小电流下弧根运动对空气直流电弧的影响

阴极弧根为电子发射的主要区域,弧根的运动对空气直流电弧等离子体特性有重要意义。通过电极旋转驱动阴极弧根运动,实验观测得到电极旋转情况下空气直流电弧拉弧过程电极表面烧蚀情况、扭曲的弧柱形态,同时提取并对比了直线拉弧和旋转拉弧的电弧电压上升曲线。参照临界电流试验条件,建立小电流下平行电极间三维电弧仿真模型,探究在小电流情况下,自由燃烧态电弧的演变过程。仿真结果表明:阴极弧根运动使得发射后极间带电粒子空间分布变化,间隙放电通道改变,电弧的最大温度值降低;当电弧放电通道不稳定时,极间电弧电压出现波动,电弧能量包络空间相对变小,间隙中高能粒子较少,有利于电弧能量的空间逸散。

直流空气电弧作用下触头烧蚀特性

触头烧蚀会影响低压断路器的使用寿命和可靠性,研究触头烧蚀特性对于低压断路器的研制具有重要意义。为此建立了直流空气电弧作用下的触头烧蚀模型,考虑蒸发和喷溅两种烧蚀机制。针对触头熔池的传热和流动现象,建立了熔池的二维磁流体动力学模型,并结合熔化凝固模型模拟触头熔化相变过程。在熔池模型的基础上,建立蒸发和喷溅烧蚀模型。基于Langmuir方程和气体动力学理论建立蒸发模型,综合考虑沸点以下蒸发过程和沸点以上蒸发过程,分析蒸发通量与熔池表面温度的关系。基于概率统计理论建立喷溅烧蚀模型,得到材料的喷溅烧蚀质量。此外,定量分析触头材料、电流、触头尺寸和触头形状4种因素对触头烧蚀特性的影响,以期得到降低触头烧蚀的方法。研究结果表明:电流低于20 A时以蒸发烧蚀为主,电流高于200 A时以喷溅烧蚀为主;在保证触头尺寸大于熔池尺寸的前提下,减小圆柱形触头的半径,可降低触头材料烧蚀,但触头尺寸对触头烧蚀的影响很微弱;同等条件下半球形触头烧蚀质量最大,其次是圆台形,圆柱形触头烧蚀质量最小。

电极旋转运动过程中直流空气电弧的动态分析

针对电极旋转运动过程中直流空气电弧动态特性的研究,提出直线+旋转运动的电极运动方案,并与电极直线运动过程中电弧的动态特性进行对比分析。为此,以磁流体动力学(MHD)为基础,建立三维直流空气电弧的数学模型,通过多物理场耦合仿真得到两种电极运动方式对直流空气电弧运动过程中弧根位置、弧柱体流速、电弧温度的对比分布,并与实验进行了对比分析。分析表明:电极直线+旋转运动较电极直线运动,加大了阴极弧根与阳极弧根的相对位置偏差,使得电弧有了更大的运动空间,从而加速弧柱体的流动,造成电弧温度下降得更快,缩短了电弧的燃弧时间,更有利于电弧的熄灭。

直流电弧空气等离子体炬阴极材料的烧蚀研究

空气等离子发生器中阴极材料的烧蚀行为直接影响阴极寿命,阴极材料和工作环境不同是影响阴极烧蚀的重要因素。通过直流电弧空气等离子体炬切割实验,研究了两种切割电极用阴极材料(Hf和Ag)烧蚀行为,采用扫描电镜(SEM)深入分析了阴极烧蚀机制。发现在同等条件下,Hf阴极的烧蚀量和烧蚀率远低于Ag阴极,Hf阴极的抗烧蚀性能较好。随着工作时间间隔的延长,Hf阴极和Ag阴极的烧蚀率都会降低,并且在连续工作时间大于60 s后,两种阴极材料的阴极烧蚀率都逐渐趋于一定值。分析表明,阴极烧蚀量的大小主要取决于阴极液化区域的大小以及液体或气体溅射量的大小,在工作环境下,阴极的导热性和电子逸出功对阴极的烧蚀量都有着至关重要的影响。在影响阴极烧蚀性能诸因素中,阴极材料的电子逸出功占据主导地位,为主要因素;阴极材料的导热性和熔点占据次等地位,为次要因素。