尚文祥,李繼鵬,趙筱赫

(河南工學院 電氣工程與自動化學院,河南 新鄉(xiāng) 453003)

0 引言

隨著直流輸配電技術(shù)的快速發(fā)展,在點對點的直流輸配電系統(tǒng)基礎上構(gòu)建更加經(jīng)濟、靈活和可靠的多端柔性直流電網(wǎng)是未來的必然趨勢[1]。柔性直流電網(wǎng)發(fā)生線路短路故障時,一般會使用直流斷路器快速切除故障電流和隔離故障點[2]。相比于混合式直流斷路器,機械式直流斷路器具有可靠性高、損耗小、成本低、占地面積小以及無需外置冷卻設備等優(yōu)點[3-5],近年來在中高壓柔性直流電網(wǎng)領域中推廣較快。

由于直流電流沒有自然過零點,直流斷路器若要實現(xiàn)在2—3ms內(nèi)開斷直流故障電流,技術(shù)上面臨一定的挑戰(zhàn)。機械式直流斷路器的工作原理為使用LC諧振支路在主開關(guān)支路上形成人工過零點。主開關(guān)支路通常選用真空斷路器作為主開關(guān)。由于LC人工過零電流下降梯度非常大,在電流過零過程中會迅速產(chǎn)生過電壓,此過程中真空間隙很難恢復其介質(zhì)絕緣水平,以至于產(chǎn)生重擊穿,導致電弧重燃,觸頭間隙繼續(xù)通過電流[6]。因此,為提高真空斷路器的開斷能力,對真空滅弧室內(nèi)弧后介質(zhì)恢復特性的研究及分析尤為重要。

本文以機械式直流斷路器開斷故障電流過程中真空開關(guān)縱磁觸頭打開且電流強迫過零后的狀態(tài)為研究對象,建立真空電弧等離子體流體-化學混合模型,模型中充分考慮真空電弧等離子體中電子、離子以及銅蒸氣分子之間的相互作用,仿真電子與銅原子激發(fā)、電離及銅原子碰撞產(chǎn)生的化學反應,從微觀角度分析真空開關(guān)電流強迫過零后,在過電壓下真空觸頭間隙放電及等離子體的發(fā)展過程,并對弧后介質(zhì)恢復特性進行參數(shù)上的對比分析。

1 真空開關(guān)電弧等離子模型

1.1 碰撞反應

氣體放電過程中,各種帶電粒子之間不斷發(fā)生相互作用,等離子體中,中性粒子和電子的碰撞主要包括電離碰撞、激發(fā)碰撞、彈性碰撞和亞穩(wěn)態(tài)碰撞;中性粒子和離子的碰撞主要是彈性碰撞和電荷交換碰撞。直流電弧生成過程中,陰極的二次電子發(fā)射是維持放電的必要條件。離子轟擊觸頭表面是最基本的過程,期間會發(fā)生系列的基本作用:電子的發(fā)射、電離、中和、表面熱效應及表面損傷等。離子進入觸頭表面后所產(chǎn)生的二次碰撞是研究離子與表面相互作用的重要基礎[7-9]。

經(jīng)過上述分析,對真空銅觸頭間電弧放電的化學反應類型可定義為:

e+Cu?e+Cu

(1)

激發(fā):

e+Cu?e+Cus

(2)

e+Cus?e+Cu

(3)

電離:

e+Cu?e+Cu+

(4)

重物質(zhì)反應:

Cus+Cu?Cu+Cu

(5)

Cus+Cus?e+Cu+Cu+

(6)

電極表面反應:

Cu+?Cu

(7)

Cus?Cu

(8)

1.2 數(shù)學模型

本文仿真采用基于氣體動力學的漂移擴散方程、電磁場計算方程,并且充分考慮真空電弧放電過程中的電子、離子與金屬蒸氣分子及電極間的碰撞、重組及粒子的漂移、擴散等運動過程,建立如下數(shù)學模型[10]。

電子密度方程:

=Re-(u·)ne

(9)

式中,ne為電子密度,μe為電子遷移率,E為電場強度,De為電子擴散系數(shù),Re為電子源,u為中性流體速度。

電子能量密度方程:

E·[ne(μe·E)+De·ne]=Rε-(u·)nε

(10)

式中,nε為電子能量密度,με為電子能量遷移率,Dε電子能量擴散系數(shù),Rε為電子能量損耗。

資本主義和社會主義對中國態(tài)度的強烈對比，讓國人深刻領會到“俄國國民對于我們所表示的好感，完全不是一種示惠的手段。不過他們在1917年間，一度顛覆專制的政治，再度推翻官僚式的局面，確立平民政治的基礎以后，想盡力于援助在國際上被侵略的民族和在一國內(nèi)被壓迫的階級的事業(yè)罷了。”［7］258而“資本來到世間，從頭到腳，每個毛孔都滴著血和骯臟的東西”［9］。在爭取自由的斗爭中，唯一的同盟者和兄弟是俄國工人、農(nóng)民及其紅軍［6］6。革命要成功，一定要以馬克思主義為指導；國民的思想要解放，也只有馬克思主義才能掃除封建殘渣。

觸頭間隙電場分布泊松方程:

-·ε0εrU=ρ

(11)

式中,U為電位,ε0為真空介電常數(shù),εr為相對介電常數(shù),ρ空間電荷密度。

電磁場Maxwell方程:

×H-σ(E+ν×B)=0

(12)

(13)

式中,σ為電導率,H為磁場強度,B為磁感應強度。

1.3 仿真模型

本文使用流體-化學混合模型對直流真空非平衡態(tài)電弧等離子體進行仿真。為了對以上描述的非平橫態(tài)電弧等離子體進行建模,做出如下假設:

1)假定真空電弧模型為軸旋轉(zhuǎn)對稱模型,所以模型可簡化為二維模型。

2)λD?d,求解區(qū)域滿足準中性條件,λD為德拜長度,d為電極間距。

3)計算域內(nèi)等離子體參數(shù)滿足以下近似,le?d,因此可以用流體理論來近似電弧放電,le為電子平均自由程。

4)電弧區(qū)弱電離,極間等離子體區(qū)包含電子、離子和中性粒子的存在。

真空開關(guān)電弧物理幾何模型的網(wǎng)格剖分如圖1所示。由于真空觸頭間隙為軸對稱結(jié)構(gòu),所以本文采用軸對稱模型對電弧等離子體進行仿真。觸頭模型的參數(shù)設定為:觸頭半徑20mm,觸頭間隙3.5mm,仿真時各反應都發(fā)生在該區(qū)域內(nèi);設上邊界為陽極,陽極過電壓為15kV,設下邊界為陰極,陰極接地為0V,觸頭間隙內(nèi)初始溫度為3000k,初始壓強為0.5 Torr,初始電子密度為10131/m3,初始平均電子能為4eV。

圖1 仿真幾何模型的剖分圖

2 真空電弧等離子體仿真結(jié)果分析

2.1 真空開關(guān)電弧放電過程分析

真空金屬蒸汽迅速蒸發(fā)是真空電弧引燃的開始,隨著電弧的發(fā)展,金屬蒸汽不斷被電離,形成導電通道并維持電弧燃燒。本節(jié)對直流真空電弧金屬蒸汽電離初期的發(fā)展進程進行研究。電弧放電初期時間相對較短,設定仿真時間為 0.0001 s。

圖2為電弧等離子體發(fā)展過程中的電子數(shù)密度,可以看出隨著時間的變化電子數(shù)密度逐漸增大,并在t=0.0001s時達到最大值。這是由于在觸頭打開的瞬間,由于強電場的作用導致電子加速遷移,電子運動速度瞬間增大,并且伴隨陰極觸頭表面發(fā)射出大量電子,這些快速移動的電子與觸頭間隙氣化的金屬銅蒸汽之間發(fā)生強烈碰撞,電離反應產(chǎn)生大量電子并形成電子崩,電子崩首先在陽極形成,并導致陽極附近的電子數(shù)密度很大,隨著時間的發(fā)展,電子崩由陽極逐漸發(fā)展到觸頭間隙中。

圖2 真空電弧等離子體發(fā)展初期電子密度變化云圖

圖3為電弧等離子體發(fā)展到穩(wěn)定狀態(tài)下的正離子數(shù)密度,由圖可知中間區(qū)域的正離子發(fā)展趨勢與電子數(shù)密度一致。圖4為正離子數(shù)密度與電子數(shù)密度之差,可以看出,除了陽極表面,大部分區(qū)域內(nèi)正離子數(shù)密度都大于電子數(shù)密度,這是由于電子崩的頭部聚集著大量的電子,且電子的運動速度較快,大量的電子快速到達陽極,而正離子向陰極的運動速度較慢并長時間停留在空間區(qū)域。圖5為空間電場分布圖,可以看出陰極附近電場方向為負,這是由于此時正電荷形成的空間電場與初始電場方向恰恰相反,使得靠近陰極的電場方向發(fā)生了反轉(zhuǎn),該反轉(zhuǎn)電場區(qū)域稱為陰極鞘層,在宏觀局部熱力學平衡電弧中,陰極鞘層有著較大的壓降,該電場阻礙電子向陽極加速。隨著電離過程的發(fā)展,電子的密度逐漸減小,正離子的密度增加并逐漸超過電子的密度,靠近陽極的空間內(nèi)電子與正離子相互共存,逐漸向電弧等離子體的穩(wěn)態(tài)進行發(fā)展。由圖2(d)、圖3和圖4對比可以看出,陽極與陰極鞘層之間區(qū)域內(nèi)電子數(shù)和正離子數(shù)密度很大且?guī)缀鯇Φ?該區(qū)域內(nèi)電子與正離子數(shù)達到了一種局部的動態(tài)平衡。

圖3 電弧等離子體發(fā)展到穩(wěn)定狀態(tài)下的正離子數(shù)密度

圖4 正離子數(shù)密度與電子數(shù)密度之差

圖5 空間電場分布圖

2.2 不同縱向磁場對真空電弧等離子體發(fā)展后期特性的影響分析

通過在真空觸頭間隙施加縱向磁場,有利于改善電弧特性,提高滅弧室的熄弧能力。根據(jù)以往的宏觀試驗數(shù)據(jù)分析可知,縱向磁場可以使滅弧室內(nèi)電弧等離子的形態(tài)由集聚型轉(zhuǎn)變?yōu)閿U散型,并且在縱向磁場作用下電弧電壓較低,使得電弧能量降低,若第一個電流過零點未發(fā)生重擊穿,則在第二個過零點時電弧將更易于熄滅。

采用上述模型,并在仿真時施加不同的縱向磁場,磁場方向由陽極指向陰極,磁場大小分別為0T、0.03T、0.06T、0.25T和0.5T,仿真得到t=0.0001s時刻的電子數(shù)密度如圖6所示。對比發(fā)現(xiàn),隨著縱向磁場的增大,當電弧等離子體發(fā)展到局部穩(wěn)定狀態(tài)時,電子逐漸向電極兩側(cè)擴散,電極中心線附近的電子密度逐漸減小。

圖6 不同縱向磁場下分布圖的電子數(shù)密度

圖7為陰極鞘層中心線區(qū)域內(nèi)的反向電場分布曲線,其中藍色線是磁場為0T時的反向電場曲線,綠色線是磁場為0.03T時的反向電場曲線?？梢钥闯鲈陉帢O鞘層區(qū)域內(nèi),隨著縱向磁場的加入,反向電場在相同區(qū)域內(nèi)減小,并導致該區(qū)域內(nèi)電場發(fā)射的電子相應減少,所以陰極鞘層區(qū)域內(nèi)電子密度也相應地隨著磁場的加入而減小,由于該區(qū)域內(nèi)的電子密度減小,所以遷移到陽極附近的電子數(shù)也相應減少。

圖7 陰極鞘層中心線區(qū)域內(nèi)的反向電場分布曲線

電極中心直線上的電子密度如圖8所示?？梢钥闯?不同磁場下的電子密度變化趨勢基本相同,都是由陰極到陽極先增大后減小,陰極鞘層區(qū)的電子密度最小,近陽極區(qū)電子密度達到最大。由不同磁場下的電子密度曲線可知,隨著縱向磁場逐漸增大,電極中心位置電子密度依次減小。通過該微觀仿真可以看出,電弧等離子體在縱向磁場的作用下是向周圍擴散的,這與電弧試驗結(jié)果具有良好的一致性,表明在一定的縱向磁場作用下,電弧會由集聚型轉(zhuǎn)變?yōu)閿U散型,這有利于電弧能量的稀釋并減少積聚能量對電極的燒蝕。

圖8 不同縱磁場下電極中心直線上的電子密度曲線

圖9是縱向磁場為0T和0.03T時的平均電子能云圖,可以看出,當磁場為0T時,平均電子能的最大值為152eV,最小值為4.22eV;當磁場為0.03T時,平均電子能的最大值為141eV,最小值為4.09eV,平均值減小是因為在縱向磁場的作用下電子的運動軌跡發(fā)生了一定的變化,在一定程度上減小了電子的能量,降低了電子的運動速度,使其對金屬蒸汽不能產(chǎn)生有效碰撞,進而減少了電離電子的生成。電子能量減小在另一方面也可以有效減小電弧能量,更有利于電弧的熄滅。

圖9 不同縱磁場作用下的平均電子能

3 結(jié)論

本文從微觀角度分析了真空斷路器弧后燃弧特性,通過對真空電弧等離子體仿真,研究了電弧等離子體發(fā)展的動態(tài)過程。在真空觸頭間隙添加縱向磁場,可以有效改變真空電弧等離子體形成前期和后期的發(fā)展特性,縱向磁場有利于電流過零后電子和正離子的擴散,并且使得陰極鞘層反向電場降低,進而減小電子密度。縱向磁場的施加也有利于平均電子能降低,從而降低電弧等離子體中電子和離子運動的能力,可以有效降低電流過零后重擊穿的可能性。

(責任編輯 王 磊)