直流繼電器

直流繼電器分斷電弧數(shù)值仿真的數(shù)學模型主要有宏觀模型和微觀模型，目前研究相對較少，哈爾濱工業(yè)大學基于磁流體動力學對不同電壓等級的繼電器電弧進行了相關仿真研究[35,40]。華中科技大學李震彪團隊對繼電器微觀模型進行了有意義的探索[43,44]。通過對繼電器電弧行為的數(shù)值計算，可以為大功率繼電器產(chǎn)品優(yōu)化設計提供理論依據(jù)，縮短研發(fā)周期，并對繼電器實際動作中的一些問題成因作出解釋。文獻[35]針對航天繼電器，建立了航天熱力學條件下銀觸頭在 N2、H2、He 分斷電弧的三維磁流體動力學模型，提出了熱力學環(huán)境在航天繼電器電弧模型中的描述方法，其中力學環(huán)境等效為動量方程的體積力，熱學環(huán)境通過溫度邊界條件、壓力邊界條件及電弧熱力學特性和輸運系數(shù)實現(xiàn)，研究了 28V/20A、40A 和 60A 不同分斷條件下電弧電壓、燃弧時間、觸頭燒蝕量等參數(shù)，給出了空間熱力學環(huán)境對繼電器電弧特性和觸頭燒蝕特性的影響規(guī)律。文獻[40]對 270V/200A 直流大功率橋式雙斷點觸頭分斷電弧過程進行了仿真計算，仿真獲得了電弧溫度、電流密度分布的時變數(shù)據(jù)，其中的電弧電壓曲線與試驗測量進行了對比發(fā)現(xiàn)具有一致的變化趨勢，驗證了仿真模型的可行性。臧春艷[43,44] 等考慮密封繼電器常見的保護性高純氮氣中混有部分水蒸氣的影響，建立了熱平衡態(tài)電弧微觀模型，通過各類粒子數(shù)密度的變化來分析水蒸氣作為雜質(zhì)氣體對氮氣電弧的影響。結果表明水蒸氣的存在會削弱氮氣電弧的相關電離過程。

德國 Manfred Lindmayer[47]通過仿真對橫向磁場下的直流電弧分斷的機理進行研究，基于 COMSOL 有限元多物理場耦合軟件平臺建立了二維對稱電弧仿真模型，計算了電弧通道在磁場中洛倫茲力的作用下形成類“氣泵”效應，吹動介質(zhì)流動。通過仿真，從機理上嘗試解釋了氫氣的熄弧特性優(yōu)于空氣。此外，西安交通大學電器教研室近年來對直流斷路器中的電弧仿真進行大量的研究工作[51-55]，其中吳翊等引入 6 波段 P-1 輻射模型，不僅考慮了熱輻射的發(fā)射問題，同時還解決了等離子體內(nèi)熱輻射的自吸收問題，為精確求解其他氣體電弧等離子體的輻射問題提供了借鑒[52]。王偉宗等通過最小吉布斯自由能方法計算獲得了氮氣平衡態(tài)電弧等離子體的粒子組分構成、熱力學屬性、輸運系數(shù)以及輻射系數(shù)等建立宏觀磁流體動力學仿真建模所必須的輸入?yún)?shù)[53,54]。這些斷路器中的電弧研究成果可為深入開展更高電壓等級的直流大功率繼電器類開關電器電弧仿真研究、優(yōu)化滅弧室結構、提高其分斷容量等工作提供借鑒。

分斷電弧特性特別是電弧對觸頭材料的侵蝕和材料轉移行為進行了長期、持續(xù)的研究，推動了直流大功率繼電器類開關電器的電弧理論及調(diào)控技術的完善，但是，在以下幾個方面仍存在一些問題，需要研究者針對直流大功率繼電器的特殊性做進一步的工作，主要包括：

1）觸頭熔融金屬液滴濺射燒蝕特性的研究。進一步研究熔池內(nèi)部動力學數(shù)學模型，得到燃弧過程中隨時間變化的材料濺射燒蝕特性；進一步研究電弧與觸頭之間的物質(zhì)、能量傳遞過程，建立更為準確的包括電極和電弧的雙向耦合磁流體動力學模型，完善熱流密度分布等參數(shù)與觸頭表面熔池的相關特性規(guī)律。

2）進一步深入研究磁吹作用下觸頭材料側向堆積特性及形貌演變規(guī)律，建立直流電弧作用下觸頭材料熔化形成熔池及其內(nèi)部液態(tài)金屬在洛倫茲力、弧根壓力、體積力及表面力等共同作用下非對稱微、宏觀數(shù)值仿真模型，特別是宏觀模型與微觀模型的耦合/聯(lián)合計算，研究能夠應用于工程實踐的觸頭形貌的數(shù)學描述方法，確定觸頭形貌特性參數(shù)變化與負載條件、分斷速度及磁場分布等燃弧條件之間的關系，為電壽命預測提供支撐。

3）電弧放電等離子體與觸頭表面金屬熔池之間的過渡區(qū)物理機理的進一步研究，該區(qū)域涉及非平衡態(tài)等離子體與液態(tài)金屬熔池相互耦合作用?，F(xiàn)有的鞘層理論等描述還不夠準確完善，難以對該區(qū)域的微觀粒子行為、熔融金屬液滴等物理特性做出準確模擬和試驗測量。

進行適用于航空航天、高鐵、武器裝備等特殊環(huán)境下的大功率直流繼電器中電弧特性、電弧對觸頭侵蝕機理模擬試驗、仿真工作，優(yōu)化滅弧室、觸頭系統(tǒng)的結構，提高大功率密封充氣式直流繼電器的可靠性。

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