大功率直流继电器触头分断过程电弧运动及分断燃弧时间仿真与实验研究

发布时间：2020-07-01 15:42

【摘要】：随着电磁继电器市场不断向高电压、大功率方向转移,高性能(更高电压等级、更大分断电流)、高分断可靠性、长寿命成为继电器领域迫切的发展需求。本文通过理论计算和实验研究深入分析了较大电压电流条件下不同气氛、不同横向磁场和不同分断速度下的电弧运动特性和分断燃弧时间,为继电器灭弧气氛、分断速度和横向磁场的搭配以及继电器结构设计提供了理论依据。本文基于分断燃弧实验的电压电流波形计算了CASSIE模型动态电弧时间常数,通过拟合得到了该值与气氛物性参数、电压电流条件的量化函数关系,选取最小电弧电流作为熄弧判据,基于CASSIE模型计算了不同气氛、不同电压电流条件下的分断燃弧时间,计算及预测结果表明在多数计算的电压电流条件下,不同气氛中分断燃弧时间的大小顺序为:H_2SF_6CO_2N_2AirO_2Ar。本文在经典链式电弧模型的基础上进行改进,将分断燃弧过程分为短弧阶段和弓形电弧阶段,通过对电弧进行受力分析,基于CASSIE模型中的动态电弧时间常数的量化关系和改进后链式电弧模型,计算了分断燃弧过程中电弧长度和高度,结果表明在本模型计算条件下,随着电路功率增加,熄弧时电弧长度和熄弧时电弧高度呈现指数式增加。为验证电弧运动的计算结果,本文在Air中开展了不同电压电流条件、不同横向磁场、不同分断速度下的分断燃弧拍摄实验。实验实测分断燃弧时间和熄弧时电弧长度与计算结果有较高一致性,结果表明随着横向磁场的增大和分断速度的提高,分断燃弧时间减小,但不影响熄弧时电弧长度,在本实验条件下,随着电路功率增加,实测熄弧时电弧长度呈指数式增加。最后,通过拍摄的电弧运动图像结合电弧电压波形,分析了重击穿现象和弧根跳跃现象,统计结果说明:随着电源电压升高,分断燃弧过程发生重击穿的概率增加,一次分断操作中发生重击穿的平均次数和阴阳极弧根跳跃的平均次数也增加。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM581.4
【图文】：

温度场分布,文献,计算结果,电弧

xi—坐标轴 i 分量，Si—粘滞应力，J —电流密度矢量， ( , , )x y zJ J J J，B —电流产生的磁感应强度矢量， ( , , )x y zB B B B，extB —外加磁场磁感应强度矢量，a —网格加速度，h0—网格的焓，Kω—热导率，Cp—定压比热容，γ—电导率，SR—通过辐射散失的热量，η—黏度。吴翊，荣命哲[26]利用 MHD 模型计算了触头分断过程中低压 Air 电弧等离子体动态特性，得到了电弧弧柱的温度场分布，如图 1-1（a）所示，研究了不同分断速度下弧柱电压的变化过程，如图 1-1（b）所示。M. Lindmayer 建立了低压 Air 灭弧室中电弧的三维 MHD 模型，研究了外加磁场作用下电弧的运动过程和灭弧栅片切割电弧过程[27-29]，L. Schlitz 研究了平行电极间的静态电弧特性和外加磁场对静态电弧的影响，并基于能量平衡原理研究了器壁产气对电弧的影响[30,31]。

示意图,弧柱,触头,相互作用

图 1-2.弧柱与触头相互作用示意图HD 模型建立了电弧—触头双向耦合模型，研究发和喷溅侵蚀及材料转移特性随时间的变化[32]，hy, M Tanaka 考虑金属蒸汽的影响在假设电弧静止头表面的影响，计算的不同气氛中比热容、焓、 1-4 所示。

【参考文献】