真空电弧中阳极射流的微观粒子输运特性与演化机理研究

The appearance of the anode jet in the vacuum breaking process means that the vacuum switch reaches its breaking limit. However, there is no clear explanation for the particle transport characteristics and evolution mechanism of the anode jet at present, which restricts the developing of the vacuum switch to some extent. This project aims to the anode jet in the high current vacuum arc, quantitatively analysis will be carried out for the characteristics of the key parameter and the distribution characteristics of the anode jet with the electrical measurement and precision plasma optical diagnosis, and a comprehensive transient model of the anode jet will be established. Based on the experiment and simulation work, the internal particle transport characteristics and the influencing factors of the anode jet will be systematically studied to establish the correlation between the control parameters and the particle transport characteristics of the anode jet. By reconstructing the evolution process of the anode jet and combining the dynamic analysis method, the dynamic developing process and the temporal and spatial evolution law of the anode jet will be studied comprehensively, and the evolution mechanism and its influencing factors of the anode jet will be clarified. The prospective achievements could provide theoretical basis and technical guidance for delaying or suppressing the appearance of the anode jet and improving the breaking ability of the vacuum switch, and promote the developing of the vacuum switch towards high voltage and high current.

真空开断过程中阳极射流的出现意味着真空开关已经达到其开断极限，而目前对于阳极射流的微观粒子输运特性与演化机理尚无明确解释，在一定程度上制约了真空开关的发展。本项目针对大电流真空电弧中的阳极射流，开展电气测量和精密等离子体光学诊断实验研究，定量分析阳极射流等离子体关键特征参数特性与分布特点，并建立全面的阳极射流瞬态仿真模型。通过实验结合仿真的方式，深入系统的研究阳极射流内部微观粒子输运特性与影响因素，建立控制参数与阳极射流微观粒子输运特性之间的关联性；重构阳极射流演变过程，联合动力学分析方法，综合研究阳极射流的动态发展过程和时空演变规律，明确阳极射流的演化机理及其影响因素。研究结果将为延迟或抑制阳极射流的出现、提高真空开关的开断能力提供理论依据和技术指导，从而推动真空开关向高电压大电流方向发展。

真空开断过程中阳极射流的出现意味着真空开关已经达到其开断极限，而目前对于阳极射流的微观粒子输运特性与演化机理尚无明确解释，在一定程度上制约了真空开关的发展。本项目首先针对大电流真空电弧下，分析了全局磁场下的真空电弧特性，包括杯状纵磁触头系统极间等离子体分布特性以及考虑实际外部横向磁场的大电流真空电弧等离子体分布特性，在此基础上提出了一种新型触头结构用于真空灭弧室极间区域等离子体磁场调控。此外，系统性得探究了不考虑阳极射流时的真空电弧行为，对不同起始开断时刻下的真空燃弧内部物理过程进行了解释。针对不同触头刚分时刻下的真空电弧，建立了大电流真空电弧磁流体动力学模型和阳极热过程模型，探究了大电流真空电弧的燃弧过程中极间等离子体输运特性及阳极热过程。考虑到中高频对真空电弧的影响，在稳态电弧模型的基础上考虑参数时变项的影响，构建了高频下真空电弧的瞬态磁流体动力学仿真模型，明确了在中高频条件下真空电弧等离子体输运特性，为延迟真空电弧阳极射流出现提供了理论依据；其次以阳极射流特征参数为基础，结合真空电弧磁流体动力学模型，考虑阳极射流与弧柱等离子体之间的碰撞、电离复合以及电磁过程，并且同时考虑时间对阳极射流演变的影响和阳极蒸汽与弧柱等离子体的相互作用，建立了完善的阳极射流仿真模型及数值分析方法，获取阳极射流微观粒子输运特性；最后搭建了阳极射流测量和等离子体特征参数光学诊断实验平台，利用发射光谱的光学诊断方法，对阳极射流中各种微观粒子（包括中性原子、激发态一价离子和激发态二价离子等）的轴向分布进行诊断，获得了阳极射流不同粒子的空间分布特性；针对阳极射流出现时所溅射出的金属颗粒，考虑了其直径、温度、位置以及同时存在多个金属颗粒等因素的影响，建立了包含单个和多个金属颗粒的大电流真空电弧仿真模型，获得了阳极金属颗粒与极间电弧等离子体相互作用的规律。通过建模仿真并结合实验验证，掌握阳极射流内部微观粒子输运特性，获得等离子体关键参数特性及阳极射流时空演化规律。本项目的研究结果将为延迟或抑制阳极射流的出现、提高真空开关的开断能力提供理论依据和技术指导，从而推动真空开关向高电压大电流方向发展。