融合连续过渡模型与Helmer模型的真空断路器开断模型研究

真空断路器广泛应用于中压等级电网中,在频繁操作场景下易出现过电压问题,而真空断路器的弧后暂态过程直接决定了其分断特性和过电压特征。为解决现有真空断路器模型难以同时对其弧后过程和高频特性仿真的问题,该文搭建了融合连续过渡模型和Helmer模型的真空断路器开断模型,并通过试验和计算确定其仿真参数。以切除35kV系统用并联电抗器为例,研究该真空断路器融合模型与连续过渡模型和Helmer模型计算结果的差异。结果表明,融合模型能够同时考虑弧后介质恢复过程中重击穿和冷间隙重击穿现象;其弧后参数计算与连续过渡模型基本一致,高频开断特性和Helmer模型较为接近。通过分析高频开断过程中的鞘层生长和重击穿情况,可以得到引起真空断路器高频重击穿的主要原因。该文仿真结果验证了所提出的真空断路器开断模型的准确性,可为真空断路器高频分断条件下的弧后鞘层发展分析和重击穿原因判断提供参考。

脉冲阴极弧等离子体及有关特性研究

阴极弧(Cathodic Arcs)是目前多种薄膜及涂层制备工艺的重要物质来源。从阴极表面起弧形成阴极斑点、产生等离子体(相变)、等离子体在真空室中的扩展(输运),到最终在施加偏压的基体上沉积、凝聚形成涂层或薄膜,这一系列环节包含着复杂的物理过程。对这些过程及相关机制的深入分析与认识,无疑会对涂层制备工艺起到重要的理论指导作用。本文简要回顾了人类对阴极弧有关的放电现象的认识过程以及相关涂层的发展历史。对阴极放电机制以及与涂层工艺密切相关的等离子体行为,诸如脉冲阴极弧等离子体速度、鞘层、斜入射与附着系数等问题进行了探讨与实验结果的汇总。旨在为读者对阴极弧及其涂层工艺提供感性认识,为指导科研生产实践服务。

Influence of the axial magnetic field on sheath development after current zero in a vacuum circuit breaker

After current zero,which is the moment when the vacuum circuit breaker interrupts a vacuum arc,sheath development is the first process in the dielectric recovery process.An axial magnetic field（AMF） is widely used in the vacuum circuit breaker when the high-current vacuum arc is interrupted.Therefore,it is very important to study the influence of different AMF amplitudes on the sheath development.The objective of this paper is to study the influence of different AMF amplitudes on the sheath development from a micro perspective.Thus,the particle in cell-Monte Carlo collisions（PIC-MCC） method was adopted to develop the sheath development model.We compared the simulation results with the experimental results and then validated the simulation.We also obtained the speed of the sheath development and the energy density of the ions under different AMF amplitudes.The results showed mat the larger the AMF amplitudes are,the faster the sheath develops and the lower the ion energy density is,meaning the breakdown is correspondingly more difficult.

热辐射对BVVB护套线短路类型及燃烧行为影响研究

为深入研究电气火灾中热辐射对短路类型及燃烧行为的影响,搭建热辐射诱发BVVB护套线发生短路故障试验电路,在不同热辐射下对通电导线进行加热,研究短路类型及燃烧现象。结果表明:当热通量为27、30、32 kW/m^(2)时,金属短接型短路发生概率高于炭化路径型短路,在30 kW/m^(2)时,金属短接型短路发生概率最高,为100%;热通量为34、36 kW/m^(2)时,炭化路径型短路发生概率达到80%;导线发生金属短接型短路时电弧能量在200.22~240.03 J,且短路发生后绝缘燃烧的概率为30.8%;炭化路径型短路的电弧能量在511.34~2542.04 J,且短路后必然引发绝缘燃烧,火灾危险性更大。研究结果可对溯源电气火灾发生的根本原因提供数据支撑。

断路器短间隙气体击穿过程的粒子模拟

高压断路器触头开断瞬间的燃弧过程是一不平衡的气体击穿过程,其机制的研究对于提高高压断路器的开断能力具有重要意义。由于气体击穿机制的复杂性,对于击穿初始时刻的建模及计算机模拟是该领域研究的热点问题。采用粒子模型模拟低气压下,断路器触头开断瞬间阴极鞘层的形成过程,在考虑空间电荷对电场强度影响的前提下研究电子能量分布函数、碰撞电离率等物理量的变化规律。并充分考虑粒子运动的过程中电子-原子及离子-原子间的远程碰撞,采用与能量相关的碰撞截面。仿真结果表明了电极间电压对鞘层形成的影响,同时证明了鞘层在断路器开断过程中所起到的关键性作用。

混合离子束阴极真空弧等离子体鞘层特性

基于无碰撞模型,建立了混合离子束阴极真空弧等离子体鞘层动力学模型,给出了解析表达式。针对材料改性中应用的H-Ti混合离子束,模拟计算了鞘层厚度和靶表面电场强度分别随离子密度和偏置靶压的演变规律。针对实际应用中出现的鞘层击穿和离子束散焦现象进行了理论分析,发现离子束稳定工作区域强烈依赖于离子密度和偏置靶压等参数,降低离子密度和提高靶压会增加稳定工作区域范围。

穿孔等离子弧焊接中等离子云的检测

应用天体物理等离子鞘层理论的知识 ,分析金属板测量尾焰时产生电压和探针测量等离子云时产生电压的原因。当把探针放置在等离子云中 ,由于等离子体的特殊性 ,将在探针上产生了负电位 ,与工件电位差就是鞘层电压 ,并给出鞘层电压的计算公式 ,通过分析发现 ,鞘层电压大小仅仅与检测处等离子体温度和成分有关。提出了一种用无电源探针检测等离子云的新方法 ,通过检测等离子云中探针上产生的鞘层电压是否为零来判断小孔是否形成。试验验证了鞘层理论在等离子弧焊接中应用的正确性 ,同时给出了探针放置的最佳位置。

交流电弧微观动态形成机理及影响因素

为揭示真空电弧的微观动态形成机理及其影响因素,利用气体动力学模型研究真空断路器触头间的电弧形成过程。采用的数学模型包括电子和正负离子漂移扩散方程、微观粒子的碰撞方程及电场的泊松方程。建立触头间距为10 mm,触头间电压分别为工频交流12 k V和400 V的真空断路器简化模型,通过仿真得到工频真空电弧形成过程和鞘层形成过程的电子密度、平均电子能量及碰撞能量损失分布等各项微观参数的时变规律,并计算电子迁移率、金属蒸气压力和初始电子密度对真空电弧形成过程的影响。仿真结果表明:粒子运动速度差异形成的鞘层是电弧形成的基础;高电压、强电场作用促使电子能量产生轴向集中;电子迁移率及金属蒸气压力影响电弧形成过程;而初始电子密度对真空电弧弧前导电通道形成过程的影响可忽略。

相控真空断路器的最佳燃弧区间研究

最佳燃弧区间的确定是相控真空断路器应用于短路电流开断时必须解决的问题之一。针对真空断路器弧后介质强度恢复过程的2个主要阶段:鞘层发展阶段和金属蒸气衰减阶段,分别建立了数学模型,提出了采用特征参数来表征它在2个不同阶段的开断能力。仿真分析了燃弧时间对这些特征参数即开断能力的影响,从而得到了最佳燃弧区间。通过对比10 kV和35 kV系统用真空断路器最佳燃弧区间的试验研究结果,证明了仿真分析的有效性。

大颗粒在等离子体鞘层中的受力分析与计算

用Edelberg和Aydil的等离子体鞘层模型,对电弧离子镀中大颗粒在脉冲偏压鞘层中的带电及受力情况进行了分析 和计算,为大颗粒由于带负电而受到电场力排斥从而被净化的实验现象和物理模型提供佐证.

脉冲偏压电弧离子镀鞘层尺度演化的特性与分析

基于一维平板鞘层模型,建立了脉冲偏压电弧离子镀(PBAIP)鞘层随时间演化的动力学模型,给出了其解析表达式,并结合PBAIP工艺中等离子体参数的测量结果,模拟分析了PBAIP鞘层的厚度和鞘层中的离子流密度随时间的演化规律及其受脉冲偏压幅度等参数的影响．结果表明：在PBAIP工艺中,稳态鞘层的厚度及形成稳态鞘层的时间均远小于已报道的等离子体源注入(PSII)等鞘层对应的值；PBAIP鞘层的扩展几乎是实时跟随脉冲偏压的变化,脉冲偏压下每一时刻的鞘层厚度与对应直流偏压下的鞘层厚度几乎相等．

等离子鞘层在等离子弧焊中的应用

指出了尾焰电压和等离子云探针检测方法的本质,都是检测电弧的等离子焰.根据等离子体鞘层理论分析,用尾焰电压和等离子云探针检测等离子焰时,在金属检测板或金属探针表面附近将产生鞘层电压,相对于被焊工件为负电压值.鞘层电压与等离子体的温度及等离子体组分有关.动态平衡时,在金属检测板或金属探针表面的负电压值为一常量,可以根据公式计算该电压值.文中提出了一种无源探针检测等离子云的方法,该方法更加证明了等离子焰检测中等离子鞘层理论的重要性.

SF_6/N_2混合气体微观电弧特性研究

氮气(N_2)易获取、无污染、在不均匀电场下有很高的稳定性等特点,采用SF_6/N_2混合气体替代有强温室效应的六氟化硫(SF_6)气体逐渐成为研究的热点,并且在部分电气设备中已经有所应用。本文以气体动力学方程为基础,考虑了带电粒子的碰撞,仿真得到SF_6/N_2混合气体电弧形成过程及其中微观电子密度的时变规律,并分析了混合气体组分对电弧形成过程的影响,从微观上加深了对SF_6/N_2混合气体特性的认识。

弧形套针旋转分段注射药物模合肿瘤靶区

[目的]介绍弧形套针的旋转分段注射的办法 ,解决药物分布模合肿瘤靶区的问题。[方法]由直行针和弧形针组成的套针 ,对肿瘤靶区进行局部旋转分段退行性注射碘化油。普通直针线状退行注药作为对照。[结果]旋转分段注射可以满足设定的三维空间药物分布 ,药物均匀度较好。[结论]弧形针旋转分段注射是可行的。

隧道内电缆蛇形敷设特性

为限制电缆热伸缩时的轴向力及金属护套应变,以截面积为2 500 mm2的220 kV交联电缆为例,研究隧道内电缆蛇形敷设特性。在分析了初始蛇形弧幅、蛇形节距对电缆轴向力、金属护套应变的影响的基础上,确定了蛇形节距的取值范围,认为应综合考虑轴向力、施工误差和金属护套寿命等因素来确定初始蛇形弧幅。从隧道空间及支架荷载、立柱荷载等方面对垂直蛇形和水平蛇形敷设方式进行了比较,指出实践中应结合工程特点合理选择电缆蛇形敷设方式和参数。

爆炸性环境电感分断建弧机理及影响因素

研究爆炸性环境电感分断放电建弧机理是解决本质安全型电感电路分断放电问题的有效手段,对推广应用本安型电气电子设备具有重要意义。基于IEC安全火花试验装置的电感分断放电宏观试验研究,发现极间电压快速跳跃到熔化电压,随后很快上升到最小建弧电压。因此,考虑极间场增强因子作用,建立甲烷–空气混合气体电感分断建弧过程的电子漂移扩散模型和非电子组分重物质输运模型,获得该建弧过程中各粒子密度、极间电势、电子温度、空间电荷和活性自由基粒子随时间的演变规律,揭示电感分断建弧机理及阴极鞘层形成机制;探究极间距离和外加电压对电感分断建弧过程的影响规律。数值模拟结果表明:空间内正电荷密度增大,引起电场畸变形成阴极鞘层;建弧过程产生的激发态N、O分子和—CH、—CH和H 3种自由基可促进电弧形成;外加电压低于15 V,且极间距接近甲烷–空气混合气体平均自由程或电子碰撞电离之前,极间距减小则不能维持电弧放电。

真空电弧研究进展综述

介绍了国内外真空电弧的研究进展,综述了真空电弧的主要研究方向。真空电弧以电流过零点为界,分为燃弧阶段和弧后介质恢复阶段。燃弧阶段的研究点主要有阴极斑点特性、阳极斑点特性和弧柱区特性;弧后介质恢复阶段的研究点主要有弧后电流特性和鞘层发展特性。最后指出了目前真空电弧研究存在的不足,讨论了真空电弧今后的研究方向。

阴极边界条件对双射流电弧等离子体特性影响的二维数值模拟

在电弧等离子体的数值模拟研究中,阴极表面的温度及电流密度等参数的分布会直接影响到电弧弧柱区的等离子体特性。为了研究不同边界条件对电弧弧柱区等离子体特性的影响规律,采用双温度流体模型,通过给定阴极鞘层外缘不同的电流密度、电子及重粒子温度分布,对双射流直流电弧等离子体弧柱区的特性进行了二维数值模拟研究,并通过与实验测量结果的比较,讨论了不同边界条件的合理性。研究结果表明,在电弧弧电流及发生器几何参数不变的情况下,阴极鞘层外缘重粒子温度边界条件对计算得到的电弧弧柱区等离子体特性的影响可以忽略不计,电流密度对弧柱区等离子体流动特性有显著影响,而电子温度边界条件则对弧柱区电弧形貌及传热与流动特性均有显著的影响。

低压断路器触头电弧非平衡态燃弧过程分析

建立触头间距2.5 mm,触头间直流电压分别为380 V、500 V和800 V,环境温度300 K,混合介质(N_2和O_2)的断路器触头电弧简化模型。通过仿真得到直流低压空气电弧非平衡态燃弧过程中触头间隙的微观带电粒子密度、平均电子能量等各项微观物理量的动态变化规律,并分析了触头间空气电弧非平衡态燃弧过程以及触头间电压对空气电弧形成过程的影响。仿真结果表明:电压变化与鞘层区电场强度、鞘层厚度、鞘层电子温度、弧柱长度及电子密度的关系,为完善低压电器电弧理论提供支撑。

直流等离子体电弧特性的模拟

在磁流体动力学模型的基础上,引入阳极鞘层区简化模型,对直流等离子体电弧流动与传热进行了模拟研究.为研究阳极鞘层区对直流等离子体电弧存在的影响,进行了四组不同条件的模拟计算,并对引入和未引入阳极简化模型的模拟结果进行统计分析.结果表明,电弧阳极鞘层区的存在虽然对电弧最高温度及其温度云图没有明显影响,但对阳极热通量影响较大,使阳极热通量明显降低,并且增大了阳极界面所受剪切力.因此,电弧阳极鞘层区不仅降低电弧热传递效率,而且会导致阳极熔池界面不稳定性增强.