代表性断路器电弧模型的优化与分析

2023-06-15 百科知识版权反馈

【摘要】：20世纪90年代中期，该问题是低压电器的一个研究热点，这也促进了电弧模型的发展。Lindmayer等人的三维MHD电弧数学模型[15]1998年，Lindmayer基于Flow3D软件，首次建立了较为完整的断路器电弧三维MHD数学模型。近年来，由于发现在低压断路器的灭弧室中布置产气材料，有利于抑制电弧背后击穿现象，提高断路器的限流性能和弧后介质恢复强度，从而提高其开断能力。

（1）Fievet等人的二维MHD电弧数学模型^[12～14]

施耐德公司的Fievet和Chevrier等人采用氮气的物性参数描述电弧属性，建立了一个封闭区域中的二维断路器电弧MHD数学模型，利用该模型，分析了粘度等多种因素对电弧运动的影响，阐述了电弧停滞时间的机理，尤其是对电弧背后击穿现象进行了深入的研究，认为电弧后方剩余电流密度大小决定了是否会发生背后击穿，并给出电流密度的临界值为5A/cm²。电弧背后击穿现象的发生，会严重影响低压断路器的限流性能和开断能力，同时也会加剧触头的侵蚀。20世纪90年代中期，该问题是低压电器的一个研究热点，这也促进了电弧模型的发展。西安交通大学低压电器科研组也通过建立二维MHD数学模型，仿真分析了电弧背后击穿现象，并能够同步模拟电弧运动过程中电弧电流、电压的变化。在此基础上，提出了在灭弧室中加入产气材料是抑制该现象的一个有效措施。

（2）Lindmayer等人的三维MHD电弧数学模型^[15]

1998年，Lindmayer基于Flow3D软件，首次建立了较为完整的断路器电弧三维MHD数学模型。其计算模型为具有平行跑弧道的8mm×42mm×4.5mm封闭方盒，电流为直流1000A，电位边界为Neumann条件，采用Biot-Savart方程来计算电弧自身产生的磁场，结果给出了在磁场作用下，电弧的位置、电弧电压、灭弧室内气压随时间的变化过程。接着，在已有模型的基础上，Lindmayer接着考虑非线性铁磁物质的影响，由于Biot-Savart方程仅适用于磁导率为常数的情况，这样就提出用向量位的方法计算区域内的磁场，进一步建立了可考虑铁磁栅片存在时的电弧模型，并分析了不同大小的铁片对电弧运动速度的影响。在其最新的研究中，仿真了电弧在栅片中的运动与分割过程，从理论上描述了电弧在栅片中的燃烧规律，指出电弧能否在栅片中产生新的弧根而形成一系列的短弧要满足一定的电弧电压条件。

近几年，Rümpler Ch.等人^[29]利用三维MHD数学模型，采用ANSYS和FLUENT软件相结合的方式，建立了较为全面的仿真分析模型，在FLUENT软件中，利用动网格技术来模拟动触头的运动过程，对实际双断点MCCB（塑壳断路器）的整个电弧运动过程进行了仿真计算，在模型中，考虑了铁磁栅片非线性的影响；他们还采用三维MHD数学模型仿真分析了器壁产气材料烧蚀后，产气材料对空气物性参数的影响以及对电弧运动过程的影响。Dongkyu等人^[30]也采用三维MHD的方法，在CFX软件中采用动网格技术对微型断路器电弧整个运动过程进行了仿真，包括电弧被栅片的切割过程。

（3）器壁侵蚀型电弧（Wall ablation controlled arc）数学模型^{[16、31、32]}

器壁侵蚀型电弧的概念最早起源于SF₆高压断路器，通常在断路器的喷口区域布置PT-FE材料，以提高断路器的开断能力。近年来，由于发现在低压断路器的灭弧室中布置产气材料，有利于抑制电弧背后击穿现象，提高断路器的限流性能和弧后介质恢复强度，从而提高其开断能力。这使得器壁侵蚀型电弧成为当前低压电器领域的一个热点问题。

Andre、Murphy和Gleizes在器壁侵蚀型电弧的理论研究方面做了一些有意义的工作。Andre主要研究了电弧对材料的作用，即产气材料高温分解后的化学组成及热动属性。和Andre的研究不同，Murphy进一步研究了器壁材料对电弧特性的研究，即考虑器壁材料分解和电极蒸发的影响，分析了混合气体的热动属性及传输参数。Gleizes在计算出不同比例的空气和PA6-6混合气体的物性参数的基础上，建立了三维电弧模型，分析了外部磁场和等离子体输运特性对于电弧运动过程的影响，该模型没有考虑器壁产气对质量、动量和能量守恒方程的影响。Schlitz从能量平衡的角度来考虑了器壁产气，并分析了吹弧磁场对于电弧形状和运动的影响，但其依然采用空气的物性参数来建立电弧模型。

代表性断路器电弧模型的优化与分析

相关推荐