張 鈺

（鎮(zhèn)江市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，江蘇鎮(zhèn)江，212013）

低壓電器電弧仿真與研究

張 鈺

（鎮(zhèn)江市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，江蘇鎮(zhèn)江，212013）

作為電力系統(tǒng)、電能應(yīng)用工程中十分常見的物理現(xiàn)象，低壓電器電弧運(yùn)動(dòng)與仿真研究越來越受關(guān)注。本文結(jié)合低壓電器電弧運(yùn)動(dòng)機(jī)理與電弧仿真技術(shù)，構(gòu)建了低壓電器電弧仿真模型，就低壓電器電弧仿真過程進(jìn)行了研究。

低壓電器；電??；仿真

0 引言

通過研究低壓電器的電弧運(yùn)動(dòng)特性，有助于優(yōu)化低壓電器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，提高其性能。但應(yīng)注意的是，由于低壓電器電弧燃弧時(shí)間較短，因而如何捕捉電弧是關(guān)鍵。本文重點(diǎn)結(jié)合低壓電器電弧運(yùn)動(dòng)機(jī)理及電弧仿真技術(shù)，探討了低壓電器電弧仿真方法與過程，以供參考和借鑒。

1 低壓電器電弧運(yùn)動(dòng)機(jī)理與電弧仿真技術(shù)

在低壓電器電弧運(yùn)動(dòng)、仿真研究中，涉及到一系列的電、熱、磁、運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，極大地推動(dòng)了低壓電器電弧運(yùn)動(dòng)等離子體測試研究的發(fā)展。近些年來，光譜、CCD、光纖陣列、電磁等非接觸測量技術(shù)開始應(yīng)用于低壓電器電弧運(yùn)動(dòng)等離子體測試中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知，低壓電器電弧運(yùn)動(dòng)，是結(jié)合電氣自動(dòng)化所要求的短時(shí)間之內(nèi)，就相聯(lián)電路分段進(jìn)行離合接觸。在符合電、熱、磁、運(yùn)動(dòng)等前提下，在低壓電器電弧運(yùn)動(dòng)的觸頭間隙存在電弧運(yùn)作。為此，必須把握好低壓電器電弧特點(diǎn)，這樣才能確保設(shè)計(jì)順利開展。在電器觸頭接通、切斷時(shí)，在兩路電源中其中一路觸頭存在改障、負(fù)載等情況，觸頭間會(huì)產(chǎn)生開關(guān)電弧反應(yīng)，引發(fā)電弧運(yùn)動(dòng)需電源間轉(zhuǎn)換，以確保供電的可靠性、安全性。采用該方法能夠使電弧被拉長，引發(fā)極高的電弧電壓，確保電弧運(yùn)動(dòng)及仿真過程順利進(jìn)行。

就低壓電器而言，接觸器、斷路器等設(shè)備在觸頭開啟時(shí)，會(huì)引發(fā)電弧，電弧受到磁場的作用，進(jìn)入滅弧室最終熄滅，這一過程對于電器開斷性能具有十分重要的意義。此外，電器存在內(nèi)部故障電弧時(shí)，會(huì)引發(fā)弧根效應(yīng)，導(dǎo)致電氣設(shè)備受損，甚至引發(fā)火災(zāi)等危害。為此，必須采取科學(xué)的計(jì)算方法，對低壓電器內(nèi)部電弧故障進(jìn)行模擬，這樣才能優(yōu)化電器性能。當(dāng)然，安全性也是低壓電器研究的重要領(lǐng)域，低壓電器電弧仿真是該領(lǐng)域研究熱點(diǎn)及難點(diǎn)。在電弧仿真中，常將其作為獨(dú)特的導(dǎo)電流體，物理參數(shù)主要涉及到溫度、壓力等指標(biāo)。低壓電器電弧仿真是建立在磁流體動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上，結(jié)合氣流場、熱場、磁場及電流分布情況，就滅弧室內(nèi)的電弧運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行模擬與研究。

2 電弧仿真模型的構(gòu)建

2.1幾何模型的構(gòu)建

鑒于實(shí)際低壓滅弧室更為復(fù)雜，因此，本文采用的是Gam2bit軟件，構(gòu)建了簡化的滅弧室模型。模型為封閉式、兩端存在開口的結(jié)構(gòu)，器壁所使用的是塑料結(jié)構(gòu)，厚5mm。模型沿x、y、z 方向尺寸分別為30 mm、6 mm、6mm。假設(shè)陰陽兩極間產(chǎn)生電弧燃燒，則穩(wěn)態(tài)計(jì)算需要圍繞這一模型開展，在空氣介質(zhì)下，電弧電流設(shè)置為200A（直流）。結(jié)合該幾何模型，借助于六面體網(wǎng)格（邊長0.3 mm），將模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，分為40000個(gè)網(wǎng)格。

2.2仿真假設(shè)

在對電弧宏觀運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究時(shí)，需要將其視為一種特殊流體進(jìn)行處理，由于該流體自帶導(dǎo)電粒子，因而可以視為導(dǎo)電流體。其物性參數(shù)主要涉及到熱導(dǎo)率、密度、粘性系數(shù)、定壓比熱等，為了簡化電弧運(yùn)動(dòng)過程，進(jìn)行如下假設(shè)：一是認(rèn)為無空間電荷層存在，忽略電極間的電荷層；二是忽略電極、器壁可能存在的損耗。

2.3 MHD模型的構(gòu)建

MHD是研究電磁場中導(dǎo)電流體運(yùn)動(dòng)的一門科學(xué)，是建立在傳統(tǒng)流體力學(xué)的基礎(chǔ)上，結(jié)合電磁理論，根據(jù)氣體質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒等定理，對電磁過程加以耦合，構(gòu)建氣流場、電磁場方程。其模型的表達(dá)是互耦合非線性偏微分方程組，因而不適用解析求解法，需借助于數(shù)值求解法求解。本文借助于Fluent軟件，對模型方程進(jìn)行求解。

2.4邊界條件

模型邊界條件主要涉及到流場、電磁場邊界條件。對于流場而言，滅弧室中的電弧受到焦耳熱的作用，溫度較高，其熱能可以借助于滅弧室面壁、電極傳播到外面。在仿真及計(jì)算過程中，面壁溫度邊界可以借助于熱流量法加以定義，也就是說，該能量可以根據(jù)一維導(dǎo)熱公式進(jìn)行計(jì)算。對于電磁場而言，其邊界條件包括陰極2界面、滅弧室面壁邊界條件。結(jié)合電流密度相關(guān)公式，前者邊界條件可根據(jù)電流密度進(jìn)行定義，但實(shí)際燃弧中電流密度分布無法測定。在仿真時(shí)多借助于假定的近似分布，在外界電流給定的情況下，界面單元面電流密度和系數(shù)為正比關(guān)系。后者邊界條件也采用電流密度加以定義，鑒于塑料無導(dǎo)電性，因而其界面電流密度視為0。磁場邊界較流場、電場邊界而言，邊界的位置存在很大差異。理論而言，磁矢量位在電流源無限遠(yuǎn)處等于0，因而電場、流場邊界位置就磁場而言并不適用。建模過程中，需要對計(jì)算區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)大，對邊界位置進(jìn)行設(shè)定，但邊界無法構(gòu)建到無限遠(yuǎn)處，因此，可結(jié)合空間各點(diǎn)的磁矢量位和電流源距離該點(diǎn)的平方成反比關(guān)系，將磁場邊界位置置于滅弧室?guī)资甤m外，這樣邊界變化對于磁場求解不會(huì)帶來較大影響，并將邊界位置點(diǎn)的磁矢量位值作為輻射場的邊界條件，利用邊界處入射輻射強(qiáng)度進(jìn)行界定。

3 電弧仿真計(jì)算

將電弧計(jì)算電流值設(shè)置為200 A（直流），假設(shè)電弧位置始終在滅弧室中心處，借助于P1輻射模型加以計(jì)算，為能量方程組提供計(jì)算方法，可以獲取器壁、電極處的能量流，為器壁、電極計(jì)算提供依據(jù)。

3.1電弧溫度的分布情況

結(jié)合電弧計(jì)算，可得滅弧室x2y截面的二維溫度分布情況，較其他區(qū)域而言，電弧中心區(qū)域存在較高溫度，從中心至四周逐步遞減，電極存在就電弧溫度而言存在部分影響，接近電極處的電弧，溫度較低。

3.2電場分布

鑒于上下電極面邊界的差異性，電極附近電場的分布也不盡相同，陽極電位被視為0 V，從電弧電位分布情況，可得到電流密度分布情況。如近極x2z 平面（y = -2.85 mm）的電流密度分布情況，鑒于電弧處于中間位置，因而電流密度分布呈原點(diǎn)處x2y平面對稱。電弧高溫區(qū)域作為電流通道，由于電導(dǎo)率會(huì)根據(jù)溫度改編而升高，電流密度較大，會(huì)導(dǎo)致該處焦耳熱升高，引發(fā)近極區(qū)溫度超過中心區(qū)。

3.3氣流場分布

在弧柱中心位置，氣流速度主要是從電極區(qū)域朝中間區(qū)域指向，最大速度190m/s，因而被稱為“噴流”現(xiàn)象，這是由于電極區(qū)域弧柱溫度及壓強(qiáng)較大所引起的。鑒于陰、陽極邊界條件的差異性，引發(fā)導(dǎo)致陰極區(qū)域“噴流”強(qiáng)于陽極。兩個(gè)“噴流”在接近陽極處區(qū)域碰撞，流動(dòng)方向從沿y軸流動(dòng)，轉(zhuǎn)變?yōu)檠豿軸流動(dòng)，導(dǎo)致弧柱呈兩邊擴(kuò)張的趨勢。

4 結(jié)語

近些年來，仿真技術(shù)在低壓電器中的應(yīng)用越來越廣泛，本文重點(diǎn)就低壓電器電弧仿真進(jìn)行了研究，該電弧模型可用于低壓電器輔助設(shè)計(jì)中，通過對電弧燃弧過程進(jìn)行分析，有助于進(jìn)一步優(yōu)化、完善低壓電器產(chǎn)品的性能。

[1]孫海濤，陳德桂，李興文，等.低壓塑殼斷路器觸頭系統(tǒng)三維磁場的可視化分析[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，10（ 08）: 231 - 235.

[2]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].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，23（ 21）: 145 - 148.

[3]婁建勇，榮命哲，鄒洪超，等.單線圈單穩(wěn)態(tài)永磁式接觸器機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性仿真分析[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，12（ 04）: 120 - 124.

Arc simulation and research of low voltage electrical apparatus

Zhang Yu（Zhenjiang product quality supervision and inspection center，Jiangsu Zhenjiang，212013）

As a very common physical phenomenon in power system and electric energy application engineering，the research on arc motion and Simulation of low-voltage electrical apparatus is getting more and more attention. In this paper， based on the arc motion mechanism and arc simulation technology of low-voltage electrical equipment， the arc simulation model of low-voltage electrical equipment was built， and the simulation process of the low-voltage electrical arc was studied.

low voltage electrical equipment; arc; simulation