基于磁流體動(dòng)力學(xué)模型對(duì)大尺寸電極下大電流真空電弧特性進(jìn)行了仿真研究，分析了電弧電流和縱向磁場(chǎng)對(duì)大電流真空電弧特性的影響。仿真結(jié)果表明，隨著電弧電流的增加，離子數(shù)密度、軸向電流密度、等離子體壓力以及電子溫度在量值上都會(huì)增大，而等離子體速度則會(huì)減小，各參數(shù)的分布越來(lái)越不均勻，弧柱收縮加強(qiáng)，當(dāng)電流達(dá)到60kA 時(shí)，陰極側(cè)也出現(xiàn)電流的收縮；縱向磁場(chǎng)越強(qiáng)，等離子體速度就越大，而其他等離子體參數(shù)在量值上會(huì)減小，各參數(shù)的分布變得越均勻，縱磁的增強(qiáng)也可以使得陰極側(cè)電流集聚得到抑制。最后，對(duì)實(shí)際縱向磁場(chǎng)分布以及大尺寸電極下真空電弧特性仿真結(jié)果與實(shí)際的電弧照片進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)二者具有一致性。真空電弧的磁流體動(dòng)力學(xué)模型可以為真空發(fā)電機(jī)出口斷路器的研制提供理論借鑒。

　　1、引言

　　真空電弧又名金屬蒸汽電弧，廣泛存在于真空開(kāi)關(guān)中。真空開(kāi)關(guān)由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)異的性能，不僅在中壓領(lǐng)域占據(jù)了絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，而且逐漸向高壓和低壓領(lǐng)域發(fā)展，而真空電弧特性及控制措施是決定真空斷路器性能的關(guān)鍵，因此，對(duì)真空電弧進(jìn)行研究，從而進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)真空電弧的認(rèn)識(shí)，可為真空斷路器的優(yōu)化與設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。建模與仿真是對(duì)真空電弧進(jìn)行深入研究的一種有效手段，到目前為止，已經(jīng)有一些研究者對(duì)真空電弧進(jìn)行了建模和仿真研究。國(guó)外的研究中， 最為典型的是Boxman 模型，Beilis 和Keidar 模型，Schade 和Shmelev 模型，其中，Boxman 將流體和電磁方程分開(kāi)考慮，Beilis 和Keidar 的模型沒(méi)有考慮能量平衡，Schade 和Shmelev 的模型雖然考慮了能量方程，但不是很全面。西門(mén)子公司的Hartmann 等人也采用MHD 模型對(duì)真空電弧進(jìn)行了仿真研究。我國(guó)的尚文凱和王毅等研究者進(jìn)行過(guò)建模與仿真研究，但其模型較為簡(jiǎn)化，很難全面地揭示真空電弧的內(nèi)部物理過(guò)程。而王立軍等研究者在Schade 和Shmelev模型的基礎(chǔ)上考慮了離子和電子的動(dòng)能以及離子粘性的影響，建立了更加全面的真空電弧磁流體動(dòng)力學(xué)(MHD)模型。

　　大電流真空電弧廣泛出現(xiàn)在發(fā)電機(jī)出口斷路器中，而真空發(fā)電機(jī)出口斷路器中的電極都具有很大電極直徑的特點(diǎn)。因此，研究大尺寸電極下大電流真空電弧特性及控制機(jī)理對(duì)于發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器研究就變得十分重要。因此，本文在已有工作的基礎(chǔ)上對(duì)大尺寸電極下的大電流真空電弧進(jìn)行仿真研究，并研究不同縱向磁場(chǎng)的控制效果。由于電弧電流和縱向磁場(chǎng)是真空電弧研究中兩個(gè)十分重要的參數(shù)，所以，本文重點(diǎn)研究了電弧電流和縱向磁場(chǎng)對(duì)大電流真空電弧的影響。并對(duì)實(shí)際應(yīng)用的縱磁電極，分析其磁場(chǎng)分布，仿真得到了實(shí)際縱磁控制下的真空電弧特性。為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性，采用高壓振蕩回路對(duì)大尺寸電極的真空電弧特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，仿真結(jié)果與電弧照片吻合得較好。

　　2、大電流真空電弧模型

　　大電流真空電弧的物理模型如圖1 所示，其中離子流動(dòng)處于亞音速狀態(tài)。在該模型中，真空電弧主要由三部分組成，分別是：陰極斑點(diǎn)與混合區(qū)，極間等離子區(qū)和陽(yáng)極鞘層區(qū)。當(dāng)電弧電流不是足夠大時(shí)，電極間的等離子體主要是由陰斑點(diǎn)來(lái)提供，因此，極間等離子體的流動(dòng)主要是由陰極斑點(diǎn)發(fā)射的電子和離子流向陽(yáng)極，電子和離子是電流的載體，電流的方向由陽(yáng)極指向陰極。本文中仿真求解的區(qū)域是弧柱區(qū)，模型中的陰極斑點(diǎn)與混合區(qū)、陽(yáng)極鞘層區(qū)都只是作為仿真區(qū)域的邊界。陽(yáng)極只是作為電流的收集器并不影響等離子體的流動(dòng)。而且，根據(jù)當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，熔化、蒸發(fā)的陽(yáng)極材料難以進(jìn)入弧柱中。仿真過(guò)程中并沒(méi)有考慮弧柱與陰極斑點(diǎn)的相互作用，而只是將陰極斑點(diǎn)與混合區(qū)作為仿真區(qū)域的邊界。

圖1 大電流真空電弧物理模型

　　5、結(jié)論

　　本文針對(duì)發(fā)電機(jī)出口用真空斷路器，仿真研究了大尺寸電極條件下大電流真空電弧的特性，并分析了電弧電流和縱向磁場(chǎng)對(duì)大電流真空電弧特性的影響，可得如下結(jié)論：隨著電弧電流的增大，離子數(shù)密度、軸向電流密度、等離子體壓力以及電子溫度等參數(shù)在量值上都會(huì)增大，而等離子體速度則會(huì)減小，各量的分布越來(lái)越不均勻，而且弧柱的收縮性加強(qiáng)；尤其是當(dāng)電弧電流達(dá)到60kA 時(shí)，陰極側(cè)同樣出現(xiàn)了電流的收縮；縱向磁場(chǎng)越強(qiáng)，離子數(shù)密度、軸向電流密度以及等離子體壓力就越小，而等離子體速度則會(huì)增大，各量的分布也越均勻。縱向磁場(chǎng)的加強(qiáng)同樣可以使得陰極側(cè)電流集聚得到抑制。仿真得到的電弧形態(tài)與電弧照片吻合較好。