大功率直流接触器电弧仿真及实验研究

发布时间：2020-09-11 22:01

　　近年来,新能源及电动机车的快速发展对直流开关电器分断负载或故障条件下直流电的能力提出了更高的要求,传统的直流开关电器已经不能满足其使用要求,如何设计大功率、小体积、分断性能更好的直流开关电器已刻不容缓。含触点的直流接触器在分断过程中会难以避免的产生电弧,而功率增加必然会增大电弧能量,使熄弧难度加大,并且相对于交流电弧,直流电弧没有过零点,其熄灭更加困难。因此合理设计直流接触器的灭弧系统,缩短燃弧时间,对于增大容量、减小体积、提升开断能力、延长使用寿命,具有极其重要的现实意义。本文基于磁流体动力学理论(MHD),建立了直流空气电弧等离子体的数学模型,通过对电弧等离子体鞘层条件进行假设并在电极两端耦合分断回路,同时考虑计算过程中的网格变化,针对金属栅片式直流接触器灭弧系统内分断电弧整个演变过程进行了仿真。获得了起始电弧在触头间隙运动、弧根由触头转移到引弧片、弧根沿引弧片运动和电弧被金属栅片切割为多段短弧进而熄灭的全动态电弧演变过程。通过对温度、气流、电流密度、电导率、密度和气压等分布场的分析,得到了分断过程中阴极弧根转移、阳极弧根停滞和电弧背后重击穿现象产生的根本原因。通过分析灭弧室入口区和栅片区的外施磁场分布与电弧所受磁场力的关系,得出磁场对弧根转移的影响。并在现有仿真条件下,分别研究了不同外施磁场分布、不同分断速度和不同金属栅片结构对分断电弧整个演变过程的影响。为验证仿真结果,搭建实验平台,并设计实验样机,采用高速相机拍摄了磁场作用下金属栅片式直流接触器分断过程中的电弧图像,记录了分断电弧的动态行为特性,并分析了不同磁场分布对电弧动态行为特性的影响。将实验观测结果与相应条件下的仿真结果进行对比,二者结果具有一致性。本文的研究对于提高直流接触器的分断能力,优化灭弧室结构有一定的意义。
【学位单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM572.1
【部分图文】：

电弧等离子体,物理场,相互作用过程

沈阳工业大学硕士学位论文流接触器中的空气电弧等离子体温度范围可达 20000K，属仿真的角度分析满足局部热力学平衡（LTE）条件，这种等混合物，其数值过程可以通过磁流体动力学（MHD）方程量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程以及麦克斯韦来描述导电弧等离子体在磁场中的运动。磁流体动力学理物理场相互作用过程如图 2.1 所示，分断过程中电弧是主使电弧温度具有非常高的温度，电弧的热量通过热传导、围传递。在磁场力作用下，电弧的动态行为不断发生改变密度、压强等物性参数也不断发生变化，而这些物理参数动态行为。

电弧等离子体,辐射系数,物性参数,总体积

13e 电弧等离子体的动力粘度曲线 f 电弧等离子体的辐射系数曲线图 2.2 空气电弧等离子体的物性参数及总体积辐射系数随温度变化曲线Fig.2.2 The curves of the physical parameters and total volume radiation coefficient of the air arc plasmawith the temperature change2.4 金属栅片灭弧系统的几何模型及求解区域划分仿真分析所用金属栅片灭弧系统如图 2.3 所示，包括动触头、静触头、上引弧片下引弧片、8 块金属栅片和 8 块绝缘板，其中触头、引弧片和金属栅片材料为铜。整个金属栅片灭弧系统模型高度为 100mm，宽度 50mm，两个栅片之间距离为 7mm，栅片

磁场分布,金属栅,灭弧系统,直流接触器

沈阳工业大学硕士学位论文型纵向厚度 15mm。整个模型由上引弧片和下引弧环境相连通。究内容包括磁场分布对电弧动态行为的影响，所以区域分为触头区、灭弧室入口区和栅片区。金属栅的不同粒子在各个物理场相互作用下不断的进行质过基于磁流体动力学（MHD）理论的方程组描述接触位置的等离子体鞘层区域对于金属栅片切割电都有极其重要的影响。假如不考虑等离子体鞘层区短弧这一过程在仿真中就不能实现，所以本章在仿层区域做出假设，每个栅片周围设定厚度为 0.1mm

【参考文献】