大电流真空电弧作用下阳极熔坑热力学特性研究

The anode of a vacuum interrupter has a significant impact on high-current interruption processes. Previous studies focused on the heat transfer from a vacuum arc to an anode, but did not pay enough attention to molten craters on the anode surface caused by vacuum arc pressure. However, this phenomenon, lasting from arcing period to dielectric recovery process, plays an important role in the interruption capacity of a vacuum circuit breaker. This project is proposed to study the anode crater formation mechanism and its thermodynamic behavior under high-current vacuum arc. Firstly, a model of heat transfer from a vacuum arc to an anode surface will be established. This model takes account of the influence of anode evaporation and anode sheath which will affect input energy into anode surface, and will give the initial condition and heat transfer characteristic of anode surface after appearing melting; Secondly, a model of liquid metal motion in a moving molten region will be established. This model takes account of energy and momentum transport from vacuum arc to anode surface, and will give the deformation and temperature distribution of anode surface in a molten region. Thirdly, a model of the solidification process in a molten region after current zero will be established to obtain the temperature distribution and the surface deformation after solidification. Finally, experiments will be carried out to study arc mode, anode surface temperature and anode surface deformation in high currents in order to verify the result of theoretical calculation. The results from this project can provide a theoretical support to improve the interruption capacity of vacuum circuit breakers.

真空开关的阳极现象在大电流开断过程中至关重要。以往阳极现象研究主要集中在电弧对阳极的传热过程，未充分考虑电弧压力所造成的熔坑现象，而熔坑的影响从燃弧阶段持续到介质恢复阶段，是大电流开断过程中重要影响因素。本课题拟实验和理论研究大电流真空电弧阳极表面熔坑形成机理和热力学特性。首先，建立真空电弧对阳极表面的传热模型，着重考虑阳极蒸发和阳极鞘层对注入触头能量的影响，获得阳极表面熔化发生的初始条件和传热规律；其次，综合考虑电弧对阳极表面的能量和动量输运过程，建立动态熔化区域中液态金属运动模型，仿真模拟熔化区域液态金属表面的变形过程和温度分布规律；第三，建立电弧熄灭后阳极熔化表面的凝固模型，获得触头表面温度分布、凝固后的形貌特征。最后，实验研究阳极熔坑形成过程中的电弧形态、阳极表面温度、真空电弧参数以及表面形貌特征等，验证理论计算结果的准确性。研究成果可为提高真空开关的开断能力提供理论支撑。

真空开关的阳极现象在大电流开断过程中至关重要。以往阳极现象研究主要集中在电弧对阳极的传热过程，未充分考虑电弧压力所造成的熔坑现象，而熔坑的影响从燃弧阶段持续到介质恢复阶段，是大电流开断过程中重要影响因素。本项目的研究目标是：1、考虑阳极鞘层和蒸发的影响，获得大电流真空电弧对阳极触头表面的传热规律；2、考虑电弧对阳极的能量和动量输运过程，获得液态金属在动态熔化区域的流动和变形规律；3、基于液态金属成型原理，获得电弧熄灭后阳极触头的散热和凝固规律；4、采用等离子体诊断实验技术，获得阳极熔坑形成过程中的电弧形态、阳极表面温度、真空电弧参数以及表面形貌特征等，验证理论计算结果的准确性。本项目所获得的主要成果包括：1、建立了阳极鞘层模型，阐明阳极鞘层和蒸发在真空电弧大电流条件下对于阳极传热和传动量的影响机理，并分别针对热传递和动量传递给出理论公式；2、提出了大电流真空电弧压力与热流共同作用下的阳极熔坑形成机理，建立了动态熔化区域中液态金属运动模型，解决了考虑自由界面的多相流的阳极液态金属流动建模、强电场作用下的阳极表面变形仿真等关键问题，并探讨了触头表面液态金属流动对阳极表面温度分布、液滴形成及真空灭弧室开断能力等的影响；3、建立了弧后触头表面形变模型，获得了液态金属表面在电场作用下形成泰勒锥的动态过程，同时得到泰勒锥形成与温度、初始形状的等因素的关系，提出了泰勒锥现象导致真空断路器弧后延迟击穿的作用机理；4、采用高速摄影、吸收光谱等实验诊断手段，针对在不同电弧模式下的金属蒸气密度的空间分布、触头表面温度、表面形貌、微观结构等进行了一系列的研究，验证理论计算结果的准确性。本项目的研究内容将有助于进一步深入认识真空放电机理，为提高真空开关的开断能力以及小型化提供理论支撑。该理论研究成果已成功应用于8种规格的真空灭弧室及断路器的设计，并获得显著经济效益。