真空電弧等離子體特性隨開距增大的變化研究.pdf

1、當(dāng)前，高壓輸電領(lǐng)域廣泛采用的開關(guān)裝置為SF6斷路器，但其大量使用的SF6氣體對(duì)環(huán)境危害巨大，因此，研制其他類型的高壓斷路器已迫在眉睫。真空斷路器向高壓領(lǐng)域的推廣已取得了初步的進(jìn)展，但是對(duì)高壓真空滅弧室內(nèi)的長(zhǎng)開距真空電弧的控制，仍是制約高壓真空滅弧室發(fā)展的關(guān)鍵問題。本文基于磁流體力學(xué)仿真，對(duì)開距在很大范圍內(nèi)變化時(shí)真空電弧等離子體特性的變化情況進(jìn)行了研究，獲得了開距對(duì)真空電弧物理過程的影響規(guī)律，加深了對(duì)長(zhǎng)開距真空電弧物理圖像的認(rèn)識(shí)。

2、　　本文首先分析了當(dāng)前真空電弧磁流體力學(xué)模型在長(zhǎng)開距情況下應(yīng)用時(shí)仿真發(fā)散的原因，發(fā)現(xiàn)廣義歐姆定律采用隱式格式表達(dá)，霍爾效應(yīng)的準(zhǔn)確計(jì)算需要迭代完成是引起仿真發(fā)散的主要原因。針對(duì)霍爾效應(yīng)需迭代求解的問題，將廣義歐姆定律中的霍爾效應(yīng)項(xiàng)采用霍爾電導(dǎo)率代替，將廣義歐姆定律由隱式格式修改為顯式格式，并重新推導(dǎo)了磁傳輸方程，避免了霍爾效應(yīng)的迭代求解，從而消除了長(zhǎng)開距條件下真空電弧磁流體動(dòng)力學(xué)仿真中出現(xiàn)的數(shù)值發(fā)散問題。基于流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件Fluent

3、進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)開距真空電弧的磁流體力學(xué)仿真。
　　基于長(zhǎng)開距真空電弧磁流體力學(xué)仿真模型，對(duì)不同開距下的真空電弧進(jìn)行了仿真研究，獲得了開距在很大范圍內(nèi)變化時(shí)真空電弧等離子體參數(shù)的變化規(guī)律。對(duì)不同開距下的等離子體參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，得到了開距對(duì)電流收縮收縮程度、弧柱能量、電弧電流分布、離子加速機(jī)制的影響規(guī)律，總結(jié)出了開距對(duì)真空電弧物理過程的影響。分析了電流收縮和等離子體收縮的產(chǎn)生原因，揭示了徑向電場(chǎng)與電流收縮和等離子體收縮的關(guān)系

4、。借助長(zhǎng)開距真空電弧磁流體力學(xué)仿真模型，研究了不同燃弧參數(shù)對(duì)長(zhǎng)開距真空電弧等離子體特性的影響規(guī)律。
　　分析了真空電弧弧柱內(nèi)電場(chǎng)的可能來(lái)源，發(fā)現(xiàn)弧柱內(nèi)徑向電場(chǎng)是由弧柱內(nèi)的凈電荷產(chǎn)生的。分析了真空電弧弧柱內(nèi)凈電荷的累積過程，基于電荷守恒定律和廣義歐姆定律，建立了弧柱內(nèi)凈電荷密度與真空電弧等離子體參數(shù)的關(guān)系，得到了影響弧柱內(nèi)凈電荷分布的因素，基于仿真結(jié)果，獲得了真空電弧弧柱內(nèi)凈電荷的分布規(guī)律?；陟o電場(chǎng)的無(wú)旋性和廣義歐姆定律，建立了等

5、離子體參數(shù)分布對(duì)徑向電場(chǎng)由陽(yáng)極向弧柱內(nèi)發(fā)展的影響關(guān)系，獲得了弧柱內(nèi)不同區(qū)域影響徑向電場(chǎng)過渡發(fā)展的主要因素。從物理上界定了陰極射流主導(dǎo)的真空電弧和焦耳熱主導(dǎo)的真空電弧，并仿真研究了不同燃弧參數(shù)對(duì)弧柱內(nèi)徑向電場(chǎng)和??t分布以及臨界長(zhǎng)度的影響。分析了徑向電場(chǎng)對(duì)輸入陽(yáng)極電流分布的影響，發(fā)現(xiàn)陽(yáng)極電流不均勻程度與∫E??td??相關(guān)。同時(shí)，由于磁邊界層外徑向電場(chǎng)對(duì)徑向電流的抑制，當(dāng)開距大于臨界長(zhǎng)度時(shí)，陰極入口等離子體參數(shù)的差異對(duì)于陽(yáng)極的電流分布影響