本文以雙流體模型和麥克斯韋方程為基礎，推導并建立了真空電弧的三維磁流體動力學(MHD)模型。通過對該模型的求解，得到等離子體壓力、密度、速度和馬赫數等真空電弧的重要屬性參數。通過對不同開斷電流下真空電弧等離子體的電流密度的仿真研究，揭示了開斷電流的大小對于真空電弧的收縮程度具有影響作用。

　　隨著國民經濟的發展，各行業對電能的需求量越來越高，因此，擔負輸電及配電的電力系統容量及電壓等級也隨之不斷增高，這就對開關電器提出了更加苛刻的技術指標要求。真空開關電器以高真空作為滅弧介質和絕緣物質，與其它類型開關電器相比，由于具備觸頭與滅弧系統簡單、使用壽命長、可靠性高、易于維護等特點，在中壓開關電器領域占據了統治地位，并從中壓向高壓領域滲透，這就需要對真空開關中的關鍵技術進行更深入的研究，特別是真空開關電弧基礎理論的研究。

　　真空斷路器的主要任務是開斷短路電流。當真空滅弧室中觸頭分斷電流時，動靜觸頭間將產生電弧。隨著分斷電流的增大，電弧弧柱嚴重收縮而產生陽極斑點。當陽極斑點溫度達到陽極材料熔點后， 陽極斑點向極間噴射金屬蒸氣，弧柱區等離子體趨于積聚。如果此過程過于激烈，則當電流過零后，觸頭間的介質恢復強度可能低于其電壓恢復強度，從而導致短路電流開斷失敗。由此可見，對于真空電弧收縮影響因素的研究具有十分重要的理論與工程實用價值。

　　電弧的特性直接影響了真空斷路器的開斷能力。真空電弧的建模與仿真研究是對真空電弧進行深入研究的一種重要手段。

1、真空電弧模型

　　1.1、物理模型

　　本文所研究的真空電弧物理模型如圖1 所示，真空電弧主要由陽極斑點區、等離子區和陽極鞘層區三部分組成。等離子體的流動方向是從陰極到陽極，電流載體是電子和離子。

圖1 真空電弧物理模型

　　此模型的建立基于以下條件：

　　(1) 弧柱等離子體高度電離，這是由于陰極斑點區域等離子體高度電離。等離子體密度高且碰撞頻繁。

　　(2) 陽極是一個等電位表面，并且被認為是理想的導體，其接收的載體無阻力。

　　(3) 在外部磁場作用下，陰極斑點滿足等離子體射流特性，呈圓筒狀，這限制了等離子體均勻性的問題。

　　(4) 等離子體的收縮是在陽極斑點形成之前。模擬的是陽極等離子體收縮前。

　　(5) 附近的陰極斑點是致密的和高度不均勻的。

　　2.7、陽極表面收縮程度

　　在電弧陽極區，電流強度對陽極的收縮程度有一定影響。圖8 表示的是不同電流對陽極弧柱收縮的影響。橫坐標代表的是開斷電流大小，縱坐標表示的是陽極表面等離子體積聚程度，也就是在不同開斷電流下陽極表面等離子的收縮面積與初始電流密度下等離子體收縮面積的比值。當電流很小時，弧柱外形呈擴散狀，此時不存在陽極斑點，當電流逐漸增大，陽極表面開始出現大而明亮的斑點，弧柱開始呈現收縮狀。陽極也開始融化。隨著電流繼續增大，一方面弧柱收縮加劇，向大電流擴散柱弧轉變的趨勢更加明顯，另一方面，陽極侵蝕也不斷加劇，這說明弧柱形態變化跟陽極活動之間有對應關系。

4、結論

　　(1) 大電流情況下，真空電弧等離子體處于亞音速運動狀態,等離子體的壓力、密度、速度及馬赫數的分布不均勻。

　　(2) 在大電流真空電弧磁流體中，最大的等離子體壓力出現在陰極附近，在壓力梯度的作用下，真空電弧等離子體從陰極到陽極做加速運動。

　　(3) 開斷電流的大小對等離子體的收縮程度有很大影響。