真空电弧磁流体动力学模型与仿真研究 被引量：46

1

作者 王立军 贾申利 +1 位作者 史宗谦 荣命哲 《中国电机工程学报》 EI CSCD 北大核心 2005年第4期113-118,共6页

以离子与电子的双流体模型以及麦克斯韦方程为基础,推导得到了真空电弧的二维磁流体动力学(MHD)模型。MHD 模型中包括质量方程、动量方程、能量方程、麦克斯韦方程和全欧姆定律,通过对这些方程的数值计算,得到了真空电弧等离子体参数与... 以离子与电子的双流体模型以及麦克斯韦方程为基础,推导得到了真空电弧的二维磁流体动力学(MHD)模型。MHD 模型中包括质量方程、动量方程、能量方程、麦克斯韦方程和全欧姆定律,通过对这些方程的数值计算,得到了真空电弧等离子体参数与电流密度的分布,文中计算分析了电弧电流、电极间距以及不同分布的纵向磁场对真空电弧等离子体参数与电流密度的影响。 展开更多

关键词 真空电弧 真空灭弧室 真空断路器 磁流体 动力学模型 仿真

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大电流真空电弧磁流体动力学模型与仿真 被引量：31

2

作者 王立军 贾申利 +1 位作者 史宗谦 荣命哲 《中国电机工程学报》 EI CSCD 北大核心 2006年第22期174-180,共7页

为了对大电流真空电弧进行深入研究,以真空电弧双温度磁流体动力学模型为基础,通过计算流体动力学软件FLUENT,采用控制容积法,对大电流真空电弧特性进行了仿真研究。对于大电流真空电弧而言,等离子体的流动处于亚音速状态,因此,在阴极... 为了对大电流真空电弧进行深入研究,以真空电弧双温度磁流体动力学模型为基础,通过计算流体动力学软件FLUENT,采用控制容积法,对大电流真空电弧特性进行了仿真研究。对于大电流真空电弧而言,等离子体的流动处于亚音速状态,因此,在阴极和阳极边界条件的选择上将区别于超音速流动的真空电弧。同时对等离子体密度、轴向电流密度、等离子体速度、马赫数、离子温度、电子温度、离子压力、等离子体压力以及注入阳极的能流密度分布的形成机理进行了分析。从仿真结果可以发现,大电流真空电弧等离子体压力的最大值出现在阴极附近,等离子体将在压力梯度的作用下从阴极到阳极做加速运动,这一点明显区别于超音速流动的真空电弧。另外,仿真结果与高速CCD照片也是吻合的。 展开更多

关键词 大电流真空电弧 亚音速 磁流体动力学模型 仿真

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基于双温度磁流体电弧仿真改进Mayr电弧模型的特快速暂态过电压仿真方法 被引量：5

3

作者 崔建 孙帅 +2 位作者 张国钢 陈允 崔博源 《电工技术学报》 EI CSCD 北大核心 2024年第16期5149-5161,共13页

特快速暂态过电压(VFTO)仿真研究中,传统电弧黑盒模型因电弧时间常数和散热功率常取经验值会引起VFTO计算结果出现较大误差。对此,该文提出了一种基于双温度磁流体电弧仿真的改进Mayr电弧模型建立方法。首先,建立了双温度磁流体电弧模型... 特快速暂态过电压(VFTO)仿真研究中,传统电弧黑盒模型因电弧时间常数和散热功率常取经验值会引起VFTO计算结果出现较大误差。对此,该文提出了一种基于双温度磁流体电弧仿真的改进Mayr电弧模型建立方法。首先,建立了双温度磁流体电弧模型,并通过该仿真研究了上述关键参数与电弧电导的关系,建立了改进Mayr电弧模型;其次,搭建了VFTO仿真模型,采用改进Mayr电弧模型和多种传统电弧数学模型计算了特高压GIS隔离开关切合空载短母线过程的VFTO波形;最后,对比分析了各电弧模型的仿真结果与实测结果波形特征的相对误差。结果表明,改进Mayr电弧模型的VFTO仿真结果与实测结果的相对误差较小,计算准确度较高。 展开更多

关键词 气体绝缘组合电器 隔离开关 特快速暂态过电压 磁流体动力学 电弧黑盒模型

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大电流真空电弧中阳极熔化过程的实验与仿真研究 被引量：4

4

作者 张在秦 刘志远 +2 位作者 王闯 耿英三 王建华 《电工技术学报》 EI CSCD 北大核心 2024年第7期2143-2152,2160,共11页

大电流真空开断过程中,阳极触头在电弧作用下的熔化过程极大地影响着开断结果。目前对阳极熔化的研究集中于铜及铜基合金,所涉及的材料热特性参数较为局限。为了在更大物性参数范围下剖析阳极熔化机理,该文对W、Mo、Cr、Fe四种材料开展... 大电流真空开断过程中,阳极触头在电弧作用下的熔化过程极大地影响着开断结果。目前对阳极熔化的研究集中于铜及铜基合金,所涉及的材料热特性参数较为局限。为了在更大物性参数范围下剖析阳极熔化机理,该文对W、Mo、Cr、Fe四种材料开展了阳极熔化实验研究,同时建立电弧磁流体动力学模型及阳极传热模型对熔化过程进行仿真模拟。结果表明,在固定阴极为Cu的大电流燃弧实验中,四种阳极材料的临界熔化电流分别为14.0、11.9、8.6、7.5 kA;在阳极热过程模拟中,确定了阳极输入能流密度的空间与时间分布,并得到了阳极表面温度。四种材料的阳极最高温度均出现在燃弧时刻7.0 ms附近,临界电流下计算得到的阳极最高温度与相应材料熔点误差小于150 K。 展开更多

关键词 大电流真空电弧 触头熔化 阳极材料 磁流体动力学仿真

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中频真空电弧边缘击穿现象及仿真研究 被引量：2

5

作者 蒋原 马速良 +2 位作者 武建文 李擎 朱立颖 《电工技术学报》 EI CSCD 北大核心 2024年第9期2887-2895,共9页

为深入掌握航空变频(360~800 Hz)电力系统中真空电器电弧特性,该文围绕中频灭弧室弧后发生的边缘击穿现象,以双温磁流体动力学仿真结合实验的研究方法,得到了以下结论:中频真空电弧离子数密度的最大值为2.6×10^(19)m^(-3),离子温... 为深入掌握航空变频(360~800 Hz)电力系统中真空电器电弧特性,该文围绕中频灭弧室弧后发生的边缘击穿现象,以双温磁流体动力学仿真结合实验的研究方法,得到了以下结论:中频真空电弧离子数密度的最大值为2.6×10^(19)m^(-3),离子温度的范围为0.30~0.91eV,电子温度的范围为1.50~2.43 eV;电子与离子之间存在能量交换,电子温度的变化会引起离子温度的变化;最高离子温度出现在阳极触头边缘处,与实验发现的边缘击穿位置重合,证明了此处确实存在能量集中;中频真空电弧是超声速流体,速度在边界处减慢,根据动能热能互换原理,中频真空电弧的质量流运动规律是边缘击穿的本质原因。 展开更多

关键词 航空变频电源 中频真空电弧 弧后击穿 边缘击穿 双温磁流体动力学模型

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配用CuCr合金电极的真空介质开关电弧阳极热过程分析 被引量：1

6

作者 刘晓明 王宇凡 +3 位作者 陈海 史红菲 陈军平 周嵚 《真空科学与技术学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第1期66-77,共12页

真空介质开关电弧的主要成分源于故障电流开断过程中触头电极在极间产生的金属蒸气,且真空电弧的微观动力学行为直接影响开关的开断能力。文章通过建立真空介质电弧双温磁流体动力学模型,研究配用不同配比CuCr合金触头电极材料的真空介... 真空介质开关电弧的主要成分源于故障电流开断过程中触头电极在极间产生的金属蒸气,且真空电弧的微观动力学行为直接影响开关的开断能力。文章通过建立真空介质电弧双温磁流体动力学模型,研究配用不同配比CuCr合金触头电极材料的真空介质开关在故障电流开断下阳极热过程的变化情况,得到阳极触头表面温度和熔池范围沿径向和轴向的分布。仿真结果表明,开断故障电流的增大及电极合金材料中Cu含量的增大均会导致输入阳极的能流密度增大。在200 A电弧电流作用下,阳极表面温度未达到CuCr合金的熔点,未发生熔化;而在6 kA电弧电流作用下,阳极温度先后达到Cu和Cr的熔点,电极熔化程度随合金中Cr含量的增大而减弱。 展开更多

关键词 真空灭弧室 真空电弧 CUCR 合金触头材料 磁流体动力学模型

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燃弧参数对小间隙真空电弧特性的影响 被引量：8

7

作者 向川 YAN Jiudun +1 位作者 董华军 邹积岩 《高电压技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2013年第12期3095-3100,共6页

阳极表面能流密度(EFD)分布可以表征极间等离子体对阳极的加热作用,是重要的真空电弧特性参数。为此,在前期建立的真空电弧磁流体动力学(MHD)模型的基础上,引入边界条件,计算了小间隙中超音速电弧和亚音速电弧的阳极表面能流密度参数,... 阳极表面能流密度(EFD)分布可以表征极间等离子体对阳极的加热作用,是重要的真空电弧特性参数。为此,在前期建立的真空电弧磁流体动力学(MHD)模型的基础上,引入边界条件,计算了小间隙中超音速电弧和亚音速电弧的阳极表面能流密度参数,并进一步分析讨论了电弧电流、触头开距、触头半径和纵向磁场(AMF)等燃弧参数变化对该参数的影响。研究结果表明:1)当电弧电流增大时,上述参数均增大,且向弧心收缩加剧,亚音速电弧收缩更加明显;2)当触头开距增大时,上述参数也向弧心区域逐渐收缩;3)当触头半径增大时,上述参数均逐渐减小,且沿径向分布越来越均匀;4)当纵向磁场增大时,上述参数的径向分布越来越平缓。上述燃弧参数变化对阳极表面能流密度的分布均有影响,因此,减小触头开距、增大触头半径和纵向磁场均能抑制阳极表面能流密度的收缩,减少输入阳极的能量,提高真空开关开断性能。 展开更多

关键词 小间隙真空电弧 真空电弧磁流体动力学模型 电弧电流 触头开距 触头半径 纵向磁场 阳极表面能流密度

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真空开关电弧开断过程的数值仿真方法研究进展 被引量：16

8

作者 舒胜文 黄道春 阮江军 《高压电器》 CAS CSCD 北大核心 2014年第2期131-138,共8页

随着真空开关的广泛应用,对真空电弧的研究愈显重要。由于真空电弧等离子体并未处于局部热力学平衡态,且磁场和触头起关键作用,真空开关开断过程的数值仿真和SF6开关相比尚不成熟,但近年来随着真空电弧理论的不断完善和计算机计算能力... 随着真空开关的广泛应用,对真空电弧的研究愈显重要。由于真空电弧等离子体并未处于局部热力学平衡态,且磁场和触头起关键作用,真空开关开断过程的数值仿真和SF6开关相比尚不成熟,但近年来随着真空电弧理论的不断完善和计算机计算能力的大幅提升而获得了迅速发展。笔者综述了磁流体动力学(MHD)模型、粒子模拟结合蒙特卡罗碰撞(PIC-MCC)方法、混合模型、阳极热模型和解析模型在真空开关电弧开断过程不同阶段数值仿真中的应用现状,并提出了电流零区、电极材料、极间等离子体不同区域相互作用、PIC-MCC加速、高压大容量和重燃机制等6个今后有待深入研究的方向。 展开更多

关键词 真空开关 真空电弧 开断过程 数值仿真 磁流体动力学模型 粒子模拟 混合模型

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基于MHD的小间隙真空电弧仿真研究 被引量：7

9

作者 向川 廖敏夫 +1 位作者 董华军 邹积岩 《真空科学与技术学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2011年第6期710-715,共6页

真空开关电弧电流过零前的电弧等离子体状态对真空开关能否顺利开断具有十分重要的影响。本文在建立小间隙真空电弧磁流体动力学(MHD)模型的基础上,采用通用计算流体力学仿真软件对电弧电流过零前0.5 ms时的电弧等离子体的特性进行数值... 真空开关电弧电流过零前的电弧等离子体状态对真空开关能否顺利开断具有十分重要的影响。本文在建立小间隙真空电弧磁流体动力学(MHD)模型的基础上,采用通用计算流体力学仿真软件对电弧电流过零前0.5 ms时的电弧等离子体的特性进行数值仿真研究。计算得到了真空电弧等离子体压力、等离子体密度、离子纵向速度、阳极表面纵向电流密度和电弧电压等的空间分布。仿真结果表明:从阴极到阳极,真空电弧等离子体压力和密度逐渐增大,而等离子体速度逐渐减小;阳极表面电流密度存在较大径向梯度,最大值低于形成阳极斑点的极限收缩电流,阳极仍不活跃。仿真得到的等离子体密度分布与高速摄像机拍摄得到的CMOS图像光强基本吻合,计算得到的电弧电压与测得的电弧电压是一致的,从而验证了本模型的可行性。 展开更多

关键词 真空电弧 磁流体动力学模型 等离子体参数 数值仿真

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中压电缆瞬时电弧击穿故障行波测距研究 被引量：4

10

作者 郭王勇 王毅松 +4 位作者 黄墀志 秦卉 张军 石超群 徐阳 《电网与清洁能源》 CSCD 北大核心 2024年第11期31-38,共8页

中压电力电缆瞬时性电弧可为永久性故障提供预警。为研究中性点经低电阻接地系统的电缆瞬时性电弧故障信号与行波测距,提出一种基于磁流体动力学与曲线拟合的电弧非线性时变电阻等效方法。首先,通过多物理场仿真获取瞬时性电弧的信号与... 中压电力电缆瞬时性电弧可为永久性故障提供预警。为研究中性点经低电阻接地系统的电缆瞬时性电弧故障信号与行波测距,提出一种基于磁流体动力学与曲线拟合的电弧非线性时变电阻等效方法。首先,通过多物理场仿真获取瞬时性电弧的信号与燃弧时长,并分析电导与温度变化。然后,对电导变化曲线进行拟合,获取数学解析式,构建中性点经低电阻接地的10 kV电缆线路模型,使用可变电阻元件代替电弧,并通过解析式计算得到等效电阻。最后,对电缆线路的瞬时性电弧故障信号进行仿真,并通过监测电缆双端金属屏蔽层电流行波,基于小波变换提取行波到达时间,实现故障点定位。通过仿真分析,结果表明该方法定位误差小于0.5%。 展开更多

关键词 瞬时性电弧 行波测距 非线性电阻等效 磁流体动力学模型 中压电力电缆

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冲击电弧作用下C_(4)F_(7)N/CO_(2)气体灭弧性能仿真分析 被引量：2

11

作者 吴东 陈文贵 《电力工程技术》 北大核心 2024年第2期179-188,共10页

C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体是目前最有潜力替代SF 6的气体之一。为了探讨C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体的灭弧能力,文中根据电弧能量平衡理论,建立电弧能量平衡方程组,获取管道内部超压随时间的变化规律。同时,基于磁流体动力学模型,使用... C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体是目前最有潜力替代SF 6的气体之一。为了探讨C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体的灭弧能力,文中根据电弧能量平衡理论,建立电弧能量平衡方程组,获取管道内部超压随时间的变化规律。同时,基于磁流体动力学模型,使用COMSOL Multiphysics软件建立压爆气流防雷间隙灭弧结构的二维磁流体模型,在雷电流幅值为4 kA的条件下,对管道内不同比例C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体在冲击电弧作用下的熄弧特性进行仿真分析。基于上述方法,结合电弧能量平衡理论,分析模型中电导率、速度以及压强的变化规律。与理论结果对比分析得出:同一工况条件下,20%C_(4)F_(7)N/80%CO_(2)的灭弧性能较优,其次为10%C_(4)F_(7)N/90%CO_(2)与5%C_(4)F_(7)N/95%CO_(2),并且熄弧时间符合气吹灭弧的要求。 展开更多

关键词 C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体 灭弧性能 电弧能量平衡理论 磁流体动力学模型 冲击电弧 熄弧时间

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高压自能式SF_6断路器电弧能量作用过程仿真 被引量：48

12

作者 荣命哲 杨茜 范春朵 《中国电机工程学报》 EI CSCD 北大核心 2004年第2期92-97,共6页

建立了高压自能式SF6断路器电弧的磁流体动力学(MHD)数学模型,此模型创新地考虑了传导散热对喷口材料烧蚀,进而对电弧及气流场产生影响,即同时计入了电弧能量以辐射和传导方式烧蚀喷口材料,并考虑了喷口材料烧蚀所产生的蒸气带来的影响... 建立了高压自能式SF6断路器电弧的磁流体动力学(MHD)数学模型,此模型创新地考虑了传导散热对喷口材料烧蚀,进而对电弧及气流场产生影响,即同时计入了电弧能量以辐射和传导方式烧蚀喷口材料,并考虑了喷口材料烧蚀所产生的蒸气带来的影响。通过对比考虑传导散热与不考虑传导散热两种情况下的开断过程中气流场的分布及变化,深入研究了灭弧室内电弧能量的传递方式。根据文中的计算条件和结果,得出考虑传导散热时,电弧最高温度为不考虑传导散热时的90％。最后,从电弧能量利用角度出发,就灭弧室结构参数对开断性能的影响进行了研究。 展开更多

关键词 高压自能式SF6断路器 电弧能量 仿真 磁流体动力学 数学模型 电弧熄灭理论 六氟化硫断路器

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考虑空气对流换热的弓网电弧仿真研究 被引量：1

13

作者 向恺 陈建球 荀径 《广西大学学报（自然科学版）》 CAS 北大核心 2023年第5期1134-1146,共13页

为了更精确地研究电弧的温度分布特性,提出一种考虑空气对流换热的弓网电弧放电模型。该模型基于磁流体动力学原理,添加对流换热项修正热平衡方程,通过COMSOL软件多物理场仿真得到了弓网电弧温度分布,并使用PG 2000型光谱仪通过Boltzma... 为了更精确地研究电弧的温度分布特性,提出一种考虑空气对流换热的弓网电弧放电模型。该模型基于磁流体动力学原理,添加对流换热项修正热平衡方程,通过COMSOL软件多物理场仿真得到了弓网电弧温度分布,并使用PG 2000型光谱仪通过Boltzman法验证了750 V下电弧中心5 mm处的温度,平台测量结果与模型计算结果基本一致,验证了模型的可靠性。研究结果表明:电弧柱区域内温度最高点出现在电弧柱中心距接触线表面1.42 mm处,并随着电压的提升高温区域不断向阴极扩散;空气流动速度的提升可以加快电弧的散热,避免其形成热集中区域碳滑板表面温度远高于接触线表面,其温度差为4160 K,表面温度随材料热导率的增大持续升高。 展开更多

关键词 对流换热 受电弓与接触网 弓网电弧 温度场 磁流体动力学模型

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C_(4)F_(7)N气体电弧的辐射输运特性研究 被引量：5

14

作者 仲林林 王逸凡 顾琦 《电工技术学报》 EI CSCD 北大核心 2023年第19期5316-5329,共14页

辐射作为电弧能量输运的主要方式,在灭弧过程中起着关键作用。该文以环保型气体C_(4)F_(7)N及其与CO_(2)和N_(2)的混合气体为对象,建立了耦合净辐射模型的气体电弧二维磁流体动力学模型,分析了触头运动过程中C_(4)F_(7)N电弧的辐射输运... 辐射作为电弧能量输运的主要方式,在灭弧过程中起着关键作用。该文以环保型气体C_(4)F_(7)N及其与CO_(2)和N_(2)的混合气体为对象,建立了耦合净辐射模型的气体电弧二维磁流体动力学模型,分析了触头运动过程中C_(4)F_(7)N电弧的辐射输运特性,探究了电流大小和混合气体配比对电弧形态、温度及辐射能量的影响。进一步地,搭建电弧光学诊断实验平台,分别利用高速相机和光谱仪捕获电弧形态并采集电弧光谱信息,验证了仿真模型的有效性。研究发现,受电弧辐射能量沿轴线分布影响,C_(4)F_(7)N气体电弧形态呈葫芦状。随着电流增大,电弧辐射能量增强,葫芦状形态逐渐明显。随着C_(4)F_(7)N气体含量增加,电弧在径向洛伦兹力的作用下逐渐收缩。 展开更多

关键词 环保型气体 电弧 辐射输运 磁流体动力学 净辐射模型

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CO_(2)、SF_(6)以及C_(4)F_(7)N气体电弧特性的仿真对比研究 被引量：6

15

作者 钟建英 赵晓民 +2 位作者 胡超崎 刘文魁 庞素敏 《高压电器》 CAS CSCD 北大核心 2021年第3期60-64,共5页

寻求可替代SF_(6)用于高压电气设备的气体是近年来的研究热点,而C_(4)F_(7)N气体由于具有较好的环保性能和优良的绝缘特性而极具潜力。然而受限于实验成本等原因,现阶段对于其灭弧性能的研究相对较少。通过仿真分析气体电弧行为能够为... 寻求可替代SF_(6)用于高压电气设备的气体是近年来的研究热点,而C_(4)F_(7)N气体由于具有较好的环保性能和优良的绝缘特性而极具潜力。然而受限于实验成本等原因,现阶段对于其灭弧性能的研究相对较少。通过仿真分析气体电弧行为能够为环保型开关的设计提供重要指导。文中首先分析了C_(4)F_(7)N、CO_(2)和SF_(6)3种气体电弧的物性参数及成因,基于此采用磁流体动力学方法建立了轴对称二维喷口电弧模型并进行了计算,获得了C_(4)F_(7)N、CO_(2)和SF_(6)中电弧等离子体的温度分布及对应燃弧情况下的电弧电压,结合电弧物性参数结果分析了3种气体燃弧特性的主要成因。研究发现,纯C_(4)F_(7)N气体的电弧半径与电弧电压均与SF_(6)气体相近,相比于纯CO_(2)气体表明了其作为灭弧介质的潜在应用前景。但由于C_(4)F_(7)N气体分子质量相对较高,后续C_(4)F_(7)N气体的电弧仿真需要对湍流参数进行进一步研究,并通过相应的实验进行验证。 展开更多

关键词 C_(4)F_(7)N SF_(6)替代 喷口电弧模型 磁流体动力学方法

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