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(huì)在極間電弧區(qū)域產(chǎn)生橫向磁場(chǎng)(transverse magnetic field，TMF)。橫向磁場(chǎng)的存在會(huì)影響真空開關(guān)的開斷性能，通過仿真對(duì)這一影響進(jìn)行了初步的探索�；�于真空電弧二維磁流體動(dòng)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(chǎng)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(huì)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(huì)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(huì)對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(chǎng)以及不同開距對(duì)真空電弧的影響，并在后來對(duì)真空電弧進(jìn)行了三維建模。在陽極活動(dòng)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(duì)電弧的作用，Watanabe等人得到了陽極表面溫度，王立軍等人則對(duì)陽極熱過程建立了二維軸對(duì)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(duì)真空電弧和陽極活動(dòng)的研究都主要集中在沒有外部橫向磁場(chǎng)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(huì)在電極極間區(qū)域產(chǎn)生一個(gè)橫向磁場(chǎng)(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(duì)電弧的影響，但是并沒有考慮偏移電弧對(duì)陽極燒蝕的影響。

　　本文首先利用二維磁流體動(dòng)力學(xué)(magnetohydrodynamics，MHD)模型對(duì)TMF 和電極系統(tǒng)自生縱向磁場(chǎng)(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(huì)在極間電弧區(qū)域產(chǎn)生指向里面的橫向磁場(chǎng)，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(huì)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(duì)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(chǎng)強(qiáng)的TMF 作為對(duì)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(chǎng)強(qiáng)分別代表了不同的外部母線和導(dǎo)電桿的長(zhǎng)度搭配關(guān)系，外部母線越長(zhǎng)，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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)的影響，有必要采取一些屏蔽手段。