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尼迈亚电弧的简单数学模型优化

【摘要】:简单的尼迈亚模型是一种经验公式类型的电弧数学模型,按图8-1所示,断路器开断过程可分成4个过程,它们是1)瞬动电磁铁动作过程;2)电弧停滞过程;3)电弧运动过程;4)电弧进入电弧栅片熄灭过程。经过停滞阶段后,电弧开始运动,迅速从动触头转移到导弧板,并在磁场力的作用下向栅片运动,计算这一阶段的电弧电压Uarc需要建立电弧动态数字模型,这里介绍尼迈亚模型,它由L.Niemeyer博士于1984年提出[1]。

简单的尼迈亚(Niemeyer)模型是一种经验公式类型的电弧数学模型,按图8-1所示,断路器开断过程可分成4个过程,它们是1)瞬动电磁铁动作过程;2)电弧停滞过程;3)电弧运动过程;4)电弧进入电弧栅片熄灭过程。

在电弧停滞阶段,一定要当电弧拉长到极限长度xcrit,电弧才开始运动,根据J.G.J.Sloot等人的试验[4],这一长度一般为xcrit=2mm。由于这时电弧虽已产生,但是不运动,因而出现了电弧电压Uarc,由于弧柱压降很小,因而可近似认为Uarc等于极间压降ΔU,一般ΔU=20~25V。

经过停滞阶段后,电弧开始运动,迅速从动触头转移到导弧板,并在磁场力的作用下向栅片运动,计算这一阶段的电弧电压Uarc需要建立电弧动态数字模型,这里介绍尼迈亚模型,它由L.Niemeyer博士于1984年提出[1]。电弧运动所受电动力为

Fm=gli2 (8-2)

式中 g——比例常数;

l——电弧平均长度,对微型断路器来说,可取导弧片之间距离;

i——电弧电流

另一方面电弧受到质量M惯性力的减速,假定这一惯性力与电弧开始运动瞬间的电流is有关,即

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式中 v——电弧运动速度;

C——与结构有关的常数。

Fm=FR可得

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式中 xch——由触头到电弧栅片的距离;

将式(8-5)代入式(8-4),可得

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求解(8-6)微分方程,可得电弧运动距离x与时间的关系,即x=ft)。若认为电弧电压Uarc与电弧运动距离x成正比,则

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Uarcmn+1)ΔU (8-8)

式中 Uarcm——电弧电压峰值;

n——栅片数。

式(8-6)中常数βv系按样机开断试验的数据计算,对式(8-6)求积分得

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上式中tsis分别为电弧结束停滞阶段开始运动的时刻和该瞬间的电流,thd为电弧通过导弧板开始进入栅片的时刻。

电弧进入灭弧栅片后,依靠栅片把电弧分割成许多短弧而使电弧熄灭,这阶段电弧电压达最大值Uarcm,在这一电压作用下,电流被限制直至到零而熄弧。