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高壓直流繼電器是一種具有高功率處理能力的控制電器，被廣泛應(yīng)用于新能源領(lǐng)域。分?jǐn)嘀绷鞔箅娏鬟^(guò)程中產(chǎn)生強(qiáng)烈的電弧是導(dǎo)致高壓直流繼電器電氣壽命普遍不高的主要原因。高壓直流繼電器主要滅弧方式是磁吹滅弧，大功率繼電器還充入氣體介質(zhì)以提高滅弧性能。

不同的滅弧措施對(duì)燃弧過(guò)程有不同的影響，進(jìn)而影響滅弧的可靠性。提高高壓直流繼電器電壽命的關(guān)鍵在于使電弧平穩(wěn)、快速地離開(kāi)觸頭表面，減小電弧對(duì)觸頭表面的燒蝕。因此，研究不同條件下的直流電弧運(yùn)動(dòng)特性具有重要意義。

近些年，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于磁流體動(dòng)力學(xué)（Magnetohydrodynamics, MHD）的磁流體仿真已經(jīng)成為電弧研究的重要手段。

• 有學(xué)者建立了三維模型，利用流體控制方程和麥克斯韋方程對(duì)磁場(chǎng)作用下的電弧進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并給出了電流密度分布方程和弧根中心坐標(biāo)的計(jì)算方法，通過(guò)弧根位移曲線量化觸頭的燒蝕程度。
• 有學(xué)者采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，針對(duì)觸頭分?jǐn)鄤?dòng)作過(guò)程中的空氣電弧進(jìn)行了仿真分析。
• 有學(xué)者以斷路器為研究對(duì)象，對(duì)不同燃弧位置、滅弧室寬度等因素對(duì)于電弧運(yùn)動(dòng)的影響進(jìn)行仿真分析。
• 有學(xué)者對(duì)密封充氣繼電器的電弧進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)，得到了提高氣體壓強(qiáng)、增大外加磁場(chǎng)有利于熄弧的結(jié)論，也對(duì)存在銀蒸氣情況下的電弧進(jìn)行分析。
• 在電弧實(shí)驗(yàn)研究方面，有學(xué)者采用基于直線電機(jī)的電弧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)不同磁場(chǎng)及電流條件下的燃弧時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。
• 為避免電弧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中觸頭分?jǐn)嗨俣扰c實(shí)際電器的差異，有學(xué)者對(duì)實(shí)際繼電器的電弧光學(xué)特性和光譜特性進(jìn)行分析。
• 有學(xué)者對(duì)繼電器樣機(jī)在不同磁場(chǎng)下弧根運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。
• 有學(xué)者對(duì)直流電弧運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的重?fù)舸┈F(xiàn)象進(jìn)行了研究分析。
• 有學(xué)者利用彩色高速攝像機(jī)和光譜分析儀進(jìn)行聯(lián)合測(cè)溫，得到電弧溫度場(chǎng)空間分布隨時(shí)間的變化規(guī)律。
• 有學(xué)者利用高速攝像機(jī)拍攝電弧圖像，并提取了陰極、陽(yáng)極弧根運(yùn)動(dòng)軌跡。
• 有學(xué)者則提出了弧根三維運(yùn)動(dòng)特性的研究方法。

由于高壓直流繼電器結(jié)構(gòu)緊湊，觸頭開(kāi)距小，直流電流開(kāi)斷困難，尋求有效的滅弧措施是優(yōu)化高壓直流繼電器的重要環(huán)節(jié)。福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院的研究人員以額定電壓為150V，額定電流為100A的某型號(hào)高壓直流繼電器為研究對(duì)象，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 高壓直流繼電器結(jié)構(gòu)

圖12 電弧測(cè)試系統(tǒng)示意圖

研究者利用ANSYS Fluent軟件對(duì)電弧進(jìn)行仿真分析，研究磁場(chǎng)和銀蒸氣對(duì)電弧電壓和電弧運(yùn)動(dòng)特性的影響。由于目前該類型繼電器采用簡(jiǎn)單的磁吹方法進(jìn)行滅弧，滅弧能力有限，因此本文在繼電器內(nèi)部增設(shè)縱向柵片，對(duì)電弧特性進(jìn)行研究，為提高電壽命和可靠性提供理論依據(jù)，并得到如下結(jié)論：

• 1）當(dāng)觸頭間隙中銀蒸氣濃度較高時(shí)，電弧電壓較小，并阻礙了電弧的運(yùn)動(dòng)。
• 2）對(duì)縱向柵片對(duì)電弧的影響進(jìn)行了仿真計(jì)算，結(jié)果表明，增設(shè)縱向柵片可以提高電弧電壓，有效加速滅??；縱向柵片的存在還阻礙了電弧向器壁運(yùn)動(dòng)，有效防止了電弧對(duì)器壁的燒蝕。
• 3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在磁場(chǎng)作用下，電弧燃弧后弧根運(yùn)動(dòng)可分為兩個(gè)階段：第一階段，隨機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)間內(nèi)沒(méi)有明顯的大范圍移動(dòng)，是對(duì)觸頭表面造成燒蝕的主要時(shí)期；第二階段，弧根進(jìn)行方向性運(yùn)動(dòng)，直到運(yùn)動(dòng)到觸頭邊緣。增大磁場(chǎng)強(qiáng)度有利于縮短隨機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)間。

以上研究成果發(fā)表在2019年第22期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“高壓直流繼電器電弧運(yùn)動(dòng)仿真分析與實(shí)驗(yàn)研究”，作者為曹啟純、劉向軍。