真空電弧等離子體特性隨開距增大的變化研究.pdf

1、當前，高壓輸電領(lǐng)域廣泛采用的開關(guān)裝置為SF6斷路器，但其大量使用的SF6氣體對環(huán)境危害巨大，因此，研制其他類型的高壓斷路器已迫在眉睫。真空斷路器向高壓領(lǐng)域的推廣已取得了初步的進展，但是對高壓真空滅弧室內(nèi)的長開距真空電弧的控制，仍是制約高壓真空滅弧室發(fā)展的關(guān)鍵問題。本文基于磁流體力學仿真，對開距在很大范圍內(nèi)變化時真空電弧等離子體特性的變化情況進行了研究，獲得了開距對真空電弧物理過程的影響規(guī)律，加深了對長開距真空電弧物理圖像的認識。

2、　　本文首先分析了當前真空電弧磁流體力學模型在長開距情況下應用時仿真發(fā)散的原因，發(fā)現(xiàn)廣義歐姆定律采用隱式格式表達，霍爾效應的準確計算需要迭代完成是引起仿真發(fā)散的主要原因。針對霍爾效應需迭代求解的問題，將廣義歐姆定律中的霍爾效應項采用霍爾電導率代替，將廣義歐姆定律由隱式格式修改為顯式格式，并重新推導了磁傳輸方程，避免了霍爾效應的迭代求解，從而消除了長開距條件下真空電弧磁流體動力學仿真中出現(xiàn)的數(shù)值發(fā)散問題?；诹黧w動力學計算軟件Fluent

3、進行二次開發(fā)，實現(xiàn)了長開距真空電弧的磁流體力學仿真。
　　基于長開距真空電弧磁流體力學仿真模型，對不同開距下的真空電弧進行了仿真研究，獲得了開距在很大范圍內(nèi)變化時真空電弧等離子體參數(shù)的變化規(guī)律。對不同開距下的等離子體參數(shù)進行對比分析，得到了開距對電流收縮收縮程度、弧柱能量、電弧電流分布、離子加速機制的影響規(guī)律，總結(jié)出了開距對真空電弧物理過程的影響。分析了電流收縮和等離子體收縮的產(chǎn)生原因，揭示了徑向電場與電流收縮和等離子體收縮的關(guān)系

4、。借助長開距真空電弧磁流體力學仿真模型，研究了不同燃弧參數(shù)對長開距真空電弧等離子體特性的影響規(guī)律。
　　分析了真空電弧弧柱內(nèi)電場的可能來源，發(fā)現(xiàn)弧柱內(nèi)徑向電場是由弧柱內(nèi)的凈電荷產(chǎn)生的。分析了真空電弧弧柱內(nèi)凈電荷的累積過程，基于電荷守恒定律和廣義歐姆定律，建立了弧柱內(nèi)凈電荷密度與真空電弧等離子體參數(shù)的關(guān)系，得到了影響弧柱內(nèi)凈電荷分布的因素，基于仿真結(jié)果，獲得了真空電弧弧柱內(nèi)凈電荷的分布規(guī)律?；陟o電場的無旋性和廣義歐姆定律，建立了等

5、離子體參數(shù)分布對徑向電場由陽極向弧柱內(nèi)發(fā)展的影響關(guān)系，獲得了弧柱內(nèi)不同區(qū)域影響徑向電場過渡發(fā)展的主要因素。從物理上界定了陰極射流主導的真空電弧和焦耳熱主導的真空電弧，并仿真研究了不同燃弧參數(shù)對弧柱內(nèi)徑向電場和??t分布以及臨界長度的影響。分析了徑向電場對輸入陽極電流分布的影響，發(fā)現(xiàn)陽極電流不均勻程度與∫E??td??相關(guān)。同時，由于磁邊界層外徑向電場對徑向電流的抑制，當開距大于臨界長度時，陰極入口等離子體參數(shù)的差異對于陽極的電流分布影響