低壓電器電弧仿真與研究

張 鈺

（鎮江市產品質量監督檢驗中心，江蘇鎮江，212013）

低壓電器電弧仿真與研究

張 鈺

（鎮江市產品質量監督檢驗中心，江蘇鎮江，212013）

作為電力系統、電能應用工程中十分常見的物理現象，低壓電器電弧運動與仿真研究越來越受關注。本文結合低壓電器電弧運動機理與電弧仿真技術，構建了低壓電器電弧仿真模型，就低壓電器電弧仿真過程進行了研究。

低壓電器；電弧；仿真

0 引言

通過研究低壓電器的電弧運動特性，有助于優化低壓電器產品的設計，提高其性能。但應注意的是，由于低壓電器電弧燃弧時間較短，因而如何捕捉電弧是關鍵。本文重點結合低壓電器電弧運動機理及電弧仿真技術，探討了低壓電器電弧仿真方法與過程，以供參考和借鑒。

1 低壓電器電弧運動機理與電弧仿真技術

在低壓電器電弧運動、仿真研究中，涉及到一系列的電、熱、磁、運動現象，極大地推動了低壓電器電弧運動等離子體測試研究的發展。近些年來，光譜、CCD、光纖陣列、電磁等非接觸測量技術開始應用于低壓電器電弧運動等離子體測試中，根據實驗可知，低壓電器電弧運動，是結合電氣自動化所要求的短時間之內，就相聯電路分段進行離合接觸。在符合電、熱、磁、運動等前提下，在低壓電器電弧運動的觸頭間隙存在電弧運作。為此，必須把握好低壓電器電弧特點，這樣才能確保設計順利開展。在電器觸頭接通、切斷時，在兩路電源中其中一路觸頭存在改障、負載等情況，觸頭間會產生開關電弧反應，引發電弧運動需電源間轉換，以確保供電的可靠性、安全性。采用該方法能夠使電弧被拉長，引發極高的電弧電壓，確保電弧運動及仿真過程順利進行。

就低壓電器而言，接觸器、斷路器等設備在觸頭開啟時，會引發電弧，電弧受到磁場的作用，進入滅弧室最終熄滅，這一過程對于電器開斷性能具有十分重要的意義。此外，電器存在內部故障電弧時，會引發弧根效應，導致電氣設備受損，甚至引發火災等危害。為此，必須采取科學的計算方法，對低壓電器內部電弧故障進行模擬，這樣才能優化電器性能。當然，安全性也是低壓電器研究的重要領域，低壓電器電弧仿真是該領域研究熱點及難點。在電弧仿真中，常將其作為獨特的導電流體，物理參數主要涉及到溫度、壓力等指標。低壓電器電弧仿真是建立在磁流體動力學的基礎上，結合氣流場、熱場、磁場及電流分布情況，就滅弧室內的電弧運動過程進行模擬與研究。

2 電弧仿真模型的構建

2.1幾何模型的構建

鑒于實際低壓滅弧室更為復雜，因此，本文采用的是Gam2bit軟件，構建了簡化的滅弧室模型。模型為封閉式、兩端存在開口的結構，器壁所使用的是塑料結構，厚5mm。模型沿x、y、z 方向尺寸分別為30 mm、6 mm、6mm。假設陰陽兩極間產生電弧燃燒，則穩態計算需要圍繞這一模型開展，在空氣介質下，電弧電流設置為200A（直流）。結合該幾何模型，借助于六面體網格（邊長0.3 mm），將模型進行網格劃分，分為40000個網格。

2.2仿真假設

在對電弧宏觀運動進行研究時，需要將其視為一種特殊流體進行處理，由于該流體自帶導電粒子，因而可以視為導電流體。其物性參數主要涉及到熱導率、密度、粘性系數、定壓比熱等，為了簡化電弧運動過程，進行如下假設：一是認為無空間電荷層存在，忽略電極間的電荷層；二是忽略電極、器壁可能存在的損耗。

2.3 MHD模型的構建

MHD是研究電磁場中導電流體運動的一門科學，是建立在傳統流體力學的基礎上，結合電磁理論，根據氣體質量、動量、能量守恒等定理，對電磁過程加以耦合，構建氣流場、電磁場方程。其模型的表達是互耦合非線性偏微分方程組，因而不適用解析求解法，需借助于數值求解法求解。本文借助于Fluent軟件，對模型方程進行求解。

2.4邊界條件

模型邊界條件主要涉及到流場、電磁場邊界條件。對于流場而言，滅弧室中的電弧受到焦耳熱的作用，溫度較高，其熱能可以借助于滅弧室面壁、電極傳播到外面。在仿真及計算過程中，面壁溫度邊界可以借助于熱流量法加以定義，也就是說，該能量可以根據一維導熱公式進行計算。對于電磁場而言，其邊界條件包括陰極2界面、滅弧室面壁邊界條件。結合電流密度相關公式，前者邊界條件可根據電流密度進行定義，但實際燃弧中電流密度分布無法測定。在仿真時多借助于假定的近似分布，在外界電流給定的情況下，界面單元面電流密度和系數為正比關系。后者邊界條件也采用電流密度加以定義，鑒于塑料無導電性，因而其界面電流密度視為0。磁場邊界較流場、電場邊界而言，邊界的位置存在很大差異。理論而言，磁矢量位在電流源無限遠處等于0，因而電場、流場邊界位置就磁場而言并不適用。建模過程中，需要對計算區域進行擴大，對邊界位置進行設定，但邊界無法構建到無限遠處，因此，可結合空間各點的磁矢量位和電流源距離該點的平方成反比關系，將磁場邊界位置置于滅弧室幾十cm外，這樣邊界變化對于磁場求解不會帶來較大影響，并將邊界位置點的磁矢量位值作為輻射場的邊界條件，利用邊界處入射輻射強度進行界定。

3 電弧仿真計算

將電弧計算電流值設置為200 A（直流），假設電弧位置始終在滅弧室中心處，借助于P1輻射模型加以計算，為能量方程組提供計算方法，可以獲取器壁、電極處的能量流，為器壁、電極計算提供依據。

3.1電弧溫度的分布情況

結合電弧計算，可得滅弧室x2y截面的二維溫度分布情況，較其他區域而言，電弧中心區域存在較高溫度，從中心至四周逐步遞減，電極存在就電弧溫度而言存在部分影響，接近電極處的電弧，溫度較低。

3.2電場分布

鑒于上下電極面邊界的差異性，電極附近電場的分布也不盡相同，陽極電位被視為0 V，從電弧電位分布情況，可得到電流密度分布情況。如近極x2z 平面（y = -2.85 mm）的電流密度分布情況，鑒于電弧處于中間位置，因而電流密度分布呈原點處x2y平面對稱。電弧高溫區域作為電流通道，由于電導率會根據溫度改編而升高，電流密度較大，會導致該處焦耳熱升高，引發近極區溫度超過中心區。

3.3氣流場分布

在弧柱中心位置，氣流速度主要是從電極區域朝中間區域指向，最大速度190m/s，因而被稱為“噴流”現象，這是由于電極區域弧柱溫度及壓強較大所引起的。鑒于陰、陽極邊界條件的差異性，引發導致陰極區域“噴流”強于陽極。兩個“噴流”在接近陽極處區域碰撞，流動方向從沿y軸流動，轉變為沿x軸流動，導致弧柱呈兩邊擴張的趨勢。

4 結語

近些年來，仿真技術在低壓電器中的應用越來越廣泛，本文重點就低壓電器電弧仿真進行了研究，該電弧模型可用于低壓電器輔助設計中，通過對電弧燃弧過程進行分析，有助于進一步優化、完善低壓電器產品的性能。

[1]孫海濤，陳德桂，李興文，等.低壓塑殼斷路器觸頭系統三維磁場的可視化分析[J].電工技術學報，2012，10（ 08）: 231 - 235.

[2]吳翊，榮命哲，楊茜，等.低壓空氣電弧動態特性仿真及分析[J].中國電機工程學報，2011，23（ 21）: 145 - 148.

[3]婁建勇，榮命哲，鄒洪超，等.單線圈單穩態永磁式接觸器機構動力學特性仿真分析[J].電工技術學報，2011，12（ 04）: 120 - 124.

Arc simulation and research of low voltage electrical apparatus

Zhang Yu（Zhenjiang product quality supervision and inspection center，Jiangsu Zhenjiang，212013）

As a very common physical phenomenon in power system and electric energy application engineering，the research on arc motion and Simulation of low-voltage electrical apparatus is getting more and more attention. In this paper， based on the arc motion mechanism and arc simulation technology of low-voltage electrical equipment， the arc simulation model of low-voltage electrical equipment was built， and the simulation process of the low-voltage electrical arc was studied.

low voltage electrical equipment; arc; simulation