高频强迫分断下曲面触头真空电弧调控机理研究

With the application and development of DC power supply system in more electric aircraft and low-voltage industry field, the development of power supply system with lager capacity is limited by the status of protection circuit breaker. Research on control strategy of vacuum arc under high frequency forced interrupting becomes the key to the successful application of the vacuum switch and urgent need. Two novel contact structures named the sine ruled surface contact and sine revolution surface contact will be proposed in the project to research the relationship between distribution uniformity of stress and electric field on curved surface contact interface and structure of contact. By observing arc image, analysis the process of arc movement, arc diffusion and products condensation in the contact surface with different contact structural parameters and materials and grasp the control mechanism of vacuum arc evolution. MHD model is set up to get the control mechanism of vacuum arc diffusion and extinguishing stage under high frequency forced interrupting. The principle and method of designing vacuum arc force interrupting circuit system and auxiliary circuit are put forward. It is significant to provide a theoretical basis for the development of the miniaturization vacuum switch which has the breaking capability of 15kA and is suitable for DC power supply system in aero and industrial application.

直流供电系统成为全电/多电飞机和中低压工业供用电的发展趋势，而直流保护断路器的现状限制了供电系统向大容量方向发展。高频强迫分断下真空电弧调控机理研究成为真空开关成功应用的关键和迫切需要。本项目提出正弦直曲面和正弦圆周曲面两种新型触头结构，分析曲面触头接触面应力和电场分布均匀化与触头结构的关系；搭建强迫分断回路及直流真空电弧观测系统，实验研究正弦圆周曲面和正弦直曲面触头在不同材料下的燃弧、等离子体扩散过程和电弧生成物凝结过程，揭示曲面触头直流真空电弧形态演变规律；建立曲面触头真空电弧等离子体磁流体动力学模型，掌握高频强迫分断下真空电弧扩散与熄灭调控机理。本项目依据真空电弧调控机理及高频分断特性，寻求曲面触头系统最佳频率，提出短间隙直流真空曲面触头设计方案和长寿命、小型化真空开关设计的原理方法，为研制适用于航空直流和工业直流电源系统开断容量为15kA真空开关提供理论依据。

直流电力系统具有系统稳定性好、电磁污染小以及控制简单等显著优点，在舰船、城市轨道交通及航空领域大量应用。断路器在直流供配电系统中是重要元件，负责控制电路系统的通断，断路器性能直接关系电网络的可靠性和安全性。直流电弧无自然过零点，分断电弧困难，对开断性能要求十分严苛。因此，研制高性能、小体量、可靠性高的直流断路器具有重要意义。.本课题面向直流航空高压270V下的电弧分断难题，通过设计强迫换流支路制造人工过零点，采用环保、可靠、高寿命的真空灭弧室开断直流电弧，在真空灭弧室结构参数和强迫换流参数上开展了深入研究。.搭建了航空270V直流真空电弧高频强迫过零分断实验系统，设计研制了曲面触头真空灭弧室。利用曲面结构增大触头接触面积，提升了开断性能。在曲面结构参数方面，重点研究了弯曲形式、幅度和周期对于电弧电压、阴极斑点运动、电弧形态演变及开断性能的影响。研究了触头材料（包括铜、铬、钨等金属元素）对于触头表面烧蚀、电弧电压特性及开断性能的影响。.利用仿真和实验两种方法，分析了强迫换流支路的电气参数对于强迫分断的影响，瞄准中高频，分析了换流频率为360Hz~800Hz、3.5kHz、7.1kHz、10kHz、20kHz及35kHz，电流等级为1kA、2.5kA、3.5kA及4.8kA的曲面触头真空灭弧室的强迫换流分断性能，重点分析了电流过零时di/dt和du/dt等参数对介质恢复过程、弧后重燃和直流电路中电感能量吸收过程的影响，获得了曲面触头高频分断特性。.利用比色测温法，研究曲面触头下结构参数和触头材料对电子密度、电子温度的影响，揭示直流真空电弧强迫分断形态演变规律及掌握真空电弧控制机理。.本课题在高频强迫分断下获得了真空短间隙曲面触头系统设计方法，并确定强迫回路电容、电感、电容充电电压等参数，综合优化真空电弧强迫分断系统。为研制开断能力为15kA的小型化航空直流开关和中低压真空开关提供技术支持。