隨著真空開關(guān)的廣泛應(yīng)用，對真空電弧的研究愈顯重要。由于真空電弧等離子體并未處于局部熱力學(xué)平衡態(tài)，且磁場和觸頭起關(guān)鍵作用，真空開關(guān)開斷過程的數(shù)值仿真和SF6 開關(guān)相比尚不成熟，但近年來隨著真空電弧理論的不斷完善和計算機計算能力的大幅提升而獲得了迅速發(fā)展。筆者綜述了磁流體動力學(xué)(MHD)模型、粒子模擬結(jié)合蒙特卡羅碰撞(PIC-MCC)方法、混合模型、陽極熱模型和解析模型在真空開關(guān)電弧開斷過程不同階段數(shù)值仿真中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并提出了電流零區(qū)、電極材料、極間等離子體不同區(qū)域相互作用、PIC-MCC 加速、高壓大容量和重燃機制等6 個今后有待深入研究的方向。

　　引言

　　真空開關(guān)采用真空作為滅弧及絕緣介質(zhì)，具有熄弧能力強、體積小、使用壽命長、無火災(zāi)爆炸危險、不污染環(huán)境等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于40.5 kV 及以下的中低壓配電網(wǎng)中。

　　真空開關(guān)的開斷過程是一種復(fù)雜的物理現(xiàn)象，目前對該物理過程的認(rèn)識還不完全清楚，雖然通過實驗可以測得真空電弧的部分參數(shù)及其特性，然而，單憑實驗研究尚不足以全面揭示真空電弧開斷的內(nèi)部物理過程。理解這種復(fù)雜物理現(xiàn)象唯一可行的方提假設(shè)條件下，對真空開關(guān)的開斷過程進行建模和數(shù)值仿真可綜合考慮電弧等離子體的輸運特性及相關(guān)因素的影響，有助于對實驗結(jié)果進行解釋，并可能對真空開關(guān)的開斷性能進行預(yù)測。

　　除了應(yīng)力、額定電流引起的溫升、磁場和電場強度的數(shù)值計算外，真空開關(guān)的產(chǎn)品開發(fā)基本仍處于反復(fù)試驗的水平。然而，與SF6 開關(guān)不同的是，真空開關(guān)中電弧等離子體并非處于局部熱力學(xué)平衡態(tài)，且磁場和觸頭在開斷過程中起關(guān)鍵作用，因此，真空開關(guān)開斷過程的數(shù)值仿真要復(fù)雜得多，與SF6 開關(guān)相比尚不成熟。然而，近年來隨著真空電弧理論的不斷完善和計算機計算能力的大幅提升，真空開關(guān)電弧開斷過程的數(shù)值仿真方法獲得了迅速的發(fā)展。文中綜述了磁流體動力學(xué)(MHD)模型、粒子模擬結(jié)合蒙特卡羅碰撞(PIC-MCC)方法、混合模型、陽極熱模型和解析模型在真空開關(guān)電弧開斷過程數(shù)值仿真中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并提出了一些可能的研究方向。

1、真空開關(guān)電弧開斷過程的物理描述

　　真空開關(guān)的開斷過程實質(zhì)上即為真空電弧的產(chǎn)生和熄滅過程，主要包括電弧引燃、控制、熄滅及弧后介質(zhì)強度恢復(fù)等幾個階段，見圖1。

圖1 真空開關(guān)電弧開斷過程的不同階段

　　真空開關(guān)分?jǐn)嘟涣麟娐窌r，觸頭可以在正弦電流半波的任意時刻分開。圖1 中為了方便起見，假設(shè)觸頭在電流剛過零后分開。圖1 中：Iarc 為電弧電流，Uarc 為電弧電壓， 大電流時有明顯的噪聲；Tsurf 為觸頭表面溫度，Tsurf,I=0、Tsurf,crit 分別為電流過零及成功開斷對應(yīng)的觸頭表面溫度，當(dāng)Tsurf,I=0<Tsurf,crit 時，電流開斷成為可能；TMF(transverse magnetic field)為橫向磁場，AMF(axial magnetic field)為縱向磁場；Ipost-arc 為弧后電流；Utrv 為電流過零后開關(guān)兩端瞬態(tài)恢復(fù)電壓(transient recovery voltage, TRV)；Ub 為弧后介質(zhì)恢復(fù)過程中真空間隙的擊穿電壓。

　　1.1、 電弧引燃(引弧)

　　在真空滅弧室觸頭剛分離的瞬間， 電流將收縮到觸頭剛分離的某一點或數(shù)點上，表現(xiàn)出電阻的劇烈增大和溫度的迅速升高， 觸頭被加熱以致發(fā)生金屬材料的蒸發(fā)，同時形成極高的電場強度，導(dǎo)致強烈的場致發(fā)射和間隙的擊穿，繼之形成起始的真空電弧；同時出現(xiàn)高電流密度的陰極斑點， 一般在10 kA/cm2以上，使陰極表面局部區(qū)域的金屬材料不斷熔化和蒸發(fā)，以維持真空電弧。電弧引燃后，電極間隙內(nèi)的空間很快被擴散的(由部分電離的金屬蒸氣組成)等離子體充滿，成為一個良導(dǎo)體。

　　由于觸頭打開后液態(tài)金屬橋爆炸過程非常復(fù)雜，部分機制仍不清楚，故后文將不再對引弧過程進行討論。

　　1.2、電弧控制(燃弧)

　　真空電弧的特性取決于電弧控制技術(shù)，控制電弧的目的在于把電弧熱量均勻地分布在觸頭表面上避免觸頭的局部過熱。真空電弧控制技術(shù)有TMF 和AMF 兩種。采用TMF 真空電弧控制技術(shù)時，允許電弧處于集聚狀態(tài)，但此集聚電弧必需在洛倫茲力的作用下在觸頭表面運動，以防止觸頭表面局部發(fā)生嚴(yán)重熔化。采用AMF 真空電弧控制技術(shù)時，電弧在所處的位置保持穩(wěn)定，但在磁流體動力學(xué)效應(yīng)的作用下在觸頭上散開。

　　在電流半波的末尾，電弧形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樾‰娏髂Ｊ剑�在TMF 作用下呈擴散電弧形態(tài)，在AMF 作用下呈多陰極斑點電弧形態(tài)，陰極斑點的運動受到AMF的控制在觸頭表面均勻分布。

　　真空電弧主要由陰極斑點與混合區(qū)、弧柱區(qū)和陽極區(qū)3 部分組成。當(dāng)電弧電流不大且施加相應(yīng)的AMF 時，弧柱處于擴散態(tài)，此時電弧等離子體幾乎全部由陰極斑點發(fā)射，陽極僅為被動的粒子接收者。隨著電弧電流增大，弧柱收縮進一步加劇，注入陽極的能流密度不斷增大且其不均勻性增加，陽極開始變得活躍，陽極斑點開始出現(xiàn)并成為極間等離子體新的來源。

　　1.3、電弧熄滅及弧后介質(zhì)強度恢復(fù)

　　電流過零時真空間隙中仍然存在許多殘余粒子，包括電子、離子、金屬蒸氣和金屬液滴等。電流過零后，TRV 施加到觸頭間隙兩端時，就會使觸頭間的殘余電荷發(fā)生定向移動，形成弧后電流；殘余帶電粒子由于電場作用而產(chǎn)生分離，在陽極附近形成空間電荷鞘層。當(dāng)弧后電流消失，全部的帶電粒子也已經(jīng)被吸收的情況下，介質(zhì)強度的快速恢復(fù)階段就達(dá)到其最終值，之后金屬蒸氣開始起決定性作用。只有當(dāng)過零時觸頭表面溫度及釋放的金屬蒸氣密度降到足夠低且殘余電荷密度不超過臨界值時， 才不會導(dǎo)致電弧的重燃。

2、結(jié)語

　　國內(nèi)外近年來對真空開關(guān)電弧開斷過程的數(shù)值仿真方法開展了許多工作，但仍有以下一些問題有待深入研究：

　　1)關(guān)于電流零區(qū)等離子體發(fā)展過程的仿真研究較少，模型一般也較為簡化，需要進一步研究。

　　2)當(dāng)前仿真中電極材料多為銅，而實際的滅弧室中電極材料大多為合金材料，這在以后的模型中需要進一步考慮。

　　3)當(dāng)前的模型中僅將陰極區(qū)域和陽極鞘層區(qū)域作為計算弧柱等離子體參數(shù)的邊界，而實際的物理過程中這3 個區(qū)域可能會相互作用，這也將是以后真空電弧建模需要解決的重要問題。

　　4)PIC-MCC 模擬的計算量過大，計算時間過長，有些復(fù)雜問題仍無法進行2 維及3 維求解，需要采用相關(guān)技術(shù)加速PIC-MCC 模擬過程，如采用隱式推進、并行計算技術(shù)等。

　　5)高壓、大容量是真空開關(guān)的發(fā)展方向，目前長真空間隙和更大電流開斷條件下的真空電弧數(shù)值仿真研究仍比較缺乏，需要加強研究。

　　6)真空開關(guān)的重燃機制目前仍不是非常明確，需要更好的數(shù)值仿真來研究該問題。