计及铜蒸气介质的小电流直流电弧仿真与实验

发布时间：2021-03-23 17:06

　　因导线的绝缘劣化、接触不良等因素引起的直流电弧故障时有发生,但因无过零点特征无法自然熄弧可能导致设备损毁或者引发火灾,研究直流电弧特性对于电弧故障的检测与保护具有重要意义。光谱测试数据表明,在直流电弧中存在铜元素,因此,基于平衡态等离子体理论新增了含铜蒸气介质的电导率-温度特性曲线。建立小电流空气直流电弧的有限元模型,分析电弧稳定燃烧时的温度场分布和电弧电阻及电极间距的关系,同时,开展电弧实验,验证仿真模型的合理性。数据表明:相比纯空气介质,引入铜蒸气的仿真结果与实验数据更接近。这体现在当电弧稳定燃烧时,两者电极的温度场分布基本一致,等离子体气体温度最高到6 000～7 500K;电弧电阻和电极间距的仿真数据与实验数据最大偏差是2.283Ω,最大相对误差为13.45%。可见,含铜蒸气介质的电弧仿真模型能更准确、全面地研究直流电弧的电导率特性,为小电流直流电弧的电气特性和温度特性研究提供理论基础。 

【文章来源】：电工技术学报. 2020,35(13)北大核心EICSCD

【文章页数】：9 页

【部分图文】：

电弧光谱图

使用文献[5]中的数据，基于LTE状态的等离子体，通过Guldberg–Waage（解离）方程和Saha（电离）方程求解粒子组分，利用Chapman-Enskog方法求解玻耳兹曼方程，得到混合气体的输运参数（如电导率、黏滞系数、热导率等），进而获得空气-铜蒸气混合气体电弧等离子体的电导率-温度特性曲线，如图4所示。可见，仿真的100%Air电导率-温度曲线与COMSOL软件自带的曲线（引自经典文献[14]）基本一致，证明了此方法的有效性和准确性。同时，新增加了1%Cu蒸气-99%Air以及100%Cu蒸气介质的电导率-温度曲线，发现在较低温度区段（约15 000K以下），后者的电导率均高于100%Air。其余等离子体的相关参数采用经典文献[14]中测得的空气等离子体比热容、热导率、密度等随温度变化的函数。宏观上电弧电阻与微观的等离子体电导率联系密切，据此进一步仿真电弧电阻的影响因素与变化规律。1.4 边界条件

图5 模型的局部与整体温度场分布分析电弧的发展过程可知：(1)在电弧稳定燃烧后，电弧最高温度基本维持在6 000K以上不变，分析其原因是电弧稳定燃烧后，空气充分击穿，弧中心的物理场基本保持不变，而电弧外围空气温度在传热作用下按照一定梯度下降；(2)电极温度随着时间的延长而不断升高，这也与介质传热有关，热源电弧的热能随着时间的推移不断地向电极传递，在电极内部也形成了一定的温度梯度，即与电弧接触的位置温度比远离电弧的位置温度上升快；(3)阳极温度总是高于阴极温度。

【参考文献】：
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本文编号：3096124