灭弧室结构参数对空气介质开关电弧特性的影响

如前所述，Fievet、Lindmayer、Gleizes、Murphy等人利用各自建立的电弧模型，分析了多种因素对空气介质开关电弧特性的影响。在此基础上，本书进一步论述了外施磁场大小、灭弧室内电弧初始燃烧位置，或者说是电弧后方体积对电弧特性的影响。同时，采用二维光纤测试系统，在振荡回路条件下，针对一实验模型，通过测量电弧平均运动速度，来验证仿真结果的正确性。

1.计算模型及边界条件

低压断路器的灭弧室结构非常复杂，为了便于分析弧柱区电弧的物理特性，节约时间开销，对灭弧室进行了简化处理。计算模型的基本结构如图8-29所示，计算平面平行于电极，也就是垂直于弧柱，区域大小为80mm×14mm，计算网格大小为0.2mm×0.2mm，时间步长根据计算收敛情况，在1～5μs范围内调整。

图8-29 分析模型

边界条件为：对温度来说，除灭弧室右侧出气口外均为绝热边界条件，出气口温度设为300K；对压力来说，出气口的压力等于外部气压，即1个大气压；对速度来说，灭弧室器壁满足无滑移边界条件。此外，电弧的初始燃弧位置可以沿x轴变化。

假定电弧电流垂直纸面向内，磁场方向沿y正方向，这样电弧将受到一个沿x正方向的电磁力，在该力和气流场的共同作用下，电弧向出气口方向运动。

此外，设定初始电流为100A，首先进行气流场的静态分析，将得到的场分布结果作为初始条件，然后电流按照i=200sin（100πt+π/6）的规律变化，也就是电流为峰值200A，合闸相角为30°的正弦波形。

图8-30 二维光纤阵列测试系统

2.实验方法及模型

图8-30为二维光纤测试系统结构图，其由4个主要部分组成：

1）光纤阵列采集电弧光信号，其最大采样频率为10⁶幅/s。另外，在每个光纤的顶端加入非均匀介质纤维透镜，以提高空间分辨率。此外，光强分8个等级。

2）MPM 480型压阻差分式压力传感器测量灭弧室中的气压；通过分流器和高压探头（Tektronix 6015A）可测得电弧电流和电压信号。这些模拟信号可以通过4个数据通道以15.625 kHz的采样频率送入信号处理电路中。

3）信号处理电路用于完成光电转换，A-D转换和读/写等功能。

4）上位机用于管理和分析实验数据。软件系统可完成以下主要功能：电弧运动和电流、电压、气压等信号同步模拟；分析不同位置的光强信号；测量信号特征参数，如峰值、燃弧时间、相位差等。

实验在振荡回路条件下进行，图8-31为其原理图。其中T为变压器，B为整流器，S₁和S₂为开关，C为电容器组，L为电抗器，SP为实验样品，A为分流器。闭合S₁，断开S₂，就可以给电容器组C充电；一旦电容器组上的充电电压达到要求值时，立即断开S₁；然后闭合S₂，C、L、SP和A组成一个典型的单频振荡回路。其中电容和电感分别为1509_μF和6.88mH，电路的振荡频率为50Hz，充电电压有效值和放电电流第一波有效值之比为2∶1（V/A）。分流器A是一个经过严格标定的无感采样电阻，其阻值为1mΩ，用于测量电流。

图8-32为实验模型示意图，其几何尺寸为80mm×35mm×14mm，灭弧室材料为不饱和聚酯模塑料（DMC）材料，触头为铜。在灭弧室的侧面布有光纤观测孔，孔径为2mm，孔心距为6mm。

图8-31 振荡回路原理图

图8-32 灭弧室后方体积对电弧运动影响的实验模型图

a）正视图 b）侧视图

3.外加磁场对电弧运动的控制

在设计低压断路器产品时，人们总是试图利用灭弧室、触头导电回路结构上的特点以增加灭弧室区域的磁场，加强磁吹效果和增大电动斥力的数值，从而加速电弧的运动以及触头的运动速度，显著提高电弧电压的上升速度和数值，这样可改善断路器的开断能力和限流性能。

基于图8-29所示的分析模型和边界条件，并采用式（8-38）所示的灰体辐射模型，设定电弧的初始燃弧位置处于灭弧室中央，图8-33给出了外加磁场分别为1mT、5mT、10mT和15mT时电弧位移随时间t的变化过程，其中电弧位置定义为电弧的最高温度所在处。可以看出，增加外加磁场可以有效地提高电弧的运动速度，其本质上是由于吹弧磁场的增加，引起动量守恒方程中项的增加，而这正是驱使电弧向前运动的源泉。

图8-33 磁场对电弧运动的影响

图8-34为5mT的磁场作用下，时间为0.1ms时电弧中的速度场分布，其单位为m/s。可以看出，此时电弧的最大运动速度为44m/s，由于磁场的作用，在电弧的高温区域会产生一个双涡旋，将电弧中心的高温气体向外扩散，从而冷却电弧。

图8-34 磁场为5mT，t=0.1ms时的速度场分布

4.灭弧室后方体积对电弧运动过程的影响

同样基于图8-29所示的分析模型和边界条件，并采用式（8-38）所示的灰体辐射模型，当初始燃弧位置分别在模型中央和从中央向后移动15mm时，以改变灭弧室后方的体积，仿真分析了电弧运动情况。

图8-35a，图8-35b分别为电弧初始燃弧位置在模型中央和后移15mm，吹弧磁场为5mT时电弧运动过程的仿真结果，图8-35c为电弧初始燃弧位置后移15mm，t=0.5ms时灭弧室内部的压力分布。图8-36为两种情况时的电弧位移，也即电弧中心最高温度，随时间的变化过程。

图8-35 不同初始燃弧位置时的电弧运动形态

a）初始燃弧位置在中央 b）初始燃弧位置从中央后移15mm c）初始燃弧位置从中央后移15mm，t=0.5ms时灭弧室内的压力分布

从图中可以看出，电弧初始燃弧位置后移，也就是缩小灭弧室后方体积，可以加速电弧的运动。这是由于燃弧初期，起弧后产生的压力向两侧传播，当压力波到达左侧后即反射，从而加速了电弧的运动。这样，缩小灭弧室后方体积，使得反射过来的压力波到达电弧高温区域的时间缩短，速度也相应地增加较快。在电弧运动期间，由于压力总是和体积成反比关系，在较小的体积情况下，压力上升也就越快，从而使得电弧的运动速度较高。

图8-36 不同初始燃弧位置时的电弧位移随时间的变化过程

此外，从图8-35中也可以看出，在外部磁场的作用下，电弧高温区域不断被压缩、集中，从而导致图8-35c所示的高温区域压力升高，这也就是所谓的“磁压”作用。

在相应的实验中，灭弧室下方完全封闭，上方完全打开，分别针对触头处于模型中央和下移15mm进行实验。

图8-37a、图8-37b分别为初始燃弧位置在灭弧室中央和从中央下移15mm时的实验结果。图中的色条分8个等级，从左到右表示光强依次增大，也就是说，红色表示电弧光强最大。竖线为同步模拟电弧运动和电弧电流、电弧电压变化时的时间标志，图中所示时刻分别为t=3.32ms和3.90ms。

从图8-37a中可以看出，电弧在t=2.60ms时开始起弧，其光强最大、也就是温度最高的区域，分别在t=3.06ms和3.32ms时向前运动了1格和2格，也即分别用0.46ms和0.72ms的时间走过了6mm和12mm的距离。其平均运动速度为6/0.46=13.04m/s和12/0.72=16.67m/s。

而从图8-37b中可以看出，电弧在t=3.04ms时开始起弧，其光强最大、也就是温度最高的区域，分别在t=3.34ms、3.58ms和3.90ms时向前运动了1格、2格和3格，也即分别耗时0.3ms、0.54ms和0.86ms的时间运动了6mm、12mm、18mm的位移。其平均运动速度为：6/0.3=20.0m/s、12/0.54=22.22m/s和18/0.86=20.93m/s。

仿真结果表明：当电弧起始燃弧位置在灭弧室中央，t=0.681ms时，电弧温度最高的区域运动过12mm的位移，其平均运动速度为12/0.681=17.62m/s；当电弧起始燃弧位置后移15mm，t=0.618ms时，电弧温度最高的区域运动过12mm的位移，其平均运动速度为12/0.618=19.42m/s。而两种情况下，运动同样12mm位移时的电弧平均速度实验值分别为16.67m/s和22.22m/s，可以看出实验和仿真的结果比较吻合。

图8-37 灭弧室后方体积对电弧运动影响的实验结果

a）初始燃弧位置在灭弧室中央时的实验结果 b）初始燃弧位置从灭弧室中央下移15mm时的实验结果

因此，以上的研究表明，缩小灭弧室后方的体积可以提高电弧的运动速度。而对于低压断路器来说，电弧运动速度的提高，有利于电弧电压的上升和限流性能的增强，在进行产品设计时，可以采取该措施改善其性能。

图8-38 计算模型

1—外部流体区域 2—出气挡板 3—阳极电极 4—灭弧室流体区域 5—阴极电极 6—电弧弧柱 7—大气边界 8—出气孔

5.出气口结构及位置对电弧运动过程的影响^[36]

基于三维MHD模型，仿真计算了图8-38所示模型不同出气口结构及出气口位置对电弧运动过程的影响，此计算主要目的是对比在出气口附近，出气结构的变化对电弧形态的影响，由于电弧从起弧到运动到出气口时间的差异，交流电流会导致电弧运动到出气口处的时刻对应的电流值不同，为了减小电流变化因素对仿真结果的影响，计算中采用400A直流电流为电流边界条件。灭弧室施加外加驱弧磁场B_ey为-5mT。

图8-39所示为z=0.45mm处x-y平面上电弧温度分布随时间变化的仿真计算结果。计算结果表明，起弧阶段弧柱形态差异不大。在t>0.3ms时，不同出气结构明显的影响着电弧的动态过程，尤其在电弧弧柱运动到出气口附近电弧的形态。传统中间出气口电弧前端呈尖形，并主要集中在灭弧室中间区域，这是由于在出气口处流体受到压缩作用尤为明显；两侧出气结构，由于气流场的作用，动态过程中电弧弧柱呈方柱形，并在出气口处电弧呈现“月牙”形。电弧弧柱沿出气口两侧分化，有利于增大电弧与灭弧栅片接触面积，增加电弧在灭弧栅片“腹部”的运动路径，进而增强灭弧栅片对电弧的冷却及消游离作用。

图8-39 两种出气结构电弧运动形态

a）中间出气 b）两侧出气

图8-40 不同出气结构电弧电压对比

电弧动态仿真过程中电极设为等电位，对电极两端的电压降进行记录，认为电极间电压降为电弧电压。图8-40给出两种出气方式电弧电压随时间变化的曲线，电弧电压曲线变化可以分为3个阶段：在0～0.1ms时间段内，由于电弧仿真初始化电弧弧柱为直径2mm、温度为18000K的圆柱体，因此在计算开始过程中电弧弧柱扩散和在磁场作用下起始运动的一个初始化过程，这个过程随着电弧弧柱直径的增加及形状的变化电弧电压会由初始的峰值下降。如图所示在初始化过程中两种出气结构电弧电压趋势基本一致，因为此时弧柱中心距离出气口较远，气流场作用不明显。在0.1～0.45ms时间段内，电弧从起弧位置运动到出气口位置，这个阶段电弧电压变化剧烈，在0.1～0.2ms时间内电弧电压相差不大。0.25ms后电弧弧柱运动受到出气口位置的影响，电弧电压区别逐渐明显，在0.45ms电弧电压差别达到最大值19.92V。在0.45～0.7ms时间段内电弧弧柱运动到出气口附近，电弧电压差稳定在20V左右。

计算结果表明两侧出气结构在出气口区域，电弧在气流场作用下的形态变化使得电弧电压较中间出气结构电弧电压提高近30%。获得更高的电压对灭弧室的限流性能及电流过零后的介质恢复强度提高有积极作用。

基于三维MHD模型，同时对图8-41所示不同出气口位置对电弧运动形态的影响进行了仿真计算，计算主要研究出气面积相同，但出气孔位置不同对电弧动态特性和气吹作用的影响。数值计算中，出气面积均为3×1mm×6mm，分为前方为2出气孔、后方为1出气孔，前方为3出气孔的两种情况。为了叙述方便，采用F_xB_x形式表示，F表示前方（Front），B表示灭弧室后方（Back）；x表示出气状况，c表示封闭，2表示两个出气孔，3表示3个出气孔。图8-41给出两种模型示意图，出气情况分别为F₂B₁、F₃B_c。电流为交流电流，外加磁场B_ey=1mT。

图8-41 不同出气口位置计算模型示意图

a）F₂B₁ b）F₃Bc

图8-42给出了不同时刻三维电弧弧柱温度分布计算结果。为了更清晰和直观地显示弧柱状态的变化，图中只显示温度大于3000K的弧柱部分。其中图8-42a为前方2出气孔，后方1出气孔的不同时刻电弧弧柱温度场分布图，图8-42b为前方3出气孔不同时刻的电弧温度场分布图。

图8-42 不同出气位置电弧3D形态分布

a）F₂B₁ b）F₃Bc

计算结果表明，在相同出气面积下，开孔位置变化对电弧弧柱动态特性有明显的影响。F₂B₁开孔方式电弧运动速度明显降低，弧根从起弧位置运动到出气口的时间为3.3ms，是F₃B_c开孔方式的2倍。

图8-43a、图8-43b分别给出具有相同出气面积的F₂B₁和F₃B_c开孔方式的封闭端和电弧起弧位置的气压波形对比。图8-43a说明灭弧室后方如果有出气孔存在，使电弧产生后的左行激波在封闭端发生反射时受到膨胀波作用，反射回左行压缩波系，在封闭端反射后的气压峰值下降，这与灭弧室封闭端完全封闭的情况发生了本质的变化，并且直到灭弧室内气压梯度建立，F₂B₁封闭端气压值低于F₃B_c气压值。同样情况，在电弧起弧的位置，F₂B₁气压值也低于F₃B_c气压值，如图8-43b所示。这表明虽然出气口面积一样，后方出气将降低灭弧室内的气吹作用。

由于灭弧室左右两侧均有出气口，导致灭弧室向右方向的气流减弱，使气流对弧柱的冷却作用减弱，也对电弧弧柱的形态产生了明显的影响，如图8-42a中F₂B₁开孔方式的电弧直径大于F₃B_c开孔方式。因此可以理解的极端情况为如果灭弧室出气口端无出气口，而封闭端有出气口则灭弧室内气压波动过程结束后建立的气压梯度方向将指向左方，与电弧运动的方向相反，此时的气吹作用将不利于电弧的运动，甚至当气吹作用克服洛伦兹力的作用时，电弧将向左运动。

图8-44给出了F₂B₁、F₃B_c及F₂B_c开孔方式的电弧弧根位移曲线。灭弧室后方封闭如F₃B_c与F₂B_c出气方式，随出气面积增大电弧弧根运动速度加快，而灭弧室后方出气如F₂B₁出气方式，电弧弧根运动速度明显减慢。

计算结果表明：电弧动态过程中，沿运动方向弧柱后方会有上千K的高温区域存在，形象地称为“拖尾”现象。如果灭弧室后方存在出气口，由于弧柱受到后方出气的气流因素影响，弧柱“拖尾”现象将更为明显。当气流场的方向与电弧运动方向一致时，气吹作用才有助于提高弧根运动速度，从而增加电弧进入灭弧栅片的驱动力，反之气吹作用不利于灭弧。灭弧室后方出气的存在，导致气流场沿起弧位置向出气口方向的气流减弱，不利于提高弧根的运动速度；在带有栅片的灭弧室中，开断过程中电弧会因为后方区域的高温易于发生背后击穿，影响灭弧室的开断性能。

图8-43 F₂B₁和F₃B_c开孔方式的封闭端和电弧起弧位置的气压波形对比

a）封闭端 b）电弧起始端

图8-44 不同出气方式电弧弧根位移曲线