基于磁流體動力學模型對大尺寸電極下大電流真空電弧特性進行了仿真研究，分析了電弧電流和縱向磁場對大電流真空電弧特性的影響。仿真結果表明，隨著電弧電流的增加，離子數密度、軸向電流密度、等離子體壓力以及電子溫度在量值上都會增大，而等離子體速度則會減小，各參數的分布越來越不均勻，弧柱收縮加強，當電流達到60kA 時，陰極側也出現電流的收縮；縱向磁場越強，等離子體速度就越大，而其他等離子體參數在量值上會減小，各參數的分布變得越均勻，縱磁的增強也可以使得陰極側電流集聚得到抑制。最后，對實際縱向磁場分布以及大尺寸電極下真空電弧特性仿真結果與實際的電弧照片進行了對比，發現二者具有一致性。真空電弧的磁流體動力學模型可以為真空發電機出口斷路器的研制提供理論借鑒。

　　1、引言

　　真空電弧又名金屬蒸汽電弧，廣泛存在于真空開關中。真空開關由于其獨特的優點和優異的性能，不僅在中壓領域占據了絕對的優勢，而且逐漸向高壓和低壓領域發展，而真空電弧特性及控制措施是決定真空斷路器性能的關鍵，因此，對真空電弧進行研究，從而進一步加強對真空電弧的認識，可為真空斷路器的優化與設計提供理論依據。建模與仿真是對真空電弧進行深入研究的一種有效手段，到目前為止，已經有一些研究者對真空電弧進行了建模和仿真研究。國外的研究中， 最為典型的是Boxman 模型，Beilis 和Keidar 模型，Schade 和Shmelev 模型，其中，Boxman 將流體和電磁方程分開考慮，Beilis 和Keidar 的模型沒有考慮能量平衡，Schade 和Shmelev 的模型雖然考慮了能量方程，但不是很全面。西門子公司的Hartmann 等人也采用MHD 模型對真空電弧進行了仿真研究。我國的尚文凱和王毅等研究者進行過建模與仿真研究，但其模型較為簡化，很難全面地揭示真空電弧的內部物理過程。而王立軍等研究者在Schade 和Shmelev模型的基礎上考慮了離子和電子的動能以及離子粘性的影響，建立了更加全面的真空電弧磁流體動力學(MHD)模型。

　　大電流真空電弧廣泛出現在發電機出口斷路器中，而真空發電機出口斷路器中的電極都具有很大電極直徑的特點。因此，研究大尺寸電極下大電流真空電弧特性及控制機理對于發電機保護斷路器研究就變得十分重要。因此，本文在已有工作的基礎上對大尺寸電極下的大電流真空電弧進行仿真研究，并研究不同縱向磁場的控制效果。由于電弧電流和縱向磁場是真空電弧研究中兩個十分重要的參數，所以，本文重點研究了電弧電流和縱向磁場對大電流真空電弧的影響。并對實際應用的縱磁電極，分析其磁場分布，仿真得到了實際縱磁控制下的真空電弧特性。為了驗證仿真結果的正確性，采用高壓振蕩回路對大尺寸電極的真空電弧特性進行實驗研究，仿真結果與電弧照片吻合得較好。

　　2、大電流真空電弧模型

　　大電流真空電弧的物理模型如圖1 所示，其中離子流動處于亞音速狀態。在該模型中，真空電弧主要由三部分組成，分別是：陰極斑點與混合區，極間等離子區和陽極鞘層區。當電弧電流不是足夠大時，電極間的等離子體主要是由陰斑點來提供，因此，極間等離子體的流動主要是由陰極斑點發射的電子和離子流向陽極，電子和離子是電流的載體，電流的方向由陽極指向陰極。本文中仿真求解的區域是弧柱區，模型中的陰極斑點與混合區、陽極鞘層區都只是作為仿真區域的邊界。陽極只是作為電流的收集器并不影響等離子體的流動。而且，根據當前的實驗結果，熔化、蒸發的陽極材料難以進入弧柱中。仿真過程中并沒有考慮弧柱與陰極斑點的相互作用，而只是將陰極斑點與混合區作為仿真區域的邊界。

圖1 大電流真空電弧物理模型

　　5、結論

　　本文針對發電機出口用真空斷路器，仿真研究了大尺寸電極條件下大電流真空電弧的特性，并分析了電弧電流和縱向磁場對大電流真空電弧特性的影響，可得如下結論：隨著電弧電流的增大，離子數密度、軸向電流密度、等離子體壓力以及電子溫度等參數在量值上都會增大，而等離子體速度則會減小，各量的分布越來越不均勻，而且弧柱的收縮性加強；尤其是當電弧電流達到60kA 時，陰極側同樣出現了電流的收縮；縱向磁場越強，離子數密度、軸向電流密度以及等離子體壓力就越小，而等離子體速度則會增大，各量的分布也越均勻。縱向磁場的加強同樣可以使得陰極側電流集聚得到抑制。仿真得到的電弧形態與電弧照片吻合較好。