浦仕遵，李宏梅，劉平林，彭慶軍，楊澤文，鄧明海

(1. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司德宏供電局，云南 德宏 678400；2. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217； 3. 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué))，重慶 400044)

0 引言

配網(wǎng)線路的絕緣水平較低，且線路一般采用傳統(tǒng)防雷措施，其防護(hù)效果和經(jīng)濟(jì)性都存在局限性，這直接導(dǎo)致當(dāng)有雷電擊中線路時(shí)大概率會(huì)引起致雷擊跳閘，最終造成停電事故[1 - 2]。進(jìn)一步地，雷擊事故常常造成工頻續(xù)流電弧灼傷絕緣子串，甚至造成絕緣子發(fā)生炸裂或掉串等嚴(yán)重后果。由于配網(wǎng)線路雷電防護(hù)的重要性和雷擊事故原因，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)線路雷擊電弧的熄滅技術(shù)開(kāi)展了一定研究?，F(xiàn)有線路雷擊電弧熄滅技術(shù)主要有3種，分別是無(wú)主動(dòng)滅弧、主動(dòng)滅弧和自能式滅弧[3]。傳統(tǒng)的并聯(lián)間隙裝置是無(wú)主動(dòng)滅弧方式的典型體現(xiàn)，它利用擊穿后的熱浮力和磁吹力作用下促使電弧熄滅，切斷電弧所需時(shí)間較長(zhǎng)易造成雷擊跳閘[4 - 5]。主動(dòng)滅弧方式主要是借助外界裝置滅弧如產(chǎn)氣裝置滅弧，如日本提出的77 kV招弧角利用聚氯乙烯材料在電弧高溫作用下產(chǎn)生大量氣體吹滅電弧[6]。自能式滅弧主要有多腔室串聯(lián)結(jié)構(gòu)，它利用多級(jí)腔室串聯(lián)結(jié)構(gòu)將長(zhǎng)電弧分割成短電弧，再借助腔室被雷電擊穿后的電弧加熱半密閉腔室內(nèi)氣體形成高速氣流對(duì)電弧造成強(qiáng)烈吹弧作用[7 - 8]。與產(chǎn)氣滅弧方式相比，它不消耗材料，裝置滅弧性能穩(wěn)定可靠，使用壽命長(zhǎng)。

基于自能式滅弧原理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研制出了不同結(jié)構(gòu)的多腔室型防雷裝置。文獻(xiàn)[8]最初提出了多腔室系統(tǒng)(MCS)，研制出了不同電壓等級(jí)的多腔室避雷器(MCA)和多腔室絕緣子避雷器(MCIA)，并借助沖擊工頻聯(lián)合試驗(yàn)證明了裝置的淬弧性能[8 - 9]。國(guó)內(nèi)學(xué)者也采用類似的原理研制出了多腔室并聯(lián)間隙裝置[10 - 12]。但目前裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，淬弧能力有限，大多只能在工頻續(xù)流過(guò)零階段將電弧熄滅，所需時(shí)間較長(zhǎng)，且對(duì)腔室內(nèi)電極和絕緣壁有較為嚴(yán)重的燒蝕作用[13]。

為提升多腔室結(jié)構(gòu)的滅弧性能，研究腔室內(nèi)電弧的運(yùn)動(dòng)特性十分重要。由于開(kāi)展淬滅電弧試驗(yàn)條件苛刻且價(jià)格高昂，國(guó)內(nèi)外學(xué)者嘗試通過(guò)電弧數(shù)字計(jì)算模型來(lái)研究腔室內(nèi)電弧特性，分別建立了不同的內(nèi)特性和外特性模型[10,14 - 18]。如利用Mayr模型分析了多腔室結(jié)構(gòu)遮斷工頻續(xù)流的有效性[9]。針對(duì)單腔室電弧特性開(kāi)展研究，分別建立二維、三維磁流體模型，但因邊界條件設(shè)置等存在局限[14,17]。

為解決以上問(wèn)題，本文擬在原有單腔室基礎(chǔ)上外施磁場(chǎng)促進(jìn)腔室內(nèi)電弧的運(yùn)動(dòng)達(dá)到?jīng)_擊淬弧的目的。具體地，本文首先建立了考慮外施磁場(chǎng)的滅弧腔室內(nèi)沖擊電弧模型，仿真分析腔室內(nèi)等離子體速度反映電弧運(yùn)動(dòng)特性；然后搭建淬滅沖擊電弧試驗(yàn)平臺(tái)分析攝錄的電弧運(yùn)動(dòng)及消散圖像驗(yàn)證模型的有效性；最后利用電弧模型探究外磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度和腔室結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊電弧運(yùn)動(dòng)特性的影響規(guī)律，實(shí)現(xiàn)單個(gè)腔室的綜合優(yōu)化。

1 考慮外施磁場(chǎng)的滅弧腔室內(nèi)沖擊電弧改進(jìn)模型

1.1 假設(shè)條件

為了描述電弧等離子體的物理特性并簡(jiǎn)化模型，本文作出以下合理的假設(shè)[19 - 20]。

1)電弧等離子體是完全電離的，即只含有正離子和電子兩種粒子，且處于局部熱力學(xué)平衡狀態(tài)(LTE)。

2)電弧等離子體視為混合單一的牛頓流體，其流動(dòng)視為層流和可壓縮流。

3)忽略能量轉(zhuǎn)換中的粘性耗散和壓力所做的功，忽略過(guò)程中所產(chǎn)生的位移電流。

4)在電弧產(chǎn)生到熄滅過(guò)程中，電弧的物理參數(shù)如電導(dǎo)率、導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱容等均是溫度的單一函數(shù)。

1.2 控制方程

本文仿真主要涉及流體傳熱和電磁場(chǎng)，對(duì)應(yīng)電弧磁流體模型的控制方程主要涉及納維-斯托克斯方程和麥克斯韋方程，依據(jù)1.1小節(jié)假設(shè)的局部熱力學(xué)平衡(LTE)和層流狀態(tài)，本文所建立沖擊電弧磁流體模型的控制方程如下。

質(zhì)量守恒方程為：

(1)

式中：ρ為密度；t為時(shí)間；u為速度矢量。

因本文研究外施磁場(chǎng)對(duì)電弧運(yùn)動(dòng)的影響，故動(dòng)量守恒方程中洛倫茲力源項(xiàng)除電流自身感應(yīng)磁場(chǎng)外還需添加外施磁場(chǎng)對(duì)洛倫茲力的影響，故動(dòng)量守恒方程為：

(2)

F=J×(B+B′)

(3)

式中：p為壓強(qiáng)；I為二階單位矩陣；μ為動(dòng)態(tài)粘度系數(shù)；F為洛倫茲力；J為電流密度；B為自感應(yīng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；B′為外磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

能量守恒方程為：

(4)

式中：Cp為恒壓比熱容；T為溫度；k為熱傳導(dǎo)系數(shù)；kB為玻爾茲曼常數(shù)；e為電子電荷；E為電場(chǎng)強(qiáng)度；Qrad為總體積輻射熱量。等式右邊的3項(xiàng)分別代表電子焓傳遞項(xiàng)、焦耳熱項(xiàng)、總體積輻射項(xiàng)，與熱傳遞中熱對(duì)流、熱輻射、熱傳導(dǎo)相對(duì)應(yīng)。

電弧等離子體及空間內(nèi)氣體遵循氣體狀態(tài)方程為：

p=ρRT

(5)

式中R為普適氣體常數(shù)。

聯(lián)立計(jì)及外施磁場(chǎng)修正后的麥克斯韋方程組進(jìn)行電流密度、磁感應(yīng)強(qiáng)度和電場(chǎng)強(qiáng)度的求解。

(6)

(7)

J=σE

(8)

(9)

(10)

式中：σ為電導(dǎo)率；φ為電勢(shì)；A為磁矢勢(shì)；μ0為真空磁導(dǎo)率。

1.3 計(jì)算區(qū)域及邊界條件

本文電弧模型的計(jì)算區(qū)域如圖1所示。計(jì)算區(qū)域包含腔室單元中的球-球間隙以及腔室噴口區(qū)域，結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)置為：球形電極半徑為R=5 mm，電極間距為d=2 mm，噴口開(kāi)口直徑為D=4 mm，噴口長(zhǎng)度為L(zhǎng)=5 mm。計(jì)算區(qū)域初始溫度T為300 K，腔室初始?xì)鈮?01 kPa，氣體初始流速為0；fa邊設(shè)置為高壓端，幅值為2 kA的8/20 μs沖擊電流作用于此邊界，模型設(shè)置的邊界如表1所示。模型中的外施磁場(chǎng)為不隨空間和時(shí)間變化的恒定勻強(qiáng)磁場(chǎng)，初始磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B′為0.1 T，方向垂直于二維模型朝內(nèi)。

圖1 電弧模型計(jì)算區(qū)域Fig.1 Calculation area of arc model

表1 模型邊界條件Tab 1 Boundary conditions of the model

采用COMSOL Multiphysics有限元仿真軟件求解上述控制方程，為提高計(jì)算精度和準(zhǔn)確性，網(wǎng)格剖分采用自適應(yīng)網(wǎng)格剖分，仿真步長(zhǎng)設(shè)為1 μs，仿真時(shí)間設(shè)為1 ms?？紤]外施磁場(chǎng)作用對(duì)電弧的影響，將電流的焦耳熱和自感應(yīng)磁場(chǎng)與外施磁場(chǎng)作用下的洛倫茲力作為源項(xiàng)分別添加至能量守恒方程和動(dòng)量守恒方程中。在模型的求解過(guò)程中，首先由Maxwell方程組求解電流密度和磁場(chǎng)強(qiáng)度分布，進(jìn)而計(jì)算弧柱區(qū)域洛倫茲力和焦耳熱，將二者分別作為體積作用力和體積熱源代入動(dòng)量和能量守恒方程求解氣體速度、溫度、壓強(qiáng)，根據(jù)氣體溫度分布更新氣體熱力學(xué)參數(shù)，重新求解Maxwell方程組，直到求解變量滿足收斂條件為止。仿真模型中各物理場(chǎng)的耦合關(guān)系如圖2所示。

2 沖擊電弧運(yùn)動(dòng)特性分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)所建沖擊電弧模型可仿真得到各個(gè)物理場(chǎng)中特征量的變化特性，通過(guò)分析特征量隨時(shí)間和空間的變化可反映沖擊電弧運(yùn)動(dòng)特性。流場(chǎng)中的等離子體速度是表征沖擊電弧運(yùn)動(dòng)快慢的關(guān)鍵參數(shù)，因此借助此特征量評(píng)估腔室內(nèi)沖擊電弧運(yùn)動(dòng)特性，并開(kāi)展淬弧試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1 仿真結(jié)果分析

初始腔室結(jié)構(gòu)和外施磁場(chǎng)作用下，仿真所得的不同時(shí)刻下腔室內(nèi)等離子體速度分布運(yùn)動(dòng)如圖3所示。

圖3 不同時(shí)刻腔室內(nèi)等離子體及空間氣體速度分布云圖Fig.3 Velocity distribution of plasma and gas in the chamber at different times

分析不同時(shí)刻下腔室內(nèi)等離子體速度的分布云圖可知：在t=1 μs時(shí)，腔室內(nèi)等離子體的速度較小，且速度峰值的位置位于電極間距最短處。這說(shuō)明起始階段，由于時(shí)間過(guò)于短暫，電弧與腔室內(nèi)氣體之間的能量交換極不充分，腔室內(nèi)溫度不夠高，導(dǎo)致等離子體速度較小，同時(shí)速度峰值的位置與電弧起始位置處于電極間距最短處相對(duì)應(yīng)。當(dāng)t=8 μs時(shí)，等離子體速度上升，速度峰值位置仍在電極間距最短處附近，說(shuō)明腔室內(nèi)氣體因電弧的溫度加熱形成氣流，且處于發(fā)展階段；而等離子體速度峰值位置偏移，說(shuō)明氣流和磁場(chǎng)已經(jīng)起到了吹弧作用。當(dāng)t=15 μs時(shí)，等離子體速度達(dá)到最大值701 m/s，相比t=8 μs時(shí)，等離子體速度峰值位置進(jìn)一步向噴口處移動(dòng)；此時(shí)等離子體速度最大，對(duì)電弧的橫吹作用最強(qiáng)，會(huì)加快電弧的去游離并使電弧進(jìn)一步向噴口方向移動(dòng)。而在隨后的時(shí)刻里，等離子體速度在不斷減??；在t=50 μs時(shí)，噴口處的等離子體速度均大于200 m/s，此時(shí)對(duì)應(yīng)的峰值為254 m/s，說(shuō)明電弧等離子體在高速氣流和磁場(chǎng)作用下逐步擴(kuò)散至整個(gè)區(qū)域。而當(dāng)t=200 μs時(shí)，腔室內(nèi)等離子體的速度較小，對(duì)應(yīng)著電弧位置的偏移和電弧溫度的下降。當(dāng)t=400 μs，等離子體速度峰值僅有16 m/s，可認(rèn)為高速氣流和磁場(chǎng)作用基本結(jié)束。

腔室內(nèi)等離子體最大速度v隨時(shí)間變化的曲線如圖4所示。不難看出，腔室內(nèi)等離子體速度隨時(shí)間變化呈先急速增大再減小的趨勢(shì)，這與圖3中的變化相對(duì)應(yīng)。

圖4 等離子體速度隨時(shí)間變化曲線Fig.4 Curve of plasma velocity changes with time

為探究等離子體速度隨位置分布特性，取二維模型的中心軸線，繪制不同時(shí)刻中心軸線上等離子體速度變化曲線如圖5所示。對(duì)比圖中不同時(shí)刻的等離子體速度分布，不難看出，去除t=1 μs和400 μs時(shí)刻，其余4條曲線隨腔室水平坐標(biāo)x的變化趨勢(shì)大致相同；從t=8 μs到100 μs，等離子體速度先增大后降低，于15 μs達(dá)到最大值。對(duì)比曲線達(dá)到最大值對(duì)應(yīng)的水平坐標(biāo)x，不難發(fā)現(xiàn)其隨時(shí)間不斷增大，這與電弧等離子體不斷向噴口處移動(dòng)相對(duì)應(yīng)。而當(dāng)t=400 μs時(shí)，沿軸線分布的等離子體速度約下降至0。

圖5 不同時(shí)刻中心軸線等離子體速度變化曲線Fig.5 Plasma velocity change curves on central axis at different times

2.2 淬弧試驗(yàn)平臺(tái)搭建

為驗(yàn)證模型的正確性，本文通過(guò)高精度的3D打印技術(shù)加工出指定結(jié)構(gòu)參數(shù)的滅弧腔室試品，并嵌入永磁鐵在腔室內(nèi)產(chǎn)生外施磁場(chǎng)，試驗(yàn)中利用超高速攝像機(jī)攝錄腔室內(nèi)電弧運(yùn)動(dòng)及消散的圖像，并與仿真結(jié)果對(duì)比分析。

如圖6所示為所搭建的滅弧腔室淬滅沖擊電弧的影像觀測(cè)平臺(tái)，試驗(yàn)平臺(tái)主體包括沖擊電流發(fā)生器、高壓分壓器、羅氏線圈、數(shù)字示波器、超高速攝像機(jī)、圖像處理系統(tǒng)。試驗(yàn)時(shí)通過(guò)沖擊電流發(fā)生器產(chǎn)生幅值為2 kA的8/20 μs沖擊電流作用于滅弧腔室內(nèi)氣隙使其擊穿，與此同時(shí)示波器采集試品的電壓電流波形，超高速攝像攝錄電弧運(yùn)動(dòng)圖像。外施磁場(chǎng)的施加采用永磁鐵產(chǎn)磁方式，選用具有大剩磁和磁能積的銣鐵硼材質(zhì)永磁鐵，牌號(hào)為N42，剩磁Br=1.3 T。當(dāng)磁鐵為圖7矩形永磁鐵時(shí)，其中軸線處的磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B為：

圖6 滅弧腔室淬滅沖擊電弧的影像觀測(cè)平臺(tái)示意圖Fig.6 Image observation platform for quenching impact arc in arc-extinguishing chamber

(11)

式中：Br為永磁鐵的剩磁；d為場(chǎng)點(diǎn)距離永磁鐵的軸線長(zhǎng)度。

矩形永磁鐵尺寸如圖7所示依據(jù)式(11)，將永磁鐵的尺寸設(shè)置為a=6 mm，b=2 mm，c=3 mm，距離軸線d=3.5 mm處的磁場(chǎng)約為48 mT，在腔室兩側(cè)分別嵌入相同的永磁鐵，大致可在腔室中心產(chǎn)生96 mT的磁場(chǎng)。

圖7 矩形永磁鐵尺寸示意圖Fig.7 Diagram of rectangular permanent magnet size

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

利用所搭建的淬弧試驗(yàn)平臺(tái)和嵌入永磁鐵的滅弧腔室試品開(kāi)展試驗(yàn)所攝錄的沖擊電弧運(yùn)動(dòng)和熄滅圖像如圖8所示。圖像中相機(jī)的拍攝速度為150 000 fps，即每幀照片間隔時(shí)間約為6.67 μs，并將最開(kāi)始出現(xiàn)電弧輝光圖像的前一張圖像時(shí)刻視為零時(shí)刻，認(rèn)為這一瞬間試品被擊穿放電。觀察電弧圖像，不難發(fā)現(xiàn)初始階段，圖像中電弧的面積大小和亮度都在不斷增加。這是由于沖擊電流波形為雙指數(shù)衰減波，電流在此階段還處于較大值，加熱腔室內(nèi)的氣體膨脹形成高速氣流，所形成的高速氣流促使電弧朝噴口方向運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致暴露在腔室外的電弧體積增大亮度增強(qiáng)。對(duì)比分析試驗(yàn)拍攝得到的電弧運(yùn)動(dòng)圖像，從20 μs至53.2 μs電弧因受熱膨脹和外施磁場(chǎng)作用逐漸從腔室噴出，在20 μs時(shí)刻噴口前端出現(xiàn)電弧，發(fā)出強(qiáng)烈光亮在腔室外壁形成反光，在33.2 μs時(shí)刻電弧等離子體進(jìn)一步噴出，其擴(kuò)散距離進(jìn)一步增大，在53.2 μs時(shí)刻則可明顯觀察到電弧等離子體擴(kuò)散區(qū)域相較前期明顯增大，這一狀態(tài)持續(xù)至73.2 μs時(shí)刻等離子體開(kāi)始消散。這與仿真所得結(jié)果在15～70 μs間腔室噴口處于較高速度趨勢(shì)相符。在70 μs后，電弧逐漸失去能量維持，弧柱直徑減弱，亮度減弱，直至420 μs后電弧完全消散，與仿真結(jié)果在400 μs時(shí)電弧等離子體失去能量維持，不再受熱膨脹導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)速度趨于相一致。

圖8 外施磁場(chǎng)作用下沖擊電弧運(yùn)動(dòng)和熄滅圖像Fig.8 Images of impact arc motion and extinction under external magnetic field

3 磁場(chǎng)加速效應(yīng)影響因素分析

3.1 磁感應(yīng)強(qiáng)度影響分析

為了分析外磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)腔室內(nèi)沖擊電弧運(yùn)動(dòng)特性的影響，利用電弧模型仿真得到不同磁感應(yīng)強(qiáng)度的磁場(chǎng)作用下的等離子體最大速度，具體所得速度曲線如圖9所示。

圖9 不同磁場(chǎng)作用下等離子體速度曲線Fig.9 Plasma velocity curves at different magnetic fields

不難看出，對(duì)比無(wú)磁場(chǎng)(磁感應(yīng)強(qiáng)度為0)時(shí)，外施磁場(chǎng)對(duì)滅弧腔室內(nèi)等離子體具有加速效果。圖中5條等離子體速度曲線隨時(shí)間的變化趨勢(shì)大致相同，等離子體速度都大致在t=15 μs左右到達(dá)最大值。對(duì)比不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下的曲線，增加磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)腔室內(nèi)等離子體速度最大值具有較明顯的提升效果，而且表現(xiàn)出外施磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，對(duì)等離子體的加速效果越強(qiáng)烈的規(guī)律。隨著時(shí)間推移，等離子體速度曲線幾乎重合，說(shuō)明當(dāng)時(shí)間較大時(shí)，磁場(chǎng)對(duì)等離子體的加速效果幾乎消失。

對(duì)比不同磁場(chǎng)作用下腔室內(nèi)的等離子體速度最大值，隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度B從0增大到0.5 T，對(duì)應(yīng)的等離子體速度最大值分別為596 m/s、631 m/s、702 m/s、786 m/s、840 m/s。若以未增加磁場(chǎng)時(shí)為基準(zhǔn)，隨磁感應(yīng)強(qiáng)度增大，速度最大值提升率分別為5.87%、17.78%、31.91%、40.97%。對(duì)于不同條件下等離子體速度曲線在時(shí)間較大時(shí)趨勢(shì)幾乎一致，究其原因，應(yīng)當(dāng)是電弧在綜合加速后運(yùn)動(dòng)沿噴口方向，此時(shí)外磁場(chǎng)作用下的洛倫茲力方向也相應(yīng)改變，在后續(xù)帶電粒子運(yùn)動(dòng)中起到約束路徑的作用[21]，即此階段外施磁場(chǎng)對(duì)等離子體無(wú)明顯加速效果，腔室內(nèi)等離子體速度幾乎不變。

選取前60 μs的平均速度，感應(yīng)強(qiáng)度由0提升至0.5 T，相應(yīng)腔室內(nèi)等離子體速度均值分別為270 m/s、280 m/s、298 m/s、312 m/s、324 m/s。不難發(fā)現(xiàn)，其受磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響規(guī)律與等離子體速度最大值相似，表現(xiàn)為磁場(chǎng)越強(qiáng)時(shí)，等離子體平均速度也越大。相應(yīng)地，以磁感應(yīng)強(qiáng)度為0時(shí)為基準(zhǔn)，隨磁場(chǎng)不斷增強(qiáng)，等離子體速度均值提升率為3.91%、10.17%、15.34%、19.59%，對(duì)應(yīng)提升幅度低于速度峰值，這與曲線隨時(shí)間的走勢(shì)相對(duì)應(yīng)。

3.2 腔室結(jié)構(gòu)影響分析

腔室結(jié)構(gòu)是影響腔室內(nèi)沖擊電弧運(yùn)動(dòng)的重要因素，本文在外磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B為0.1 T的條件下，仿真分析了電極半徑R、電極間距d和噴口開(kāi)口直徑D對(duì)腔室內(nèi)等離子體速度的影響。

圖10為不同腔室結(jié)構(gòu)下等離子體最大速度曲線。其中初始結(jié)構(gòu)下對(duì)應(yīng)腔室內(nèi)等離子體速度的最大值和平均值分別為701 m/s和298 m/s。當(dāng)改變電極半徑R，仿真所得的曲線如圖10(a)，不難發(fā)現(xiàn)當(dāng)電極半徑減小時(shí)，達(dá)到速度最大值的時(shí)刻未發(fā)生明顯改變，但對(duì)應(yīng)的等離子體速度的最大值和平均值都增大。若以初始結(jié)構(gòu)為基準(zhǔn)，當(dāng)R=3 mm和R=4 mm時(shí)等離子體速度提升6.87%和1.15%。

圖10(b)為改變電極間距時(shí)仿真所得腔室內(nèi)等離子速度曲線?？梢钥闯觯?dāng)d=1 mm逐漸增大2 mm時(shí)，等離子體速度最大值增大，但等離子體速度平均值呈減小的趨勢(shì)。由于電弧運(yùn)動(dòng)是一個(gè)持續(xù)過(guò)程，等離子體速度平均值更能評(píng)估沖擊電弧的運(yùn)動(dòng)特性，即減小電極間距有利于沖擊電弧的運(yùn)動(dòng)。

圖10(c)中可體現(xiàn)出噴口開(kāi)口直徑對(duì)等離子體速度的影響。噴口開(kāi)口直徑的影響相比其他更為明顯，開(kāi)口直徑D=3 mm和5 mm下等離子體最大速度分別是基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的1.47倍和0.77倍。

圖10 不同腔室結(jié)構(gòu)下等離子體速度曲線Fig.10 Plasma velocity curve at different chamber structures

綜合上述，腔室結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊電弧的運(yùn)動(dòng)特性有影響，且合理減小腔室的電極半徑R、電極間距d、開(kāi)口直徑D能有效加快腔室內(nèi)電弧運(yùn)動(dòng)，提升腔室的滅弧性能。

3.3 腔室綜合優(yōu)化

根據(jù)外磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度和腔室結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，并結(jié)合實(shí)際，提出腔室綜合優(yōu)化參數(shù)：外磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B設(shè)置為0.1 T，腔室結(jié)構(gòu)中電極半徑R=4 mm、電極間距d=1 mm、噴口開(kāi)口直徑D=2 mm。

觀察圖11中曲線，綜合優(yōu)化下腔室內(nèi)等離子體速度明顯高于結(jié)構(gòu)優(yōu)化和初始結(jié)構(gòu)下對(duì)應(yīng)時(shí)刻的速度，其中綜合優(yōu)化下等離子體的最大值為937 m/s，前60 μs階段的等離子體平均速度為351 m/s。與初始結(jié)構(gòu)相比，等離子體速度的最大值和平均值分別提升了57.21%和27.17%。而相比無(wú)外磁場(chǎng)作用下優(yōu)化結(jié)構(gòu)的等離子體速度最大值868 m/s，等離子體速度最大值提升了7.95%，對(duì)比優(yōu)化結(jié)構(gòu)的等離子體平均速度347 m/s，提升了4.15%。

4 結(jié)論

基于磁流體動(dòng)力學(xué)理論，本文利用有限元軟件耦合溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、電磁場(chǎng)，建立了滅弧腔室內(nèi)沖擊電弧模型，仿真分析了腔室內(nèi)等離子體速度變化特性，揭示沖擊電弧運(yùn)動(dòng)特性；然后搭建了淬滅沖擊電弧試驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展淬弧試驗(yàn)分析電弧圖像驗(yàn)證了電弧模型的有效性；最后利用電弧模型仿真分析了外施磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度和腔室結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，給出了單個(gè)滅弧腔室的綜合優(yōu)化參數(shù)。所得的結(jié)論為：1)沖擊電弧模型可有效反映腔室內(nèi)電弧的運(yùn)動(dòng)特性，并利用等離子體速度這一特征量反映電弧運(yùn)動(dòng)特性；2)外施磁場(chǎng)可有效加速腔室內(nèi)電弧的運(yùn)動(dòng)，且磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度越大加速效果越明顯；3)腔室結(jié)構(gòu)對(duì)電弧運(yùn)動(dòng)有重要影響，適當(dāng)減小腔室的電極半徑、電極間距和噴口開(kāi)口直徑可有加速電弧運(yùn)動(dòng)；4)綜合優(yōu)化下：外磁場(chǎng)強(qiáng)度B=0.1 T，電極半徑R=4 mm，電極間距d=1 mm，噴口開(kāi)口直徑D=2 mm，可在結(jié)構(gòu)優(yōu)化下將等離子體速度的最大值和平均值分別提升7.95%和4.15%。