觸髮型真空開關電弧演變行為研究

《觸髮型真空開關電弧演變行為研究》是依託西安交通大學，由王立軍擔任項目負責人的聯合基金項目。

基本介紹

• 中文名：觸髮型真空開關電弧演變行為研究
• 項目類別：聯合基金項目
• 項目負責人：王立軍
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

電弧演變行為及其形成機理是觸髮型真空開關的重要研究課題。由於觸髮型真空開關電弧的電子和離子運動不滿足局部熱力學平衡假定，且放電時間短、電流大、被燒蝕電極與電弧相互作用明顯。本項目主要針對小尺寸、小間距觸髮型真空開關kA/μs級燃弧過程，建立耦合電極過程的單一金屬、複合金屬真空電弧二維瞬態雙溫度磁流體動力學模型，研究其邊界條件及數值模擬計算方法，並考慮電極燒蝕、大顆粒與電漿產生、電弧演變行為的雙向耦合關係；仿真研究觸髮型真空開關中電極材料(如單一金屬及複合金屬)、電流幅值與脈寬、電極間距、電極結構、磁場對電弧演變行為及電極燒蝕特性的影響；採用分幅相機、條紋相機等手段測試電弧演變行為，採用高壓探頭、羅氏線圈測試電弧電壓、電弧電流發展過程，並對仿真結果的正確性和有效性進行驗證。通過建模仿真並結合實驗驗證，掌握真空開關電弧演化行為的物理機制，獲得電漿關鍵參數特性及真空開關性能演化規律。

結題摘要

電弧演變行為及其形成機理是觸髮型真空開關的重要研究課題。本項目建立了觸髮型真空開關電弧的二維瞬態雙溫度磁流體動力學模型，並對不同材料(銅、鎢、鉬)、放電頻率、放電電流等條件下的真空電弧特性進行了仿真，結果表明，銅材料電極在陽極側的電流箍縮現象最明顯，鉬電極其次，鎢電極最弱；電漿參數隨時間變化存在滯後現象，頻率越高滯後現象越明顯，但是電漿參數的大小几乎不受頻率的影響；建立了弧柱電漿與液滴相互耦合的自洽模型，模型中考慮了液滴的充電、蒸發以及運動過程，仿真研究了初始液滴直徑、放電電流大小等對液滴動力學行為的影響，結果表明，在液滴的運動過程中，液滴因受到電漿的加熱作用而不斷蒸發，因此液滴質量持續減小，而液滴直徑在一開始受到熱脹冷縮的影響會有小幅增大再減小，液滴電位和液滴溫度主要受到電漿參數影響，隨著液滴位置的變化而變化，縱磁作用下的液滴會發生旋轉運動；建立了考慮不同組分的純金屬電極和合金電極電弧雙溫度磁流體動力學模型，並進行仿真研究，結果表明，隨著電流增大，各離子組分電離速率加快，形成更多的高價離子，開距的增大會導致高價離子增多，平均電荷數增大，CuCr合金材料中，隨著Cr含量的增加，離子的平均電荷數也隨之增大，電流收縮減弱；研究了單一與複合電極材料條件下真空電弧陽極模式演變機理，發現陽極斑點模式和陽極羽流模式的轉變與陽極表面溫度以及電弧電流的大小存在密切關係，羽流的傾斜與陽極表面溫度的非對稱分布相關；建立了真空電弧中陰極斑點弧坑與液滴形成的模型，揭示了弧坑與液滴的形成機理。對觸髮型真空開關的電弧進行實驗研究，關注了真空電弧形態、電弧電壓、陰極斑點以及陽極活動的發展演變過程，並與仿真結果進行對比；通過以上研究，掌握了真空開關電弧演化行為的物理機制，獲得了電漿關鍵參數特性及真空開關性能演化規律。發表學術論文論文31篇，其中SCI收錄20篇，獲批國家發明專利1項，軟體著作權2項，培養九院青年人員2名，培養博士生4名，碩士生6名。