直流电弧运动过程中重击穿现象及机理研究

翟国富　薄　凯　李庆楠　周　学　陈　默　焦　通

(1.哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院　哈尔滨　150001 2.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院　沈阳　110000)

直流电弧运动过程中重击穿现象及机理研究

翟国富1薄凯1李庆楠1周学1陈默1焦通2

(1.哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院哈尔滨150001 2.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院沈阳110000)

摘要研究了桥式双断点触头在不同电压下分断直流阻性回路电弧运动过程中重击穿的特性参数。采用高速摄像机拍摄了电弧及重击穿图像。利用光谱仪测量了电弧运动过程中弧柱所经过区域的平均温度。研究了电压与重击穿发生的关系。基于一组漂移扩散方程耦合电场泊松方程，建立了小间隙(2 mm)中考虑电弧运动期间弧柱所经过区域残留金属蒸气的直流(电压等级200～500 V)重击穿放电形成过程的微观数学模型。通过仿真结果得到了重击穿的形成过程及微观参数，同时分析了弧柱所经过区域的初始温度和电压对重击穿放电形成过程的影响。很好地解释了重击穿形成过程中鞘层、弧前预击穿导电通道的形成机理。

关键词：重击穿直流电弧微观机理阻性负载低压开关

0引言

电弧是开关电器使用中不可回避的一种现象，电弧的产生会严重侵蚀触头，甚至会烧毁触头或使触头熔焊，造成可靠性降低或接触失效，缩短开关电器的使用寿命[1-4]。当开关电器动静触头分开时会在触头间的介质中产生电弧，随后电弧在外界磁场的作用下使弧根在电极上快速移动，弧柱逐渐拉长、弯曲变形，并最终熄灭。在电弧的弧柱变形、运动过程中，触头间隙或附近区域会出现局部的重击穿放电现象。弧隙重击穿，将延长燃弧时间，是增加触头磨损、降低电寿命及可靠性的重要影响因素。因此，对重击穿过程和产生机理的认识，可进一步提高电器灭弧性能，缩短燃弧时间，提高产品的使用寿命和可靠性。

直流电弧现象的研究工作与调控技术的发展是直流开关电器的核心和关键所在。直流电弧的研究主要分为仿真和实验两个方面[5，6]：文献[7]基于磁流体动力学理论，通过数值计算的方法研究了中压直流断路器触头系统转移过程中的电弧等离子体的行为特性，文献[8]研究了直流感性负载条件下分断速度对AgSnO2触头分断电弧特性。

直流电弧运动过程中，弧柱所经过区域从本质上说，不存在电流，弧隙中所存在的只是局部温度较高的气体和少量金属蒸气。此时若弧隙的电场强度足够高，间隙被击穿而使局部电弧重燃。由于这一原因引起的重燃称为电击穿。国内外学者以往更关注灭弧室中存在栅片等灭弧装置的断路器、接触器中的电弧背后击穿现象[9，10]。文献[11]在直流450 V/10 A条件下发现了重燃多弧柱的现象，研究了银触头间的重燃频率与外施磁场和电场的关系。文献[12]研究了直流730 V下重击穿现象及电弧旋转过程中的重燃现象。

目前对直流电弧重击穿放电形成机理的研究，尤其是在直流大功率继电器的桥式触头分断电弧过程中的重击穿现象的相关报道还很少。本文针对直流大功率继电器桥式触头在永磁体横向磁场吹弧过程中出现的重击穿现象进行了研究，通过实验总结了相关特征，并结合仿真对重击穿的机理进行了解释。首先，在不同电压条件下进行了分断电弧实验，发现了电弧与触头间的重击穿现象，总结了重击穿的特点及电压与重击穿发生概率之间的规律；其次，为获取重击穿过程内部微观参数，分析重击穿放电的电击穿形成机理及其影响因素，采用有限元软件COMSOL Multiphysics求解气体放电流体力学模型中的漂移扩散方程和电场的泊松方程，对重击穿气体放电过程进行了仿真模拟计算。目前利用该软件求解气体放电的流体力学模型已得到了学术界的认可[13-17]。求解了铜触头氮气电弧重击穿放电的预击穿阶段，预击穿导电通道的形成过程及鞘层的形成过程。计算了电子、离子数密度分布等微观物理参数的时变规律。并从微观角度分析了不同电压、弧柱所经过区域的不同初始温度对电弧重击穿形成过程微观粒子参数的影响。本文为揭示直流电弧重击穿放电机理提供了参考。

1实验方法

实验系统采用永磁保持直动式高速分断电弧实验装置，该实验装置是基于直流大功率继电器的桥式结构触头实际产品设计[12]。实验电路如图1所示，采用大功率直流可调电源TN-KGZ01(电压输出范围为0～1 000 V)向电路供电，实验电路中Us分别设置为300 V、350 V、400 V、500 V、550 V、600 V、650 V、700 V、800 V，每一电压等级下重复进行50次分断电弧实验。负载R为20个0.675 Ω/60 kW的电阻组成可调电阻，其电感小于10 μH，通过调节电阻值保证分断的电流为50 A。采用KT500 A型磁平衡式电流传感器测量电弧的电流，采用ZGV100-1 000 V电压传感器采集触头间的电压。AD采集卡负责采集、记录电弧电压和电流数据，采样频率为2.5 MHz。利用HR400光谱仪测量电弧运动过程中弧柱经过区域的平均温度。光谱仪识别经光纤传输的电弧等离子体的光强信号，光谱仪的识别范围是200～1 100 nm，分辨率为1.0 nm，高速模式下每秒钟可获得1 000个完整的光谱。利用PhantomV7.3型高速摄像机拍摄电弧图像。

图1　实验电路示意图Fig.1　Schematic diagram of experiment circuit

2实验结果

2.1重击穿类型

根据电弧运动过程中，弧柱所经过区域重击穿放电发生的空间位置，在综合考虑电弧等离子体电极属性基础上，本文将重击穿分为以下两种：

1)触头间隙的重击穿，包括阳极侧重击穿、阴极侧重击穿及混合重击穿，如图2所示。触头间的重击穿造成电弧电压大幅骤降，严重增加燃弧时间，加剧触头的侵蚀，缩短开关电器的电寿命。

2)触头与电弧等离子体之间的重击穿，电弧等离子体与触头之间的击穿放电形成放电通道，电弧呈局部分叉的形态，如图3所示。

图2　触头间隙重击穿电弧图像Fig.2　Photos of restriking between contacts

图3　电弧与触头间重击穿电弧图像Fig.3　Photo of restriking between contact and arc

这种重击穿是直流大功率继电器桥式双断点触头中特有的现象。该重击穿会对触头边缘造成严重烧蚀，同时在灭弧室内形成大面积燃弧区域，给直流大功率继电器灭弧室内部其他零部件带来严重侵蚀甚至爆炸的隐患。

2.2重击穿放电过程分析

图4为一次分断过程中，弧柱所经过区域发生重击穿放电的电弧图像，图5为电弧电压曲线。通过二者的对比可发现，图4中2.528 ms时刻阴极侧发生电弧重击穿，2.87 ms时刻近阳极侧发生电弧重击穿，3.67 ms时刻发生电弧等离子体与阳极触头间的重击穿。弧柱所经过的区域，高温游离气体不能立即消散，残留的离子、电子和高能中性粒子及金属蒸汽需要一定的时间才能扩散到周围空间，降低了弧隙的绝缘强度。电弧在运动过程中，弧根沿触头表面快速移动，弧柱逐渐弯曲变形、长度增长，电弧电压相应增大。这一电弧电压作用于动静触头间，触头间的电场强度在电弧电压的作用下增大，以致将弧隙重新击穿。新的电弧放电通道与原有电弧等离子体形成并联通路，造成电弧电阻骤降，电弧电压瞬时大幅跌落，如图5中1、2标注时刻。触头间隙的重击穿现象造成电弧电压骤降，这与文献[18]中的规律一致。

图4　一次典型分断过程重击穿电弧图像Fig.4　Photo of restriking in a typical breaking

图5　电弧电压波形Fig.5　Photo of the arc voltage

图4中，3.59 ms时刻电弧等离子体与触头间隙形成预击穿放电，其放电通道为弱发光等离子体；3.67 ms时刻为预击穿放电转变为电弧放电等离子体，放电通道跃变为弧光放电。电弧等离子体呈局部分叉状态，局部电弧呈并联，导致电弧电阻减小，电弧电压相应降低，如图5中标注3所示。

直流电弧的电弧电压由两部分组成，电弧等离子体弧柱电压Ucolumn和近电极区电压(包括近阳极电压Ua和近阴极电压Uc)。根据文献[19]中铜触头近电极区的电势差约为16.5 V，将本文中近阳极区和近阴极区的电压进行简化处理。电弧等离子体弧柱区域类似金属电阻，即每一单位长度上的电压降基本相等，电势差与弧长呈线性关系。通过对上述稳定燃弧阶段电弧电压的统一处理，建立稳定燃弧阶段电弧电压分段模型，通过对电弧图像进行处理[2]，提取电弧边缘轮廓如图6所示。通过计算得到电弧等离子体与触头发生重击穿位置与阳极表面间的电势差U约为184.5 V。该电势差是电弧等离子体与触头间发生重击穿的必要条件之一。

图6　电弧电压分布Fig.6　Arc voltage distribution

2.3不同电压等级下重击穿的概率

重击穿放电具有随机性，因此，在说明不同电压等级下的重击穿概率时，重击穿发生概率按如下步骤进行计算：在每一电压等级下，电流保持50 A不变，反复进行50次分断电弧实验；根据电弧电压曲线结合高速摄像机拍摄到的电弧图片现象判断是否发生重击穿；出现前文描述的两类重燃的任何一种情况则计为该次分断发生重燃，单次分断电弧中出现多次重燃按一次重燃进行统计。

重燃概率P计算公式为

式中，N0为重击穿出现的次数；N为相同条件实验的次数(50次)。

图7为触头间施加不同电压下，重燃发生概率的统计。由图可见，电压由300 V提高到800 V，重击穿发生的的概率从24%提高到82%。随着电压的增大，发生重击穿的概率明显变大。

图7　不同电压下的重击穿概率Fig.7　Restriking probability under different voltage

3仿真分析

3.1物理特性

重击穿的本质为电弧运动过程中，弧柱所经过区域的介质恢复强度未能承受电弧电压的作用而被重新击穿放电。这里的电弧电压根据前文重击穿类型的不同也分为两种：一是通过弧根的联系反作用到触头间隙两端，二是电弧发生大幅度变形在电弧等离子与触头之间形成电势差。

重击穿放电过程产生的根本原因是带电粒子在输运过程中与中性粒子及电极表面发生碰撞，从而引发空间电荷雪崩状增长所致。考虑到触头表面因燃弧留下的微小金属颗粒、微凸起、毛刺或金属屑等，当触头间电压升高时，电场在这些位置将呈明显集中增强的趋势，引起电子场致发射；场致发射电流会使触头表面局部发热、甚至熔化蒸发出少量金属蒸气。带电粒子在电场的作用下作迁移运动，电子的迁移速度比非电子粒子(主要包括正离子和中性粒子)大两个数量级，通过漂移扩散方程和电场的泊松方程的求解来描述电子、离子以及中性粒子的迁移运动情况。此外，弧柱所经过的区域残留的少量金属蒸气等高温气体是导致介质恢复强度下降的主要因素。

3.2控制方程

数值模型基于等离子体放电的流体力学模型[13-17]，根据玻尔兹曼输运方程和化学反应动力学的Arrhenius关系[20]，采用一组电子和非电子粒子(主要包括正离子、负离子和中性粒子)的漂移扩散方程耦合电场的泊松方程[21-23]对本文研究的重击穿放电问题进行数学描述，并构建二维平板电极模型求解计算重击穿放电的初始阶段、电击穿作用下的预击穿放电通道及近极区鞘层的形成过程。

电子的运动由电子的连续性方程和电子的能量守恒方程来描述，如式(1)和式(2)所示。非电子粒子的运动由漂移扩散近似算法得到的连续性方程式(3)来描述。

(1)

E[-ne(μeE)-μeTe·

(2)

(3)

式中，ne为电子密度；nε为电子能量密度；μe为电子迁移率；De为电子扩散率；E为电场强度；Te为电子温度；M为电子与中性粒子的弹性碰撞次数；P为电子与中性粒子的非弹性碰撞次数，一般情况下P≫M；xj为反应j中靶物质的摩尔分数；kj为反应j比率系数；Nn为全部中性粒子数密度；Δεj为反应中能量损失；Rk为粒子的扩散表达式；ρm为混合物质的密度；jk为扩散通量；ωk为质量分数；u为平均电子能量。上述方程中的源项取决于电弧等离子体化学反应系数。

触头间的电场分布通过耦合泊松方程(4)进行求解

-·(ε0εγV)=ρ

(4)

式中，V为电位；ε0、εγ分别为真空介电常数、相对介电常数；ρ为空间电荷密度。

电子、非电子粒子的扩散作用，粒子能量流动和能量扩散通过以下一系列方程进行求解。

De=μeTe

(5)

Dε=μτTτ

(6)

(7)

(8)

(9)

式中，q为单位电荷带电量；m为电子质量；Dε为离子扩散率；λ为电荷平均自由行程。

采用双谱线法测量得到了电弧运动过程中，弧柱所经过的区域在发生重击穿之前的平均温度为3 800～4 600 K，具体测温过程、数据处理与文献[24]中一致。因此，仿真的初始温度设置为3 000 K、4 000 K和5 000 K。由于电弧运动过程中，弧柱所径过的区域已经发生过电弧等离子放电，初始电子浓度取值1013m3，初始电子浓度满足玻尔兹曼分布[14，15，21]。根据实验获得的电弧电压数据，仿真模型触头间电压设置为200 V、300 V、400 V和500 V。电压通过耦合与实验中一致的外电路进行联合求解计算。

仿真几何模型如图8所示。仿真模型为二维平板电极结构，考虑了电弧侵蚀造成触头形成的微小凸起，其尺寸根据电镜扫描获得的触头表面形貌进行简化处理；电极间距、电极直径根据实验中触头实际尺寸测量获得；仿真中考虑了弧柱所经过的区域残留的少量金属蒸气，涉及到的铜、氮的粒子碰撞截面数据来自文献[25，26]的实验结果。

图8　仿真模型Fig.8　The simulation model

表1　碰撞反应

表2　电极表面的过程

仿真计算只为获得重击穿放电形成阶段的物理过程并分析影响因素，所以对触头间重击穿过程进行了简化处理并建立数学模型，不包含重击穿电弧放电等离子体形成后触头运动、电弧运动及电弧熄灭过程。只计算了电弧从触头表面移出后电弧电压反作用于触头间隙，在该电势差作用下触头间隙被重新击穿，放电等离子体导电通道的形成过程。

3.3仿真结果分析

3.3.1重击穿过程形成机理分析

图9为极间轴向触头间电势分布。电弧在运动过程中，弧柱不断拉长、弯曲变形，弧根在触头表面快速移动。电弧电压反作用于触头间隙，在电弧电压作用下，触头间弧柱所经过的区域电场强度相应变大。电子在电场的作用下作迁移运动，大量电子与非电子粒子碰撞电离引发电子崩，空间电荷呈“雪崩式”增加。电子高速撞击阳极表面，正离子撞击阴极表面，在碰撞电离达到一定程度时，将引起电极表面发射二次电子。由于电子的迁移速度比正离子大两个数量级，电子崩向前发展过程中，正离子相对滞后，使正离子密度在近极区附近逐渐出现较为集中的区域。

近极区的空间电荷会对原有的电场造成畸变，如图9所示。经过近极区畸变电场加速的高能电子与中性粒子、正离子不断碰撞电离，电子能量逐渐增加，同时碰撞过程中的能量损失使电子的能量逐渐趋于稳定。这些电子与正电荷形成局部等离子体区域，等离子体内部的电子为能量相对集中的稳定的分布，极板间的电势差逐渐集中到近阴极区域，如图9所示。

随着局部等离子体集中区域的扩展集中，最后形成贯通整个触头间隙的预击穿放电通道，预击穿放电过程基本完成。图10为触头间隙被重新击穿时刻的铜离子密度分布图，图11为对应时刻电子密度分布图。空间局部带电粒子数达到一个相对稳定的水平，初步形成自持放电，从而在触头间形成稳定的阴极鞘层和预击穿放电等离子体。

图9　电势轴向分布Fig.9　The electric potential axis distribution

图10　Cu+离子分布图Fig.10　The Cu+density

图11　电子密度分布Fig.11　The electron density

预击穿完成后，随着放电通道电流密度的增加，近极区鞘层的电场强度不断加强，触头两端的电势差逐渐集中在鞘层附近。当鞘层两端的电压上升至将近极区击穿时，近极区鞘层消失，弧隙电阻急剧减小。导致近极区压降的大幅降低，电弧电压出现相应骤降，热击穿将取代电击穿过程主导放电过程，预击穿放电将转变为电弧等离子体放电。即实验部分如图4中3.67 ms时刻的图像，导电通道转变为强光电弧放电，重击穿电弧放电最终形成。

3.3.2电压对重击穿过程影响

图12为不同电压下触头间预击穿导电通道形成时刻轴向电子密度分布，随着电压的增加，弧隙预击穿导电通道形成时刻的电子密度明显增大。由图12可见，电压由400 V增加到500 V时，轴向电子密度峰值增加。

图12　不同电压下轴向电子密度分布Fig.12　The axis electron density at different voltage

触头间电压增加一方面导致预击穿阶段近极区鞘层区域内电场强度变大，有利于电子经过鞘层过程中快速积累能量，导致电子碰撞电离的加剧，电子浓度增加，促进电子崩的发展，二次电子崩更容易发生，维持了碰撞电离发展，有利于重击穿的形成。另一方面，触头间电压增加同时也造成了预击穿阶段近极区鞘层区域承受的电压相应增大，鞘层被击穿的概率增加，这将增加预击穿放电通道转变为电弧放电的可能性。因此，随着电压的增加，重击穿发生的概率将变大。仿真结果基本上反映了上述实验数据中图7中的变化趋势。

3.3.3温度对重击穿过程影响

电弧运动过程中，弧柱所经过区域的初始温度是重击穿放电形成的重要影响因素之一。随着温度的增加，电子的无序性加强，电子与其他粒子发生碰撞的几率增加，发生电离的概率增大，产生电子、正离子等带电粒子的密度大幅增加。由图13可见，随着初始温度的增加，轴向电子密度增大。在近极区形成稳定的正离子鞘层，鞘层区域的电子数密度相对较低。原因是电极表面因金属屑、毛刺或倒角等形成局部强电场，引起电极表面场电子发射，电子通过正离子鞘层的加速到达预击穿导电通道区域。由于放电是在大气压条件下进行，碰撞电离后的电子、离子和中性粒子温度近似相等。当弧柱所经过区域的初始温度增加时，残留高温气体、残留局部电离气体及金属蒸气使重击穿过程中的电离程度得到了加强，导电通道内高密度粒子使电子在运动过程中更容易获得能量，高能粒子大幅增加。大量高能电子会增加电离的概率，促进局部击穿放电的发生和发展，对电弧弧柱所经过区域的介质强度恢复造成了不利条件。

图13　不同初始温度下轴向电子密度分布Fig.13　The axis electron density at different temperature

4结论

本文通过实验研究了直流阻性负载回路条件下，直流大功率继电器中桥式双断点触头分断电弧及电弧运动过程中弧柱所经过区域重击穿放电的现象。为了探究重击穿放电的物理机理，仿真计算了重击穿过程的相关微观参数，分析了不同初始温度和电压对重击穿放电过程的影响，得到如下结论：

1)通过实验发现随着电压的增大，分断电弧过程中发生重击穿的概率越大，电压由300 V提高到800 V，发生重击穿放电的概率从24%增长至82%。

2)基于仿真计算将重击穿的放电过程分为预击穿阶段、鞘层阶段和电弧放电阶段。

3)直流电弧重击穿放电的根本原因主要是弧隙残留的金属蒸气或高温气体在足够高的局部电场强度下发生击穿放电。其中局部高电场强度形成的原因包括触头表面(金属屑、毛刺或倒角等)、电弧与触头局部相互作用。

4)降低电弧运动过程中弧柱所经过区域的温度，可大幅减少预击穿导电通道的电子密度，缩小高能电子的分布区域，有利于抑制重击穿过程中预击穿放电导电通道的形成。

参考文献

[1]荣命哲，杨飞，吴翊，等.直流断路器电弧研究的新进展[J].电工技术学报，2014，29(1)：1-9.

Rong Mingzhe，Yang Fei，Wu Yi，et al.New developments in switching arc research in DC circuit breaker[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2014，29(1)：1-9.

[2]辛超，武建文.直流氢气-氮气混合气体电弧开断过程实验研究[J].电工技术学报，2015，30(13)：117-124.

Xin Chao，Wu Jianwen.Experimental study on the breaking process of DC hydrogen-nitrogen mixed gas arc[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2015，30(13)：117-124.

[3]翟国富，周学，杨文英.纵向与横向磁场作用下分断直流感性负载时的电弧特性实验[J].电工技术学报，2011，26(1)：68-74.

Zhai Guofu，Zhou Xue，Yang Wenying.Experiment on DC inductive arcs driven by axial and transverse magnetic fields[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2011，26(1)：68-74.

[4]翟国富，王其亚，程贤科，等.常温和高温环境下电磁继电器触点侵蚀及失效模式分析[J].电工技术学报，2010，25(9)：80-86.

Zhai Guofu，Wang Qiya，Cheng Xianke，et al.Contact erosion and failure mode analysis of electromagnetic relay under the circumstance of room and high temperatures[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2010，25(9)：80-86.

[5]吴翊，荣命哲，王小华，等.触头打开过程中低压空气电弧等离子体的动态分析[J].电工技术学报，2008，23(5)：12-17.

Wu Yi，Rong Mingzhe，Wang Xiaohua，et al.Dynamic analysis of low-voltage air arc plasma during contact opening process[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2008，23(5)：12-17.

[6]Al-Amayreh M I，Hofmann H，Nilsson O，et al.Arc movement inside an AC/DC circuit breaker working with a novel method of arc guiding：part II—optical imaging method and numerical analysis[J].IEEE Transactions on Plasma Science，2012，40(8)：2035-2043.

[7]Yang Fei，Ma Ruiguang，Wu Yi，et a1.Numerical study on arc plasma behavior during arc commutation process in direct current circuit breaker[J].Plasma Science and Technology，2012，14(2)：167-171.

[8]Hasegawa M.Influences of contact opening speeds on break arc behaviors of AgSnO2contact pairs in DC inductive load conditions[J].IEICE Technical Report，2014，114(342)：161-164.

[9]Ma Ruiguang，Rong Mingzhe，Yang Fei，et al.Investigation on arc behavior during arc motion in air DC circuit breaker[J].IEEE Transactions on Plasma Science，2013，41(9)：2551-2558.

[10]Fievet C，Petit P，Perrin M Y，et al.Residual conduction in low voltage circuit breaker[C]//The 11th International Conference on Gas Discharges and Their Applications，Tokyo，1995.

[11]Ono H，Sekikawa J.Arc length of break arcs magnetically blown-out at arc extinction in a DC 450 V/10 A resistive circuit[J].IEICE Transactions on Electronics，2013，E96-C(9)：1132-1137.

[12]Zhou Xue，Cui Xinglei，Chen Mo，et al.Experimental study on arc behaviors of a bridge-type contact when opening a resistive load in the range of from 280 V DC to 730 V DC[C]//IEEE 60th Holm Conference on Electrical Contacts，New Orleans，LA，2014：1-7.

[13]Liu Xinghua，He Wei，Yang Fan，et al.Numerical simulation and experimental validation of a direct current air corona discharge under atmospheric pressure[J].Chinese Physics B，2012，21(7)：368-377.

[14]Sima Wenxia，Peng Qingjun，Yang Qing，et al.Study of the characteristics of a streamer discharge in air based on a plasma chemical model[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2012，19(2)：660-670.

[15]彭庆军，司马文霞，杨庆，等.初始电子浓度对空气中针板间隙正极性流注放电的影响[J].高电压技术，2013，39(1)：37-41.

Peng Qingjun，Sima Wenxia，Yang Qing，et al.Influence of initial electron concentration on positive streamer discharge in pin-plate air gap[J].High Voltage Engineering，2013，39(1)：37-41.

[16]张文茹.氩气放电的流体力学模拟及其COMSOL软件的验证[D].大连：大连理工大学，2013.

[17]张赟，曾嵘，黎小林，等.大气中短空气间隙流注放电过程数值仿真[J].中国电机工程学报，2008，28(28)：6-12.

Zhang Yun，Zeng Rong，Li Xiaolin，et al.Numerical simulation on streamer discharge of short air gap of atmospheric air[J].Proceedings of the CSEE，2008，28(28)：6-12.

[18]陈旭，陈德桂.低压限流断路器背后击穿现象的数值模拟研究[J].中国电机工程学报，2000，20(3)：16-19.

Chen Xu，Chen Degui.Research on simulation of the back commutation in low-voltage current-limiting circuit breaker[J].Proceedings of the CSEE，2000，20(3)：16-19.

[19]吴翊，荣命哲，杨飞，等.引入6波段P-1辐射模型的三维空气电弧等离子体数值分析[J].物理学报，2008，57(9)：5761-5766.

Wu Yi，Rong Mingzhe，Yang Fei，et al.Introduction of 6-band P-1 radiation model for numerical analysis of three-dimensional air arc plasma[J].Acta Physica Sinica，2008，57(9)：5761-5766.

[20]Richley E，Tuma D T.On the determination of particle concentrations in multi-temperature plasmas[J].Journal of Applied Physics，1982，53(2)：8537-8542.

[21]李静，于秋婷，曹云东.金属蒸气电弧弧前形成过程及影响因素[J].沈阳工业大学学报，2013，35(5)：492-497.

Li Jing，Yu Qiuting，Cao Yundong.Pre-arc formation process of metal vapor arc and its influencing factors[J].Journal of Shenyang University of Technology，2013，35(5)：492-497.

[22]薄凯.真空动态电弧微观机理研究[D].沈阳：沈阳工业大学，2014.

[23]李静，曹云东，侯春光，等.交流电弧微观动态形成机理及影响因素[J].电工技术学报，2015，30(17)：45-54.

Li Jing，Cao Yundong，Hou Chunguang，et al.Microscopic dynamic formation mechanism and influencing factors of AC vacuum arc[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2015，30(17)：45-54.

[24]Chen Mo，Zhou Xue，Zhai Guofu.Comparisons on arc behavior and contact performance between Cu and Cu-Mo alloys in a bridge-type contact system[J].IEICE Technical Report，2014，114(342)：63-67.

[25]赵文君.窄间隙SF6/N2放电过程粒子动力学行为[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2011.

[26]Tkachev A N，Fedenev A A，Yakovlenko S I.Townsend coefficient escape curve and fraction of runaway electron in copper vapor 2007[J].Laser Physics，2007，17(6)：775-779.

Research on Restriking Phenomena and Mechanism During DC Arc Motion Process

Zhai Guofu1Bo Kai1Li Qingnan1Zhou Xue1Chen Mo1Jiao Tong2

(1.School of Electrical Engineering and AutomationHarbin Institute of TechnologyHarbin150001China 2.State Grid Liaoning Electric Power Research InstituteShenyang110000China)

AbstractThe restriking characteristics during the DC arcing period have been studied with a pair of bridge-type double-break contacts which is used to break a DC resistive circuit at different voltages.The high-speed cameras are used to obtain the restriking arc images.The spectrograph is used to measure the average temperature of the region through which the arc column passed during the arc motion process.Then the relationship between the voltage and the occurrence probability of restriking is set up.The microscopic mathematical model of the restriking discharge is established based on a set of drift-diffusion equations coupled with the Poisson equation.In the model,the contact gap is 2 mm,the DC voltage is from 200 V to 500 V,and the residual metal vapor between the contacts during the restriking process is considered.The restriking formation process and the microscopic parameters are obtained by the simulation results.The initial temperature of the region through which the arc column passed and the voltage during the formation process of the restriking are analyzed at the same time.In this way,the sheath and the formation mechanism of pre-breakdown channel during the restriking arc ignition process can be explained clearly.

Keywords：Restriking，DC arc，micro-mechanism，resistive load，low voltage switch

收稿日期2015-03-09改稿日期2015-08-01

作者简介E-mail：gfzhai@hit.edu.cn E-mail：bbokai@qq.com(通信作者)

中图分类号：TM581.3

国家自然科学基金资助项目(51277038，51307030)。

翟国富男，1964年生，教授，博士生导师，研究方向为高可靠电器设计技术，电子系统及装备可靠性分析、设计及智能维护技术，电磁超声波无损检测技术。

薄凯男，1988年生，博士研究生，研究方向为电器电弧放电等离子体物理与电接触理论。