空气开关电弧的数学模型及其特性的研究综述

  本文关键词：空气开关电弧的数学模型及其特性的研究综述，由笔耕文化传播整理发布。

第４３卷第４期２００７年８月

Ｖｏｌ．４３

ＨｉｇｈＶｏｌｔａｇｅＡｐｐａｒａｔｕｓ

Ｎｏ．４

Ａｕｇ．２００７

２６９

文章编号：１００１－１６０９（２００７）０４－０２６９－０５

!空气开关电弧的数学模型及其特性的研究综述

李兴文，

陈德桂

（西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，陕西西安７１００４９）

ＲｅｖｉｅｗｏｆｔｈｅＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓｏｎｔｈｅＭｏｄｅｌｉｎｇａｎｄＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＡｉｒＳｗｉｔｃｈｉｎｇＡｒｃ

ＬＩＸｉｎｇ－ｗｅｎ，ＣＨＥＮＤｅ－ｇｕｉ

（ＳｔａｔｅｋｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＩｎｓｕｌａｔｉｏｎａｎｄＰｏｗｅｒＥｑｕｉｐｍｅｎｔ，Ｘｉ’ａｎＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ７１００４９，Ｃｈｉｎａ）

摘要：从空气开关电弧的平衡态化学组成、基本属性、建模与仿真、实验测试等角度，综述了国内外空气开关电弧的数学模型及其特性的研究进展，介绍了空气开关电弧物性参数的计算方法，列举了多个有代表性的电弧数学模型以及各种电弧特性的测试手段及其应用，最后指出了空气开关电弧研究所面临的几个问题。

关键词：电弧；建模与仿真；测试；磁流体动力学中图分类号：ＴＭ５０１．２

文献标志码：Ａ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐａｐｅｒｒｅｖｉｅｗｓｔｈｅｒｅｃｅｎｔｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｔｈｅｉｎ－ｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓｏｎｔｈｅｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆａｉｒｓｗｉｔｃｈｉｎｇａｒｃｆｒｏｍｔｈｅｆｏｌｌｏｗｉｎｇｐｏｉｎｔｓ：ｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉ－ｔｉｏｎｏｆｔｈｅｂａｌａｎｃｅｓｔａｔｅ；ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ；ａｒｃｍｏｄ－ｅｌｉｎｇａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｔｅｓｔ，，ａｎｄｓｏｏｎ．Ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｆｏｒｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｔｙｐｉｃａｌａｒｃｍｏｄｅｌｓａｎｄｖａｒｉｏｕｓｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｗａｙｓｆｏｒａｒｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｂｒｉｅｆｌｙ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｓｏｍｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｔｈｉｓｆｉｅｌｄａｒｅｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｒｃ；ｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｔｅｓｔｉｎｇ；

ｍａｇｎｅｔｏｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ

等离子体物理和低温等离子体物理与应用。此后，随

着低温等离子体在镀膜、表面改性、冶炼、有害物处理、光源、航天器推进等领域的应用，使得等离子体物理的发展达到了新的高潮［３－１２］。

伴随着低温等离子体物理的发展，对空气开关电弧这一低压电器科学中最核心和最关键的内容的研究也逐步深入，主要包括：空气开关电弧的基本属性、电弧的数学模型与仿真以及电弧特性的实验测试等内容。笔者主要介绍国内外在该领域的研究进展。

１

空气开关电弧的基本属性

０

引言

等离子体是由大量带电粒子组成的非束缚态宏观体系［１］。热等离子体是指完全或部分电离的气体，属于低温等离子体范畴，空气开关电弧是一种最典型的热等离子体［２］。

１８３５年，法拉第研究了气体放电基本现象；

物质第四态”来描述气体放１８７９年，克鲁克斯提出“

电中产生的电离气体；１９２９年，汤克斯和朗缪尔首次提出“一词；２０世纪５０到８０年代，人们Ｐｌａｓｍａ”

建立了现代等离子体物理学，包括以下３个相对独立的领域：受控热核聚变等离子体物理、空间与天体

收稿日期：２００７－０５－２５；

修回日期：２００７－０７－１３

空气开关电弧的基本特征是：电场强度相当低

（低于数ｋＶ／ｍ），但电子和离子数密度非常高（大于１０２３ｍ－３）；一般满足局部热动平衡（ＬＴＥ）条件，且温度一般为１００００Ｋ量级，也就是１ｅＶ数量级，最高可达２５０００Ｋ［２］。对空气开关电弧基本属性的研究包

器壁材料等相互作用影响下的等离括：电弧与电极、

子体平衡态化学组成、热动属性及传输参数、辐射特性及辐射数学模型等。对这些问题的研究，不仅可以掌握其化学物理性质，且为建立电弧的ＭＨＤ模型提供物性参数，从而分析空气开关电弧的物理特性。

热动属性及１．１空气开关电弧的平衡态化学组成、

传输参数

一般来说，除了以下３个区域，空气开关电弧满足ＬＴＥ条件：对流主导粒子碰撞过程的电极附近区域［１３］；从电弧中心吸收辐射能量的边缘区域［１４］；扩散率大于复合率导致局部化学不平衡的低温区电弧［１５］。

事实上，对于电弧中心区域是否处于ＬＴＥ状态，仍然存在争议。文［７］利用汤姆森散射法测量氩电弧的气体温度、电子温度和电子数密度时发现，即使在电弧中心区域，也存在严重偏离ＬＴＥ的情况。但是，对空气开关电弧化学组成的分析以及热动属

基金项目：国家自然科学基金项目（５０５０７０１６）。

作者简介：李兴文（１９７８－），男，副教授，研究方向为电弧电接触理论及其应用和电力电子技术。

!!!!"

综述

!"

  本文关键词：空气开关电弧的数学模型及其特性的研究综述，由笔耕文化传播整理发布。