直流電弧運(yùn)動(dòng)過程中重?fù)舸┈F(xiàn)象及機(jī)理研究

翟國(guó)富　薄　凱　李慶楠　周　學(xué)　陳　默　焦　通

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院　哈爾濱　150001 2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院　沈陽(yáng)　110000)

直流電弧運(yùn)動(dòng)過程中重?fù)舸┈F(xiàn)象及機(jī)理研究

翟國(guó)富1薄凱1李慶楠1周學(xué)1陳默1焦通2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院哈爾濱150001 2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院沈陽(yáng)110000)

摘要研究了橋式雙斷點(diǎn)觸頭在不同電壓下分?jǐn)嘀绷髯栊曰芈冯娀∵\(yùn)動(dòng)過程中重?fù)舸┑奶匦詤?shù)。采用高速攝像機(jī)拍攝了電弧及重?fù)舸﹫D像。利用光譜儀測(cè)量了電弧運(yùn)動(dòng)過程中弧柱所經(jīng)過區(qū)域的平均溫度。研究了電壓與重?fù)舸┌l(fā)生的關(guān)系。基于一組漂移擴(kuò)散方程耦合電場(chǎng)泊松方程，建立了小間隙(2 mm)中考慮電弧運(yùn)動(dòng)期間弧柱所經(jīng)過區(qū)域殘留金屬蒸氣的直流(電壓等級(jí)200～500 V)重?fù)舸┓烹娦纬蛇^程的微觀數(shù)學(xué)模型。通過仿真結(jié)果得到了重?fù)舸┑男纬蛇^程及微觀參數(shù)，同時(shí)分析了弧柱所經(jīng)過區(qū)域的初始溫度和電壓對(duì)重?fù)舸┓烹娦纬蛇^程的影響。很好地解釋了重?fù)舸┬纬蛇^程中鞘層、弧前預(yù)擊穿導(dǎo)電通道的形成機(jī)理。

關(guān)鍵詞：重?fù)舸┲绷麟娀∥⒂^機(jī)理阻性負(fù)載低壓開關(guān)

0引言

電弧是開關(guān)電器使用中不可回避的一種現(xiàn)象，電弧的產(chǎn)生會(huì)嚴(yán)重侵蝕觸頭，甚至?xí)龤в|頭或使觸頭熔焊，造成可靠性降低或接觸失效，縮短開關(guān)電器的使用壽命[1-4]。當(dāng)開關(guān)電器動(dòng)靜觸頭分開時(shí)會(huì)在觸頭間的介質(zhì)中產(chǎn)生電弧，隨后電弧在外界磁場(chǎng)的作用下使弧根在電極上快速移動(dòng)，弧柱逐漸拉長(zhǎng)、彎曲變形，并最終熄滅。在電弧的弧柱變形、運(yùn)動(dòng)過程中，觸頭間隙或附近區(qū)域會(huì)出現(xiàn)局部的重?fù)舸┓烹姮F(xiàn)象?；∠吨?fù)舸?，將延長(zhǎng)燃弧時(shí)間，是增加觸頭磨損、降低電壽命及可靠性的重要影響因素。因此，對(duì)重?fù)舸┻^程和產(chǎn)生機(jī)理的認(rèn)識(shí)，可進(jìn)一步提高電器滅弧性能，縮短燃弧時(shí)間，提高產(chǎn)品的使用壽命和可靠性。

直流電弧現(xiàn)象的研究工作與調(diào)控技術(shù)的發(fā)展是直流開關(guān)電器的核心和關(guān)鍵所在。直流電弧的研究主要分為仿真和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面[5，6]：文獻(xiàn)[7]基于磁流體動(dòng)力學(xué)理論，通過數(shù)值計(jì)算的方法研究了中壓直流斷路器觸頭系統(tǒng)轉(zhuǎn)移過程中的電弧等離子體的行為特性，文獻(xiàn)[8]研究了直流感性負(fù)載條件下分?jǐn)嗨俣葘?duì)AgSnO2觸頭分?jǐn)嚯娀√匦浴?/p>

直流電弧運(yùn)動(dòng)過程中，弧柱所經(jīng)過區(qū)域從本質(zhì)上說(shuō)，不存在電流，弧隙中所存在的只是局部溫度較高的氣體和少量金屬蒸氣。此時(shí)若弧隙的電場(chǎng)強(qiáng)度足夠高，間隙被擊穿而使局部電弧重燃。由于這一原因引起的重燃稱為電擊穿。國(guó)內(nèi)外學(xué)者以往更關(guān)注滅弧室中存在柵片等滅弧裝置的斷路器、接觸器中的電弧背后擊穿現(xiàn)象[9，10]。文獻(xiàn)[11]在直流450 V/10 A條件下發(fā)現(xiàn)了重燃多弧柱的現(xiàn)象，研究了銀觸頭間的重燃頻率與外施磁場(chǎng)和電場(chǎng)的關(guān)系。文獻(xiàn)[12]研究了直流730 V下重?fù)舸┈F(xiàn)象及電弧旋轉(zhuǎn)過程中的重燃現(xiàn)象。

目前對(duì)直流電弧重?fù)舸┓烹娦纬蓹C(jī)理的研究，尤其是在直流大功率繼電器的橋式觸頭分?jǐn)嚯娀∵^程中的重?fù)舸┈F(xiàn)象的相關(guān)報(bào)道還很少。本文針對(duì)直流大功率繼電器橋式觸頭在永磁體橫向磁場(chǎng)吹弧過程中出現(xiàn)的重?fù)舸┈F(xiàn)象進(jìn)行了研究，通過實(shí)驗(yàn)總結(jié)了相關(guān)特征，并結(jié)合仿真對(duì)重?fù)舸┑臋C(jī)理進(jìn)行了解釋。首先，在不同電壓條件下進(jìn)行了分?jǐn)嚯娀?shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了電弧與觸頭間的重?fù)舸┈F(xiàn)象，總結(jié)了重?fù)舸┑奶攸c(diǎn)及電壓與重?fù)舸┌l(fā)生概率之間的規(guī)律；其次，為獲取重?fù)舸┻^程內(nèi)部微觀參數(shù)，分析重?fù)舸┓烹姷碾姄舸┬纬蓹C(jī)理及其影響因素，采用有限元軟件COMSOL Multiphysics求解氣體放電流體力學(xué)模型中的漂移擴(kuò)散方程和電場(chǎng)的泊松方程，對(duì)重?fù)舸怏w放電過程進(jìn)行了仿真模擬計(jì)算。目前利用該軟件求解氣體放電的流體力學(xué)模型已得到了學(xué)術(shù)界的認(rèn)可[13-17]。求解了銅觸頭氮?dú)怆娀≈負(fù)舸┓烹姷念A(yù)擊穿階段，預(yù)擊穿導(dǎo)電通道的形成過程及鞘層的形成過程。計(jì)算了電子、離子數(shù)密度分布等微觀物理參數(shù)的時(shí)變規(guī)律。并從微觀角度分析了不同電壓、弧柱所經(jīng)過區(qū)域的不同初始溫度對(duì)電弧重?fù)舸┬纬蛇^程微觀粒子參數(shù)的影響。本文為揭示直流電弧重?fù)舸┓烹姍C(jī)理提供了參考。

1實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用永磁保持直動(dòng)式高速分?jǐn)嚯娀?shí)驗(yàn)裝置，該實(shí)驗(yàn)裝置是基于直流大功率繼電器的橋式結(jié)構(gòu)觸頭實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)[12]。實(shí)驗(yàn)電路如圖1所示，采用大功率直流可調(diào)電源TN-KGZ01(電壓輸出范圍為0～1 000 V)向電路供電，實(shí)驗(yàn)電路中Us分別設(shè)置為300 V、350 V、400 V、500 V、550 V、600 V、650 V、700 V、800 V，每一電壓等級(jí)下重復(fù)進(jìn)行50次分?jǐn)嚯娀?shí)驗(yàn)。負(fù)載R為20個(gè)0.675 Ω/60 kW的電阻組成可調(diào)電阻，其電感小于10 μH，通過調(diào)節(jié)電阻值保證分?jǐn)嗟碾娏鳛?0 A。采用KT500 A型磁平衡式電流傳感器測(cè)量電弧的電流，采用ZGV100-1 000 V電壓傳感器采集觸頭間的電壓。AD采集卡負(fù)責(zé)采集、記錄電弧電壓和電流數(shù)據(jù)，采樣頻率為2.5 MHz。利用HR400光譜儀測(cè)量電弧運(yùn)動(dòng)過程中弧柱經(jīng)過區(qū)域的平均溫度。光譜儀識(shí)別經(jīng)光纖傳輸?shù)碾娀〉入x子體的光強(qiáng)信號(hào)，光譜儀的識(shí)別范圍是200～1 100 nm，分辨率為1.0 nm，高速模式下每秒鐘可獲得1 000個(gè)完整的光譜。利用PhantomV7.3型高速攝像機(jī)拍攝電弧圖像。

圖1　實(shí)驗(yàn)電路示意圖Fig.1　Schematic diagram of experiment circuit

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1重?fù)舸╊愋?/p>

根據(jù)電弧運(yùn)動(dòng)過程中，弧柱所經(jīng)過區(qū)域重?fù)舸┓烹姲l(fā)生的空間位置，在綜合考慮電弧等離子體電極屬性基礎(chǔ)上，本文將重?fù)舸┓譃橐韵聝煞N：

1)觸頭間隙的重?fù)舸?，包括?yáng)極側(cè)重?fù)舸?、陰極側(cè)重?fù)舸┘盎旌现負(fù)舸?，如圖2所示。觸頭間的重?fù)舸┰斐呻娀‰妷捍蠓E降，嚴(yán)重增加燃弧時(shí)間，加劇觸頭的侵蝕，縮短開關(guān)電器的電壽命。

2)觸頭與電弧等離子體之間的重?fù)舸娀〉入x子體與觸頭之間的擊穿放電形成放電通道，電弧呈局部分叉的形態(tài)，如圖3所示。

圖2　觸頭間隙重?fù)舸╇娀D像Fig.2　Photos of restriking between contacts

圖3　電弧與觸頭間重?fù)舸╇娀D像Fig.3　Photo of restriking between contact and arc

這種重?fù)舸┦侵绷鞔蠊β世^電器橋式雙斷點(diǎn)觸頭中特有的現(xiàn)象。該重?fù)舸?huì)對(duì)觸頭邊緣造成嚴(yán)重?zé)g，同時(shí)在滅弧室內(nèi)形成大面積燃弧區(qū)域，給直流大功率繼電器滅弧室內(nèi)部其他零部件帶來(lái)嚴(yán)重侵蝕甚至爆炸的隱患。

2.2重?fù)舸┓烹娺^程分析

圖4為一次分?jǐn)噙^程中，弧柱所經(jīng)過區(qū)域發(fā)生重?fù)舸┓烹姷碾娀D像，圖5為電弧電壓曲線。通過二者的對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，圖4中2.528 ms時(shí)刻陰極側(cè)發(fā)生電弧重?fù)舸?.87 ms時(shí)刻近陽(yáng)極側(cè)發(fā)生電弧重?fù)舸?.67 ms時(shí)刻發(fā)生電弧等離子體與陽(yáng)極觸頭間的重?fù)舸?。弧柱所?jīng)過的區(qū)域，高溫游離氣體不能立即消散，殘留的離子、電子和高能中性粒子及金屬蒸汽需要一定的時(shí)間才能擴(kuò)散到周圍空間，降低了弧隙的絕緣強(qiáng)度。電弧在運(yùn)動(dòng)過程中，弧根沿觸頭表面快速移動(dòng)，弧柱逐漸彎曲變形、長(zhǎng)度增長(zhǎng)，電弧電壓相應(yīng)增大。這一電弧電壓作用于動(dòng)靜觸頭間，觸頭間的電場(chǎng)強(qiáng)度在電弧電壓的作用下增大，以致將弧隙重新?lián)舸Ｐ碌碾娀》烹娡ǖ琅c原有電弧等離子體形成并聯(lián)通路，造成電弧電阻驟降，電弧電壓瞬時(shí)大幅跌落，如圖5中1、2標(biāo)注時(shí)刻。觸頭間隙的重?fù)舸┈F(xiàn)象造成電弧電壓驟降，這與文獻(xiàn)[18]中的規(guī)律一致。

圖4　一次典型分?jǐn)噙^程重?fù)舸╇娀D像Fig.4　Photo of restriking in a typical breaking

圖5　電弧電壓波形Fig.5　Photo of the arc voltage

圖4中，3.59 ms時(shí)刻電弧等離子體與觸頭間隙形成預(yù)擊穿放電，其放電通道為弱發(fā)光等離子體；3.67 ms時(shí)刻為預(yù)擊穿放電轉(zhuǎn)變?yōu)殡娀》烹姷入x子體，放電通道躍變?yōu)榛」夥烹姟ｋ娀〉入x子體呈局部分叉狀態(tài)，局部電弧呈并聯(lián)，導(dǎo)致電弧電阻減小，電弧電壓相應(yīng)降低，如圖5中標(biāo)注3所示。

直流電弧的電弧電壓由兩部分組成，電弧等離子體弧柱電壓Ucolumn和近電極區(qū)電壓(包括近陽(yáng)極電壓Ua和近陰極電壓Uc)。根據(jù)文獻(xiàn)[19]中銅觸頭近電極區(qū)的電勢(shì)差約為16.5 V，將本文中近陽(yáng)極區(qū)和近陰極區(qū)的電壓進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。電弧等離子體弧柱區(qū)域類似金屬電阻，即每一單位長(zhǎng)度上的電壓降基本相等，電勢(shì)差與弧長(zhǎng)呈線性關(guān)系。通過對(duì)上述穩(wěn)定燃弧階段電弧電壓的統(tǒng)一處理，建立穩(wěn)定燃弧階段電弧電壓分段模型，通過對(duì)電弧圖像進(jìn)行處理[2]，提取電弧邊緣輪廓如圖6所示。通過計(jì)算得到電弧等離子體與觸頭發(fā)生重?fù)舸┪恢门c陽(yáng)極表面間的電勢(shì)差U約為184.5 V。該電勢(shì)差是電弧等離子體與觸頭間發(fā)生重?fù)舸┑谋匾獥l件之一。

圖6　電弧電壓分布Fig.6　Arc voltage distribution

2.3不同電壓等級(jí)下重?fù)舸┑母怕?/p>

重?fù)舸┓烹娋哂须S機(jī)性，因此，在說(shuō)明不同電壓等級(jí)下的重?fù)舸└怕蕰r(shí)，重?fù)舸┌l(fā)生概率按如下步驟進(jìn)行計(jì)算：在每一電壓等級(jí)下，電流保持50 A不變，反復(fù)進(jìn)行50次分?jǐn)嚯娀?shí)驗(yàn)；根據(jù)電弧電壓曲線結(jié)合高速攝像機(jī)拍攝到的電弧圖片現(xiàn)象判斷是否發(fā)生重?fù)舸?；出現(xiàn)前文描述的兩類重燃的任何一種情況則計(jì)為該次分?jǐn)喟l(fā)生重燃，單次分?jǐn)嚯娀≈谐霈F(xiàn)多次重燃按一次重燃進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

重燃概率P計(jì)算公式為

式中，N0為重?fù)舸┏霈F(xiàn)的次數(shù)；N為相同條件實(shí)驗(yàn)的次數(shù)(50次)。

圖7為觸頭間施加不同電壓下，重燃發(fā)生概率的統(tǒng)計(jì)。由圖可見，電壓由300 V提高到800 V，重?fù)舸┌l(fā)生的的概率從24%提高到82%。隨著電壓的增大，發(fā)生重?fù)舸┑母怕拭黠@變大。

圖7　不同電壓下的重?fù)舸└怕蔉ig.7　Restriking probability under different voltage

3仿真分析

3.1物理特性

重?fù)舸┑谋举|(zhì)為電弧運(yùn)動(dòng)過程中，弧柱所經(jīng)過區(qū)域的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度未能承受電弧電壓的作用而被重新?lián)舸┓烹姟＿@里的電弧電壓根據(jù)前文重?fù)舸╊愋偷牟煌卜譃閮煞N：一是通過弧根的聯(lián)系反作用到觸頭間隙兩端，二是電弧發(fā)生大幅度變形在電弧等離子與觸頭之間形成電勢(shì)差。

重?fù)舸┓烹娺^程產(chǎn)生的根本原因是帶電粒子在輸運(yùn)過程中與中性粒子及電極表面發(fā)生碰撞，從而引發(fā)空間電荷雪崩狀增長(zhǎng)所致?？紤]到觸頭表面因燃弧留下的微小金屬顆粒、微凸起、毛刺或金屬屑等，當(dāng)觸頭間電壓升高時(shí)，電場(chǎng)在這些位置將呈明顯集中增強(qiáng)的趨勢(shì)，引起電子場(chǎng)致發(fā)射；場(chǎng)致發(fā)射電流會(huì)使觸頭表面局部發(fā)熱、甚至熔化蒸發(fā)出少量金屬蒸氣。帶電粒子在電場(chǎng)的作用下作遷移運(yùn)動(dòng)，電子的遷移速度比非電子粒子(主要包括正離子和中性粒子)大兩個(gè)數(shù)量級(jí)，通過漂移擴(kuò)散方程和電場(chǎng)的泊松方程的求解來(lái)描述電子、離子以及中性粒子的遷移運(yùn)動(dòng)情況。此外，弧柱所經(jīng)過的區(qū)域殘留的少量金屬蒸氣等高溫氣體是導(dǎo)致介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度下降的主要因素。

3.2控制方程

數(shù)值模型基于等離子體放電的流體力學(xué)模型[13-17]，根據(jù)玻爾茲曼輸運(yùn)方程和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的Arrhenius關(guān)系[20]，采用一組電子和非電子粒子(主要包括正離子、負(fù)離子和中性粒子)的漂移擴(kuò)散方程耦合電場(chǎng)的泊松方程[21-23]對(duì)本文研究的重?fù)舸┓烹妴栴}進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，并構(gòu)建二維平板電極模型求解計(jì)算重?fù)舸┓烹姷某跏茧A段、電擊穿作用下的預(yù)擊穿放電通道及近極區(qū)鞘層的形成過程。

電子的運(yùn)動(dòng)由電子的連續(xù)性方程和電子的能量守恒方程來(lái)描述，如式(1)和式(2)所示。非電子粒子的運(yùn)動(dòng)由漂移擴(kuò)散近似算法得到的連續(xù)性方程式(3)來(lái)描述。

(1)

E[-ne(μeE)-μeTe·

(2)

(3)

式中，ne為電子密度；nε為電子能量密度；μe為電子遷移率；De為電子擴(kuò)散率；E為電場(chǎng)強(qiáng)度；Te為電子溫度；M為電子與中性粒子的彈性碰撞次數(shù)；P為電子與中性粒子的非彈性碰撞次數(shù)，一般情況下P?M；xj為反應(yīng)j中靶物質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)；kj為反應(yīng)j比率系數(shù)；Nn為全部中性粒子數(shù)密度；Δεj為反應(yīng)中能量損失；Rk為粒子的擴(kuò)散表達(dá)式；ρm為混合物質(zhì)的密度；jk為擴(kuò)散通量；ωk為質(zhì)量分?jǐn)?shù)；u為平均電子能量。上述方程中的源項(xiàng)取決于電弧等離子體化學(xué)反應(yīng)系數(shù)。

觸頭間的電場(chǎng)分布通過耦合泊松方程(4)進(jìn)行求解

-·(ε0εγV)=ρ

(4)

式中，V為電位；ε0、εγ分別為真空介電常數(shù)、相對(duì)介電常數(shù)；ρ為空間電荷密度。

電子、非電子粒子的擴(kuò)散作用，粒子能量流動(dòng)和能量擴(kuò)散通過以下一系列方程進(jìn)行求解。

De=μeTe

(5)

Dε=μτTτ

(6)

(7)

(8)

(9)

式中，q為單位電荷帶電量；m為電子質(zhì)量；Dε為離子擴(kuò)散率；λ為電荷平均自由行程。

采用雙譜線法測(cè)量得到了電弧運(yùn)動(dòng)過程中，弧柱所經(jīng)過的區(qū)域在發(fā)生重?fù)舸┲暗钠骄鶞囟葹? 800～4 600 K，具體測(cè)溫過程、數(shù)據(jù)處理與文獻(xiàn)[24]中一致。因此，仿真的初始溫度設(shè)置為3 000 K、4 000 K和5 000 K。由于電弧運(yùn)動(dòng)過程中，弧柱所徑過的區(qū)域已經(jīng)發(fā)生過電弧等離子放電，初始電子濃度取值1013m3，初始電子濃度滿足玻爾茲曼分布[14，15，21]。根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得的電弧電壓數(shù)據(jù)，仿真模型觸頭間電壓設(shè)置為200 V、300 V、400 V和500 V。電壓通過耦合與實(shí)驗(yàn)中一致的外電路進(jìn)行聯(lián)合求解計(jì)算。

仿真幾何模型如圖8所示。仿真模型為二維平板電極結(jié)構(gòu)，考慮了電弧侵蝕造成觸頭形成的微小凸起，其尺寸根據(jù)電鏡掃描獲得的觸頭表面形貌進(jìn)行簡(jiǎn)化處理；電極間距、電極直徑根據(jù)實(shí)驗(yàn)中觸頭實(shí)際尺寸測(cè)量獲得；仿真中考慮了弧柱所經(jīng)過的區(qū)域殘留的少量金屬蒸氣，涉及到的銅、氮的粒子碰撞截面數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[25，26]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖8　仿真模型Fig.8　The simulation model

表1　碰撞反應(yīng)

表2　電極表面的過程

仿真計(jì)算只為獲得重?fù)舸┓烹娦纬呻A段的物理過程并分析影響因素，所以對(duì)觸頭間重?fù)舸┻^程進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理并建立數(shù)學(xué)模型，不包含重?fù)舸╇娀》烹姷入x子體形成后觸頭運(yùn)動(dòng)、電弧運(yùn)動(dòng)及電弧熄滅過程。只計(jì)算了電弧從觸頭表面移出后電弧電壓反作用于觸頭間隙，在該電勢(shì)差作用下觸頭間隙被重新?lián)舸?，放電等離子體導(dǎo)電通道的形成過程。

3.3仿真結(jié)果分析

3.3.1重?fù)舸┻^程形成機(jī)理分析

圖9為極間軸向觸頭間電勢(shì)分布。電弧在運(yùn)動(dòng)過程中，弧柱不斷拉長(zhǎng)、彎曲變形，弧根在觸頭表面快速移動(dòng)。電弧電壓反作用于觸頭間隙，在電弧電壓作用下，觸頭間弧柱所經(jīng)過的區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)度相應(yīng)變大。電子在電場(chǎng)的作用下作遷移運(yùn)動(dòng)，大量電子與非電子粒子碰撞電離引發(fā)電子崩，空間電荷呈“雪崩式”增加。電子高速撞擊陽(yáng)極表面，正離子撞擊陰極表面，在碰撞電離達(dá)到一定程度時(shí)，將引起電極表面發(fā)射二次電子。由于電子的遷移速度比正離子大兩個(gè)數(shù)量級(jí)，電子崩向前發(fā)展過程中，正離子相對(duì)滯后，使正離子密度在近極區(qū)附近逐漸出現(xiàn)較為集中的區(qū)域。

近極區(qū)的空間電荷會(huì)對(duì)原有的電場(chǎng)造成畸變，如圖9所示。經(jīng)過近極區(qū)畸變電場(chǎng)加速的高能電子與中性粒子、正離子不斷碰撞電離，電子能量逐漸增加，同時(shí)碰撞過程中的能量損失使電子的能量逐漸趨于穩(wěn)定。這些電子與正電荷形成局部等離子體區(qū)域，等離子體內(nèi)部的電子為能量相對(duì)集中的穩(wěn)定的分布，極板間的電勢(shì)差逐漸集中到近陰極區(qū)域，如圖9所示。

隨著局部等離子體集中區(qū)域的擴(kuò)展集中，最后形成貫通整個(gè)觸頭間隙的預(yù)擊穿放電通道，預(yù)擊穿放電過程基本完成。圖10為觸頭間隙被重新?lián)舸r(shí)刻的銅離子密度分布圖，圖11為對(duì)應(yīng)時(shí)刻電子密度分布圖?？臻g局部帶電粒子數(shù)達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的水平，初步形成自持放電，從而在觸頭間形成穩(wěn)定的陰極鞘層和預(yù)擊穿放電等離子體。

圖9　電勢(shì)軸向分布Fig.9　The electric potential axis distribution

圖10　Cu+離子分布圖Fig.10　The Cu+density

圖11　電子密度分布Fig.11　The electron density

預(yù)擊穿完成后，隨著放電通道電流密度的增加，近極區(qū)鞘層的電場(chǎng)強(qiáng)度不斷加強(qiáng)，觸頭兩端的電勢(shì)差逐漸集中在鞘層附近。當(dāng)鞘層兩端的電壓上升至將近極區(qū)擊穿時(shí)，近極區(qū)鞘層消失，弧隙電阻急劇減小。導(dǎo)致近極區(qū)壓降的大幅降低，電弧電壓出現(xiàn)相應(yīng)驟降，熱擊穿將取代電擊穿過程主導(dǎo)放電過程，預(yù)擊穿放電將轉(zhuǎn)變?yōu)殡娀〉入x子體放電。即實(shí)驗(yàn)部分如圖4中3.67 ms時(shí)刻的圖像，導(dǎo)電通道轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)光電弧放電，重?fù)舸╇娀》烹娮罱K形成。

3.3.2電壓對(duì)重?fù)舸┻^程影響

圖12為不同電壓下觸頭間預(yù)擊穿導(dǎo)電通道形成時(shí)刻軸向電子密度分布，隨著電壓的增加，弧隙預(yù)擊穿導(dǎo)電通道形成時(shí)刻的電子密度明顯增大。由圖12可見，電壓由400 V增加到500 V時(shí)，軸向電子密度峰值增加。

圖12　不同電壓下軸向電子密度分布Fig.12　The axis electron density at different voltage

觸頭間電壓增加一方面導(dǎo)致預(yù)擊穿階段近極區(qū)鞘層區(qū)域內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度變大，有利于電子經(jīng)過鞘層過程中快速積累能量，導(dǎo)致電子碰撞電離的加劇，電子濃度增加，促進(jìn)電子崩的發(fā)展，二次電子崩更容易發(fā)生，維持了碰撞電離發(fā)展，有利于重?fù)舸┑男纬?。另一方面，觸頭間電壓增加同時(shí)也造成了預(yù)擊穿階段近極區(qū)鞘層區(qū)域承受的電壓相應(yīng)增大，鞘層被擊穿的概率增加，這將增加預(yù)擊穿放電通道轉(zhuǎn)變?yōu)殡娀》烹姷目赡苄?。因此，隨著電壓的增加，重?fù)舸┌l(fā)生的概率將變大。仿真結(jié)果基本上反映了上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中圖7中的變化趨勢(shì)。

3.3.3溫度對(duì)重?fù)舸┻^程影響

電弧運(yùn)動(dòng)過程中，弧柱所經(jīng)過區(qū)域的初始溫度是重?fù)舸┓烹娦纬傻闹匾绊懸蛩刂?。隨著溫度的增加，電子的無(wú)序性加強(qiáng)，電子與其他粒子發(fā)生碰撞的幾率增加，發(fā)生電離的概率增大，產(chǎn)生電子、正離子等帶電粒子的密度大幅增加。由圖13可見，隨著初始溫度的增加，軸向電子密度增大。在近極區(qū)形成穩(wěn)定的正離子鞘層，鞘層區(qū)域的電子數(shù)密度相對(duì)較低。原因是電極表面因金屬屑、毛刺或倒角等形成局部強(qiáng)電場(chǎng)，引起電極表面場(chǎng)電子發(fā)射，電子通過正離子鞘層的加速到達(dá)預(yù)擊穿導(dǎo)電通道區(qū)域。由于放電是在大氣壓條件下進(jìn)行，碰撞電離后的電子、離子和中性粒子溫度近似相等。當(dāng)弧柱所經(jīng)過區(qū)域的初始溫度增加時(shí)，殘留高溫氣體、殘留局部電離氣體及金屬蒸氣使重?fù)舸┻^程中的電離程度得到了加強(qiáng)，導(dǎo)電通道內(nèi)高密度粒子使電子在運(yùn)動(dòng)過程中更容易獲得能量，高能粒子大幅增加。大量高能電子會(huì)增加電離的概率，促進(jìn)局部擊穿放電的發(fā)生和發(fā)展，對(duì)電弧弧柱所經(jīng)過區(qū)域的介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)造成了不利條件。

圖13　不同初始溫度下軸向電子密度分布Fig.13　The axis electron density at different temperature

4結(jié)論

本文通過實(shí)驗(yàn)研究了直流阻性負(fù)載回路條件下，直流大功率繼電器中橋式雙斷點(diǎn)觸頭分?jǐn)嚯娀〖半娀∵\(yùn)動(dòng)過程中弧柱所經(jīng)過區(qū)域重?fù)舸┓烹姷默F(xiàn)象。為了探究重?fù)舸┓烹姷奈锢頇C(jī)理，仿真計(jì)算了重?fù)舸┻^程的相關(guān)微觀參數(shù)，分析了不同初始溫度和電壓對(duì)重?fù)舸┓烹娺^程的影響，得到如下結(jié)論：

1)通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著電壓的增大，分?jǐn)嚯娀∵^程中發(fā)生重?fù)舸┑母怕试酱螅妷河?00 V提高到800 V，發(fā)生重?fù)舸┓烹姷母怕蕪?4%增長(zhǎng)至82%。

2)基于仿真計(jì)算將重?fù)舸┑姆烹娺^程分為預(yù)擊穿階段、鞘層階段和電弧放電階段。

3)直流電弧重?fù)舸┓烹姷母驹蛑饕腔∠稓埩舻慕饘僬魵饣蚋邷貧怏w在足夠高的局部電場(chǎng)強(qiáng)度下發(fā)生擊穿放電。其中局部高電場(chǎng)強(qiáng)度形成的原因包括觸頭表面(金屬屑、毛刺或倒角等)、電弧與觸頭局部相互作用。

4)降低電弧運(yùn)動(dòng)過程中弧柱所經(jīng)過區(qū)域的溫度，可大幅減少預(yù)擊穿導(dǎo)電通道的電子密度，縮小高能電子的分布區(qū)域，有利于抑制重?fù)舸┻^程中預(yù)擊穿放電導(dǎo)電通道的形成。

參考文獻(xiàn)

[1]榮命哲，楊飛，吳翊，等.直流斷路器電弧研究的新進(jìn)展[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，29(1)：1-9.

Rong Mingzhe，Yang Fei，Wu Yi，et al.New developments in switching arc research in DC circuit breaker[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2014，29(1)：1-9.

[2]辛超，武建文.直流氫氣-氮?dú)饣旌蠚怏w電弧開斷過程實(shí)驗(yàn)研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，30(13)：117-124.

Xin Chao，Wu Jianwen.Experimental study on the breaking process of DC hydrogen-nitrogen mixed gas arc[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2015，30(13)：117-124.

[3]翟國(guó)富，周學(xué)，楊文英.縱向與橫向磁場(chǎng)作用下分?jǐn)嘀绷鞲行载?fù)載時(shí)的電弧特性實(shí)驗(yàn)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26(1)：68-74.

Zhai Guofu，Zhou Xue，Yang Wenying.Experiment on DC inductive arcs driven by axial and transverse magnetic fields[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2011，26(1)：68-74.

[4]翟國(guó)富，王其亞，程賢科，等.常溫和高溫環(huán)境下電磁繼電器觸點(diǎn)侵蝕及失效模式分析[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，25(9)：80-86.

Zhai Guofu，Wang Qiya，Cheng Xianke，et al.Contact erosion and failure mode analysis of electromagnetic relay under the circumstance of room and high temperatures[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2010，25(9)：80-86.

[5]吳翊，榮命哲，王小華，等.觸頭打開過程中低壓空氣電弧等離子體的動(dòng)態(tài)分析[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，23(5)：12-17.

Wu Yi，Rong Mingzhe，Wang Xiaohua，et al.Dynamic analysis of low-voltage air arc plasma during contact opening process[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2008，23(5)：12-17.

[6]Al-Amayreh M I，Hofmann H，Nilsson O，et al.Arc movement inside an AC/DC circuit breaker working with a novel method of arc guiding：part II—optical imaging method and numerical analysis[J].IEEE Transactions on Plasma Science，2012，40(8)：2035-2043.

[7]Yang Fei，Ma Ruiguang，Wu Yi，et a1.Numerical study on arc plasma behavior during arc commutation process in direct current circuit breaker[J].Plasma Science and Technology，2012，14(2)：167-171.

[8]Hasegawa M.Influences of contact opening speeds on break arc behaviors of AgSnO2contact pairs in DC inductive load conditions[J].IEICE Technical Report，2014，114(342)：161-164.

[9]Ma Ruiguang，Rong Mingzhe，Yang Fei，et al.Investigation on arc behavior during arc motion in air DC circuit breaker[J].IEEE Transactions on Plasma Science，2013，41(9)：2551-2558.

[10]Fievet C，Petit P，Perrin M Y，et al.Residual conduction in low voltage circuit breaker[C]//The 11th International Conference on Gas Discharges and Their Applications，Tokyo，1995.

[11]Ono H，Sekikawa J.Arc length of break arcs magnetically blown-out at arc extinction in a DC 450 V/10 A resistive circuit[J].IEICE Transactions on Electronics，2013，E96-C(9)：1132-1137.

[12]Zhou Xue，Cui Xinglei，Chen Mo，et al.Experimental study on arc behaviors of a bridge-type contact when opening a resistive load in the range of from 280 V DC to 730 V DC[C]//IEEE 60th Holm Conference on Electrical Contacts，New Orleans，LA，2014：1-7.

[13]Liu Xinghua，He Wei，Yang Fan，et al.Numerical simulation and experimental validation of a direct current air corona discharge under atmospheric pressure[J].Chinese Physics B，2012，21(7)：368-377.

[14]Sima Wenxia，Peng Qingjun，Yang Qing，et al.Study of the characteristics of a streamer discharge in air based on a plasma chemical model[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2012，19(2)：660-670.

[15]彭慶軍，司馬文霞，楊慶，等.初始電子濃度對(duì)空氣中針板間隙正極性流注放電的影響[J].高電壓技術(shù)，2013，39(1)：37-41.

Peng Qingjun，Sima Wenxia，Yang Qing，et al.Influence of initial electron concentration on positive streamer discharge in pin-plate air gap[J].High Voltage Engineering，2013，39(1)：37-41.

[16]張文茹.氬氣放電的流體力學(xué)模擬及其COMSOL軟件的驗(yàn)證[D].大連：大連理工大學(xué)，2013.

[17]張赟，曾嶸，黎小林，等.大氣中短空氣間隙流注放電過程數(shù)值仿真[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28(28)：6-12.

Zhang Yun，Zeng Rong，Li Xiaolin，et al.Numerical simulation on streamer discharge of short air gap of atmospheric air[J].Proceedings of the CSEE，2008，28(28)：6-12.

[18]陳旭，陳德桂.低壓限流斷路器背后擊穿現(xiàn)象的數(shù)值模擬研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2000，20(3)：16-19.

Chen Xu，Chen Degui.Research on simulation of the back commutation in low-voltage current-limiting circuit breaker[J].Proceedings of the CSEE，2000，20(3)：16-19.

[19]吳翊，榮命哲，楊飛，等.引入6波段P-1輻射模型的三維空氣電弧等離子體數(shù)值分析[J].物理學(xué)報(bào)，2008，57(9)：5761-5766.

Wu Yi，Rong Mingzhe，Yang Fei，et al.Introduction of 6-band P-1 radiation model for numerical analysis of three-dimensional air arc plasma[J].Acta Physica Sinica，2008，57(9)：5761-5766.

[20]Richley E，Tuma D T.On the determination of particle concentrations in multi-temperature plasmas[J].Journal of Applied Physics，1982，53(2)：8537-8542.

[21]李靜，于秋婷，曹云東.金屬蒸氣電弧弧前形成過程及影響因素[J].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，35(5)：492-497.

Li Jing，Yu Qiuting，Cao Yundong.Pre-arc formation process of metal vapor arc and its influencing factors[J].Journal of Shenyang University of Technology，2013，35(5)：492-497.

[22]薄凱.真空動(dòng)態(tài)電弧微觀機(jī)理研究[D].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2014.

[23]李靜，曹云東，侯春光，等.交流電弧微觀動(dòng)態(tài)形成機(jī)理及影響因素[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，30(17)：45-54.

Li Jing，Cao Yundong，Hou Chunguang，et al.Microscopic dynamic formation mechanism and influencing factors of AC vacuum arc[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2015，30(17)：45-54.

[24]Chen Mo，Zhou Xue，Zhai Guofu.Comparisons on arc behavior and contact performance between Cu and Cu-Mo alloys in a bridge-type contact system[J].IEICE Technical Report，2014，114(342)：63-67.

[25]趙文君.窄間隙SF6/N2放電過程粒子動(dòng)力學(xué)行為[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2011.

[26]Tkachev A N，F(xiàn)edenev A A，Yakovlenko S I.Townsend coefficient escape curve and fraction of runaway electron in copper vapor 2007[J].Laser Physics，2007，17(6)：775-779.

Research on Restriking Phenomena and Mechanism During DC Arc Motion Process

Zhai Guofu1Bo Kai1Li Qingnan1Zhou Xue1Chen Mo1Jiao Tong2

(1.School of Electrical Engineering and AutomationHarbin Institute of TechnologyHarbin150001China 2.State Grid Liaoning Electric Power Research InstituteShenyang110000China)

AbstractThe restriking characteristics during the DC arcing period have been studied with a pair of bridge-type double-break contacts which is used to break a DC resistive circuit at different voltages.The high-speed cameras are used to obtain the restriking arc images.The spectrograph is used to measure the average temperature of the region through which the arc column passed during the arc motion process.Then the relationship between the voltage and the occurrence probability of restriking is set up.The microscopic mathematical model of the restriking discharge is established based on a set of drift-diffusion equations coupled with the Poisson equation.In the model,the contact gap is 2 mm,the DC voltage is from 200 V to 500 V,and the residual metal vapor between the contacts during the restriking process is considered.The restriking formation process and the microscopic parameters are obtained by the simulation results.The initial temperature of the region through which the arc column passed and the voltage during the formation process of the restriking are analyzed at the same time.In this way,the sheath and the formation mechanism of pre-breakdown channel during the restriking arc ignition process can be explained clearly.

Keywords：Restriking，DC arc，micro-mechanism，resistive load，low voltage switch

收稿日期2015-03-09改稿日期2015-08-01

作者簡(jiǎn)介E-mail：gfzhai@hit.edu.cn E-mail：bbokai@qq.com(通信作者)

中圖分類號(hào)：TM581.3

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51277038，51307030)。

翟國(guó)富男，1964年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楦呖煽侩娖髟O(shè)計(jì)技術(shù)，電子系統(tǒng)及裝備可靠性分析、設(shè)計(jì)及智能維護(hù)技術(shù)，電磁超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。

薄凱男，1988年生，博士研究生，研究方向?yàn)殡娖麟娀》烹姷入x子體物理與電接觸理論。