大电流真空电弧开断过程瞬态特性仿真分析

针对开断过程中传统稳态模型无法表征真空电弧动态特性问题,以工频电流下开断峰值为10 kA大电流真空电弧为研究对象,搭建等离子体弧柱区二维物理模型,在已有双温磁流体动力学稳态模型中引入密度、温度、压力及速度等流场参数时变项,同时利用动网格技术控制弧柱区变化速率,模拟触头分闸过程,综合考虑电流及开距变化情况下等离子体各物理场参数变化,以获取开断时电弧微观流场瞬态特性,探究开断过程中电弧形态及能量变化。分析结果可知:离子压力、温度、电子温度和阳极表面能流密度均随动、静触头分离而减小;离子速度无明显变化;等离子体不断向外扩散,由于电流减小,金属蒸汽源也逐渐减少,极间等离子体密度降低,阳极尚未达到活跃程度,最终电弧熄灭。

中频真空电弧边缘击穿现象及仿真研究

为深入掌握航空变频(360~800 Hz)电力系统中真空电器电弧特性,该文围绕中频灭弧室弧后发生的边缘击穿现象,以双温磁流体动力学仿真结合实验的研究方法,得到了以下结论:中频真空电弧离子数密度的最大值为2.6×10^(19)m^(-3),离子温度的范围为0.30~0.91eV,电子温度的范围为1.50~2.43 eV;电子与离子之间存在能量交换,电子温度的变化会引起离子温度的变化;最高离子温度出现在阳极触头边缘处,与实验发现的边缘击穿位置重合,证明了此处确实存在能量集中;中频真空电弧是超声速流体,速度在边界处减慢,根据动能热能互换原理,中频真空电弧的质量流运动规律是边缘击穿的本质原因。

磁控触头旋转开断过程中直流真空电弧形态与电压特性

为探索直流断路器磁控触头开断产生的真空电弧形态演变规律及其电压特性,提出了一种在触头直拉基础上附加阴极旋转运动的开断方式“旋转—直拉开断”。由于磁控触头开断电流自生磁场会影响真空电弧发展过程,文章对阴极旋转开断产生的磁场进行了仿真分析。同时搭建了可拆卸真空灭弧实验平台,对万字型横磁触头和杯状纵磁触头在不同开断方式下的真空电弧的形态演化规律以及电弧电压特性进行了对比分析研究。仿真与实验结果表明:真空电弧在旋转开断方式下受到触头磁场和旋转离心力的共同作用,燃弧时间更短、由限制型电弧向扩散态的转变更快、熄弧效率更高。“旋转—直拉开断”使得在阴极表面的亮斑运动加速,使得电弧能量逸散更快有效提高熄弧能力。

大电流真空电弧中阳极熔化过程的实验与仿真研究

大电流真空开断过程中,阳极触头在电弧作用下的熔化过程极大地影响着开断结果。目前对阳极熔化的研究集中于铜及铜基合金,所涉及的材料热特性参数较为局限。为了在更大物性参数范围下剖析阳极熔化机理,该文对W、Mo、Cr、Fe四种材料开展了阳极熔化实验研究,同时建立电弧磁流体动力学模型及阳极传热模型对熔化过程进行仿真模拟。结果表明,在固定阴极为Cu的大电流燃弧实验中,四种阳极材料的临界熔化电流分别为14.0、11.9、8.6、7.5 kA;在阳极热过程模拟中,确定了阳极输入能流密度的空间与时间分布,并得到了阳极表面温度。四种材料的阳极最高温度均出现在燃弧时刻7.0 ms附近,临界电流下计算得到的阳极最高温度与相应材料熔点误差小于150 K。

不同长径比下真空电弧自由燃弧特性的研究

该文研究不同触头开距(g)与直径(D)比值(g/D)条件下真空电弧的自由燃弧特性,以为进一步研究电弧控制方法提供理论支撑。实验选用直径为42 mm、材料为CuCr50合金的平板触头,采用触发引弧的方式,分别观察12 mm(g/D=0.286)、24 mm(g/D=0.571)、36 mm(g/D=0.857)触头开距,2.4至5.2 kA电流峰值(Ipeak)条件下的真空电弧。结果表明:不同长径比真空电弧阴极斑点扩散速度与阴极斑点平均承载电流接近,阴极斑点扩散速度与电流峰值的平方根成正比;小长径比(g/D=0.286)真空电弧在电流峰值较大时(Ipeak>4 kA)会依次出现扩散电弧模式、点状阳极斑点模式、阳极斑点模式;大长径比(g/D=0.571、0.857)真空电弧中大量阴极斑点在初始扩散阶段结束后长期维持在阴极触头侧面,未观察到稳定的阳极斑点。结果表明:大长径比与小长径比真空电弧在形态以及阳极现象上存在较大的差异,涉及大长径比真空电弧时需要考虑电弧对于触头侧面烧蚀的问题。

CuCr55电极触头真空电弧燃弧与烧蚀特性

铜铬合金材料作为电接触领域最重要的触头材料之一,在真空灭弧室中得到了广泛的应用。采用电弧熔炼方法制备了CuCr55触头材料,对比了熔铸CuCr25、熔渗CuCr50和电弧熔炼CuCr55材料的微观结构,并着重分析了电弧熔炼CuCr55触头的真空电弧燃弧与烧蚀特性。利用高速摄影机拍摄短路电流燃弧特性,得到了产生阳极斑点的临界电流。利用电子显微镜观察烧蚀过后的触头表面微观形貌,触头表面未出现材料断裂、细微裂痕或显著隆起。研究结果表明,电弧熔炼CuCr55触头具有铬颗粒细小均匀、显微组织球化弥散分布的微观结构,以及良好的均匀烧蚀特性。

小电流真空电弧多物理场仿真耦合机理研究

真空开关开断过程中产生的真空电弧涉及电、磁、热等多物理场耦合及多物性参数变化,研究其特性对于改进真空开关至关重要。为此,建立小电流真空电弧多物理场耦合模型,利用COMSOL Multiphysics对燃烧过程中的温度、压力、速度、电流密度、磁场强度等关键参量进行仿真,并分析多物理场间耦合机理。结果表明:等离子体温度、压力、电流密度最大值均在阴极表面中心处,磁场最大处靠近阴极侧,速度最大处靠近阳极侧;温度场、电流密度场、磁场随时间变化波动趋势基本一致,速度场波动滞后于压力场。

真空电弧熔炼FeCoNiCrMnAl_(0.5)(Si_(0.5))高熵合金的摩擦学性能

高熵合金相较于传统合金可以同时具备高强度、高硬度以及出色的耐腐蚀性和耐高温性能,具有广阔的工业应用前景。元素及其含量是高熵合金组织性能的最直接影响因素,为探究非金属元素对FeCoNiCrMnAl_(0.5)高熵合金耐磨性的影响,采用真空电弧熔炼技术制备FeCoNiCrMnAl_(0.5)(Si_(0.5))高熵合金铸锭,研究Si元素对高熵合金微观组织结构、硬度及干摩擦学性能的影响。试验发现,FeCoNiCrMnAl_(0.5)合金铸锭物相为单一FCC相结构,组织呈现等轴树枝晶特点,晶粒大小为20~30μm;FeCoNiCrMnAl_(0.5)Si_(0.5)铸锭物相由FCC+BCC相组成,晶粒尺寸为10~20μm;FeCoNiCrMnAl_(0.5)铸锭硬度较低仅为185.8 HV0.1,FeCoNiCrMnAl_(0.5)Si_(0.5)铸锭硬度可达到750.7 HV0.1,其抗磨损性能相比FeCoNiCrMnAl_(0.5)也提升超过10倍。这表明Si元素能促使高熵合金物相结构由FCC向BCC转变,同时具有细化晶粒,大幅提升高熵合金的硬度与抗磨损性能作用。Si元素的作用对高熵合金具有普遍的适用性,可为高熵合金涂层耐磨性的强化提供参考。

真空电弧重熔(VAR)控制简介

真空电弧重熔(VAR)工艺由于工艺控制更为可靠,也有利于易偏析合金大直径合金锭的生产。工艺控制是通过调整电极熔化和合金锭铸造条件来进行,电极熔化是采用二种算法由计算机控制。首先是通过电弧电压信号来调整电极的位置,以便使电极和熔池之间保持恒定的间隙。有关冶金专家建立了电极间隙与熔滴短路频率的相对关系模型,熔滴短路是由于熔化的金属由电极转移到合金锭熔池引起的。

电渣重熔(ESR)和真空电弧重熔(VAR)工艺比较

由于真空电弧重熔(VAR)工艺与电渣重熔(ESR)工艺相比容易控制合金锭的结晶,所以能够生产大锭型的偏析敏感合金。电渣重熔(ESR)较为复杂,它是通过以CaF_(2)为基的渣的电阻热去熔化电极,渣子在水冷铜结晶器上凝结,在合金锭和结晶器之间形成一层渣皮,因此,渣帽在合金锭顶部保温,而渣皮在合金锭外径保温,这导致了在电渣重熔(ESR)过程中热传导率较低,与真空电弧重熔(VAR)相比产生了较深的熔池和较长的凝固时间。

横磁触头真空电弧起始运动的临界触头开距实验研究

起始桥柱状真空电弧运动的临界开距是对应于横磁触头大电流真空电弧运动模式演变的标志性物理量,对横磁触头真空断路器大电流开断性能具有重要影响。本文的研究目标是实验研究横磁触头开槽方式、燃弧时间和电弧电流等因素对横磁触头起始桥柱状真空电弧运动临界开距的影响规律。研究结果显示在燃弧时间0 ms~10 ms、电流有效值5 kA~31.5 kA的实验条件下,3种结构的横磁触头的起始桥柱状电弧有越靠近电流峰值起弧,停滞时间越长的趋势。直角槽型卐字形横磁触头(CuCr40)、螺旋槽型横磁触头(CuCr25)和曲线槽型卐字形横磁触头(CuCr50)的电弧运动临界开距分别在0.96,1.1 mm和1.7 mm有概率最大值点。相关研究结果对横磁触头大电流真空电弧的发展和演变特性的理解提供基础。

真空电弧炉电极杆动密封问题分析

通过真空电弧炉电极杆的动密封结构原理分析,归纳设备生产运行中动密封出现的常见故障和技术问题,结合丰富的使用维护保养经验,得出真空电弧炉动密封关键部件参数和使用维护注意事项,特别就真空自耗电弧炉称重和触底技术问题,给出经验和理论分析并提出有效解决办法。对动密封良好性能保持、常见及派生问题快速判断处理、推动优化结构设计有重要的理论和实践指导意义。

基于PIV技术的真空电弧扩散阶段流场分析

为了对真空电弧扩散过程流场运动特性及内在规律进行可视化分析,使用高速摄像机对真空电弧燃烧过程进行采集,将图像处理技术与粒子成像测速技术(PIV)相结合,对短间隙真空开关扩散燃烧过程的二维速度场进行提取,对反映电弧扩散阶段流场旋转运动特性的参数进行量化分析。试验结果表明:真空电弧内部有多个大小不同的涡流区域,真空电弧内部的高能等离子区域左右两侧的两大涡流区的平均涡度值相差较大,且右侧涡流区域的平均涡度明显大于左侧,中间内部高能等离子区域电弧的涡度相对稳定。

真空电弧阴极斑点烧蚀形貌实验及建模仿真研究综述

阴极斑点是真空电弧等离子体的重要源头,而真空电弧阴极斑点烧蚀形貌形成的过程是对阴极斑点特性展开研究的基础,对于提高真空电弧相关设备的性能及寿命有重要的理论指导意义。为对真空电弧阴极斑点烧蚀形貌形成的过程进行系统性的回顾,本文从实验与仿真两方面的研究现状进行了综述分析。论文总结分析了国内外对阴极斑点微观行为的实验研究,从建模仿真的角度综述了阴极斑点理论模型的发展历程,进一步对阴极斑点烧蚀形貌二维与三维模型的主要仿真结果总结分析。通过仿真与实验结果对比,讨论了现有真空电弧阴极斑点烧蚀形貌形成过程的实验与仿真研究存在的不足,并对其进一步展开研究进行了展望。

铝合金表面真空电弧离子镀AlTiCrN涂层的耐磨性研究

铝合金由于轻质、耐蚀等优点,在汽车零部件中的应用逐渐增多,但其质软、耐磨性差,表面需要强化处理。采用真空电弧离子镀方法在铝合金表面分别沉积AlTiCrN和TiN涂层,利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、纳米压痕法、Rockwell压痕法以及摩擦磨损试验对涂层的组织结构、力学性能、结合性能和耐磨性能进行分析。结果表明:铝合金表面沉积的AlTiCrN涂层表面平整,“液滴”少。AlTiCrN涂层呈现TiN相的物相结构,且涂层以(200)晶面择优取向。AlTiCrN涂层晶粒细小,硬度为33.7GPa,分别较铝合金基体和TiN涂层提高67倍和66.8%。AlTiCrN涂层与铝合金基体结合牢固,在摩擦磨损过程中AlTiCrN涂层具有防粘作用和降低摩擦系数的作用,涂层后的铝合金其表面耐磨性显著增强。

大电流真空电弧中阳极烧蚀过程的研究进展

在大电流真空电弧开断中阳极触头的烧蚀情况将决定开断的成功与否,掌握高电压等级真空开断关键技术需要深入理解真空电弧阳极烧蚀机理。本文对国内外关于阳极烧蚀的研究进行了综述,包括阳极放电模式的分类及特点、阳极表面温度及熔融触头运动的实验测量以及阳极烧蚀数值模拟,在此基础之上总结了触头材料对阳极烧蚀的影响,对大电流真空电弧阳极烧蚀研究的未来发展方向提出了建议。

燃弧参数对小间隙真空电弧特性的影响

阳极表面能流密度(EFD)分布可以表征极间等离子体对阳极的加热作用,是重要的真空电弧特性参数。为此,在前期建立的真空电弧磁流体动力学(MHD)模型的基础上,引入边界条件,计算了小间隙中超音速电弧和亚音速电弧的阳极表面能流密度参数,并进一步分析讨论了电弧电流、触头开距、触头半径和纵向磁场(AMF)等燃弧参数变化对该参数的影响。研究结果表明:1)当电弧电流增大时,上述参数均增大,且向弧心收缩加剧,亚音速电弧收缩更加明显;2)当触头开距增大时,上述参数也向弧心区域逐渐收缩;3)当触头半径增大时,上述参数均逐渐减小,且沿径向分布越来越均匀;4)当纵向磁场增大时,上述参数的径向分布越来越平缓。上述燃弧参数变化对阳极表面能流密度的分布均有影响,因此,减小触头开距、增大触头半径和纵向磁场均能抑制阳极表面能流密度的收缩,减少输入阳极的能量,提高真空开关开断性能。

开距对不同状态下真空电弧特性影响的仿真分析

仿真分析了开距对真空开关中不同状态下真空电弧特性的影响。对于小电流扩散态真空电弧,随着开距增大,电弧的扩散程度增大,离子温度、电子温度和等离子体压力增大;对于超音速收缩态真空电弧,随着开距的增大,电弧的收缩程度增大,离子温度、电子温度和等离子体压力增大,阳极轴向电流密度和能流密度的分布更不均匀;对于离子处于亚音速状态的大电流真空电弧,随着开距的增大,极间等离子体的损失增多。对于3种不同状态的真空电弧而言,随着开距的增大,电弧电压和注入阳极的能流密度都增大。同时,可以发现,建模与仿真是理解真空电弧微观过程的一种有效方法。

真空电弧磁流体动力学模型与仿真研究

以离子与电子的双流体模型以及麦克斯韦方程为基础,推导得到了真空电弧的二维磁流体动力学(MHD)模型。MHD 模型中包括质量方程、动量方程、能量方程、麦克斯韦方程和全欧姆定律,通过对这些方程的数值计算,得到了真空电弧等离子体参数与电流密度的分布,文中计算分析了电弧电流、电极间距以及不同分布的纵向磁场对真空电弧等离子体参数与电流密度的影响。

混合断路器大电流开断过程中真空电弧与SF6电弧相互作用的仿真

真空断路器和SF6断路器串联的混合断路器,可有效利用真空和SF6气体两种介质不同的灭弧特性实现更大短路电流的分断。为研究两种电弧的相互任用,运用ATP软件及其TACS工具建立了系统实验仿真平台、12kV真空断路器与40.5kV SF6断路器的电弧模型;将仿真结果与实验波形结合通过数学方法分别求得实用的真空电弧和SF6电弧模型参数;搭建了实用真空电弧模型与SF6电弧模型串联的混合断路器模型。通过设定不同的系统仿真参数,研究开断过程中真空电弧和SF6电弧的相互作用及真空断路器与SF6断路器的分压关系;分析两断路器不同时刻分断的协同特性与介质恢复过程;量化研究混合断路器的断流容量增益特性。仿真结果证明,真空断口首先承担恢复电压有利于SF6断口的介质强度恢复;两断口间的电压分布关系主要由电弧电阻与断口间电容决定;在不增加SF6气体使用量的情况下混合断路器具有比SF6断路器更大的断流能力。研究结果为大容量混合断路器的设计提供了理论依据。