摘 要： 弧根演化過(guò)程對(duì)直流空氣斷路器的開(kāi)關(guān)效率有顯著影響?；诳諝怆娀〈帕黧w動(dòng)力學(xué)（MHD）模型，對(duì)觸頭邊緣弧根停滯的根本原因進(jìn)行仿真分析，得出外磁場(chǎng)大小和開(kāi)斷速度對(duì)觸頭邊緣弧根停滯的影響。結(jié)果表明，弧根從觸頭轉(zhuǎn)移至跑弧道是通過(guò)擊穿完成的，觸頭邊緣弧根停滯是弧根轉(zhuǎn)移前跑弧道未達(dá)到擊穿條件導(dǎo)致的。觸頭邊緣弧根停滯時(shí)間隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大而減少，并減少速度變慢，最后趨于穩(wěn)定;燃弧初期，一定范圍內(nèi)提高觸頭開(kāi)斷速度有利于減少弧根停滯時(shí)間，但受洛倫茲力和氣流場(chǎng)的雙重影響，過(guò)高的開(kāi)斷速度對(duì)減少電弧停滯時(shí)間的效果減弱。

關(guān)鍵詞： 直流;空氣電弧; 觸頭邊緣弧根停滯; 磁流體動(dòng)力學(xué); 開(kāi)斷速度

中圖分類號(hào)： TM561

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 2095-8188（2024）04-0030-08

DOI： 10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.04.004

Research on Arc Root Stagnation of Contact Edge Phenomenon and Influencing Factors in DC Interruption

BAO Yuliang， LI Jing， DUAN Wei， PENG Shidong， LIU Shuxin

（Institute of" Electrical Apparatus New Technology and Application， Shenyang University of Technology， Shenyang 110870， China）

Abstract： The evolution of arc root has an important effect on the switching efficiency of DC air circuit breaker. Based on the magneto-hydro-dynamics （MHD） model， the essential cause for the arc root stagnation of the contact edge was simulated and analyzed. The effects of the external magnetic field and breaking speed for the arc root stagnation of the contact edge were obtained. The results show that the transfer of the arc root from the contact to the arc runner is completed through breakdown. The arc root stagnation of the contact edge is formed because the arc runner has not reached the breakdown condition before the arc root transfers. With the increase of magnetic field intensity， the arc root stagnation time of the contact edge decreases， and the ability to shorten the arc root stagnation of the contact edge becomes weak， eventually tends to be saturated. At the initial stage of arcing， increasing the contacts breaking speed within a certain rang is conducive to reduce the arc root stagnation time. However， excessively increasing the contacts breaking speed has a weak effect on reducing the arc root stagnation time under the influence of Lorentz force and airflow field.

Key words： DC; air arc; arc root stagnation of the contact edge; magneto-hydro-dynamics （MHD）; breaking speed

0 引 言

隨著雙碳戰(zhàn)略的提出，光伏產(chǎn)業(yè)在能源結(jié)構(gòu)中的占比日益增加。直流空氣斷路器對(duì)配電網(wǎng)系統(tǒng)起到至關(guān)重要的保護(hù)作用，而光伏配電網(wǎng)系統(tǒng)電壓等級(jí)的提升對(duì)直流空氣斷路器的性能提出了更高要求。光伏系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)極易損壞，因此保護(hù)開(kāi)關(guān)需在更高電壓等級(jí)下實(shí)現(xiàn)故障線路的快速開(kāi)斷［1-5］。直流空氣斷路器滅弧室與大氣相通，無(wú)須考慮氣密性，抗震性能優(yōu)異，是光伏分布式電力配電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備［6-8］。隨著直流配電系統(tǒng)容量不斷增大，故障時(shí)短路電流上升速度加快，傳統(tǒng)的直流空氣斷路器已不能滿足快速開(kāi)斷的要求，設(shè)計(jì)容量大、開(kāi)斷時(shí)間短、可靠性高的直流快速空氣斷路器刻不容緩。光伏配電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，故障電弧電流具有上升速度快、能量高和不易擴(kuò)散等特點(diǎn)，使保護(hù)裝置清除故障的時(shí)間較長(zhǎng)，易損壞設(shè)備，導(dǎo)致配電網(wǎng)癱瘓。光伏配電系統(tǒng)非正常運(yùn)行時(shí)，故障電弧的電流上升率大，能量高且不易擴(kuò)散，保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)，進(jìn)而導(dǎo)致配電網(wǎng)癱瘓。因此，如何快速準(zhǔn)確地開(kāi)斷故障電弧，縮短開(kāi)斷時(shí)間，成為直流空氣斷路器中電弧調(diào)控技術(shù)發(fā)展的一大難點(diǎn)。

直流空氣斷路器開(kāi)斷過(guò)程研究理論涉及多個(gè)學(xué)科交叉，在早期的研究中，多聚焦于電弧的整體行為［9-13］，這些研究對(duì)動(dòng)態(tài)電弧開(kāi)斷過(guò)程中的物理現(xiàn)象進(jìn)行了分析與預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)［9］基于磁流體動(dòng)力學(xué)（MHD）模型，研究了中壓直流空氣斷路器觸頭系統(tǒng)電弧運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的電弧等離子體行為。吳翊等［14-15］研究了不同斷路器結(jié)構(gòu)對(duì)電弧運(yùn)動(dòng)特性的影響，并分析了滅弧室簡(jiǎn)化模型中的電弧溫度場(chǎng)變化。文獻(xiàn)［16］根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究了電弧停滯和反向換向現(xiàn)象，并初步討論了弧室寬度對(duì)電弧停滯的影響。文獻(xiàn)［17］研究了起弧位置、出氣口尺寸和產(chǎn)氣材料對(duì)電弧行為的影響。文獻(xiàn)［13］研究了材料產(chǎn)氣作用下斷路器滅弧特性，并考慮了Stefan流的影響，結(jié)果表明使用產(chǎn)氣材料可為直流快速開(kāi)斷提供新的解決思路。以上研究從理論與工程實(shí)際兩個(gè)方面為斷路器的設(shè)計(jì)與滅弧室結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了不同的解決方案，但忽略了斷路器開(kāi)斷電弧時(shí)出現(xiàn)的特殊現(xiàn)象對(duì)開(kāi)斷時(shí)間的影響。而開(kāi)斷時(shí)間是影響快速斷路器熄弧水平的重要指標(biāo)，因此縮短開(kāi)斷時(shí)間具有不可忽略的意義。

近年來(lái)，隨著對(duì)電弧研究的不斷深入，眾多學(xué)者將研究的重點(diǎn)放在電弧燃弧過(guò)程中的特殊現(xiàn)象對(duì)開(kāi)斷時(shí)間的影響，如弧根停滯［18］、弧根拖尾［19-20］、氣流漩渦［21］等均被認(rèn)為是不利于快速開(kāi)斷的電弧特殊現(xiàn)象。文獻(xiàn)［18］建立了耦合線圈磁場(chǎng)的MHD模型，結(jié)果表明弧根處所受磁吹力方向及大小是弧根停滯的主要原因。楊茜等［19］發(fā)現(xiàn)滅弧室內(nèi)弧根拖尾現(xiàn)象，認(rèn)為滅弧室內(nèi)氣流場(chǎng)是弧根拖尾的主要原因，而弧根拖尾的出現(xiàn)不利于快速熄滅電弧，延長(zhǎng)了熄弧時(shí)間。李靜等［21］整體研究電弧宏觀過(guò)程，仿真得出開(kāi)斷速度、差異外施橫向磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)開(kāi)斷時(shí)間的影響。以上研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)直觀地觀測(cè)到電弧行為，對(duì)于電弧行為對(duì)開(kāi)斷時(shí)間的影響，通過(guò)仿真進(jìn)行了深入的理論分析。文獻(xiàn)［5］首次使用高速攝像機(jī)拍攝到了斷路器中的雙弧根現(xiàn)象，但對(duì)雙弧根現(xiàn)象中出現(xiàn)的觸頭邊緣弧根停滯過(guò)程并沒(méi)有進(jìn)行深入研究。直流空氣斷路器開(kāi)斷時(shí)弧根從觸頭跳躍至跑弧道會(huì)經(jīng)歷觸頭邊緣停滯過(guò)程，觸頭邊緣弧根停滯會(huì)導(dǎo)致觸頭嚴(yán)重侵蝕，使電弧燃弧時(shí)間增加，這是實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)斷的一大阻礙［22-26］。因此，研究觸頭邊緣弧根停滯特性，對(duì)深入掌握開(kāi)關(guān)電弧運(yùn)動(dòng)機(jī)理，研發(fā)快速直流空氣斷路器具有重要價(jià)值。

直流空氣斷路器的動(dòng)態(tài)電弧演化過(guò)程包括觸頭分閘瞬間起弧、電弧向觸頭邊緣的運(yùn)動(dòng)、弧根轉(zhuǎn)移過(guò)程以及滅弧室內(nèi)柵片分割電弧等多個(gè)階段。每個(gè)階段對(duì)于整個(gè)仿真研究的準(zhǔn)確性都至關(guān)重要。而觸頭邊緣弧根停滯現(xiàn)象是影響弧根快速轉(zhuǎn)移的源頭，是斷路器快速開(kāi)斷時(shí)不可忽視的重要現(xiàn)象。因此，有必要對(duì)直流斷路器空氣電弧動(dòng)態(tài)演化的全過(guò)程進(jìn)行模擬，特別是對(duì)觸頭邊緣弧根停滯現(xiàn)象的形成機(jī)理和影響因素進(jìn)行深入的研究。綜上，本文對(duì)斷路器開(kāi)斷時(shí)觸頭邊緣弧根停滯現(xiàn)象進(jìn)行研究，建立了考慮觸頭運(yùn)動(dòng)的磁吹直流空氣斷路器簡(jiǎn)化模型，對(duì)溫度分布與氣流場(chǎng)分布進(jìn)行分析，測(cè)定不同燃弧條件下觸頭邊緣弧根停滯時(shí)間，得出觸頭邊緣弧根停滯現(xiàn)象與外部開(kāi)斷因素之間的關(guān)系，以期獲得直流空氣斷路器中電弧調(diào)控技術(shù)的研發(fā)，以及為優(yōu)化滅弧室結(jié)構(gòu)和制定不同開(kāi)斷速度與磁場(chǎng)相配合的最優(yōu)策略提供理論依據(jù)，進(jìn)而為實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)斷提供理論參考。

1 仿真模型

為研究觸頭邊緣弧根停滯現(xiàn)象及其對(duì)弧根躍遷過(guò)程、斷路器快速開(kāi)斷的影響，本文建立仿真模型，以對(duì)開(kāi)斷電弧全過(guò)程及場(chǎng)量變化進(jìn)行仿真研究。

1.1 滅弧室?guī)缀文Ｐ?/p>

觸頭運(yùn)動(dòng)過(guò)程及速度對(duì)電弧動(dòng)態(tài)演變過(guò)程影響極大，為了真實(shí)地反映電弧開(kāi)斷過(guò)程，本文采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)仿真觸頭運(yùn)動(dòng)。三維動(dòng)網(wǎng)格模型建模計(jì)算量極大，對(duì)本文所采用的滅弧室而言，結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱，且二維模型的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)較好地反映了研究對(duì)應(yīng)的物理問(wèn)題，因此對(duì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行二維近似處理。二維滅弧室?guī)缀文Ｐ腿鐖D1所示。其包括動(dòng)觸頭、靜觸頭（與下跑弧道連接簡(jiǎn)化為一體）、上跑弧道和金屬柵片，上述部分均為純銅材料。模型中動(dòng)觸頭寬為10 mm，靜觸頭長(zhǎng)為60 mm，柵片厚度為1 mm、長(zhǎng)度為35 mm。

1.2 模型假設(shè)

電弧運(yùn)動(dòng)過(guò)程涉及多個(gè)物理變量之間的相互作用，機(jī)理復(fù)雜。因此，在保證計(jì)算精度的同時(shí)做出合理假設(shè)，簡(jiǎn)化數(shù)值模型。在大氣壓下，空氣電弧等離子體的溫度較高（約為104 K量級(jí)），被認(rèn)為是熱等離子體［27］。熱等離子體中的離子和電子具有較高的碰撞頻率且內(nèi)部的電子、離子的溫度相同，為等離子體的溫度，因此其被視為一個(gè)滿足局部熱力學(xué)平衡的可導(dǎo)電的連續(xù)流體介質(zhì)［11］?；谏鲜鲈颍瑸榇_保計(jì)算的準(zhǔn)確性，在本文中提出了以下假設(shè)：

（1）電弧物性參數(shù)隨溫度和壓力變化;

（2）電弧為熱力學(xué)局部平衡且為光學(xué)薄;

（3）電弧為層流、不可壓縮流體;

（4）不考慮材料的相變。

1.3 控制方程

本文采用MHD模型耦合求解質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程，控制方程為

ρΦt+SymbolQC@·ρvΦ=SymbolQC@·（ΓΦSymbolQC@Φ）+SΦ（1）

式中： ρΦ/t——瞬態(tài)項(xiàng);

SymbolQC@·ρvΦ——平流項(xiàng);

SymbolQC@·（ΓΦSymbolQC@Φ）——擴(kuò)散項(xiàng);

SΦ——源項(xiàng)。

磁流體動(dòng)力學(xué)方程如表1所示。

式中： ρ——密度;

t——時(shí)間;

v——速度矢量;

J——電流密度;

B——磁通密度;

H——熱焓;

λ——熱導(dǎo)率;

CP——恒壓比熱;

T——溫度;

p——流體微元上的壓力;

μ——流體粘度;

I——單位矩陣;

Srad——輻射散熱;

T、T0——等離子體溫度和大氣溫度;

α——Stefan-Boltzmann常數(shù)，5.67×10-8W/（m2·K4）;

n——吸收系數(shù);

Sφ——焓項(xiàng);

kB——Boltzmann常數(shù)。

電磁場(chǎng)方程為

SymbolQC@·（-σSymbolQC@φ）=0E=-SymbolQC@φ-AtSymbolQC@×A=BSymbolQC@2A=-μ0J（2）

式中： σ——電導(dǎo)率;

φ——電位;

E——場(chǎng)強(qiáng);

A——矢量磁位;

μ0——空氣中的磁導(dǎo)率［25］。

1.4 邊界條件與初始值

本研究仿真模型動(dòng)觸頭為陽(yáng)極，靜觸頭接地。模型的溫度、壓力，磁場(chǎng)邊界條件和網(wǎng)格變形設(shè)置如下。

1.4.1 熱邊界條件

電弧中的正離子加速向陰極表面運(yùn)動(dòng)，并且通過(guò)碰撞加熱陰極表面。隨著陰極溫度提高，大量電子從銅材料陰極釋放。由此，銅材料陰極熱邊界方程為

－n·（－λSymbolQC@T）=－Jelecφc+JionUion（3）

Jion=J·n－Jelec （4）

Jelec=JR（T）（5）

JR（T）=ART2exp－eφeffkBT （6）

式中： Uion——陰極電位［16］;

Jion——正離子電流密度;

Jelec——電子流密度;

φc——陰極材料表面功函數(shù);

J·n——電流密度模;

e——電子電荷;

φeff——電極表面有效逸出功;

AR——Richardson常數(shù)。

由于僅電子與正離子復(fù)合釋放熱量加熱陽(yáng)極，陽(yáng)極熱邊界方程為

－n·（－λSymbolQC@T）=J·nφa（7）

式中： φa——銅陽(yáng)極功函數(shù)。

1.4.2 壓力和溫度邊界條件

由于簡(jiǎn)化滅弧室與大氣環(huán)境相連通，壓力邊界設(shè)置為101 kPa，溫度初始值為標(biāo)準(zhǔn)室溫。

1.4.3 網(wǎng)格變形設(shè)置

在仿真計(jì)算開(kāi)斷直流空氣斷路器電弧過(guò)程中，網(wǎng)格的運(yùn)動(dòng)剖分至關(guān)重要。動(dòng)觸頭邊界的運(yùn)動(dòng)形式是預(yù)先定義的運(yùn)動(dòng)，即可以在計(jì)算前指定其速度。本文中設(shè)置靜觸頭以保持固定網(wǎng)格，而動(dòng)觸頭以一定的速度向上移動(dòng)。邊界條件如表2所示。

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 弧根躍遷過(guò)程中的觸頭邊緣弧根停滯現(xiàn)象

對(duì)100 A電流開(kāi)斷條件下的電弧過(guò)程進(jìn)行仿真分析。觸頭開(kāi)斷速度為1 m/s，整個(gè)計(jì)算域內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度為35 mT且均勻分布?；「\(yùn)動(dòng)過(guò)程溫度場(chǎng)分布如圖2所示。

在0.1 ms時(shí)，電弧位于觸頭間隙。隨著動(dòng)觸頭向上運(yùn)動(dòng)，電弧被縱向拉伸，并且弧根沿動(dòng)、靜觸頭表面向滅弧室方向運(yùn)動(dòng)。在0.7～2.1 ms時(shí)，陽(yáng)極弧根運(yùn)動(dòng)至動(dòng)觸頭邊緣位置，但弧根仍緩慢移動(dòng)，未完全停滯。在2.1 ms時(shí)，陽(yáng)極弧根開(kāi)始在動(dòng)觸頭邊緣處停滯。在2.1～6.1 ms時(shí)，弧柱逐漸向上跑弧道彎曲且不斷擠壓上跑弧道表面。在6.1 ms時(shí)，動(dòng)觸頭上陽(yáng)極弧根消失，電弧與上跑弧道表面接觸位置出現(xiàn)高溫區(qū)域。在6.3～6.6 ms時(shí)，電弧進(jìn)入滅弧室并被柵片切割。在7.1 ms時(shí)，電弧的弧柱壓升高，導(dǎo)致電弧熄滅。

2.2 觸頭邊緣弧根停滯分析

觸頭邊緣弧根停滯是開(kāi)斷延遲的主要原因之一。為研究弧根停滯的形成過(guò)程，在溫度場(chǎng)研究的基礎(chǔ)上，仿真分析了觸頭開(kāi)斷速度為5 m/s，整個(gè)計(jì)算域內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度為35 mT均勻分布時(shí)，弧根轉(zhuǎn)移過(guò)程中的多場(chǎng)變化。弧根停滯過(guò)程中滅弧室氣流矢量分布如圖3所示。

在0.7～1.3 ms時(shí)，陽(yáng)極弧根后方產(chǎn)生一個(gè)逆時(shí)針的氣流旋渦阻礙電弧運(yùn)動(dòng)。在陽(yáng)極弧根轉(zhuǎn)移過(guò)程中，弧柱區(qū)域的氣流較穩(wěn)定，氣流場(chǎng)的方向與洛倫茲力的方向重合，并在高速氣流和洛倫茲力的協(xié)同作用下，整體呈現(xiàn)逐漸彎曲且逐漸擠壓上跑弧道的趨勢(shì)。

極高的電流密度值是弧根維持電弧存在的必要條件。本研究中電弧是由左向右運(yùn)動(dòng)，規(guī)定為y方向?；「S遷過(guò)程中y方向電流密度如圖4所示。由圖4可知，弧根躍遷過(guò)程中，陽(yáng)極弧根電流密度逐漸減小。這是由于陽(yáng)極弧根在從觸頭上消失到出現(xiàn)在上跑弧道的過(guò)程中，弧根半徑不斷擴(kuò)大，電流密度逐漸減小。此外，在觸頭運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，弧柱在洛倫茲力作用下不斷擠壓上跑弧道表面，導(dǎo)致上跑弧道表面溫度升高，其前方空氣電導(dǎo)率迅速增大。在上跑弧道溫度最高的區(qū)域發(fā)生擊穿，上跑弧道新弧根區(qū)域電流密度達(dá)到閾值，從而形成了新的陽(yáng)極斑點(diǎn)。由此可知，觸頭邊緣弧根停滯現(xiàn)象產(chǎn)生的根本原因是弧根轉(zhuǎn)移前跑弧道未達(dá)到擊穿條件，該過(guò)程受到洛倫茲力和氣流場(chǎng)的共同影響。

在氣體環(huán)境下，壓強(qiáng)與溫度呈正相關(guān)，與流速呈負(fù)相關(guān)［23］。在1.9～2.3 ms時(shí)，上跑弧道入口處溫度等位線和速度分布如圖5所示。在電弧接近上跑弧道表面后，電弧區(qū)域前后流速變化大，形成壓力差，導(dǎo)致上跑弧道與動(dòng)觸頭間隙的氣體大部分向電弧區(qū)域后側(cè)流動(dòng)，阻礙了陽(yáng)極弧根向滅弧室的運(yùn)動(dòng)。由于熱傳導(dǎo)作用，電弧運(yùn)動(dòng)加熱前方空氣，故氣體密度降低。擴(kuò)散效應(yīng)使電弧前后周圍氣體流速變化，進(jìn)而形成較大的壓力差，導(dǎo)致氣流漩渦的形成，最終阻礙了弧根運(yùn)動(dòng)。

2.3 觸頭邊緣弧根停滯的影響因素

在直流開(kāi)斷中，外施磁感應(yīng)強(qiáng)度是影響開(kāi)斷的主要因素，但開(kāi)斷速度也會(huì)影響電弧的伏安特性，從而改變電弧運(yùn)動(dòng)特性。因此，針對(duì)不同驅(qū)弧磁場(chǎng)及開(kāi)斷速度對(duì)觸頭邊緣弧根停滯的影響，本文仿真分析了35 mT、50 mT、80 mT磁場(chǎng)下，開(kāi)斷速度分別為1 m/s、3 m/s、5 m/s、7 m/s時(shí)陽(yáng)極弧根的邊緣停滯現(xiàn)象及相應(yīng)的弧根轉(zhuǎn)移時(shí)間。開(kāi)斷速度為5 m/s時(shí)，不同磁場(chǎng)分布下電弧電流和電弧電壓曲線如圖6所示。

由圖6可見(jiàn)，曲線均經(jīng)歷2次明顯波動(dòng)，第一次波動(dòng)是弧根停滯現(xiàn)象出現(xiàn)的時(shí)刻，第二次波動(dòng)是弧根停滯現(xiàn)象消失的時(shí)刻，電弧進(jìn)入滅弧室。由此可見(jiàn)，隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大，觸頭邊緣弧根停滯時(shí)間變短。這是因?yàn)榇鸥袘?yīng)強(qiáng)度增大，洛倫茲力增大，電弧運(yùn)動(dòng)速度加快，電弧更早到達(dá)觸頭邊緣位置;洛倫茲力變大，電弧彎曲程度更加劇烈，弧柱區(qū)拉伸程度大，更快接近上跑弧道表面，從而使上跑弧道表面更早形成新弧根，觸頭邊緣弧根停滯現(xiàn)象結(jié)束。

觸頭邊緣電弧停滯過(guò)程中，不同磁場(chǎng)大小下弧根運(yùn)動(dòng)情況如表3所示。結(jié)合圖6可知，磁感應(yīng)強(qiáng)度增大會(huì)縮短停滯時(shí)間，電弧轉(zhuǎn)移提前，有利于快速開(kāi)斷。但是觸頭邊緣弧根停滯時(shí)間隨著磁場(chǎng)增大而減少的速度變慢，強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)縮短觸頭邊緣弧根停滯時(shí)間的能力變?nèi)酰呌诜€(wěn)定。因此，在滿足小型化和安裝條件有限的小空間滅弧室內(nèi)，無(wú)需追求配備過(guò)高的驅(qū)弧磁場(chǎng)。

磁感應(yīng)強(qiáng)度為35 mT時(shí)，觸頭邊緣弧根停滯過(guò)程不同開(kāi)斷速度下電弧電流和電弧電壓如圖7所示。在觸頭邊緣弧根停滯現(xiàn)象出現(xiàn)前，弧壓弧流曲線均會(huì)明顯波動(dòng)，隨后，曲線緩慢變化。這是由于在觸頭邊緣弧根停滯期間，電弧的伏安特性僅受到電弧長(zhǎng)度的影響。在觸頭開(kāi)斷速度為1 m/s、3 m/s、5 m/s 和7 m/s的情況下，觸頭開(kāi)斷速度增大，電弧電壓上升和電弧電流下降速度變快，因此開(kāi)斷速度對(duì)電弧進(jìn)入滅弧室前的觸頭邊緣弧根停滯時(shí)間影響較大。

磁感應(yīng)強(qiáng)度為35 mT時(shí)不同開(kāi)斷速度下觸頭邊緣弧根停滯階段的陽(yáng)極弧根位移曲線如圖8所示。其中橫坐標(biāo)0時(shí)刻為弧根停滯開(kāi)始時(shí)刻。

由圖8可見(jiàn)，觸頭開(kāi)斷速度為5 m/s時(shí)，陽(yáng)極弧根停滯時(shí)間最短。觸頭開(kāi)斷速度為7 m/s時(shí)，隨著觸頭運(yùn)動(dòng)，陽(yáng)極弧根停滯在觸頭邊緣，電弧電流下降，電弧縱向拉伸速度快，導(dǎo)致陽(yáng)極弧根附近的弧柱向上跑弧道方向彎曲程度減小，弧柱不能充分?jǐn)D壓上跑弧道，最終導(dǎo)致觸頭邊緣弧根停滯時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。當(dāng)開(kāi)斷速度小于5 m/s時(shí)，隨著觸頭開(kāi)斷速度減小，電弧在觸頭間的運(yùn)動(dòng)速度減小，觸頭間隙所能通過(guò)的氣流量較之前大大縮減，對(duì)電弧的氣吹作用減弱，導(dǎo)致靠近陽(yáng)極側(cè)的弧柱彎曲程度減小，觸頭邊緣的電導(dǎo)率始終大于上跑弧道處的電導(dǎo)率，進(jìn)而導(dǎo)致陽(yáng)極邊緣弧根停滯時(shí)間的增加。

不同開(kāi)斷速度下觸頭邊緣弧根停滯情況如表4所示。由表4可知，在觸頭開(kāi)斷速度由3 m/s增加到5m/s的過(guò)程中，開(kāi)斷速度對(duì)電弧停滯時(shí)間的影響呈現(xiàn)逐步上升趨勢(shì)，整體停滯時(shí)間縮短了32%，而上升趨勢(shì)在開(kāi)斷速度達(dá)到7 m/s時(shí)趨于穩(wěn)定，此時(shí)開(kāi)斷速度對(duì)電弧停滯時(shí)間的影響將不會(huì)大幅變化。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文采用數(shù)值模擬的方法對(duì)直流空氣斷路器開(kāi)斷實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的觸頭邊緣弧根停滯現(xiàn)象以及弧根躍遷過(guò)程的影響進(jìn)行了分析，通過(guò)MHD模型求解氣流場(chǎng)、溫度場(chǎng)與電磁場(chǎng)方程，得到弧根停滯的原因及影響因素。

觸頭邊緣弧根停滯現(xiàn)象產(chǎn)生的本質(zhì)原因是弧根轉(zhuǎn)移前跑弧道未達(dá)到擊穿條件?；「\(yùn)動(dòng)到觸頭邊緣時(shí)，上跑弧道表面電導(dǎo)率未達(dá)到形成新的弧根斑點(diǎn)的閾值，造成觸頭邊緣弧根停滯時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。同時(shí)，滅弧室入口與電弧后方的流速變化大，形成壓力差，嚴(yán)重阻礙了電弧運(yùn)動(dòng)。

隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大，對(duì)縮短觸頭邊緣弧根停滯時(shí)間的能力變?nèi)?，趨于穩(wěn)定。在滿足小型化和安裝條件有限的小空間滅弧室內(nèi)，無(wú)須追求配備過(guò)高的驅(qū)弧磁場(chǎng)。這對(duì)于開(kāi)關(guān)設(shè)備小型化設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

觸頭運(yùn)動(dòng)速度增大，燃弧時(shí)間縮短，電弧在觸頭邊緣的停滯時(shí)間與開(kāi)斷速度的變化呈非線性關(guān)系。當(dāng)磁場(chǎng)為35 mT，開(kāi)斷速度為5 m/s時(shí)的弧根觸頭停滯時(shí)間小于開(kāi)斷速度3 m/s和7 m/s的?？赏ㄟ^(guò)合理配置不同開(kāi)斷速度和磁場(chǎng)來(lái)縮短電弧的觸頭邊緣弧根停滯時(shí)間，以達(dá)到電弧的快速轉(zhuǎn)移和開(kāi)斷。

【參 考 文 獻(xiàn)】

［1］ 陳默，陸寧懿，翟國(guó)富.基于電弧磁流體仿真的DC1500V兩極塑殼斷路器氣道優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2023，38（8）： 2222-2232.

［2］ 吳芳柱，田園.基于中低壓交直流配電網(wǎng)的工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)探索［J］.電器與能效管理技術(shù)，2023（6）：44-50.

［3］ 孟羽，李興文，吳子豪，等.光伏系統(tǒng)直流故障電弧時(shí)頻域特性及其復(fù)合模型研究［J］.高壓電器，2022，58（5）：23-30，40.

［4］ 汪倩，陳思磊，孟羽，等.低壓直流系統(tǒng)故障電弧檢測(cè)技術(shù)研究綜述［J］.高壓電器，2023，59（5）：93-103.

［5］ 高漢林，許峰，張涵.光伏系統(tǒng)直流故障電弧特性與檢測(cè)裝置研究［J］.電器與能效管理技術(shù)，2022（11）：46-53.

［6］ 李靜，錢宇，王奧飛，等.磁吹直流空氣斷路器弧根躍遷及對(duì)開(kāi)斷特性的影響研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2023，43（4）：1651-1661.

［7］ 馮義，晉斌，陳娜，等.計(jì)及分布式電源接入的配電網(wǎng)故障恢復(fù)方法［J］.電器與能效管理技術(shù)，2021（12）：78-84.

［8］ 王云會(huì)，鄭強(qiáng)仁，郭淼，等.分布式電源接入配電網(wǎng)的控制策略及消納能力評(píng)估研究［J］.電器與能效管理技術(shù)，2022（4）：83-87.

［9］ YANG F， MA R G， WU Y， et al. Numerical study on arc plasma behavior during arc commutation process in direct current circuit breaker［J］. Plasma Science and Technology， 201 14（2）： 167-171.

［10］ RONG M， MA Q， WU Y， et al. The influence of electrode erosion on the air arc in a low-voltage circuit breaker［J］. Journal of Applied Physics， 2009， 106（2）： 61-67.

［11］ MCBRIDE J W， WEAVER P M， JEFFERY P A. Arc root mobility during contact opening at high current［J］. IEEE Transactions on Components， Packaging， and Manufacturing Technology： Part A， 1998， 21（1）： 61-67.

［12］ 易晨曦，李靜，彭世東，等.中壓直流空氣斷路器短路分?jǐn)嚯娀√匦匝芯浚跩］.電器與能效管理技術(shù)，2023（8）：17-23.

［13］ HUO J D， WANG Y F， CAO Y. 3D computational study of arc splitting during power interruption： the influence of metal vapor enhanced radiation on arc dynamics［J］. Journal of Physics D： Applied Physics，202 54（8）： 085502.

［14］ WU" Y， RONG M Z， LI X W， et al. Numerical analysis of the effect of the chamber width and outlet area on the motion of an air arc plasma［J］. IEEE Transactions on Plasma Science， 2008， 36（5）： 2831-2837.

［15］ 吳翊，榮命哲，楊茜，等.低壓空氣電弧動(dòng)態(tài)特性仿真及分析［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005（21）：146-151.

［16］ MA R G， RONG M Z， YANG F， et al. Investigation on arc behavior during arc motion in air DC circuit breaker［J］. IEEE Transactions on Plasma Science， 2013， 41（9）： 2551-2560.

［17］ LI X W， CHEN D G， WANG Q， et al. Simulation of the effects of several factors on arc plasma behavior in low voltage circuit breaker［J］. Plasma Science and Technology， 2005， 7（5）： 3069-3072.

［18］ PENG S D， LI J， CAO Y D， et al. Research on arc root stagnation when small current is interrupted in self-excited circuit breaker［J］. Plasma Science and Technology， 202 24（11）： 18-29.

［19］ 楊茜，榮命哲，吳翊.低壓斷路器中空氣電弧運(yùn)動(dòng)的仿真及實(shí)驗(yàn)研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26（15）：89-94.

［20］ 錢宇.大容量直流空氣斷路器電弧動(dòng)態(tài)特性的研究［D］. 沈陽(yáng)： 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)， 2022.

［21］ 李靜，劉凱，曹云東，等.直流接觸器開(kāi)斷過(guò)程中弧根演變及對(duì)重燃的影響分析［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2019，39（4）：1241-1251.

［22］ XIE W H， WU G N， YANG Z F， et al.Study on the erosion characteristics of copper arbon electrode pairs by DC air arc［J］. High Voltage， 202 6（4）： 674-683.

［23］ 榮命哲，楊飛，吳翊，等.直流斷路器電弧研究的新進(jìn)展［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，29（1）：1-9.

［24］ 程禮椿.空氣壓力對(duì)磁吹電弧運(yùn)動(dòng)、停滯和觸頭侵蝕的影響［J］.低壓電器，1991（1）：21-25.

［25］ 陳維，張國(guó)鋼，柯春俊.開(kāi)斷速度對(duì)觸頭電弧侵蝕影響的數(shù)值分析［J］.低壓電器，2009（9）：16-20.

［26］ 程禮椿，王步云.低氣壓空氣中磁吹電弧的停滯與侵蝕［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，1991，6（1）：51-57.

［27］ 李興文，賈申利，張博雅.氣體開(kāi)關(guān)電弧物性參數(shù)計(jì)算及特性仿真研究與應(yīng)用［J］.高電壓技術(shù)，2020，46（3）：757-771.

收稿日期： 20240105