产气材料和金属蒸汽对空气介质开关电弧特性的影响

2023-06-15 百科知识版权反馈

【摘要】：表8-4 产气材料对电弧半径和电场强度的影响图8-46对比了5mT外施磁场条件下、电流为i=200sin时纯空气和90%空气-10%PA6-6介质时电弧位移的计算结果。此外，可以从图8-45e所示的纯空气和90%空气-10%PA6-6介质的粘度系数看出，在15000K以下，90%空气-10%PA6-6的粘度系数较小，这也有利于提高电弧的运动速度。

1.空气和PA6-6混合气体电弧的热动参数及传输特性^[16]

图8-45给出了90%空气-10%PA6-6混合电弧等离子体的热动参数和传输特性。其中图8-45a为等离子体中各种粒子的数密度n随温度的变化规律，图8-45b～图8-45e分别为90%空气-10%PA6-6以及纯空气时的比热C_p、电导率σ、热导率λ和粘度系数η随温度的变化过程。

从图8-45a中可以看出，当温度在300～5000K范围内时，等离子体中含有多种碳化合物，如CO、CO₂、CHN、C₂H₂和CH₄等；而当温度超过5000K时，这些碳化合物均完全分解成单原子O、C、N、H及相应的离子。

对图8-45b所示的比热C_P来说，纯空气电弧等离子体时，C_P的4个峰值出现在温度为3500K、7000K、15000K和30000K，分别对应于O₂、N₂的分解和N、O的一次和二次电离。而对90%空气-10%PA6-6混合气体来说，首先在900K和1300K时出现两个峰值，对应于CO₂和CH₄的分解；接下来在3700K和6800K时，分别由于H₂的分解，N₂和CO的分解而形成另两个峰值；最后在两个峰值的出现时，由于C和N原子的一次和二次电离导致的。

从图8-45c所示的电导率σ计算结果可以看到，纯空气与90%空气-10%PA6-6混合气体相比，主要的差别出现在7000K温度以下。这是由于在此温度范围内，纯空气中含有NO分子，混合气体中的O原子全部被C原子捕获生成CO分子，没有NO分子存在。而NO分子的电离能较低，为9.3eV，这就导致了电子密度的增加和相应的电导率升高。

从图8-45d所示的热导率λ随温度的变化可以看出，其出现峰值的温度和比热是相一致的。对混合气体来说，3000～4000K范围内，由于混合气体中有大量的H₂，使得碰撞积分值较大，从而提高了λ的数值；7000K左右时，由于N₂和CO的碰撞积分值相当，因此对λ的影响不大；但是，当温度超过15000K时，由于C和H物种之间的碰撞，使得λ的值有较大的增加，这同时也引起了在14000K峰值处，混合气体和纯空气相比，粘度系数η较低，如图8-45e所示。

图8-45 空气及90%空气-10%PA6-6混合气体的物性参数

a）平衡态化学组成 b）比热C_p随温度的变化 c）电导率σ随温度的变化

图8-45 空气及90%空气-10%PA6-6混合气体的物性参数（续）

d）热导率λ随温度的变化 e）粘度系数η随温度的变化

2.产气材料对断路器电弧特性的影响

电弧半径和电场强度与电弧电压特性和限流性能直接相关，因此是表征弧柱区的两个重要参数。

同样基于图8-29所示的分析模型和边界条件，并设定电弧初始燃烧位置处于灭弧室中央，应用第1点中的90%空气-10%PA6-6的物性参数，表8-4给出了不同电流下产气材料对电弧半径和电场强度的影响，其中r₁和E₁是纯空气介质时的电弧半径和电场强度，r₂和E₂是90%空气-10%PA6-6介质时的电弧半径和电场强度。可以看出，有产气材料存在时，电弧半径较小，这有利于提高电弧电压；同时，电流对电场强度的影响较小，而对于纯空气和90%空气-10%PA6-6，电场强度分别在4.10～4.22kV/m和4.17～4.29kV/m范围内变化。因此，从电弧半径和电场强度的角度来看，产气材料的存在，有利于提高电弧电压，从而提升开断性能，见表8-4。

表8-4 产气材料对电弧半径和电场强度的影响

图8-46对比了5mT外施磁场条件下、电流为i=200sin（100πt+π/6）时纯空气和90%空气-10%PA6-6介质时电弧位移的计算结果。可以看出，有产气材料存在时，电弧的运动速度较高，这主要是由于像PA6-6这类产气材料，在电弧的作用下，会释放出大量的氢气，而氢气具有较高的热导率，这有利于增强电弧周围的热传递，从而减小电弧的半径，在同样的电流条件下，高温区的电弧电流密度更加集聚，这样作用在电弧上的Lorentz力相应地增加，从而提高电弧的运动速度。此外，可以从图8-45e所示的纯空气和90%空气-10%PA6-6介质的粘度系数看出，在15000K以下，90%空气-10%PA6-6的粘度系数较小，这也有利于提高电弧的运动速度。

图8-46 产气材料对电弧运动过程的影响

图8-47 含有蒸汽层的二维模型

图8-48 不同弧柱温度和材料组合下辐射热通量密度

文献^[37]采用三维MHD模型同样对器壁产气材料（PMMA）对电弧运动形态的影响进行了研究，考虑产气材料烧蚀影响时，计算模型中在壁面内侧建立了一层冷的蒸汽层，如图8-47所示。在此模型的基础上研究了蒸汽层对辐射能量重吸收的影响，不同温度下、不同材料组合的辐射热通量密度如图8-48所示，由图对比可以看出，在烧蚀过程中，当弧柱和蒸汽层均为空气时，由于在高温时，辐射作用增强，所以注入弧柱区的热通量也增加，而蒸汽层为PA66时，由于PA66的吸收特性，大量的辐射能量在蒸汽层被PA66吸收，到达壁面的辐射通量减小，而弧柱区材料也为PA66时，由于PA66的高发射率，所以相比空气弧柱，到达壁面的热通量较大。

同时对比分析了微型断路器侧壁有无产气材料时电弧运动情况，图8-49所示为计算得到的温度场分布情况，由图两种情况的对比可以看出，由于器壁产气材料的存在，加快了电弧进入栅片的速度，这和图8-47得到的结论是一致的。

图8-49 有无产气材料温度场的分布对比

3.空气和Cu、Ag、Fe等金属蒸汽混合电弧的热动参数及传输特性^[38]

图8-50给出了一个大气压条件下，混入不同金属蒸汽时，断路器电弧等离子体电导率随温度的变化。可以看出，当电弧温度低于10000K时，混入各种金属蒸汽后，断路器电弧的电导率均有所增加，这是由于Cu、Ag、Fe的电离能较O和N低造成的。

图8-51给出了一个大气压条件下，混入不同金属蒸汽时，电弧半径为1mm的断路器电弧等离子体静辐射系数（NEC）随温度的变化。可以看出，同样当电弧温度低于16000K时，由于金属蒸汽的存在，等离子体的静辐射系数均有所增加。

此外，从图8-50和图8-51可以发现，Fe蒸汽的存在对于等离子体电导率和静辐射系数的影响最大。

图8-50 不同金属蒸汽对空气电弧等离子体电导率的影响

图8-51 不同金属蒸汽对空气电弧等离子体净辐射系数的影响

4.金属蒸汽对电弧特性的影响

针对图8-29所示的分析模型，图8-52所示为电弧电流为100A，纯空气、99%空气-1%Cu、99%空气-1%Ag和99%空气-1%Fe不同介质时电弧温度沿y轴变化的计算结果。可以看出，金属蒸汽对电弧中心有强烈的冷却作用，电弧温度分布也较为平坦。

图8-52 不同金属蒸汽对电弧温度沿y轴分布的影响

由于金属蒸汽的存在，较高的电弧等离子体的静辐射系数会引起辐射能量的增加，而且较高的电导率使得电弧产生的焦耳热减少，从而使得电弧温度降低。同时，由于铁蒸汽对电弧等离子体静辐射系数和电导率的影响最为明显，这样对电弧温度分布的影响也最大。

图8-53对比了5mT外施磁场条件下、电流为i=200sin（100πt+π/6）时纯空气、99%空气-1%Cu、99%空气-1%Ag和99%空气-1%Fe不同介质时电弧位移随时间变化的计算结果。可以看出，Fe蒸汽对电弧运动的阻碍作用最大，Cu蒸汽最小。这同样可以从电弧电流密度分布来解释。

图8-54为上述不同介质电弧t=0.5ms时的电弧电流密度分布。可以看出，和纯空气相比，金属蒸汽的存在使得电弧温度较低，这样造成电流密度的最大值也相应减小。在同样的外施磁场作用下，作用在电弧上的Lorentz力密度较小，从而阻碍了电弧向前运动。

图8-53 不同金属蒸汽对电弧运动速度的影响

图8-54 不同金属蒸汽作用下，t=0.5ms时的电弧电流密度分布

a）纯空气电弧等离子体t=0.5ms时的电弧电流密度分布 b）99%空气-1%Cu混合电弧等离子体t=0.5 ms时的电弧电流密度分布 c）99%空气-1%Ag混合电弧等离子体t=0.5ms时的电弧电流密度分布

图8-54 不同金属蒸汽作用下，t=0.5ms时的电弧电流密度分布（续）

d）99%空气-1%Fe混合电弧等离子体t=0.5ms时的电弧电流密度分布

产气材料和金属蒸汽对空气介质开关电弧特性的影响

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