在真空開關(guān)的開斷過程中，外部母線和導(dǎo)電桿所形成的“U”型回路會在極間電弧區(qū)域產(chǎn)生橫向磁場(transverse magnetic field，TMF)。橫向磁場的存在會影響真空開關(guān)的開斷性能，通過仿真對這一影響進(jìn)行了初步的探索。基于真空電弧二維磁流體動力學(xué)模型及陽極熔化凝固模型，大電流真空電弧(high current vacuum arc，HCVA)在TMF 和電極系統(tǒng)自生縱向磁場共同作用下的電弧參數(shù)分布及陽極溫度分布得到了揭示。仿真結(jié)果中，HCVA 在TMF 的影響下會產(chǎn)生明顯的偏移，并且各項(xiàng)參數(shù)都有所變化；陽極溫度分布也會產(chǎn)生同樣的偏移，最終使得陽極熔化也發(fā)生偏移。這些變化會對真空開關(guān)的開斷產(chǎn)生不利影響，特別是離子密度的增大使得電流過零時(shí)極間殘留等離子體增多，降低開關(guān)的開斷性能。

　　引言

　　真空電弧與一般氣體電弧不同，其放電環(huán)境為真空，因此真空電弧等離子體主要由電極材料燒蝕產(chǎn)生的金屬蒸汽及其電離物構(gòu)成。在真空滅弧室、真空鍍膜和脈沖功率等領(lǐng)域真空電弧等離子體都得到了廣泛的應(yīng)用。以往對真空電弧的研究主要采用實(shí)驗(yàn)的方法，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，建模仿真已成為另外一種行而有效的方法，可以對電弧等離子體進(jìn)行微觀參數(shù)定量研究，從而更加有效地理解真空電弧。

　　近年來，真空斷路器向著高電壓、大電流的方向發(fā)展，為了提高真空斷路器的開斷容量，對真空電弧與電極之間相互作用的研究顯得尤為重要。在真空電弧建模與仿真方面，Boxman、Keidar 和Beilis、Schade 和Shmelev、Hauser、Wenzel、王立軍等研究者都做了大量研究工作，其中Schade 和Shmelev 的模型較為全面，Hauser 建立了三維瞬態(tài)模型，Wenzel 考慮了銅鉻電極產(chǎn)生的銅和鉻原子，王立軍等人研究了不同分布縱向磁場以及不同開距對真空電弧的影響，并在后來對真空電弧進(jìn)行了三維建模。在陽極活動建模與仿真方面，Gellert 和Egli建立了一維模型，Niwa等人考慮了蒸發(fā)和質(zhì)量損失，Schade 和Shmelev考慮了陽極蒸汽對電弧的作用，Watanabe等人得到了陽極表面溫度，王立軍等人則對陽極熱過程建立了二維軸對稱模型并在后來的研究中考慮了不同縱磁強(qiáng)度的影響。

　　以上對真空電弧和陽極活動的研究都主要集中在沒有外部橫向磁場影響的情況下，但是在實(shí)際的真空斷路器開斷過程中，滅弧室外部母線U 型回路會在電極極間區(qū)域產(chǎn)生一個(gè)橫向磁場(transversemagnetic field，TMF)，TMF 的存在使得電弧的形態(tài)發(fā)生變化，并在安培力的作用下向一側(cè)偏移，從而使陽極的燒蝕區(qū)域也發(fā)生偏移，直接影響著開斷過程。不少研究者在實(shí)驗(yàn)中都觀察到這一現(xiàn)象，得到了陽極偏燒過后的照片。王立軍等人在仿真中曾考慮了TMF 對電弧的影響，但是并沒有考慮偏移電弧對陽極燒蝕的影響。

　　本文首先利用二維磁流體動力學(xué)(magnetohydrodynamics，MHD)模型對TMF 和電極系統(tǒng)自生縱向磁場(axial magnetic field，AMF)共同作用下的真空電弧進(jìn)行仿真，得到注入陽極的能流密度；然后將電弧仿真得到的能流密度施加到陽極熔化模型上，最終得到陽極偏燒現(xiàn)象的仿真結(jié)果。

　　1、仿真模型

　　滅弧室外部連接母線導(dǎo)通電流時(shí)，根據(jù)右手定則，會在極間電弧區(qū)域產(chǎn)生指向里面的橫向磁場，如圖1 所示。電弧電流流經(jīng)此區(qū)域時(shí)受到指向右側(cè)方向的安培力，整個(gè)電弧會產(chǎn)生偏移。偏移的弧柱攜帶著能流注入陽極，使陽極熔化的中心區(qū)域偏離電極中心，最終產(chǎn)生偏燒現(xiàn)象。

圖1 物理模型

　　本文首先利用MHD 模型對真空電弧進(jìn)行仿真，將所得能流密度作為邊界條件加入到陽極模型中，經(jīng)陽極模型仿真最終得到陽極偏燒情況。因此，在本文的仿真中分別用到了電弧MHD 和陽極燒蝕兩個(gè)模型，所用數(shù)學(xué)模型及邊界條件在文獻(xiàn)中有詳細(xì)闡述，這里不再詳述。本文仿真時(shí)采用了3種不同場強(qiáng)的TMF 作為對比，分別是：BTMF 0、60 和120mT。因?yàn)橥獠磕妇�和導(dǎo)電桿是產(chǎn)生TMF的主要原因，因此3 種不同場強(qiáng)分別代表了不同的外部母線和導(dǎo)電桿的長度搭配關(guān)系，外部母線越長，導(dǎo)電桿越短，產(chǎn)生的TMF 就越強(qiáng)。0mT 代表去掉TMF 的影響。其他仿真條件相同：電弧電流I分別為有效值20 和28kA，觸頭直徑d=50 mm，開距h=10mm，陽極觸頭片厚度為4mm(即陽極仿真區(qū)域)，縱向磁場考慮為均勻分布BAMF=120mT(根據(jù)實(shí)際觸頭3~5mT/kA 選取)，材料為純銅。

　　4、結(jié)論

　　1)外部母線產(chǎn)生的橫向磁場使電弧在安培力的作用下偏離電極中心，電弧的各種分布參數(shù)(如壓力、離子密度等)出現(xiàn)明顯的偏移。

　　2)電弧的偏移使得注入陽極的能流密度分布也出現(xiàn)同樣的偏移，而且在量值上也有很大的增加(最大值已達(dá)到近2 倍)。

　　3)陽極溫度由注入陽極的能流密度決定，因此陽極溫度也產(chǎn)生了明顯的偏移，而且隨著橫向磁場的增大，陽極的熔化區(qū)域已經(jīng)擴(kuò)展到陽極邊緣，這將增大真空開關(guān)開斷失敗的概率。為了減小外部磁場的影響，有必要采取一些屏蔽手段。