真空滅弧室弧后介質(zhì)特性仿真分析

尚文祥,李繼鵬,趙筱赫

(河南工學(xué)院 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453003)

0 引言

隨著直流輸配電技術(shù)的快速發(fā)展,在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的直流輸配電系統(tǒng)基礎(chǔ)上構(gòu)建更加經(jīng)濟(jì)、靈活和可靠的多端柔性直流電網(wǎng)是未來(lái)的必然趨勢(shì)[1]。柔性直流電網(wǎng)發(fā)生線路短路故障時(shí),一般會(huì)使用直流斷路器快速切除故障電流和隔離故障點(diǎn)[2]。相比于混合式直流斷路器,機(jī)械式直流斷路器具有可靠性高、損耗小、成本低、占地面積小以及無(wú)需外置冷卻設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)[3-5],近年來(lái)在中高壓柔性直流電網(wǎng)領(lǐng)域中推廣較快。

由于直流電流沒(méi)有自然過(guò)零點(diǎn),直流斷路器若要實(shí)現(xiàn)在2—3ms內(nèi)開(kāi)斷直流故障電流,技術(shù)上面臨一定的挑戰(zhàn)。機(jī)械式直流斷路器的工作原理為使用LC諧振支路在主開(kāi)關(guān)支路上形成人工過(guò)零點(diǎn)。主開(kāi)關(guān)支路通常選用真空斷路器作為主開(kāi)關(guān)。由于LC人工過(guò)零電流下降梯度非常大,在電流過(guò)零過(guò)程中會(huì)迅速產(chǎn)生過(guò)電壓,此過(guò)程中真空間隙很難恢復(fù)其介質(zhì)絕緣水平,以至于產(chǎn)生重?fù)舸?導(dǎo)致電弧重燃,觸頭間隙繼續(xù)通過(guò)電流[6]。因此,為提高真空斷路器的開(kāi)斷能力,對(duì)真空滅弧室內(nèi)弧后介質(zhì)恢復(fù)特性的研究及分析尤為重要。

本文以機(jī)械式直流斷路器開(kāi)斷故障電流過(guò)程中真空開(kāi)關(guān)縱磁觸頭打開(kāi)且電流強(qiáng)迫過(guò)零后的狀態(tài)為研究對(duì)象,建立真空電弧等離子體流體-化學(xué)混合模型,模型中充分考慮真空電弧等離子體中電子、離子以及銅蒸氣分子之間的相互作用,仿真電子與銅原子激發(fā)、電離及銅原子碰撞產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng),從微觀角度分析真空開(kāi)關(guān)電流強(qiáng)迫過(guò)零后,在過(guò)電壓下真空觸頭間隙放電及等離子體的發(fā)展過(guò)程,并對(duì)弧后介質(zhì)恢復(fù)特性進(jìn)行參數(shù)上的對(duì)比分析。

1 真空開(kāi)關(guān)電弧等離子模型

1.1 碰撞反應(yīng)

氣體放電過(guò)程中,各種帶電粒子之間不斷發(fā)生相互作用,等離子體中,中性粒子和電子的碰撞主要包括電離碰撞、激發(fā)碰撞、彈性碰撞和亞穩(wěn)態(tài)碰撞;中性粒子和離子的碰撞主要是彈性碰撞和電荷交換碰撞。直流電弧生成過(guò)程中,陰極的二次電子發(fā)射是維持放電的必要條件。離子轟擊觸頭表面是最基本的過(guò)程,期間會(huì)發(fā)生系列的基本作用:電子的發(fā)射、電離、中和、表面熱效應(yīng)及表面損傷等。離子進(jìn)入觸頭表面后所產(chǎn)生的二次碰撞是研究離子與表面相互作用的重要基礎(chǔ)[7-9]。

經(jīng)過(guò)上述分析,對(duì)真空銅觸頭間電弧放電的化學(xué)反應(yīng)類型可定義為:

e+Cu?e+Cu

(1)

激發(fā):

e+Cu?e+Cus

(2)

e+Cus?e+Cu

(3)

電離:

e+Cu?e+Cu+

(4)

重物質(zhì)反應(yīng):

Cus+Cu?Cu+Cu

(5)

Cus+Cus?e+Cu+Cu+

(6)

電極表面反應(yīng):

Cu+?Cu

(7)

Cus?Cu

(8)

1.2 數(shù)學(xué)模型

本文仿真采用基于氣體動(dòng)力學(xué)的漂移擴(kuò)散方程、電磁場(chǎng)計(jì)算方程,并且充分考慮真空電弧放電過(guò)程中的電子、離子與金屬蒸氣分子及電極間的碰撞、重組及粒子的漂移、擴(kuò)散等運(yùn)動(dòng)過(guò)程,建立如下數(shù)學(xué)模型[10]。

電子密度方程:

=Re-(u·)ne

(9)

式中,ne為電子密度,μe為電子遷移率,E為電場(chǎng)強(qiáng)度,De為電子擴(kuò)散系數(shù),Re為電子源,u為中性流體速度。

電子能量密度方程:

E·[ne(μe·E)+De·ne]=Rε-(u·)nε

(10)

式中,nε為電子能量密度,με為電子能量遷移率,Dε電子能量擴(kuò)散系數(shù),Rε為電子能量損耗。

資本主義和社會(huì)主義對(duì)中國(guó)態(tài)度的強(qiáng)烈對(duì)比，讓國(guó)人深刻領(lǐng)會(huì)到“俄國(guó)國(guó)民對(duì)于我們所表示的好感，完全不是一種示惠的手段。不過(guò)他們?cè)?917年間，一度顛覆專制的政治，再度推翻官僚式的局面，確立平民政治的基礎(chǔ)以后，想盡力于援助在國(guó)際上被侵略的民族和在一國(guó)內(nèi)被壓迫的階級(jí)的事業(yè)罷了。”［7］258而“資本來(lái)到世間，從頭到腳，每個(gè)毛孔都滴著血和骯臟的東西”［9］。在爭(zhēng)取自由的斗爭(zhēng)中，唯一的同盟者和兄弟是俄國(guó)工人、農(nóng)民及其紅軍［6］6。革命要成功，一定要以馬克思主義為指導(dǎo)；國(guó)民的思想要解放，也只有馬克思主義才能掃除封建殘?jiān)?/p>

觸頭間隙電場(chǎng)分布泊松方程:

-·ε0εrU=ρ

(11)

式中,U為電位,ε0為真空介電常數(shù),εr為相對(duì)介電常數(shù),ρ空間電荷密度。

電磁場(chǎng)Maxwell方程:

×H-σ(E+ν×B)=0

(12)

(13)

式中,σ為電導(dǎo)率,H為磁場(chǎng)強(qiáng)度,B為磁感應(yīng)強(qiáng)度。

1.3 仿真模型

本文使用流體-化學(xué)混合模型對(duì)直流真空非平衡態(tài)電弧等離子體進(jìn)行仿真。為了對(duì)以上描述的非平橫態(tài)電弧等離子體進(jìn)行建模,做出如下假設(shè):

1)假定真空電弧模型為軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱模型,所以模型可簡(jiǎn)化為二維模型。

2)λD?d,求解區(qū)域滿足準(zhǔn)中性條件,λD為德拜長(zhǎng)度,d為電極間距。

3)計(jì)算域內(nèi)等離子體參數(shù)滿足以下近似,le?d,因此可以用流體理論來(lái)近似電弧放電,le為電子平均自由程。

4)電弧區(qū)弱電離,極間等離子體區(qū)包含電子、離子和中性粒子的存在。

真空開(kāi)關(guān)電弧物理幾何模型的網(wǎng)格剖分如圖1所示。由于真空觸頭間隙為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu),所以本文采用軸對(duì)稱模型對(duì)電弧等離子體進(jìn)行仿真。觸頭模型的參數(shù)設(shè)定為:觸頭半徑20mm,觸頭間隙3.5mm,仿真時(shí)各反應(yīng)都發(fā)生在該區(qū)域內(nèi);設(shè)上邊界為陽(yáng)極,陽(yáng)極過(guò)電壓為15kV,設(shè)下邊界為陰極,陰極接地為0V,觸頭間隙內(nèi)初始溫度為3000k,初始?jí)簭?qiáng)為0.5 Torr,初始電子密度為10131/m3,初始平均電子能為4eV。

圖1 仿真幾何模型的剖分圖

2 真空電弧等離子體仿真結(jié)果分析

2.1 真空開(kāi)關(guān)電弧放電過(guò)程分析

真空金屬蒸汽迅速蒸發(fā)是真空電弧引燃的開(kāi)始,隨著電弧的發(fā)展,金屬蒸汽不斷被電離,形成導(dǎo)電通道并維持電弧燃燒。本節(jié)對(duì)直流真空電弧金屬蒸汽電離初期的發(fā)展進(jìn)程進(jìn)行研究。電弧放電初期時(shí)間相對(duì)較短,設(shè)定仿真時(shí)間為 0.0001 s。

圖2為電弧等離子體發(fā)展過(guò)程中的電子數(shù)密度,可以看出隨著時(shí)間的變化電子數(shù)密度逐漸增大,并在t=0.0001s時(shí)達(dá)到最大值。這是由于在觸頭打開(kāi)的瞬間,由于強(qiáng)電場(chǎng)的作用導(dǎo)致電子加速遷移,電子運(yùn)動(dòng)速度瞬間增大,并且伴隨陰極觸頭表面發(fā)射出大量電子,這些快速移動(dòng)的電子與觸頭間隙氣化的金屬銅蒸汽之間發(fā)生強(qiáng)烈碰撞,電離反應(yīng)產(chǎn)生大量電子并形成電子崩,電子崩首先在陽(yáng)極形成,并導(dǎo)致陽(yáng)極附近的電子數(shù)密度很大,隨著時(shí)間的發(fā)展,電子崩由陽(yáng)極逐漸發(fā)展到觸頭間隙中。

圖2 真空電弧等離子體發(fā)展初期電子密度變化云圖

圖3為電弧等離子體發(fā)展到穩(wěn)定狀態(tài)下的正離子數(shù)密度,由圖可知中間區(qū)域的正離子發(fā)展趨勢(shì)與電子數(shù)密度一致。圖4為正離子數(shù)密度與電子數(shù)密度之差,可以看出,除了陽(yáng)極表面,大部分區(qū)域內(nèi)正離子數(shù)密度都大于電子數(shù)密度,這是由于電子崩的頭部聚集著大量的電子,且電子的運(yùn)動(dòng)速度較快,大量的電子快速到達(dá)陽(yáng)極,而正離子向陰極的運(yùn)動(dòng)速度較慢并長(zhǎng)時(shí)間停留在空間區(qū)域。圖5為空間電場(chǎng)分布圖,可以看出陰極附近電場(chǎng)方向?yàn)樨?fù),這是由于此時(shí)正電荷形成的空間電場(chǎng)與初始電場(chǎng)方向恰恰相反,使得靠近陰極的電場(chǎng)方向發(fā)生了反轉(zhuǎn),該反轉(zhuǎn)電場(chǎng)區(qū)域稱為陰極鞘層,在宏觀局部熱力學(xué)平衡電弧中,陰極鞘層有著較大的壓降,該電場(chǎng)阻礙電子向陽(yáng)極加速。隨著電離過(guò)程的發(fā)展,電子的密度逐漸減小,正離子的密度增加并逐漸超過(guò)電子的密度,靠近陽(yáng)極的空間內(nèi)電子與正離子相互共存,逐漸向電弧等離子體的穩(wěn)態(tài)進(jìn)行發(fā)展。由圖2(d)、圖3和圖4對(duì)比可以看出,陽(yáng)極與陰極鞘層之間區(qū)域內(nèi)電子數(shù)和正離子數(shù)密度很大且?guī)缀鯇?duì)等,該區(qū)域內(nèi)電子與正離子數(shù)達(dá)到了一種局部的動(dòng)態(tài)平衡。

圖3 電弧等離子體發(fā)展到穩(wěn)定狀態(tài)下的正離子數(shù)密度

圖4 正離子數(shù)密度與電子數(shù)密度之差

圖5 空間電場(chǎng)分布圖

2.2 不同縱向磁場(chǎng)對(duì)真空電弧等離子體發(fā)展后期特性的影響分析

通過(guò)在真空觸頭間隙施加縱向磁場(chǎng),有利于改善電弧特性,提高滅弧室的熄弧能力。根據(jù)以往的宏觀試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知,縱向磁場(chǎng)可以使滅弧室內(nèi)電弧等離子的形態(tài)由集聚型轉(zhuǎn)變?yōu)閿U(kuò)散型,并且在縱向磁場(chǎng)作用下電弧電壓較低,使得電弧能量降低,若第一個(gè)電流過(guò)零點(diǎn)未發(fā)生重?fù)舸?則在第二個(gè)過(guò)零點(diǎn)時(shí)電弧將更易于熄滅。

采用上述模型,并在仿真時(shí)施加不同的縱向磁場(chǎng),磁場(chǎng)方向由陽(yáng)極指向陰極,磁場(chǎng)大小分別為0T、0.03T、0.06T、0.25T和0.5T,仿真得到t=0.0001s時(shí)刻的電子數(shù)密度如圖6所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn),隨著縱向磁場(chǎng)的增大,當(dāng)電弧等離子體發(fā)展到局部穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),電子逐漸向電極兩側(cè)擴(kuò)散,電極中心線附近的電子密度逐漸減小。

圖6 不同縱向磁場(chǎng)下分布圖的電子數(shù)密度

圖7為陰極鞘層中心線區(qū)域內(nèi)的反向電場(chǎng)分布曲線,其中藍(lán)色線是磁場(chǎng)為0T時(shí)的反向電場(chǎng)曲線,綠色線是磁場(chǎng)為0.03T時(shí)的反向電場(chǎng)曲線。可以看出在陰極鞘層區(qū)域內(nèi),隨著縱向磁場(chǎng)的加入,反向電場(chǎng)在相同區(qū)域內(nèi)減小,并導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)電場(chǎng)發(fā)射的電子相應(yīng)減少,所以陰極鞘層區(qū)域內(nèi)電子密度也相應(yīng)地隨著磁場(chǎng)的加入而減小,由于該區(qū)域內(nèi)的電子密度減小,所以遷移到陽(yáng)極附近的電子數(shù)也相應(yīng)減少。

圖7 陰極鞘層中心線區(qū)域內(nèi)的反向電場(chǎng)分布曲線

電極中心直線上的電子密度如圖8所示。可以看出,不同磁場(chǎng)下的電子密度變化趨勢(shì)基本相同,都是由陰極到陽(yáng)極先增大后減小,陰極鞘層區(qū)的電子密度最小,近陽(yáng)極區(qū)電子密度達(dá)到最大。由不同磁場(chǎng)下的電子密度曲線可知,隨著縱向磁場(chǎng)逐漸增大,電極中心位置電子密度依次減小。通過(guò)該微觀仿真可以看出,電弧等離子體在縱向磁場(chǎng)的作用下是向周圍擴(kuò)散的,這與電弧試驗(yàn)結(jié)果具有良好的一致性,表明在一定的縱向磁場(chǎng)作用下,電弧會(huì)由集聚型轉(zhuǎn)變?yōu)閿U(kuò)散型,這有利于電弧能量的稀釋并減少積聚能量對(duì)電極的燒蝕。

圖8 不同縱磁場(chǎng)下電極中心直線上的電子密度曲線

圖9是縱向磁場(chǎng)為0T和0.03T時(shí)的平均電子能云圖,可以看出,當(dāng)磁場(chǎng)為0T時(shí),平均電子能的最大值為152eV,最小值為4.22eV;當(dāng)磁場(chǎng)為0.03T時(shí),平均電子能的最大值為141eV,最小值為4.09eV,平均值減小是因?yàn)樵诳v向磁場(chǎng)的作用下電子的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生了一定的變化,在一定程度上減小了電子的能量,降低了電子的運(yùn)動(dòng)速度,使其對(duì)金屬蒸汽不能產(chǎn)生有效碰撞,進(jìn)而減少了電離電子的生成。電子能量減小在另一方面也可以有效減小電弧能量,更有利于電弧的熄滅。

圖9 不同縱磁場(chǎng)作用下的平均電子能

3 結(jié)論

本文從微觀角度分析了真空斷路器弧后燃弧特性,通過(guò)對(duì)真空電弧等離子體仿真,研究了電弧等離子體發(fā)展的動(dòng)態(tài)過(guò)程。在真空觸頭間隙添加縱向磁場(chǎng),可以有效改變真空電弧等離子體形成前期和后期的發(fā)展特性,縱向磁場(chǎng)有利于電流過(guò)零后電子和正離子的擴(kuò)散,并且使得陰極鞘層反向電場(chǎng)降低,進(jìn)而減小電子密度。縱向磁場(chǎng)的施加也有利于平均電子能降低,從而降低電弧等離子體中電子和離子運(yùn)動(dòng)的能力,可以有效降低電流過(guò)零后重?fù)舸┑目赡苄浴?/p>

(責(zé)任編輯 王 磊)