不同灭弧介质下直流接触器电弧特性仿真研究

摘要：当直流接触器动作时，电弧产生于动、静触头之间。本文通过对比氢气和二氧化碳灭弧介质下直流接触器电弧特性仿真研究，得出了氢气介质下电弧电流先降低到零，电弧先熄灭，氢气相比于二氧化碳灭弧效果更好的结论。

关键词：直流接触器，灭弧，介质

1.仿真模型

直流回路等效电路图是RL串联电路。

电流过零后，接触器电弧熄灭，不再流过电流，电路发生改变，进入限流阶段，电路方程：

式中：U为接触器开路电压、R为线路等效电阻阻值、L为线路等效电感感值、Uh为电弧电压，f（i）是基于磁流体动力学模型的接触器电压电力函数关系式。

为了在FLUENT的用户自定义函数（UDF）中实现上述方程，对方程离散化处理得到：

式中，Δt为计算的时间步长，i为上一个时间步接触器的电流，i为接触器的电流，u为上一个时间步的电源电压值，u为上一个时间步接触器的电弧电压。通过上式，可以利用上一个时间步的电流和电压计算得到本次计算接触器的电流值，作为电场方程的边界条件进行求解。

2.灭弧介质对直流接触器电弧特性影响分析

2.1温度特性分析

下图H2介质下燃弧过程接触器中性面温度的分布图。在0.1ms时，电弧刚刚开始燃烧，长度变长，最高温度约达到1.48*104K。在这个过程中，动触头处于向下运动的状态，电弧长度增加，动、静触头之间的间距决定了电弧的长度。在0.2ms时，电弧在电磁力的作用下在此时到达动触头边缘，温度最大值达到大约2.16*104K。在0.35ms时拉弯程度更加明显，且电弧此刻几乎流出动触头边缘，温度最大值达到约2.76*104K。在0.5ms时，已经有较大一部分电弧流出动触头边缘，电弧被拉弯拉长更加明显，由于电弧变形，最大温度出现在动触头下侧，约是2.26*104K。

同理，CO2介质下接触器中性面温度的分布，在0.1ms时，电弧刚刚开始燃烧，最高温度达到1.38*104K。在0.2ms时，电弧接近动触头边缘，温度最大值达到大约2.47*104K。大约在0.25ms时电弧到达动触头边缘。在0.35ms时，电弧被拉弯的程度严重，有很少一部分电弧流出动触头边缘，温度最大值达到约2.93*104K.在0.5ms时拉弯程度更加明显，且电弧此刻已经有较大部分流出动触头边缘，温度最大值达到约2.76*104K。

2.2电弧电压特性分析

0.2ms和0.5ms时H介质下接触器中性面电弧电压，在0.2ms时，动、静触头的电压差大约为26.4V。动、静触头之间之所以存在着电压差是因为形成了电弧。在0.5ms时，动、静触头的电压差大约为79V。

同理，CO介质下接触器中性面电弧电压，在0.2ms时，动静触头的电压差大约为34.2V。在0.5ms时，动静触头的电压差大约为147V。与0.2ms时刻相比，动、静触头的电压差明显增大，即电弧电压增大，电弧电流的变化率也将增大，电弧电流下降到零的速度加快，电弧将加速熄灭。

3.结论

直流接触器操作频繁，开断过程中很大概率会产生电弧，它不仅会对触头造成极大的损害和破坏，还影响设备的可靠性。本文对直流接触器动触头向下运动过程中电弧熄灭进行仿真，对电弧熄灭的介质影响进行了分析，得出了如下结论：灭弧室内气体介质的不同会影响电弧熄灭的速度;氢气和二氧化碳两种气体都可以熄灭电弧，但相比之下氢气可以率先熄灭电弧，效果更好。

参考文献：

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[5]刘新宇. 外磁場对直流接触器开断电弧特性影响的研究[D]. 沈阳工业大学.

作者简介：王晓彤，女，汉族，天津，1999年3月，本科，河北工业大学，天津市红桥区光荣道8号，300132，研究方向：电气可靠性。