縱向磁場(chǎng)和外部橫向磁場(chǎng)共同作用下真空電弧偏移與陽(yáng)極偏燒現(xiàn)象的仿真研究
在真空開(kāi)關(guān)的開(kāi)斷過(guò)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(kāi)關(guān)的開(kāi)斷性能,通過(guò)仿真對(duì)這一影響進(jìn)行了初步的探索;谡婵针娀《S磁流體動(dòng)力學(xué)模型及陽(yáng)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(yáng)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(yáng)極溫度分布也會(huì)產(chǎn)生同樣的偏移,最終使得陽(yáng)極熔化也發(fā)生偏移。這些變化會(huì)對(duì)真空開(kāi)關(guān)的開(kāi)斷產(chǎn)生不利影響,特別是離子密度的增大使得電流過(guò)零時(shí)極間殘留等離子體增多,降低開(kāi)關(guān)的開(kāi)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(lái),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(kāi)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(kāi)距對(duì)真空電弧的影響,并在后來(lái)對(duì)真空電弧進(jìn)行了三維建模。在陽(yáng)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(yáng)極蒸汽對(duì)電弧的作用,Watanabe等人得到了陽(yáng)極表面溫度,王立軍等人則對(duì)陽(yáng)極熱過(guò)程建立了二維軸對(duì)稱(chēng)模型并在后來(lái)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(yáng)極活動(dòng)的研究都主要集中在沒(méi)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(kāi)斷過(guò)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(yáng)極的燒蝕區(qū)域也發(fā)生偏移,直接影響著開(kāi)斷過(guò)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(yáng)極偏燒過(guò)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(méi)有考慮偏移電弧對(duì)陽(yáng)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(yáng)極的能流密度;然后將電弧仿真得到的能流密度施加到陽(yáng)極熔化模型上,最終得到陽(yáng)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(yáng)極,使陽(yáng)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(yáng)極模型中,經(jīng)陽(yáng)極模型仿真最終得到陽(yáng)極偏燒情況。因此,在本文的仿真中分別用到了電弧MHD 和陽(yáng)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(kāi)距h=10mm,陽(yáng)極觸頭片厚度為4mm(即陽(yáng)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(yáng)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(yáng)極溫度由注入陽(yáng)極的能流密度決定,因此陽(yáng)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(yáng)極的熔化區(qū)域已經(jīng)擴(kuò)展到陽(yáng)極邊緣,這將增大真空開(kāi)關(guān)開(kāi)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。