维物理模型,在已有双温磁流体动力学稳态模型中引入密度、温度、压力及速度等流场参数时变项,同... 详细信息

针对开断过程中传统稳态模型无法表征真空电弧动态特性问题,以工频电流下开断峰值为10 kA大电流真空电弧为研究对象,搭建等离子体弧柱区二维物理模型,在已有双温磁流体动力学稳态模型中引入密度、温度、压力及速度等流场参数时变项,同时利用动网格技术控制弧柱区变化速率,模拟触头分闸过程,综合考虑电流及开距变化情况下等离子体各物理场参数变化,以获取开断时电弧微观流场瞬态特性,探究开断过程中电弧形态及能量变化。分析结果可知:离子压力、温度、电子温度和阳极表面能流密度均随动、静触头分离而减小;离子速度无明显变化;等离子体不断向外扩散,由于电流减小,金属蒸汽源也逐渐减少,极间等离子体密度降低,阳极尚未达到活跃程度,最终电弧熄灭。

关键词：真空电弧等离子体开断过程双温模型动态特性仿真分析

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横磁触头真空电弧起始运动的临界触头开距实验研究

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宁夏电力 2024年第2期 46-53页

作者：李秀广姚晓飞周秀张庆平亓亮国网宁夏电力有限公司电力科学研究院宁夏银川750011 西安交通大学电力设备与电气绝缘国家重点实验室陕西西安710049

起始桥柱状真空电弧运动的临界开距是对应于横磁触头大电流真空电弧运动模式演变的标志性物理量,对横磁触头真空断路器大电流开断性能具有重要影响。本文的研究目标是实验研究横磁触头开槽方式、燃弧时间和电弧电流等因素对横磁触头起... 详细信息

起始桥柱状真空电弧运动的临界开距是对应于横磁触头大电流真空电弧运动模式演变的标志性物理量,对横磁触头真空断路器大电流开断性能具有重要影响。本文的研究目标是实验研究横磁触头开槽方式、燃弧时间和电弧电流等因素对横磁触头起始桥柱状真空电弧运动临界开距的影响规律。研究结果显示在燃弧时间0 ms~10 ms、电流有效值5 kA~31.5 kA的实验条件下,3种结构的横磁触头的起始桥柱状电弧有越靠近电流峰值起弧,停滞时间越长的趋势。直角槽型卐字形横磁触头(CuCr40)、螺旋槽型横磁触头(CuCr25)和曲线槽型卐字形横磁触头(CuCr50)的电弧运动临界开距分别在0.96,1.1 mm和1.7 mm有概率最大值点。相关研究结果对横磁触头大电流真空电弧的发展和演变特性的理解提供基础。

关键词：真空电弧横磁触头临界开距起始运动

真空电弧开断过程中金属蒸气动态演化特性研究

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真空电弧开断过程中金属蒸气动态演化特性研究

作者：陶哲华中科技大学

学位级别：硕士

随着我国电力工业的飞速发展,电网建设规模和设备质量不断得到提高,真空断路器凭借其优异的熄弧能力及环境友好的优点,逐渐成为了我国中压配电领域的主要开断设备。为了推动我国能源绿色低碳转型,提高真空断路器开断性能、推动真空开断... 详细信息

随着我国电力工业的飞速发展,电网建设规模和设备质量不断得到提高,真空断路器凭借其优异的熄弧能力及环境友好的优点,逐渐成为了我国中压配电领域的主要开断设备。为了推动我国能源绿色低碳转型,提高真空断路器开断性能、推动真空开断技术向更高电压等级发展,逐渐成为了环保型开关技术研究领域的热点。研究表明,真空断路器的开断性能很大程度上取决于开断过程中真空电弧微观粒子的动态演化过程,而金属蒸气作为真空电弧的重要组成部分,其原子密度大小及动态分布特性对于真空断路器开断电流的成功与否具有重要影响,更关系到真空开关设备的使用寿命。因此,为了对真空电弧开断过程中金属蒸气的动态演化特性展开研究,本文搭建了基于质量传递理论的真空电弧金属蒸气原子扩散过程有限元仿真模型,利用动网格模块实现了对触发引弧和真空拉弧两种燃弧工况的模拟,可以计算得到真空灭弧室内金属蒸气原子的瞬时密度分布结果。为了获取真空电弧燃烧过程中金属蒸气的动态分布特性,为仿真模型的输入边界条件设置提供依据,本文搭建了基于可拆真空灭弧室的工频电流开断实验回路,运用高速摄像机对燃弧过程中的阴极斑点图像进行拍摄,得到了不同幅值工频电流下阴极斑点的动态分布特性,发现阴极斑点区域的平均扩散速度与电流幅值均方根有良好的线性关系;同时,利用光谱仪对真空电弧金属蒸气的原子发射光谱进行了观测,获得了燃弧初始阶段金属蒸气铜原子的径向谱线强度分布结果,发现阴极斑点的扩散特性与间隙金属蒸气原子扩散特性有良好的相关性。基于仿真模型和实验结果,对金属蒸气原子的扩散系数进行了仿真研究,选定了适用于工频真空电弧金属蒸气研究的扩散系数;针对真空断路器的结构、性能参数和实际开断工况,研究了触头型式、操动机构驱动速度和开断电流幅值对金属蒸气原子扩散特性的影响,结果显示采用纵磁触头可以促进燃弧过程中金属蒸气原子在间隙内的均匀分布,有利于真空电弧的稳定燃烧;基于仿真结果提出了通过适当提高真空断路器操动机构的驱动速度来降低大电流开断时燃弧初始阶段的原子密度峰值,促进燃弧过程中金属蒸气的扩散,减少金属蒸气电弧对电极表面的烧蚀,从而提高真空断路器开断能力,延长断路器触头的使用寿命。

关键词：真空电弧金属蒸气扩散过程动态分布

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真空电弧与阳极烧蚀过程的建模与仿真研究

真空电弧与阳极烧蚀过程的建模与仿真研究

作者：孙科华中科技大学

学位级别：硕士

真空电弧从阴极出发朝着阳极运动,携带着大量能量,对真空开关的阳极产生烧蚀,其程度极大地影响着真空开关的开断成功率和寿命等重要指标。真空电弧对阳极烧蚀的物理过程涉及很多方面,本文以磁流体动力学和热力学为基本理论,建立了真空... 详细信息

真空电弧从阴极出发朝着阳极运动,携带着大量能量,对真空开关的阳极产生烧蚀,其程度极大地影响着真空开关的开断成功率和寿命等重要指标。真空电弧对阳极烧蚀的物理过程涉及很多方面,本文以磁流体动力学和热力学为基本理论,建立了真空电弧和烧蚀过程的物理模型,开展仿真计算,分析了影响阳极烧蚀过程的多个因素。论文提出的仿真方法与分析结论可为真空开关的优化设计提供较好的技术参考。本文建立了真空电弧的磁流体动力学模型,将真空电弧中电子的能量方程和磁传输方程耦合到流体的质量守恒、动量守恒、能量守恒三大方程中,以Ansys Fluent软件为仿真计算平台,建立用户自定义函数,对真空电弧进行求解。根据真空电弧仿真模型,计算得到不同电流大小和电极间距下,真空电弧注入阳极表面的压力、电流密度和热流密度参数。本文建立了阳极烧蚀二维瞬态模型。首先采用以理想热流密度作为边界条件的建模方法,并考虑了阳极材料的相变、熔化潜热和蒸发潜热、真空中的辐射散热、各种材料物性参数在热过程中随时间变化等因素。在此理想模型基础上,本文进一步提出了考虑熔池流动的烧蚀模型,并采用前述真空电弧模型计算的热流密度作为边界条件,同时考虑了阳极熔池流动、液滴飞溅等物理过程造成的质量损失、电磁力、焦耳加热、粘性力、重力、表面张力以及Marangoni效应等因素,在COMSOL软件中建立模型,采用两相流方法进行求解。本文根据理想热流密度阳极烧蚀模型的计算结果,分析了Cu、Cr、Cu Cr25和Cu Cr50四种不同材料的烧蚀过程。之后以铜电极为例,分析了电极直径和热流密度对阳极热过程的影响。论文根据考虑熔池流动的阳极烧蚀模型的计算结果,分析了电流大小和电极间距对阳极活动的影响。计算结果表明,电流大小和电极间距的增大会使阳极热过程变得更加活跃,当增大到一定数值时,会出现在电弧过零时仍存在液滴喷溅现象。这些金属颗粒携带着大量能量,可能导致真空开关分断失败。

关键词：真空电弧阳极烧蚀熔池流动磁流体动力学两相流

基于PIC/MCC模型的真空电弧开断过程鞘层模拟研究

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基于PIC/MCC模型的真空电弧开断过程鞘层模拟研究

作者：石奇霖华中科技大学

学位级别：硕士

真空开关以其优异的灭弧性能和环保特性而被广泛应用于中压电网的输配电领域,然而真空开关开断大电流的成功率限制了其在更高电压等级的应用,其中真空灭弧室是决定开断性能的关键。真空开关开断电流过程中会产生真空电弧并在触头间隙中... 详细信息

真空开关以其优异的灭弧性能和环保特性而被广泛应用于中压电网的输配电领域,然而真空开关开断大电流的成功率限制了其在更高电压等级的应用,其中真空灭弧室是决定开断性能的关键。真空开关开断电流过程中会产生真空电弧并在触头间隙中产生等离子体和金属蒸气,在电流过零后,等离子体的扩散运动和相互间的碰撞反应直接决定了断路器是否发生重击穿现象,从而反映开关能否可靠开断。电子离开近阴极区所形成等离子体鞘层这一发展过程则为弧后介质强度恢复程度提供了参考依据。本文从微观粒子的角度出发,针对真空开关开断过程中电弧从燃烧至熄灭的物理过程,以真空电弧燃弧阶段和弧后阶段的等离子体鞘层为研究对象,建立了自洽考虑外电路作用的一维隐式PIC/MCC(Particle-in-cell/Monte Carlo collision)模型,研究了真空电弧微观粒子的动态演化特性。本文首先对燃弧阶段近阴极区的粒子演化所形成鞘层的物理特性进行了分析,得到了燃弧阶段近阴极区的等离子体密度、鞘层厚度和电场强度等结果,研究了等离子体密度和电子温度参数的变化对稳态下鞘层厚度的影响,并讨论了外加磁场的影响。其次,本文模拟了弧后介质恢复阶段的鞘层发展过程,得到了包括电子和铜离子在内的等离子体密度和电流密度以及电势分布,定性讨论了残余等离子体密度、金属蒸气密度和暂态恢复电压上升率对弧后介质恢复速度的影响规律,并研究了多参数变化对介质恢复的影响规律,给出了多参数取值下的真空开关开断结果参考,对真空开关所应用的场景给出了可能的优化方向。本文的研究结果对于真空电弧弧后介质恢复阶段的演化提供了参考,为更高电压等级真空断路器的研制提供一定的理论基础和参数选取的参考依据。

关键词：真空电弧 PIC/MCC模型鞘层生长速度等离子体扩散

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基于磁流体动力学的大电流真空电弧仿真研究

基于磁流体动力学的大电流真空电弧仿真研究

作者：陈俊杰华中科技大学

学位级别：硕士

真空电弧的研究涉及到真空开关的核心理论,是优化开关电极结构、提高开关电压等级的关键。由于真空开关内部封闭、真空电弧物理过程复杂等问题,通过实验研究的手段难以获得真空电弧等离子体参数的全貌,利用数值仿真技术对电弧等离子体... 详细信息

真空电弧的研究涉及到真空开关的核心理论,是优化开关电极结构、提高开关电压等级的关键。由于真空开关内部封闭、真空电弧物理过程复杂等问题,通过实验研究的手段难以获得真空电弧等离子体参数的全貌,利用数值仿真技术对电弧等离子体进行模拟成为了研究真空电弧的有效途径。本文针对燃弧状态下极间电弧区域内的真空电弧进行建模,基于真空电弧的基本特性作出假设,根据流体力学的质量守恒、动量守恒和能量守恒,结合广义欧姆定律和麦克斯韦方程,在磁流体动力学理论基础上推导了真空电弧的双温磁流体动力学三维模型。基于计算流体动力学软件ANSYS Fluent,利用软件的自定义开发功能,建立了电弧模型的数值计算方法。此外,在建立的数值计算模型基础上,综合考虑了真空电弧各种参数之间的依赖关系,提出了一种初始化方法,能够实现所有物理场的耦合求解。针对数值求解中的微分运算问题,提出了一种基于Fluent用户自定义标量的微分计算方法,解决了自定义编程微分运算的难题。利用建立的模型和数值计算方法,对大电流真空电弧进行了仿真计算。电流大小为10 k A,电极半径和电极开距分别为30 mm和10 mm,并且假设电流密度在阴极均匀分布。计算得到了电弧的流场、温度场和电磁场等参数的分布,详细分析了参数的空间分布特征以及各参数之间的联系。将仿真结果与相关研究结果进行了对比验证,在考虑实验工作和仿真工作均有可能出现的误差情况下,结果表明:在相同的燃弧参数条件下,本文仿真结果与相关实验和仿真结果之间的数值差异在合理范围内,参数的相关变化规律与实验现象相符,初步验证了本文建立的真空电弧模型及其数值计算方法的有效性。在此基础上还讨论了电弧电流大小、电极开距以及外加纵向磁场等燃弧参数对阳极参数特性的影响,得到了如下结论:电弧电流越大,电弧能量和电弧压力向阳极中心集聚的现象越明显,阳极中心区域的电极材料有烧蚀和变形的风险;在保证真空开关耐压和电极不被烧蚀的情况下,减小电极开距可以改善阳极侧的压力和能量分布;施加纵向磁场将减轻电弧的集聚,有助于改善阳极中心区域压力和能量集聚的现象。仿真结论可以为真空开关设计提供指导和借鉴。

关键词：真空电弧磁流体动力学模型 ANSYS Fluent 亚音速电弧

纵磁作用下真空电弧单阴极斑点等离子体射流三维混合模拟

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物理学报 2021年第5期70卷 245-253页

作者：王振兴曹志远李瑞陈峰孙丽琼耿英三王建华西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室西安710049

真空电弧的特性直接受到从阴极斑点喷射出的等离子体射流的影响,对等离子体射流进行数值仿真有助于我们深入了解真空电弧的内部物理机制.然而,磁流体动力学和粒子云网格仿真方法受限于计算精度和计算效率的原因,无法有效地应用于真空电... 详细信息

真空电弧的特性直接受到从阴极斑点喷射出的等离子体射流的影响,对等离子体射流进行数值仿真有助于我们深入了解真空电弧的内部物理机制.然而,磁流体动力学和粒子云网格仿真方法受限于计算精度和计算效率的原因,无法有效地应用于真空电弧等离子体射流仿真模拟.本文开发了一套三维等离子体混合模拟算法,并在此基础上建立了真空电弧单阴极斑点射流仿真模型,模型中将离子作宏粒子考虑,而电子作无质量流体处理,仿真计算了自生电磁场与外施纵向磁场作用下等离子体的分布运动状态.仿真结果表明,单个阴极斑点情况下真空等离子体射流在离开阴极斑点后扩散至极板间,其整体几何形状为圆锥形,离子密度从阴极到阳极快速下降.外施纵向磁场会压缩等离子体,使得等离子体射流径向的扩散减少并且轴线上的离子密度升高.随着外施纵向磁场的增大,其对等离子体射流的压缩效应增强,表现为等离子体射流的扩散角度逐渐减小.此外,外施纵向磁场对等离子体射流的影响也受到电弧电流大小的影响,压缩效应随电弧电流的增加而逐渐减弱.

关键词：真空电弧等离子体射流混合模型纵向磁场