开关电弧电流零区非平衡态等离子体仿真研究现状

2017第六届新能源发电系统技术创新大会

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电力设备电气绝缘国家重点实验室（西安交通大学电气工程学院）的研究人员荣命哲、吴翊、杨飞、孙昊、纽春萍、段嘉炜，在2017年第2期《电工技术学报》上撰文，针对电弧电流零区的仿真研究对于指导断路器研发设计、提高其开断能力进而深入认识零区电弧等离子体的发展过程具有重要意义。

由于零区电弧等离子体的发展过程涉及气流、热、电磁场的共同作用，对该复杂过程的描述仍是研究工作的难点。由于电弧电流零区电弧动态行为的特殊性,研究早期提出的局部热力学平衡假设在这一阶段并不适用,预测的电弧行为与实际情况会产生一定偏差。

近年来，基于热力学非平衡及化学非平衡假设的理论研究,展现出与实验较好的吻合性,成为现今电弧电流零区仿真计算的热点。本文分别介绍基于热力学非平衡和化学非平衡假设对电弧电流零区电弧等离子体仿真建模的发展情况,以及相关实验进展,并对未来电弧电流零区电弧等离子体仿真研究做了展望。

针对断路器开断过程中产生的电弧等离子体的仿真研究既能够更直接地从微观和宏观角度揭示电弧等离子体动态行为机理，同时可以为指导断路器的研发设计、提高其开断能力提供重要的参考。因此对电弧等离子体的仿真研究一直以来都是学者们重点关注的问题。

一般来讲，断路器内部电弧等离子体的发展变化过程分为两个阶段：从触头打开产生电弧直到电弧电流过零之前的阶段称为燃弧阶段；断路器电弧电流过零之后的阶段称为熄弧阶段。

自20世纪末以来，由于磁流体动力学（Magneto Hydro Dynamic, MHD）方法的日渐成熟，以局部热力学平衡作为假设，众多学者们对燃弧阶段进行了大量的仿真研究，仿真方法已经得到了大量的实验佐证。

局部热力学平衡（LocalThermodynamic Equilibrium, LTE）假设中包含了两个基本假设，两个假设的基本判据如下。

（1）热力学平衡假设。假定了电弧内部的所有物理量均具有一个温度，其要求电子与重粒子之间的弹性碰撞过程进行充分，二者之间有着充分的能量交换，因此电子与重粒子的温度具有一致性。

（2）化学平衡假设。假定了电弧等离子体内部的所有化学反应均达到平衡，其要求电弧内部所有化学反应中进行慢的反应的特征时间远小于电弧运动的特征时间。然而在电弧电流过零期间，其涉及到的时间范围为μs量级，导致电子与重粒子之间的能量交换不充分，而且由于过零期间焦耳热输入减小，电弧温度迅速衰减，内部各种化学反应速率减慢，导致化学反应特征时间延长。

因此严格来讲，电弧电流过零期间的动态行为是一个热、化学的双重非平衡过程。迄今为止，由于电弧电流零区的复杂性，国内外对于电弧电流的开断过程仍未有完备的理论描述与具体结论。

为了更准确地描述零区电弧等离子体的发展过程，国内外研究人员尝试了以热力学非平衡和化学非平衡假设为基础的仿真研究，两个假设的主要研究内容如下。

（1）热力学非平衡假设建立在电弧电流零区电弧等离子体内部粒子数密度降低的前提下，电子在电场加速作用下获得的能量不能快速有效地通过碰撞将能量传递给重粒子，即电子温度与重离子温度不再具有一致性。需要在进行仿真计算前，对于不同温度组分的物性参数进行计算，并在仿真计算时对电子与重粒子分别考虑。

（2）化学非平衡假设建立在电弧电流零区电弧等离子体温度衰减的前提下，等离子体内化学反应速率减慢，无法维持其内部所有反应的均等性。由于化学非平衡模型的复杂性，粒子物性参数无法通过预先提供的数据表格插值获得，需要在仿真计算时的每个迭代步考虑粒子的输运方程，对物性参数进行实时更新。

对于电弧电流零区等离子体以上非平衡假设的研究为电弧计算仿真给出了提升与实验吻合程度的新的可能性，然而由于非平衡模型的复杂性，相关研究工作仍然较少，尚处在发展阶段。其中尤以化学非平衡的研究数量更为稀少，目前国内外研究学者在实验和仿真两方面仅进行了初步的尝试，距离成熟仍有一定距离。

总结与展望

本文对目前电弧电流零区的相关研究做了综述，涉及热、化学平衡及非平衡假设。为了更好地描述、解释电弧电流零区的开断过程，建立相关理论，国内外研究人员在仿真方面做了长期的工作，并进行了大量实验进行对照，对于揭示电弧等离子体动态行为机理，指导断路器的研发设计、提高其开断能力有着重要的参考价值与现实意义。

非热平衡假设下对于气体物性参数的计算在少量气体组分下与实验吻合较好，一定程度上满足了仿真计算对参数条件的要求；在电弧电流零区，基于非热平衡与非化学平衡假设展现出了比基于局域热力学平衡假设下的仿真计算更好的实验吻合性，可以更准确地估计断路器的开断能力，避免了区域热力学平衡假设所可能造成的对断路器开断能力的高估。

然而，该假设仍存在以下问题，仍需研究人员继续进行探索：

1）非平衡电弧的理论与仿真计算的模型仍需进一步完善，当下其在实际中运用的能力还需进一步提高。由于对电弧电流零区的物理过程（如电弧内部电子和重粒子辐射能量作用的过程）缺乏深刻的理解，对控制方程的形式还存在争议，限制了模型的完整性。

2）基于局域热力学平衡的仿真计算，计算开销较小，而在非平衡假设下的计算开销很大。例如：在平衡假设下只需求解 4个方程而非平衡假设下（化学非平衡）需要求解 23个方程。这对于计算机的计算能力提出了更高的要求，也迫使研究人员开发性能更为优异的算法，或找到更好的计算策略（如利用 GPGPU加速算法）。

3）实验测量手段仍显单一，快速发展的理论假设需要更为成熟更为简单可靠的实验进行验证。目前的测量手段仍存在目标数据测量不精确或控制困难（如对电弧产生位置要求较严格）等问题亟待解决。

图1 局域热力学平衡物性参数计算基本流程