永磁體磁場作用下高壓直流繼電器電弧重燃的影響因素研究

摘"要：電弧重燃是延長高壓直流繼電器開斷時間的重要原因。為了研究滅弧室內(nèi)電弧重燃特性，利用Comso1 Multiphysics軟件仿真獲得永磁體磁場，作為電弧仿真的基礎條件，仿真分析磁場強度、開斷速度、觸頭形狀和氣氛壓力作用下電弧動態(tài)特性及電弧重燃的原因;設計4因素3水平正交試驗，并結合仿真研究各因素對電弧重燃的影響程度。結果表明，電弧間隙的散熱條件和電弧電壓反施加于弧隙的電場強度是電弧重燃的重要原因;散熱條件越差或電弧電壓反施加的電場強度越高，越容易發(fā)生電弧重燃;4個因素對電弧重燃的影響程度依次為開斷速度、氣氛壓力、觸頭形狀和磁場強度。

關鍵詞： 高壓直流繼電器; 電弧重燃; 永磁體; 正交試驗

中圖分類號： TM572.1

文獻標志碼： A

文章編號： 2095-8188（2024）08-0034-11

DOI： 10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.08.005

Study on Arc Reignition Influencing Factors of HVDC Relay Under Permanent Magnet Field

LIN Zhen，"ZHANG Peng，"LIU Xiangjun

（College of Electrical Engineering and Automation， Fuzhou University， Fuzhou 350108， China）

Abstract：

Arc reignition is an important reason for prolonging the disconnection time of highvoltage DC relays.In order to study the reignition characteristics inside the arc extinguishing chamber，the permanent magnet magnetic field was simulated by Comsol Multiphysics and the result was used as the basic condition for arc simulation.The dynamic characteristics of the arc and the reasons for arc reignition under the influence of magnetic field strength，breaking speed，contact shape，and atmospheric pressure were simulated and analyzed.A four factor three-level orthogonal experiment was designed，and the degree of influence of each factor on arc reignition was studied through simulation.The results indicate that the heat dissipation conditions in the arc gap and the electric field strength exerted by the arc voltage on the arc gap are important reasons for arc reignition.The worse the heat dissipation conditions or the higher the electric field strength exerted by the reverse arc voltage，the easier it is for arc reignition to occur.The degree of influence of four factors on arc reignition is in the order of breaking speed，gas pressure，contact shape，and magnetic field strength.

Key words：

high voltage DC relay; arc reignition; permanent magnet; orthogonal test

0"引"言

為了滿足電動汽車、航空航天等領域大功率、大容量、小體積的應用需求，高壓直流繼電器的性能不斷提升。其分斷時，不可避免地會產(chǎn)生電弧，由于沒有過零點，直流電弧更難熄滅［1-2］。在電弧電壓升高的過程中，可能會發(fā)生電弧重燃現(xiàn)象［3-4］，電弧無法快速熄滅，且產(chǎn)生了高能量，導致觸頭由于劇烈燒蝕而加快磨損［5-6］，嚴重影響高壓直流繼電器的電氣壽命和開斷性能。研究電弧重燃的動態(tài)過程，分析電弧重燃產(chǎn)生的原因以及滅弧室內(nèi)各種條件對電弧重燃的影響，有助于提升高壓直流繼電器的性能，為產(chǎn)品優(yōu)化提供有益的理論支持。

近年來，對電弧重燃的研究主要是基于仿真和實驗。文獻［7］通過電弧仿真研究磁場強度和滅弧室出口面積對空氣斷路器電弧重燃的影響。文獻［8］首先利用高速攝像機拍攝電弧重燃的圖像，并對電弧重燃的類型進行分類；然后利用耦合泊松方程和漂移擴散方程對電弧重擊穿過程進行數(shù)學建模，并從微觀機理角度分析電弧重燃的形成過程。文獻［9］對氫氣介質(zhì)下的直流電弧進行實驗和模擬，發(fā)現(xiàn)氫氣易引起電弧重燃，經(jīng)過混合氣體實驗后提出一種用氫氣和氮氣混合介質(zhì)降低重燃概率的方法。文獻［10］進行直流電弧實驗，研究電弧重燃概率與電源電壓或外加磁場之間的關系，結果表明電弧持續(xù)時間的延長主要是由電弧重燃引起的。文獻［11］建立空氣電弧模型，并通過仿真結果討論觸頭在不同斷開速度下的電弧根部運動和重燃現(xiàn)象。

目前，大多數(shù)關于電弧重燃的研究只考慮單一因素的影響，而且大多基于均勻磁場。本文分析多種因素對高壓直流繼電器滅弧室電弧重燃的影響，并對其重燃機理進行研究。首先，利用有限元分析軟件COMSOL Multiphysics對永磁體在滅弧室內(nèi)產(chǎn)生的磁場進行仿真，得到觸頭區(qū)域磁場的分布規(guī)律。其次，利用COMSOL建立磁流體動力學（MHD）電弧模型，仿真不同磁場強度、開斷速度、氣氛壓力和觸頭形狀下的電弧重燃過程。通過仿真獲得的電弧電壓、電弧溫度云圖和電弧流場，分析各種條件對電弧重燃過程的影響，總結引起電弧重燃的關鍵因素。最后，設計4因素3水平正交試驗，結合電弧仿真分析不同因素對電弧重燃的影響程度。本文將為探討直流電弧重燃的影響因素和產(chǎn)品優(yōu)化提供依據(jù)。

1"永磁體磁場仿真分析

電弧產(chǎn)生后，其受到洛倫茲力的影響而運動，因此永磁體產(chǎn)生的磁場對電弧有著關鍵影響。為探討滅弧室中永磁體產(chǎn)生的磁場對電弧運動過程的影響，需要先對永磁體磁場進行仿真分析，以作為電弧仿真中的條件。

1.1"永磁體模型

本文研究對象為某型號橋式雙斷點高壓直流繼電器，額定負載為200 V/100 A，觸頭兩邊各放置1個矩形永磁體進行吹弧，永磁體中心與觸頭中心正對應。永磁體長12 mm、寬10 mm、厚6 mm，以該尺寸建立模型。矩形永磁體與動、靜觸頭三維模型如圖1所示。

1.2"控制方程

對于磁場仿真，選用“磁場，無電流”模塊，控制方程為

SymbolQC@×H=0（1）SymbolQC@·B=0（2）

B=μ（H-Hc）（3）

H=-SymbolQCVm（4）

式中："H——磁場強度;

B——磁感應強度;

μ——磁導率;

Hc——永磁材料矯頑力;

Vm——標量磁勢。

1.3"永磁體磁場分析

實際高壓直流繼電器中，永磁體表面到觸頭中心點的水平距離約為8 mm。仿真計算時，定義永磁體表面與豎直取值平面的水平距離為h。h的定義示意與h=8 mm處永磁體磁場分布如圖2所示。圖2（b）中包含動靜觸頭輪廓線。

由圖2（b）可知，由于永磁體邊緣的漏磁在空氣中閉合［12］，磁感線無法全部穿過觸頭中心平面，導致觸頭邊緣的磁場小于觸頭中心的磁場，差值達到20 mT以上。為了直觀地表示出h與磁場強度的關系，以弧隙中心為原點的一水平截線作為數(shù)據(jù)集進行對比，水平截線長度范圍為-10～10 mm。水平截線截取示意如圖3所示。

在該水平截線上，對比永磁體表面與觸頭中心距離h=10 mm、9 mm、8 mm、7 mm和6 mm時的觸頭中心平面上的磁場強度。不同h時水平截線上的磁場強度對比如圖4所示。由圖4可知，隨著距離h的減小，整體磁場強度變大，在h=6 mm時，觸頭中心的強度甚至在100 mT以上。這說明永磁體放置得離觸頭越近，觸頭中心平面上獲得的磁場強度就越大。從圖中還可以得出，雖然在水平截線x軸坐標為-5～5 mm范圍內(nèi)的磁場強度隨著h的減小迅速增大，但-10～-5 mm和5～10 mm范圍內(nèi)的磁場強度卻隨h的變化較小。因此，永磁體放置得越近，磁場分布的非均勻性越高。

2"電弧仿真分析

2.1"幾何模型

考慮到橋式雙斷點結構的對稱性與簡化計算的目的，僅對1對觸頭進行建模，則觸頭上的電壓為額定電壓的1/2。觸頭系統(tǒng)模型如圖5所示。動、靜觸頭直徑為8 mm，觸頭開距為2 mm。

2.2"控制方程

忽略電弧的起弧過程，假設電弧等離子體滿足局部熱力學平衡，為不可壓縮的層流，因此在COMSOL中通過層流、電磁場、熱傳導等模塊耦合對電弧進行建模。上述模塊主要通過以下方程描述電弧磁流體。

質(zhì)量守恒方程為

ρt+SymbolQC@·（ρV）=0（5）

式中："ρ——電弧等離子體密度;

t——時間;

V——電弧等離子運動的速度。

動量守恒方程為

ρVt+V·SymbolQC@V=SymbolQC@·-pI+μ［SymbolQC@V+（SymbolQC@V）T］-23μ（SymbolQC@·V）I+F+ρg（6）

F=J×B（7）

式中："p——流體微元上的壓力;

I——單位矩陣;

μ——流體的動態(tài)黏度;

F——洛倫茲力;

g——重力加速度;

J——電流密度;

B——外施磁通密度。

能量守恒方程為

ρCpTt+V·SymbolQCT-SymbolQC@·（kSymbolQC@T）=Qp（8）

Qp=T5KBT2q（SymbolQC@T·J）+E·J+Qrad（9）

式中："k——熱導率;

Cp——定壓比熱;

T——溫度;

Qp——等離子熱源;

KB——波爾茲曼常數(shù);

q——電子電荷;

Qrad——總體積輻射系數(shù);

E——電場強度。

麥克斯韋電磁方程為

SymbolQC·（-σSymbolQCφ）=0E=-SymbolQC@φ-AtJ=σESymbolQC@×A=B（10）

式中："φ——電位；

σ——電導率；

A——矢量磁位。

2.3"假設條件與邊界條件

將靜觸頭接電源正極、動觸頭接電源負極，負載為電阻，外部耦合回路與實際電路相同。

（1） 假設條件：仿真開始時，電弧已穩(wěn)定燃燒，電弧初始溫度為10 000 K［13-14］，觸頭初始開距為0.2 mm。

（2） 壓力和溫度邊界條件：壓力條件為0.1 MPa，初始溫度設置為環(huán)境溫度293 K。

陰極表面發(fā)射電子，陰極熱邊界方程為

-n（-λSymbolQC@T）=-Jelecc+JionUion""（11）

Jion=J·n-Jelec（12）

Jelec=JR（T）（13）

JR（T）=ART 2exp-qeffKBT（14）

式中："Jelec——電子流密度;

c——陰極材料表面功函數(shù);

Jion——離子電流密度;

Uion——等離子體電離電位;

J·n——介面電流密度模;

AR——理查德森常數(shù);

eff——電極表面有效逸出功;

n——單位法向量。

電子進入陽極表面，陽極熱邊界方程為

-n·（-λSymbolQC@T）=J·ns（15）

式中："s——陽極材料表面功函數(shù)。

2.4"仿真結果分析

將h=8 mm時的磁場分布作為電弧仿真時的磁場邊界條件，結果發(fā)現(xiàn)電弧發(fā)生重燃現(xiàn)象。電弧重燃的溫度分布云圖如圖6所示。

在t=0.39 ms時，電弧尾部出現(xiàn)一個新的高溫區(qū)域，然后形成一個新電弧柱，表明電弧重新點燃，然后電弧再次拉伸，直到熄滅。

電弧重燃的根本原因是弧隙中電荷雪崩式增長，導致原本絕緣的弧隙中出現(xiàn)導電通道。電弧電壓隨著電弧形變、拉長而增加。盡管電弧電壓的增加有助于電弧熄滅，但其也會反作用于弧隙［8］，從而增加弧隙間的電場強度。電場強度越大，電子獲得的動能就越多，中性粒子被碰撞電離的概率就越高。

電弧經(jīng)過弧隙時的高溫也是引起重燃的重要原因。高溫會引起中性粒子的熱電離。溫度越高，熱電離度越高［3］， 弧隙中的介質(zhì)絕緣強度越低。

2.5"電弧能量

電弧重燃對電氣設備的危害是延長電弧持續(xù)時間，并對觸頭等設備產(chǎn)生額外的燒蝕。后者可以用電弧能量來表征，電弧重燃后，弧隙中出現(xiàn)一個新的電弧，該電弧與原來的電弧具有相同的高溫和高導電特性，導致電弧能量大大增加。電弧能量Q的計算公式為

Q=∫td0UhIhdt（16）

式中："Uh——電弧電壓；

Ih——電弧電流；

td——電弧持續(xù)時間。

3"滅弧室條件對電弧重燃的影響

電弧產(chǎn)生后，在開斷速度和永磁體產(chǎn)生的磁場共同影響下，電弧被移出弧隙并拉伸，然后彎曲變形，最終熄滅。影響滅弧室內(nèi)電弧運動的因素有很多，本節(jié)將分析磁場強度、觸頭開斷速度、觸頭形狀和氣氛壓力對電弧重燃的影響。

3.1"磁場強度對電弧重燃的影響

將1.3節(jié)中獲得的不同永磁體與觸頭中心距離h時的磁場分布導入MHD電弧模型進行計算，獲得電弧重燃的特性參數(shù)。不同磁場下的電弧重燃特性如表1所示。弧后最大殘留溫度的確定規(guī)則如下：如果電弧發(fā)生重燃，則取電弧從弧隙中吹出后到重燃發(fā)生前，弧隙中的溫度最大值［15-16］；如果電弧沒有重燃，則取電弧吹出弧隙之后到電弧熄滅之前，弧隙中的溫度最大值。

由表1可知，當h由10 mm減少到9 mm時，電弧重燃；h越小，重燃發(fā)生的時間越早；一旦電弧重燃，電弧持續(xù)時間和電弧能量都隨著h的減小而減小。

造成這種現(xiàn)象的原因是，電弧電壓由于電弧的彎曲、拉伸而不斷增加。h越小，磁場越大，則電弧受到的拉伸作用越強烈，電弧電壓越高。并且弧根受到磁場的作用越快到達觸頭邊緣，此時弧隙還未完全打開，這使得電弧電壓反作用于很小的弧隙間距上，使得弧隙發(fā)生擊穿。此外，隨著h的減小，弧隙中的最大殘留溫度也略微增加，導致弧隙絕緣強度降低。

將h=10 mm與h=7 mm、6 mm的情況進行比較發(fā)現(xiàn)，當h=10 mm時沒有重燃，電弧能量較小，但電弧持續(xù)時間略長。h=10 mm、7 mm、6 mm時電弧功率與能量曲線如圖7所示。在圖7（a）中，對于h=7 mm和h=6 mm，第1個功率上升沿是滅弧階段，第2個是重燃和再滅弧階段。電弧能量是功率曲線的積分，因此重燃階段的功率上升將導致電弧能量的階躍變化，如圖7（b）。

因此，即使h=7 mm、6 mm的電弧持續(xù)時間略短于h=10 mm，總電弧能量仍然更高。電弧能量越高，重燃越嚴重，滅弧效果越差。因此在下文中，在分析電弧重燃的影響因素時，將電弧能量作為評估指標更為重要。

3.2"觸頭開斷速度對電弧重燃的影響

觸頭開斷速度對電弧重燃有著關鍵的影響［17］。通過高速相機標定法確定觸頭位移，計算得到高壓直流繼電器觸頭開斷速度在500～600 mm/s。因此，本文在h=8 mm和開斷速度分別為300 mm/s、400 mm/s、500 mm/s、600 mm/s和700 mm/s時進行了仿真分析。不同觸頭開斷速度下的電弧重燃特性如表2所示。

由表2可知，觸頭開斷速度越慢，電弧越容易重燃，導致電弧持續(xù)時間越長，電弧能量越大；當觸頭開斷速度降低時，最大殘留溫度會升高很多。

觸頭開斷速度對電弧重燃的影響既體現(xiàn)在電場擊穿上，又體現(xiàn)在熱電離上。在相同的時間條件下，較慢的觸頭開斷速度將導致較窄的觸頭間隙。電弧間隙越窄，電弧間隙所承受的電場強度就越大。同時，狹窄的弧隙不能提供足夠的散熱空間，導致高溫氣體積聚在電弧間隙之間，從而導致熱擊穿。

3.3"氣氛壓力對重燃的影響

為了縮小滅弧室的體積，高壓直流繼電器通常使用磁吹和氮氣、氫氣或氮氫混合氣體等氣體介質(zhì)達到滅弧的目的［18-20］。以氮氣為例，在h=8 mm、觸頭斷開速度為500 mm/s的條件下，分別模擬了0.01 MPa、0.05 MPa、0.10 MPa、0.15 MPa和0.20 MPa壓力下的電弧重燃特性。不同氣氛壓力下的電弧重燃特性如表3所示。

由表3可知，電弧在0.01 MPa下不重燃，但在0.05 MPa下經(jīng)歷2次重燃，在0.10 MPa下經(jīng)歷1次重燃。然后，隨著壓力的增加，電弧不再重燃。特別地，盡管電弧在0.01 MPa下不會重燃，但是電弧持續(xù)時間更長，導致更高的電弧能量。

氣氛壓力對電弧重燃的影響規(guī)律似乎符合Paschen曲線。根據(jù)Paschen定律，在恒定溫度下，氣體的擊穿電壓與氣體壓力p和觸頭開距d的乘積有關，即U=f（pd）。在相同的d中，存在臨界點p0，當p＜p0時，擊穿電壓與p負相關；當p＞p0時，擊穿電壓與p正相關。p越小，氣體密度越小，帶電粒子的自由行程越大，帶電粒子與中性分子之間的碰撞次數(shù)越少，則擊穿電壓越大。相反，p越大，氣體密度越大，自由行程越小，碰撞電離能越小，擊穿電壓就越大。然而，當電弧重燃發(fā)生時，電弧間隙之間的溫度是可變的，氣體密度不僅取決于氣體壓力，還取決于溫度，因此需要引入溫度來修改Paschen定律［21］。

根據(jù)氣體狀態(tài)方程，氣體密度ρe計算公式［22］為

ρe=peRTe（17）

式中："pe——氣體壓力；

Te——溫度。

R——常數(shù)。

根據(jù)表3和式（17），可以得出0.01～0.20 MPa的ρe順序為ρe0.01 MPa＜ρe0.05 MPa＜ρe0.10 MPa＜ρe0.15 MPa＜ρe0.20 MPa。因此，根據(jù)Paschen定律，擊穿電壓在0.01 MPa、0.15 MPa和0.20 MPa時較高，而在0.05 MPa、0.10 MPa時較低。

當電弧施加到弧隙的電壓大于擊穿電壓時，重燃發(fā)生［23］。不同氣壓下，電弧電壓與弧隙中等離子體的物性參數(shù)有關。電導率越高，電弧電壓增加得越快［24］。黏度系數(shù)和密度越小，電弧的運動速度就越快，當電弧吹出觸頭時，其會彎曲拉伸，導致電弧電壓突然增加。氮氣部分物性參數(shù)曲線如圖8所示。這些參數(shù)來自西安交通大學的氣體放電等離子體基礎數(shù)據(jù)庫。電弧燃燒時，其溫度為10 000～12 000 K，在此范圍內(nèi)，電導率在0.01 MPa時最低。電導率在0.05～0.20 MPa時沒有太大差異，這使得電弧電壓相似，因此電弧重燃主要取決于擊穿電壓。0.05～0.20 MPa范圍內(nèi)，擊穿電壓隨著氣體壓力的增加而增加，電弧逐漸停止重燃。當壓力超過0.15 MPa時，電弧持續(xù)時間不再減少，電弧能量甚至略有上升。因此，氣體壓力對重燃的影響在一定壓力后達到飽和，增加滅弧室的氣體壓力不再有利于滅弧。

當壓力為0.01 MPa時，盡管黏度系數(shù)和密度最低，電弧快速到達觸頭的邊緣，然而電導率最低，這使得電弧電壓緩慢上升。因此，在這種情況下，即使電弧沒有重燃，電弧持續(xù)時間也更長，這使得電弧能量實際上更高。

3.4"觸頭形狀對電弧重燃的影響

高壓繼電器觸頭實物與觸頭邊緣仿真氣流場如圖9所示。

因為觸頭附近電流密度大，使得焦耳熱很高，而遠離電極的電弧柱的溫度相對較低，觸頭的溫度甚至更低。高溫電弧區(qū)密度較小，而低溫的遠離觸頭區(qū)密度較大，會將氣體擠壓到高溫區(qū)，從而在電弧根部形成氣腔和氣流渦流［11］。高壓直流繼電器的觸頭只進行了工藝倒角處理，如圖9（a）。當電弧從弧隙中吹出時，渦流方向幾乎垂直于觸頭出口，如圖9（b）中的圈，很容易使熱氣積聚，導致觸頭邊緣電弧重燃。

基于這種情況，本文對觸頭的邊緣進行了弧面處理。弧面觸頭二維仿真模型如圖10所示。

在h=8 mm、開斷速度500 mm/s、氣壓0.1 MPa的條件下，對未經(jīng)表面處理的觸頭（邊緣曲率半徑約為0，平面觸頭）和邊緣曲率半徑為0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm和2.0 mm（弧面觸頭）進行了仿真。不同觸頭形狀下的電弧重燃特性如表4所示。

由表4可知，隨著邊緣曲率半徑的增加，電弧持續(xù)時間和電弧能量逐漸減小。當曲率半徑達到1.0 mm或以上時，電弧不再重燃，電弧能量大大降低。雖然滅弧效果隨著邊緣曲率半徑的增加而變得更好，但當邊緣曲率半徑從1 mm增加到1.5和2.0 mm時，電弧能量和電弧持續(xù)時間不再顯著減少。結果表明，增大接觸邊緣曲率半徑對電弧重燃有顯著的抑制作用。但超過一定范圍后，抑制作用飽和，如果繼續(xù)增加邊緣曲率半徑，接觸面積會減小，導致接觸溫度升高，影響電器的接觸性能。因此，在一定范圍內(nèi)增加接觸邊緣曲率半徑是有益的。從2方面可以解釋這一趨勢。

首先，隨著邊緣曲率半徑的增大，滅弧后的最大殘留溫度降低，造成這種現(xiàn)象的原因是弧面觸頭導致氣流渦流靠近觸頭邊緣?；∶嬗|頭邊緣區(qū)域的仿真氣流場如圖11所示。當渦流的方向趨于匯入弧隙出口的氣流方向時，其不再阻礙氣流向出口的運動。其次，與平面觸頭相比，觸頭的邊緣具有更大的距離，這有利于散熱與耐壓。邊緣曲率半徑越大，最大殘余溫度越低，導致熱電離度越低，這使得電弧間隙不太容易發(fā)生熱擊穿。

3.5"不同永磁體放置距離條件下的電弧重燃實驗

為驗證永磁體磁場大小對電弧重燃特性的影響，建立了直流電弧實驗平臺，包括由200 V直流電源和2 Ω電阻器組成的200 V/100 A負載電路、高壓直流繼電器樣品、距離可調(diào)的永磁體固定支架、12 V激勵電路的控制模塊、用作保護開關的接觸器。另外，通過在高壓直流繼電器兩端接入示波器信號端提取電弧電壓參數(shù)。直流電弧實驗實物如圖12所示。

測量高壓直流繼電器的平均觸頭開斷速度為500～600 mm/s，實驗氣壓為1.01×106 Pa，樣品中永磁體表面距離觸頭中心距離為7～8 mm，設該原始放置距離為h0。在此條件下，對高壓直流繼電器進行了20次負載通斷試驗，將電弧電壓在升高的過程中發(fā)生驟降判定為電弧重燃。結果表明，該款高壓直流繼電器重燃的概率達到70%，重燃現(xiàn)象不容忽視。永磁體與觸頭中心距離為h0時未重燃與重燃典型電弧電壓如圖13所示。其中電弧過電壓是由實驗線路與電源中不可避免地存在電感所引起。

對永磁體放置距離為h0+2 mm、h0+4 mm下的高壓直流繼電器分別進行20次開斷實驗。不同永磁體放置位置時電弧重燃概率如表5所示。

永磁體與觸頭中心距離為h0+2 mm時未重燃與重燃典型電弧電壓如圖14所示;永磁體與觸頭中心距離為h0+4 mm時未重燃與重燃典型電弧電壓如圖15所示。

由表5可知，當其他實驗條件不變時，隨著永磁體表面與觸頭中心距離的增大，重燃概率減小。當距離從h0增大至h0+2 mm時，電弧重燃概率減小顯著。這與前述仿真得到的結論一致，即磁場強度越大時，電弧重燃越容易發(fā)生。當距離從h0+2 mm增大至h0+4 mm時，電弧重燃概率只是略微減小。這可以從永磁體磁場的角度解釋，永磁體表面距離觸頭中心越近，其磁場強度增長率越高;反之，距離越遠，磁場強度增長率越低。因此，當距離從h0增大至h0+2 mm時，其磁場強

度差異較為顯著，這就造成電弧重燃概率顯著減??；當距離從h0+2 mm增大至h0+4 mm時，磁場減少量較小，電弧重燃概率減小不顯著。

4"基于正交試驗與MHD仿真相結合的電弧重燃特性分析

為分析各種因素對電弧重燃的影響，將永磁體與觸點中心之間的距離h（A）、觸頭開斷速度（B）、觸點邊緣曲率半徑（C）和氣氛氣壓（D）作為因素，并基于MHD電弧模型進行了仿真?；诘?節(jié)的仿真內(nèi)容，正交試驗因素水平如表6所示;正交試驗仿真結果如表7所示。

繼電器的開斷能力主要體現(xiàn)在無重燃現(xiàn)象、電弧持續(xù)時間短、電弧能量低。由表7可知，即使2號試驗的電弧持續(xù)時間略短于8號試驗的，但由于重燃電弧，其電弧能量仍大于8號試驗的。因此，取電弧能量作為測量結果Q，Q1～Q9代表9次試驗的模擬結果。根據(jù)Q1～Q9，可以計算不同

因素影響下的平均值k1、k2和k3，極差R是平均值的最大值和最小值之間的差。4因素3水平試驗的k和R及因素排序結果如表8所示。

根據(jù)仿真結果，可以得出以下結論：

（1） 根據(jù)極差R，可以確定該因素對電弧重燃的影響順序為B＞D＞C＞A。即開斷速度對滅弧性能的影響最大，提高開斷速度可以最大限度地降低電弧重燃的概率。氣氛壓力對滅弧性能的影響次之，永磁場的影響相對最小。在對滅弧室室優(yōu)化設計時，重點優(yōu)化開斷速度和氣氛壓力，可以取得良好的效果。

（2） 在表7中，A1B3C3D3組合不會發(fā)生重燃，電弧能量最小，電弧持續(xù)時間最短。因此，當永磁體與觸點中心的距離為6 mm、開斷速度為700 mm/s、觸點邊緣曲率半徑為1.0 mm、氣氛壓力為0.15 MPa時，滅弧室可以獲得最佳的滅弧性能。

5"結"語

本文采用MHD電弧模型仿真了不同永磁體位置、觸頭開斷速度、氣壓和觸頭形狀下電弧重燃的動態(tài)過程，并從散熱和電場2個方面分析了電弧重燃的原因。結合MHD仿真，進行了滅弧室條件的正交試驗，得出了不同條件對電弧重燃的影響順序。主要結論如下：

（1） 增加磁場強度會加速電弧根部的移動，但弧隙會承受觸頭未完全打開時的電弧電壓的反作用，增加重燃概率。提高觸頭的開斷速度可以在弧隙中獲得更好的介電強度。氣氛壓力對電弧重燃的影響符合Paschen定律。當開距恒定時，選擇較大的壓力可以提高擊穿電壓。觸頭邊緣的弧面處理可以降低電弧重燃的概率，但過大的曲率半徑將不再顯著增加滅弧效果，并影響電氣設備的接觸性能。

（2） 電弧重燃受到電弧從觸頭中吹出后弧隙的散熱條件和電場強度的綜合作用?；『蟮臍堄鄽怏w會降低電弧間隙之間的絕緣強度，而電弧電壓會使弧隙承受電場強度。當電場強度大于臨界擊穿場強時，弧隙將發(fā)生，因此有必要協(xié)調(diào)滅弧室內(nèi)的各種條件。

（3） 各因素對電弧重燃的影響順序為開斷速度gt;氣氛壓力gt;觸頭形狀gt;磁場強度。在優(yōu)化滅弧室時，考慮效果排序可以提高成本效益。

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收稿日期： 20240411