大电流真空电弧阳极熔蚀过程的热力学仿真研究

在大电流真空电弧开断过程中,阳极现象对于能否成功开断具有重要影响。当电弧电流超过阈值时,阳极表面温度将超过材料熔点,从而在阳极局部形成熔池。阳极熔池中的液态金属蒸发出的金属蒸汽及喷溅出的液滴将极大的提高弧后击穿的概率,并可能造成开断失败。该文建立了大电流真空燃弧过程中阳极熔池的流体流动和传热模型,着重研究真空大电流电弧对于阳极表面的熔蚀、变形以及相应的温度分布的变化。模型考虑了从电弧等离子体到阳极表面的传热以及表面材料在热流作用下的相变过程,将磁流体仿真结果获得的热流密度和压力分布作为阳极熔池流动和传热的仿真的边界条件,并采用有限体积法仿真获得阳极表面破坏过程以及温度分布的变化规律。仿真结果给出了不同电流下的温度分布和由电弧引起的阳极表面破坏情况,发现考虑熔池中液态金属流动和变形的仿真模型所获得的表面温度分布更加均匀,解释了实验中触头表面温度的均匀分布现象,证明液态金属的流动是影响温度分布的重要因素。所获得模型更为准确地描述了大电流真空电弧作用下的阳极现象,为评估真空断路器的开断能力提供了理论依据。

大电流真空电弧阳极熔蚀过程的数值仿真与分析

真空断路器在开断大电流时,阳极活动对于断路器的成功开断具有重要影响。在大电流电弧的作用下,阳极表面温度逐渐升高,当温度达到阳极材料熔点时,阳极表面开始熔化,并形成熔池。熔池蒸发产生的金属蒸气会进入真空断路器的触头间隙,可能使电弧重燃,从而导致开断失败。对真空断路器建立了二维的流体模型和传热模型,研究了在真空电弧作用下的阳极熔蚀现象、相变过程以及阳极温度随时间的变化规律。所用模型考虑了电弧中离子和电子对阳极的传热和阳极蒸发时阳极损失的热量,并釆用经典Stefan公式跟踪了熔化前沿,仿真获得了阳极相变过程以及温度分布规律,为准确评估断路器开断能力提供了理论依据。