高壓直流繼電器橫向磁場對電弧燃燒特性的影響

張建鋼，姜志偉，吳建高

（滬東中華造船（集團）有限公司，上海 200129）

0 引言

高壓直流繼電器廣泛應(yīng)用于船舶工業(yè)、航空航天以及當(dāng)下熱門的新能源汽車、光伏發(fā)電等領(lǐng)域[5]，是執(zhí)行負(fù)載的接通和分?jǐn)唷⑿盘柕膫鬟f、功率的切換等任務(wù)的關(guān)鍵元器件之一。在船舶建造中，各類電氣設(shè)備的需求量非常大，電磁繼電器便是其中常見的電氣設(shè)備之一，通過改變繼電器的通電狀態(tài)，進而改變觸點的輸出狀態(tài)，達到自動控制電力拖動設(shè)備，保護電力系統(tǒng)正常運行的目的，在船舶電氣設(shè)備上的重要性可見一斑。

高壓直流繼電器的觸頭在分?jǐn)噙^程中，會在觸頭間隙產(chǎn)生直流電弧。與交流電弧不同的是，直流系統(tǒng)中沒有自然過零點，無法實現(xiàn)自然過零滅弧，因此滅弧更加困難[3]。同時，高壓直流繼電器的滅弧室尺寸較小，通常通過磁吹[2]、提高觸頭分?jǐn)嗨俣萚4]或添加滅弧性能較好的氣體[6]等方式進行滅弧。電弧的存在不僅會增加對觸頭的燒蝕，會對繼電器的分?jǐn)鄤幼鞯臏?zhǔn)確性和電氣壽命產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，同時還會帶來巨大的安全隱患。在滅弧室中添加永磁體以提供橫向磁場，可以加快電弧移出觸頭間隙的速度，進而達到延長高壓直流繼電器的電氣壽命的目的。

1.2 幾何模型

本文主要研究不同磁場對電弧燃燒特性的影響，由于高壓直流繼電器的滅弧室尺寸較小、結(jié)構(gòu)緊湊，在觸頭關(guān)斷時電弧會充滿整個滅弧室，而滅弧室正是磁流體動力學(xué)理論（Magneto Hydro Dynamics，MHD）的研究對象，因此在這種情況下磁流體動力學(xué)理論更為適用[1]。并且，當(dāng)前COMSOL Multiphysics軟件來已被廣泛應(yīng)用于求解氣體放電的流體力學(xué)模型。本文主要基于磁流體動力學(xué)理論，使用COMSOL Multiphysics軟件建立高壓直流繼電器電弧的二維數(shù)學(xué)模型，仿真從觸頭間隙為0.2 mm時開始，動觸頭以1 m/s的速度打開，在仿真中添加動網(wǎng)格，當(dāng)網(wǎng)格尺寸小于閾值時自動重新劃分網(wǎng)格，在觸頭間隙為1.8 mm的時候動觸頭停止運動，電弧在洛倫茲力作用下繼續(xù)運動，仿真計算電弧的運動情況。并且在仿真中添加不同磁場，分析不同磁場作用下電弧燃燒的情況。

1 數(shù)值模型

1.1 高壓直流繼電器基本結(jié)構(gòu)

滅弧室中帶有橋式觸頭和永磁體的高壓直流繼電器，其基本結(jié)構(gòu)見圖1，其額定電壓為50 V，額定電流100 A。

圖1 高壓直流繼電器基本結(jié)構(gòu)

在電弧等離子體的仿真中，通過將模型進行簡化，進而簡化計算步驟，減少計算所需時間?？紤]到觸頭系統(tǒng)的對稱性，只對滅弧室的一半進行仿真計算，將幾何模型簡化后見圖2。

圖2 簡化的觸頭系統(tǒng)模型

1.3 控制方程

基于磁流體動力學(xué)理論取得高壓直流繼電器中電弧的內(nèi)部參數(shù)，并分析不同磁場對電弧燃燒的影響。電弧等離子體是一種帶電流體，電磁場會對電弧的整個運動過程產(chǎn)生影響，因此通過耦合流場和電磁場的方程進行仿真計算，以確定滅弧室中電弧的物理特性，通過Navier-Stokes方程和能量守恒方程來描述流場，通過麥克斯韋方程描述電磁場。

仿真的弧柱應(yīng)遵循質(zhì)量守恒，并通過如下質(zhì)量守恒方程式進行表述：

式中：vi為速度矢量的第i個分量，在二維MHD理論中，其被用來表示速度的x和y分量；p為由溫度決定的壓力；η為等離子體的動態(tài)黏度。電弧電流因受到電弧自身產(chǎn)生的磁場和永磁體提供的外部磁場的共同作用所產(chǎn)生的洛倫茲力即為施加在電弧等離子體上的力。

除此之外，還可以通過求解局部溫度的方法來獲得局部物理性質(zhì)（如密度）。在MHD模型中，采用列出能量守恒方程并計算結(jié)果的方式來獲得溫度參數(shù)，見式（3）。焦耳熱在每個單元中產(chǎn)生的能量與熵的變化以及通過傳導(dǎo)和對流的熱量的進出平衡，如下所示：

式中：h為焓；λ為熱導(dǎo)率；cp為恒定壓力下的比熱；σ為電導(dǎo)率；E為電場強度的大小。在這個熱傳遞方程中，電弧柱內(nèi)部強大的電流密度產(chǎn)生的焦耳熱成為了電弧的熱源(σE2)。

在這些方程中，由電弧本身產(chǎn)生的電流密度、電場以及磁場，是通過求解式（4）～式（7）所示的電勢方程而獲得的：

1.4 假設(shè)和邊界條件

滅弧室中電弧放電是一個復(fù)雜的物理過程，需要耦合流場、傳熱、電磁場的相互作用，為了降低仿真計算的復(fù)雜程度，本文進行以下假設(shè)：

1）假設(shè)電弧始終處于局部熱力學(xué)平衡狀態(tài)（Local Thermal Equilibrium，LTE）。

2）仿真計算從觸頭間隙為0.2 mm開始，假設(shè)此時電弧穩(wěn)定燃燒，忽略起弧過程。

3）不考慮來自觸頭的氣態(tài)金屬對電弧的影響。

2 不同磁通密度的橫向磁場對電弧燃燒的影響

高壓直流繼電器內(nèi)部的滅弧室尺寸較小且結(jié)構(gòu)緊湊，用永磁體吹弧是加速滅弧的主要措施之一，在洛倫茲力的作用下驅(qū)使電弧放電、運動并變形。為了研究橫向磁通密度對電弧燃燒的影響，在計算區(qū)域內(nèi)分別添加磁通密度為20 mT、30 mT、40 mT的橫向磁場進行計算。

橫向磁場的磁通密度為20 mT時，計算區(qū)域溫度變化情況見圖3。如圖3所示，剛開始有一個較短的電弧位于觸頭間隙內(nèi)，動觸頭以1 m/s的速度沿y軸正方向運動，隨著動觸頭的移動，電弧逐漸拉長。在洛倫茲力的作用下弧柱開始彎曲變形，并朝觸頭邊緣區(qū)域緩慢移動，這個階段被稱為電弧停滯階段，此時電弧電壓也緩慢增加。動觸頭和弧根移動加速了電弧周圍大氣中分子的電離過程，更多來自電介質(zhì)的分子進入電弧等離子體區(qū)域，弧柱開始膨脹和變形，電弧從固態(tài)到氣態(tài)的初期轉(zhuǎn)變在此階段完成。

圖3 20 mT 橫向磁場作用下溫度變化情況

橫向磁場的磁通密度為30 mT時，計算區(qū)域溫度變化情況見圖4。橫向磁場的磁通密度為40 mT時，計算區(qū)域溫度變化情況見圖5。

圖4 30 mT 橫向磁場作用下溫度變化情況

圖5 40 mT 橫向磁場作用下溫度變化情況

將橫向磁場的磁通密度為20 mT、30 mT、40 mT時的3種情況進行比較，不難發(fā)現(xiàn)，磁通密度越大時，電弧移動速度也越快，這使得電弧在觸頭間隙內(nèi)滯留的時間縮短，減小電弧對觸頭的燒蝕程度。

3 結(jié)論

基于磁流體動力學(xué)（MHD）模型，利用COMSOL Multiphysics軟件建立數(shù)值模型，并在計算區(qū)域內(nèi)添加不同磁場進行仿真計算。分析計算結(jié)果并得到如下結(jié)論：

當(dāng)計算區(qū)域內(nèi)添加的橫向磁場的磁通密度為20 mT時，在洛倫茲力的作用下，弧根在觸頭上緩慢移動，弧柱會發(fā)生彎曲、變形等一系列變化。橫向磁場的磁通密度越大電弧在觸頭上的移動速度越快，電弧停滯的時間也越短。

在滅弧室內(nèi)添加永磁體以提供一定磁通密度的橫向磁場可以加速電弧的移動，促進滅弧，減少電弧對觸頭表面的燒蝕，從而減小對觸頭分?jǐn)嗫煽啃院碗妷勖挠绊憽?/p>