尚文祥,李繼鵬,趙筱赫

(河南工學院 電氣工程與自動化學院,河南 新鄉(xiāng) 453003)

0 引言

隨著直流輸配電技術的快速發(fā)展,在點對點的直流輸配電系統(tǒng)基礎上構建更加經濟、靈活和可靠的多端柔性直流電網(wǎng)是未來的必然趨勢[1]。柔性直流電網(wǎng)發(fā)生線路短路故障時,一般會使用直流斷路器快速切除故障電流和隔離故障點[2]。相比于混合式直流斷路器,機械式直流斷路器具有可靠性高、損耗小、成本低、占地面積小以及無需外置冷卻設備等優(yōu)點[3-5],近年來在中高壓柔性直流電網(wǎng)領域中推廣較快。

由于直流電流沒有自然過零點,直流斷路器若要實現(xiàn)在2—3ms內開斷直流故障電流,技術上面臨一定的挑戰(zhàn)。機械式直流斷路器的工作原理為使用LC諧振支路在主開關支路上形成人工過零點。主開關支路通常選用真空斷路器作為主開關。由于LC人工過零電流下降梯度非常大,在電流過零過程中會迅速產生過電壓,此過程中真空間隙很難恢復其介質絕緣水平,以至于產生重擊穿,導致電弧重燃,觸頭間隙繼續(xù)通過電流[6]。因此,為提高真空斷路器的開斷能力,對真空滅弧室內弧后介質恢復特性的研究及分析尤為重要。

本文以機械式直流斷路器開斷故障電流過程中真空開關縱磁觸頭打開且電流強迫過零后的狀態(tài)為研究對象,建立真空電弧等離子體流體-化學混合模型,模型中充分考慮真空電弧等離子體中電子、離子以及銅蒸氣分子之間的相互作用,仿真電子與銅原子激發(fā)、電離及銅原子碰撞產生的化學反應,從微觀角度分析真空開關電流強迫過零后,在過電壓下真空觸頭間隙放電及等離子體的發(fā)展過程,并對弧后介質恢復特性進行參數(shù)上的對比分析。

1 真空開關電弧等離子模型

1.1 碰撞反應

氣體放電過程中,各種帶電粒子之間不斷發(fā)生相互作用,等離子體中,中性粒子和電子的碰撞主要包括電離碰撞、激發(fā)碰撞、彈性碰撞和亞穩(wěn)態(tài)碰撞;中性粒子和離子的碰撞主要是彈性碰撞和電荷交換碰撞。直流電弧生成過程中,陰極的二次電子發(fā)射是維持放電的必要條件。離子轟擊觸頭表面是最基本的過程,期間會發(fā)生系列的基本作用:電子的發(fā)射、電離、中和、表面熱效應及表面損傷等。離子進入觸頭表面后所產生的二次碰撞是研究離子與表面相互作用的重要基礎[7-9]。

經過上述分析,對真空銅觸頭間電弧放電的化學反應類型可定義為:

e+Cu?e+Cu

(1)

激發(fā):

e+Cu?e+Cus

(2)

e+Cus?e+Cu

(3)

電離:

e+Cu?e+Cu+

(4)

重物質反應:

Cus+Cu?Cu+Cu

(5)

Cus+Cus?e+Cu+Cu+

(6)

電極表面反應:

Cu+?Cu

(7)

Cus?Cu

(8)

1.2 數(shù)學模型

本文仿真采用基于氣體動力學的漂移擴散方程、電磁場計算方程,并且充分考慮真空電弧放電過程中的電子、離子與金屬蒸氣分子及電極間的碰撞、重組及粒子的漂移、擴散等運動過程,建立如下數(shù)學模型[10]。

電子密度方程:

=Re-(u·)ne

(9)

式中,ne為電子密度,μe為電子遷移率,E為電場強度,De為電子擴散系數(shù),Re為電子源,u為中性流體速度。

電子能量密度方程:

E·[ne(μe·E)+De·ne]=Rε-(u·)nε

(10)

式中,nε為電子能量密度,με為電子能量遷移率,Dε電子能量擴散系數(shù),Rε為電子能量損耗。

資本主義和社會主義對中國態(tài)度的強烈對比，讓國人深刻領會到“俄國國民對于我們所表示的好感，完全不是一種示惠的手段。不過他們在1917年間，一度顛覆專制的政治，再度推翻官僚式的局面，確立平民政治的基礎以后，想盡力于援助在國際上被侵略的民族和在一國內被壓迫的階級的事業(yè)罷了?！保?］258而“資本來到世間，從頭到腳，每個毛孔都滴著血和骯臟的東西”［9］。在爭取自由的斗爭中，唯一的同盟者和兄弟是俄國工人、農民及其紅軍［6］6。革命要成功，一定要以馬克思主義為指導；國民的思想要解放，也只有馬克思主義才能掃除封建殘渣。

觸頭間隙電場分布泊松方程:

-·ε0εrU=ρ

(11)

式中,U為電位,ε0為真空介電常數(shù),εr為相對介電常數(shù),ρ空間電荷密度。

電磁場Maxwell方程:

×H-σ(E+ν×B)=0

(12)

(13)

式中,σ為電導率,H為磁場強度,B為磁感應強度。

1.3 仿真模型

本文使用流體-化學混合模型對直流真空非平衡態(tài)電弧等離子體進行仿真。為了對以上描述的非平橫態(tài)電弧等離子體進行建模,做出如下假設:

1)假定真空電弧模型為軸旋轉對稱模型,所以模型可簡化為二維模型。

2)λD?d,求解區(qū)域滿足準中性條件,λD為德拜長度,d為電極間距。

3)計算域內等離子體參數(shù)滿足以下近似,le?d,因此可以用流體理論來近似電弧放電,le為電子平均自由程。

4)電弧區(qū)弱電離,極間等離子體區(qū)包含電子、離子和中性粒子的存在。

真空開關電弧物理幾何模型的網(wǎng)格剖分如圖1所示。由于真空觸頭間隙為軸對稱結構,所以本文采用軸對稱模型對電弧等離子體進行仿真。觸頭模型的參數(shù)設定為:觸頭半徑20mm,觸頭間隙3.5mm,仿真時各反應都發(fā)生在該區(qū)域內;設上邊界為陽極,陽極過電壓為15kV,設下邊界為陰極,陰極接地為0V,觸頭間隙內初始溫度為3000k,初始壓強為0.5 Torr,初始電子密度為10131/m3,初始平均電子能為4eV。

圖1 仿真幾何模型的剖分圖

2 真空電弧等離子體仿真結果分析

2.1 真空開關電弧放電過程分析

真空金屬蒸汽迅速蒸發(fā)是真空電弧引燃的開始,隨著電弧的發(fā)展,金屬蒸汽不斷被電離,形成導電通道并維持電弧燃燒。本節(jié)對直流真空電弧金屬蒸汽電離初期的發(fā)展進程進行研究。電弧放電初期時間相對較短,設定仿真時間為 0.0001 s。

圖2為電弧等離子體發(fā)展過程中的電子數(shù)密度,可以看出隨著時間的變化電子數(shù)密度逐漸增大,并在t=0.0001s時達到最大值。這是由于在觸頭打開的瞬間,由于強電場的作用導致電子加速遷移,電子運動速度瞬間增大,并且伴隨陰極觸頭表面發(fā)射出大量電子,這些快速移動的電子與觸頭間隙氣化的金屬銅蒸汽之間發(fā)生強烈碰撞,電離反應產生大量電子并形成電子崩,電子崩首先在陽極形成,并導致陽極附近的電子數(shù)密度很大,隨著時間的發(fā)展,電子崩由陽極逐漸發(fā)展到觸頭間隙中。

圖2 真空電弧等離子體發(fā)展初期電子密度變化云圖

圖3為電弧等離子體發(fā)展到穩(wěn)定狀態(tài)下的正離子數(shù)密度,由圖可知中間區(qū)域的正離子發(fā)展趨勢與電子數(shù)密度一致。圖4為正離子數(shù)密度與電子數(shù)密度之差,可以看出,除了陽極表面,大部分區(qū)域內正離子數(shù)密度都大于電子數(shù)密度,這是由于電子崩的頭部聚集著大量的電子,且電子的運動速度較快,大量的電子快速到達陽極,而正離子向陰極的運動速度較慢并長時間停留在空間區(qū)域。圖5為空間電場分布圖,可以看出陰極附近電場方向為負,這是由于此時正電荷形成的空間電場與初始電場方向恰恰相反,使得靠近陰極的電場方向發(fā)生了反轉,該反轉電場區(qū)域稱為陰極鞘層,在宏觀局部熱力學平衡電弧中,陰極鞘層有著較大的壓降,該電場阻礙電子向陽極加速。隨著電離過程的發(fā)展,電子的密度逐漸減小,正離子的密度增加并逐漸超過電子的密度,靠近陽極的空間內電子與正離子相互共存,逐漸向電弧等離子體的穩(wěn)態(tài)進行發(fā)展。由圖2(d)、圖3和圖4對比可以看出,陽極與陰極鞘層之間區(qū)域內電子數(shù)和正離子數(shù)密度很大且?guī)缀鯇Φ?該區(qū)域內電子與正離子數(shù)達到了一種局部的動態(tài)平衡。

圖3 電弧等離子體發(fā)展到穩(wěn)定狀態(tài)下的正離子數(shù)密度

圖4 正離子數(shù)密度與電子數(shù)密度之差

圖5 空間電場分布圖

2.2 不同縱向磁場對真空電弧等離子體發(fā)展后期特性的影響分析

通過在真空觸頭間隙施加縱向磁場,有利于改善電弧特性,提高滅弧室的熄弧能力。根據(jù)以往的宏觀試驗數(shù)據(jù)分析可知,縱向磁場可以使滅弧室內電弧等離子的形態(tài)由集聚型轉變?yōu)閿U散型,并且在縱向磁場作用下電弧電壓較低,使得電弧能量降低,若第一個電流過零點未發(fā)生重擊穿,則在第二個過零點時電弧將更易于熄滅。

采用上述模型,并在仿真時施加不同的縱向磁場,磁場方向由陽極指向陰極,磁場大小分別為0T、0.03T、0.06T、0.25T和0.5T,仿真得到t=0.0001s時刻的電子數(shù)密度如圖6所示。對比發(fā)現(xiàn),隨著縱向磁場的增大,當電弧等離子體發(fā)展到局部穩(wěn)定狀態(tài)時,電子逐漸向電極兩側擴散,電極中心線附近的電子密度逐漸減小。

圖6 不同縱向磁場下分布圖的電子數(shù)密度

圖7為陰極鞘層中心線區(qū)域內的反向電場分布曲線,其中藍色線是磁場為0T時的反向電場曲線,綠色線是磁場為0.03T時的反向電場曲線?？梢钥闯鲈陉帢O鞘層區(qū)域內,隨著縱向磁場的加入,反向電場在相同區(qū)域內減小,并導致該區(qū)域內電場發(fā)射的電子相應減少,所以陰極鞘層區(qū)域內電子密度也相應地隨著磁場的加入而減小,由于該區(qū)域內的電子密度減小,所以遷移到陽極附近的電子數(shù)也相應減少。

圖7 陰極鞘層中心線區(qū)域內的反向電場分布曲線

電極中心直線上的電子密度如圖8所示?？梢钥闯?不同磁場下的電子密度變化趨勢基本相同,都是由陰極到陽極先增大后減小,陰極鞘層區(qū)的電子密度最小,近陽極區(qū)電子密度達到最大。由不同磁場下的電子密度曲線可知,隨著縱向磁場逐漸增大,電極中心位置電子密度依次減小。通過該微觀仿真可以看出,電弧等離子體在縱向磁場的作用下是向周圍擴散的,這與電弧試驗結果具有良好的一致性,表明在一定的縱向磁場作用下,電弧會由集聚型轉變?yōu)閿U散型,這有利于電弧能量的稀釋并減少積聚能量對電極的燒蝕。

圖8 不同縱磁場下電極中心直線上的電子密度曲線

圖9是縱向磁場為0T和0.03T時的平均電子能云圖,可以看出,當磁場為0T時,平均電子能的最大值為152eV,最小值為4.22eV;當磁場為0.03T時,平均電子能的最大值為141eV,最小值為4.09eV,平均值減小是因為在縱向磁場的作用下電子的運動軌跡發(fā)生了一定的變化,在一定程度上減小了電子的能量,降低了電子的運動速度,使其對金屬蒸汽不能產生有效碰撞,進而減少了電離電子的生成。電子能量減小在另一方面也可以有效減小電弧能量,更有利于電弧的熄滅。

圖9 不同縱磁場作用下的平均電子能

3 結論

本文從微觀角度分析了真空斷路器弧后燃弧特性,通過對真空電弧等離子體仿真,研究了電弧等離子體發(fā)展的動態(tài)過程。在真空觸頭間隙添加縱向磁場,可以有效改變真空電弧等離子體形成前期和后期的發(fā)展特性,縱向磁場有利于電流過零后電子和正離子的擴散,并且使得陰極鞘層反向電場降低,進而減小電子密度?？v向磁場的施加也有利于平均電子能降低,從而降低電弧等離子體中電子和離子運動的能力,可以有效降低電流過零后重擊穿的可能性。

(責任編輯 王 磊)