开关电器应用探讨论文提纲

论文题目：纵向磁场作用下直流开关电弧的动态特性及行为研究

摘要：开关电器作为电力系统中的重要核心部件,广泛的应用于国民经济和国家的各个领域和部门,故其可靠性显得尤为重要。对于有触点的开关电器而言,每次在开断的过程中均会产生电弧。电弧的产生会使电器的开断时间大大延长,严重时还会烧损触头、破坏电器的绝缘。在开关电器领域,开关电弧的衍生机理以及影响因素是各国学者重点研究的课题。直流电弧相比于交流电弧,由于其不存在电流自然过零点使得其开断更加困难。利用磁场的作用来开断电弧是实现线路快速分断的有效方法,因此深入研究磁场对直流开关电弧特征的影响尤为重要。本文着重研究纵向磁场对直流开关电弧特性的影响。研究方法采用实验与仿真互补的方法。基于本文研究的内容,设计了一种基于高速摄像系统和碰撞式触头可调速分断的直流电弧实验平台。利用高速摄像机拍摄了实验样机触头分断过程中的电弧图像,利用检测平台采集了电弧电压和电流波形,同时利用该实验平台,研究了触头分断速度、分断电流以及不同纵向磁场对直流开关电弧的燃弧时间以及燃弧过程中直流电弧的行为、弧根位置分布、电弧形态、触头的电腐蚀特性等影响。针对实验模型,基于气体动力学的漂移扩散方程,与泊松方程耦合,建立了用于微观仿真的磁场作用下电弧数学模型,仿真分析了磁场作用下从触头断开瞬间,液态金属桥断裂之后,极间充满了大量的气体带电粒子开始,到电弧等离子体形成的这段非平衡态过程,并分析了不同磁场强度对电弧等离子体鞘层区域场强、空间电荷密度、弧柱前期半径等微观电弧参数的影响。研究结果可为开关电器领域中利用纵向磁场吹弧技术的应用提供依据。

关键词：直流电弧;电弧实验平台;纵向磁场;电弧特性;气体动力学

学科专业：电气工程

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 课题的国内外研究状况

1.2.1 开关电弧理论的研究状况

1.2.2 电弧实验方法的研究现状

1.2.3 磁吹电弧的研究现状

1.3 本文主要研究内容

第2章 开关电弧的二维模型及理论分析

2.1 开关电器电弧

2.1.1 开关电弧的产生与熄灭机理

2.1.2 电弧的分区

2.2 基于气体动力学的磁场作用下电弧仿真的微观模型

2.2.1 基于Boltzmann方程的飘逸扩散方程

2.2.2 基于Maxwell-Stefan方程的重物质输运方程

2.2.3 泊松方程及壁面控制方程

2.3 本章小结

第3章 电弧实验平台

3.1 开关电弧实验系统的方案设计

3.2 实验平台

3.2.1 实验装置

3.2.2 电源及负载

3.3 特征量及测试方法

3.4 本章小结

第4章 纵向磁场对电弧特性的影响实验结果分析

4.1 无磁场作用时电弧开断特性及行为分析

4.1.1 实验条件

4.1.2 无磁场作用时空气电弧的动态特性及行为分析

4.2 纵向磁场对电弧行为特性及腐蚀特性的影响

4.2.1 实验条件

4.2.2 分断电流为25A时,磁场作用下电弧的行为特性

4.2.3 电弧电压和电流的变化

4.2.4 电弧的时间参数

4.2.5 开断电流的大小的影响

4.2.6 触头的烧蚀情况

4.2.7 电弧初始时刻与后期的直径

4.3 本章小结

第5章 纵向磁场对直流开关电弧等离子体弧前微观特性的影响

5.1 直流开关电弧弧前仿真模型的建立

5.1.1 简化触头模型及电路模型

5.1.2 假设条件

5.1.3 反应方程

5.1.4 边界条件

5.2 开关电器电弧初期发展过程

5.2.1 仿真参数

5.2.2 仿真结果分析

5.2.3 电弧形成过程电子能

5.3 纵向磁场作用下电弧等离子体微观参数变化

5.3.1 鞘层区域电场强度

5.3.2 空间电荷密度分析

5.3.3 弧柱的直径以及最大的电子密度

5.3.4 离子速度与电子温度

5.4 本章小结

第6章 结论

参考文献

在学研究成果

致谢