触发型真空开关电弧演变行为研究

Vacuum arc evolution behavior and its formation mechanism is the important research topic of triggered vacuum switch. Because electrons and ions in triggered vacuum arc are not satisfied with the assumption of local thermodynamic equilibrium, moreover, discharge duration time is very short, arc current is higher, and the interaction between electrode and arc is very significant. In this project, kA/μs class arc evolution behavior of vacuum triggered switch with small dimension and gap distance will be paid more attention, the 2D transient two-temperature magneto hydrodynamics (MHD) model coupled with single metal or composite metal electrode erosion will be established. The boundary conditions and high efficient numerical solution methods will be studied. The coupled interaction among active electrode erosion, macro-particles and plasma generation, arc evolution behavior also will be studied. By modeling and simulation, the influence of electrode materials (for example, single metal, and composite metal material), discharge frequency of pulse width, gap distance, electrode configuration, magnetic field on vacuum arc evolution behavior and electrode erosion characteristics in triggered vacuum switch will be researched. Arc evolution behavior will be recorded by framing camera, streak camera or other high speed photography technology. Arc voltage and arc current will be measured by high voltage probe and Rogowski current coil, respectively. The measurement results will be used to verify the correctness and validity of simulation results. By modeling and simulation with related experimental verification, physical mechanism of vacuum arc evolution behavior in triggered vacuum switch will be grasped, and the critical parameters and evolution law of triggered vacuum switch will be obtained.

电弧演变行为及其形成机理是触发型真空开关的重要研究课题。由于触发型真空开关电弧的电子和离子运动不满足局部热力学平衡假定，且放电时间短、电流大、被烧蚀电极与电弧相互作用明显。本项目主要针对小尺寸、小间距触发型真空开关kA/μs级燃弧过程，建立耦合电极过程的单一金属、复合金属真空电弧二维瞬态双温度磁流体动力学模型，研究其边界条件及数值模拟计算方法，并考虑电极烧蚀、大颗粒与等离子体产生、电弧演变行为的双向耦合关系；仿真研究触发型真空开关中电极材料(如单一金属及复合金属)、电流幅值与脉宽、电极间距、电极结构、磁场对电弧演变行为及电极烧蚀特性的影响；采用分幅相机、条纹相机等手段测试电弧演变行为，采用高压探头、罗氏线圈测试电弧电压、电弧电流发展过程，并对仿真结果的正确性和有效性进行验证。通过建模仿真并结合实验验证，掌握真空开关电弧演化行为的物理机制，获得等离子体关键参数特性及真空开关性能演化规律。

电弧演变行为及其形成机理是触发型真空开关的重要研究课题。本项目建立了触发型真空开关电弧的二维瞬态双温度磁流体动力学模型，并对不同材料(铜、钨、钼)、放电频率、放电电流等条件下的真空电弧特性进行了仿真，结果表明，铜材料电极在阳极侧的电流箍缩现象最明显，钼电极其次，钨电极最弱；等离子体参数随时间变化存在滞后现象，频率越高滞后现象越明显，但是等离子体参数的大小几乎不受频率的影响；建立了弧柱等离子体与液滴相互耦合的自洽模型，模型中考虑了液滴的充电、蒸发以及运动过程，仿真研究了初始液滴直径、放电电流大小等对液滴动力学行为的影响，结果表明，在液滴的运动过程中，液滴因受到等离子体的加热作用而不断蒸发，因此液滴质量持续减小，而液滴直径在一开始受到热胀冷缩的影响会有小幅增大再减小，液滴电位和液滴温度主要受到等离子体参数影响，随着液滴位置的变化而变化，纵磁作用下的液滴会发生旋转运动；建立了考虑不同组分的纯金属电极和合金电极电弧双温度磁流体动力学模型，并进行仿真研究，结果表明，随着电流增大，各离子组分电离速率加快，形成更多的高价离子，开距的增大会导致高价离子增多，平均电荷数增大，CuCr合金材料中，随着Cr含量的增加，离子的平均电荷数也随之增大，电流收缩减弱；研究了单一与复合电极材料条件下真空电弧阳极模式演变机理，发现阳极斑点模式和阳极羽流模式的转变与阳极表面温度以及电弧电流的大小存在密切关系，羽流的倾斜与阳极表面温度的非对称分布相关；建立了真空电弧中阴极斑点弧坑与液滴形成的模型，揭示了弧坑与液滴的形成机理。对触发型真空开关的电弧进行实验研究，关注了真空电弧形态、电弧电压、阴极斑点以及阳极活动的发展演变过程，并与仿真结果进行对比；通过以上研究，掌握了真空开关电弧演化行为的物理机制，获得了等离子体关键参数特性及真空开关性能演化规律。发表学术论文论文31篇，其中SCI收录20篇，获批国家发明专利1项，软件著作权2项，培养九院青年人员2名，培养博士生4名，硕士生6名。