低压电器电弧仿真与研究

张 钰

（镇江市产品质量监督检验中心，江苏镇江，212013）

低压电器电弧仿真与研究

张 钰

（镇江市产品质量监督检验中心，江苏镇江，212013）

作为电力系统、电能应用工程中十分常见的物理现象，低压电器电弧运动与仿真研究越来越受关注。本文结合低压电器电弧运动机理与电弧仿真技术，构建了低压电器电弧仿真模型，就低压电器电弧仿真过程进行了研究。

低压电器；电弧；仿真

0 引言

通过研究低压电器的电弧运动特性，有助于优化低压电器产品的设计，提高其性能。但应注意的是，由于低压电器电弧燃弧时间较短，因而如何捕捉电弧是关键。本文重点结合低压电器电弧运动机理及电弧仿真技术，探讨了低压电器电弧仿真方法与过程，以供参考和借鉴。

1 低压电器电弧运动机理与电弧仿真技术

在低压电器电弧运动、仿真研究中，涉及到一系列的电、热、磁、运动现象，极大地推动了低压电器电弧运动等离子体测试研究的发展。近些年来，光谱、CCD、光纤阵列、电磁等非接触测量技术开始应用于低压电器电弧运动等离子体测试中，根据实验可知，低压电器电弧运动，是结合电气自动化所要求的短时间之内，就相联电路分段进行离合接触。在符合电、热、磁、运动等前提下，在低压电器电弧运动的触头间隙存在电弧运作。为此，必须把握好低压电器电弧特点，这样才能确保设计顺利开展。在电器触头接通、切断时，在两路电源中其中一路触头存在改障、负载等情况，触头间会产生开关电弧反应，引发电弧运动需电源间转换，以确保供电的可靠性、安全性。采用该方法能够使电弧被拉长，引发极高的电弧电压，确保电弧运动及仿真过程顺利进行。

就低压电器而言，接触器、断路器等设备在触头开启时，会引发电弧，电弧受到磁场的作用，进入灭弧室最终熄灭，这一过程对于电器开断性能具有十分重要的意义。此外，电器存在内部故障电弧时，会引发弧根效应，导致电气设备受损，甚至引发火灾等危害。为此，必须采取科学的计算方法，对低压电器内部电弧故障进行模拟，这样才能优化电器性能。当然，安全性也是低压电器研究的重要领域，低压电器电弧仿真是该领域研究热点及难点。在电弧仿真中，常将其作为独特的导电流体，物理参数主要涉及到温度、压力等指标。低压电器电弧仿真是建立在磁流体动力学的基础上，结合气流场、热场、磁场及电流分布情况，就灭弧室内的电弧运动过程进行模拟与研究。

2 电弧仿真模型的构建

2.1几何模型的构建

鉴于实际低压灭弧室更为复杂，因此，本文采用的是Gam2bit软件，构建了简化的灭弧室模型。模型为封闭式、两端存在开口的结构，器壁所使用的是塑料结构，厚5mm。模型沿x、y、z 方向尺寸分别为30 mm、6 mm、6mm。假设阴阳两极间产生电弧燃烧，则稳态计算需要围绕这一模型开展，在空气介质下，电弧电流设置为200A（直流）。结合该几何模型，借助于六面体网格（边长0.3 mm），将模型进行网格划分，分为40000个网格。

2.2仿真假设

在对电弧宏观运动进行研究时，需要将其视为一种特殊流体进行处理，由于该流体自带导电粒子，因而可以视为导电流体。其物性参数主要涉及到热导率、密度、粘性系数、定压比热等，为了简化电弧运动过程，进行如下假设：一是认为无空间电荷层存在，忽略电极间的电荷层；二是忽略电极、器壁可能存在的损耗。

2.3 MHD模型的构建

MHD是研究电磁场中导电流体运动的一门科学，是建立在传统流体力学的基础上，结合电磁理论，根据气体质量、动量、能量守恒等定理，对电磁过程加以耦合，构建气流场、电磁场方程。其模型的表达是互耦合非线性偏微分方程组，因而不适用解析求解法，需借助于数值求解法求解。本文借助于Fluent软件，对模型方程进行求解。

2.4边界条件

模型边界条件主要涉及到流场、电磁场边界条件。对于流场而言，灭弧室中的电弧受到焦耳热的作用，温度较高，其热能可以借助于灭弧室面壁、电极传播到外面。在仿真及计算过程中，面壁温度边界可以借助于热流量法加以定义，也就是说，该能量可以根据一维导热公式进行计算。对于电磁场而言，其边界条件包括阴极2界面、灭弧室面壁边界条件。结合电流密度相关公式，前者边界条件可根据电流密度进行定义，但实际燃弧中电流密度分布无法测定。在仿真时多借助于假定的近似分布，在外界电流给定的情况下，界面单元面电流密度和系数为正比关系。后者边界条件也采用电流密度加以定义，鉴于塑料无导电性，因而其界面电流密度视为0。磁场边界较流场、电场边界而言，边界的位置存在很大差异。理论而言，磁矢量位在电流源无限远处等于0，因而电场、流场边界位置就磁场而言并不适用。建模过程中，需要对计算区域进行扩大，对边界位置进行设定，但边界无法构建到无限远处，因此，可结合空间各点的磁矢量位和电流源距离该点的平方成反比关系，将磁场边界位置置于灭弧室几十cm外，这样边界变化对于磁场求解不会带来较大影响，并将边界位置点的磁矢量位值作为辐射场的边界条件，利用边界处入射辐射强度进行界定。

3 电弧仿真计算

将电弧计算电流值设置为200 A（直流），假设电弧位置始终在灭弧室中心处，借助于P1辐射模型加以计算，为能量方程组提供计算方法，可以获取器壁、电极处的能量流，为器壁、电极计算提供依据。

3.1电弧温度的分布情况

结合电弧计算，可得灭弧室x2y截面的二维温度分布情况，较其他区域而言，电弧中心区域存在较高温度，从中心至四周逐步递减，电极存在就电弧温度而言存在部分影响，接近电极处的电弧，温度较低。

3.2电场分布

鉴于上下电极面边界的差异性，电极附近电场的分布也不尽相同，阳极电位被视为0 V，从电弧电位分布情况，可得到电流密度分布情况。如近极x2z 平面（y = -2.85 mm）的电流密度分布情况，鉴于电弧处于中间位置，因而电流密度分布呈原点处x2y平面对称。电弧高温区域作为电流通道，由于电导率会根据温度改编而升高，电流密度较大，会导致该处焦耳热升高，引发近极区温度超过中心区。

3.3气流场分布

在弧柱中心位置，气流速度主要是从电极区域朝中间区域指向，最大速度190m/s，因而被称为“喷流”现象，这是由于电极区域弧柱温度及压强较大所引起的。鉴于阴、阳极边界条件的差异性，引发导致阴极区域“喷流”强于阳极。两个“喷流”在接近阳极处区域碰撞，流动方向从沿y轴流动，转变为沿x轴流动，导致弧柱呈两边扩张的趋势。

4 结语

近些年来，仿真技术在低压电器中的应用越来越广泛，本文重点就低压电器电弧仿真进行了研究，该电弧模型可用于低压电器辅助设计中，通过对电弧燃弧过程进行分析，有助于进一步优化、完善低压电器产品的性能。

[1]孙海涛，陈德桂，李兴文，等.低压塑壳断路器触头系统三维磁场的可视化分析[J].电工技术学报，2012，10（ 08）: 231 - 235.

[2]吴翊，荣命哲，杨茜，等.低压空气电弧动态特性仿真及分析[J].中国电机工程学报，2011，23（ 21）: 145 - 148.

[3]娄建勇，荣命哲，邹洪超，等.单线圈单稳态永磁式接触器机构动力学特性仿真分析[J].电工技术学报，2011，12（ 04）: 120 - 124.

Arc simulation and research of low voltage electrical apparatus

Zhang Yu（Zhenjiang product quality supervision and inspection center，Jiangsu Zhenjiang，212013）

As a very common physical phenomenon in power system and electric energy application engineering，the research on arc motion and Simulation of low-voltage electrical apparatus is getting more and more attention. In this paper， based on the arc motion mechanism and arc simulation technology of low-voltage electrical equipment， the arc simulation model of low-voltage electrical equipment was built， and the simulation process of the low-voltage electrical arc was studied.

low voltage electrical equipment; arc; simulation