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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

大尺寸电极条件下大电流真空电弧特性的仿真

基于磁流体动力学模型对大尺寸电极下大电流真空电弧特性进行了仿真研究,分析了电弧电流和纵向磁场对大电流真空电弧特性的影响。仿真结果表明,随着电弧电流的增加,离子数密度、轴向电流密度、等离子体压力以及电子温度在量值上都会增大,而等离子体速度则会减小,各参数的分布越来越不均匀,弧柱收缩加强,当电流达到60kA时,阴极侧也出现电流的收缩;纵向磁场越强,等离子体速度就越大,而其他等离子体参数在量值上会减小,各参数的分布变得越均匀,纵磁的增强也可以使得阴极侧电流集聚得到抑制。最后,对实际纵向磁场分布以及大尺寸电极下真空电弧特性仿真结果与实际的电弧照片进行了对比,发现二者具有一致性。真空电弧的磁流体动力学模型可以为真空发电机出口断路器的研制提供理论借鉴。

大电流真空电弧磁流体动力学模型与仿真

为了对大电流真空电弧进行深入研究,以真空电弧双温度磁流体动力学模型为基础,通过计算流体动力学软件FLUENT,采用控制容积法,对大电流真空电弧特性进行了仿真研究。对于大电流真空电弧而言,等离子体的流动处于亚音速状态,因此,在阴极和阳极边界条件的选择上将区别于超音速流动的真空电弧。同时对等离子体密度、轴向电流密度、等离子体速度、马赫数、离子温度、电子温度、离子压力、等离子体压力以及注入阳极的能流密度分布的形成机理进行了分析。从仿真结果可以发现,大电流真空电弧等离子体压力的最大值出现在阴极附近,等离子体将在压力梯度的作用下从阴极到阳极做加速运动,这一点明显区别于超音速流动的真空电弧。另外,仿真结果与高速CCD照片也是吻合的。

纵磁下真空电弧阳极热过程的仿真

建立了纵磁下真空电弧阳极热过程的二维瞬态轴对称模型,并对极限开断条件下不同能流密度作用下纯铜电极的阳极热过程进行了仿真分析。通过仿真获得了阳极温度沿径向、轴向的变化过程。仿真结果表明,随着能流密度的增大,阳极温度逐渐增大,但由于温升导致蒸发作用增强,温度的增幅减弱;阳极温度最大值并没有出现在能流密度峰值时刻,而是有所滞后;阳极熔化时,阳极表面温度沿径向的分布曲线会出现拐点;同时,阳极温度沿电极的轴向衰减很快。仿真过程中还得到了阳极熔化半径、熔化深度、阳极表面饱和蒸气压及阳极蒸气通量等值的分布。在电流过零后,电极开始进入冷却阶段,但是冷却速度远小于温度上升的速度。极限开断条件下,能流密度的少许增大会引起饱和蒸气压和蒸气流量的大幅增大。仿真结果与实验结果吻合较好。

利用CCD摄象系统研究真空电弧演变过程

设计制作了真空电弧图象瞬态摄象系统。应用拍摄的高清淅度电弧图象，对真空电弧的形态演变及微观参数分布规律进行了分析讨论，发现了触头侧面也是真空电弧重燃点，提出了加以清除的设想。

脉冲偏压对真空电弧沉积TiN薄膜组织与性能的影响

研究了脉冲偏压对真空电弧沉积TiN薄膜组织与性能的影响。结果表明脉冲偏压幅值在50 0～ 1 70 0V ,脉宽比在 1 2 5～ 2 5的范围内 ,沉积温度低于 2 50℃时膜层组织主要由Ti2 N和TiN相构成 ,随脉冲偏压幅值和脉宽比的增大 ,晶面的择尤沉积由Ti2 N( 2 0 0 )向 ( 0 0 2 )转变 ,柱状晶生长程度减弱。膜层具有较高的显微硬度和耐磨性 ,但在过高的脉冲偏压和脉宽比的沉积条件下 ,膜层的性能有下降的趋势。

纵向磁场和外部横向磁场共同作用下真空电弧偏移与阳极偏烧现象的仿真研究

在真空开关的开断过程中,外部母线和导电杆所形成的"U"型回路会在极间电弧区域产生横向磁场(transverse magnetic field,TMF)。横向磁场的存在会影响真空开关的开断性能,通过仿真对这一影响进行了初步的探索。基于真空电弧二维磁流体动力学模型及阳极熔化凝固模型,大电流真空电弧(high current vacuum arc,HCVA)在TMF和电极系统自生纵向磁场共同作用下的电弧参数分布及阳极温度分布得到了揭示。仿真结果中,HCVA在TMF的影响下会产生明显的偏移,并且各项参数都有所变化;阳极温度分布也会产生同样的偏移,最终使得阳极熔化也发生偏移。这些变化会对真空开关的开断产生不利影响,特别是离子密度的增大使得电流过零时极间残留等离子体增多,降低开关的开断性能。

基于小波变换和形态学细化算法的真空电弧形态检测

真空开关电弧的形态特征是电弧特性的外在反映,与真空开关的分断能力直接相关。为了研究真空开关电弧燃弧过程及其形态特征,建立了真空电弧图像实验采集系统,通过高速CCD相机采集真空电弧燃烧过程图像。为了获得电弧形态的细节特征,基于小波变换及形态学细化算法对真空电弧图像进行了形态细节特征提取研究。主要通过电弧图像的分解与重构、多尺度边缘检测及多尺度-细化算法实现电弧图像的形态特征检测。对多尺度-细化算法实验结果与经典算子和多尺度边缘检测算法的检测结果进行了对比分析。结果表明,采用多尺度-细化边缘检测算法可得到更完整、更清晰的细节特征,为研究真空电弧的调控理论提供了技术基础。