本文以雙流體模型和麥克斯韋方程為基礎(chǔ)，推導(dǎo)并建立了真空電弧的三維磁流體動(dòng)力學(xué)(MHD)模型。通過對該模型的求解，得到等離子體壓力、密度、速度和馬赫數(shù)等真空電弧的重要屬性參數(shù)。通過對不同開斷電流下真空電弧等離子體的電流密度的仿真研究，揭示了開斷電流的大小對于真空電弧的收縮程度具有影響作用。

　　隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各行業(yè)對電能的需求量越來越高，因此，擔(dān)負(fù)輸電及配電的電力系統(tǒng)容量及電壓等級也隨之不斷增高，這就對開關(guān)電器提出了更加苛刻的技術(shù)指標(biāo)要求。真空開關(guān)電器以高真空作為滅弧介質(zhì)和絕緣物質(zhì)，與其它類型開關(guān)電器相比，由于具備觸頭與滅弧系統(tǒng)簡單、使用壽命長、可靠性高、易于維護(hù)等特點(diǎn)，在中壓開關(guān)電器領(lǐng)域占據(jù)了統(tǒng)治地位，并從中壓向高壓領(lǐng)域滲透，這就需要對真空開關(guān)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行更深入的研究，特別是真空開關(guān)電弧基礎(chǔ)理論的研究。

　　真空斷路器的主要任務(wù)是開斷短路電流。當(dāng)真空滅弧室中觸頭分?jǐn)嚯娏鲿r(shí)，動(dòng)靜觸頭間將產(chǎn)生電弧。隨著分?jǐn)嚯娏鞯脑龃�，電弧弧柱�?yán)重收縮而產(chǎn)生陽極斑點(diǎn)。當(dāng)陽極斑點(diǎn)溫度達(dá)到陽極材料熔點(diǎn)后， 陽極斑點(diǎn)向極間噴射金屬蒸氣，弧柱區(qū)等離子體趨于積聚。如果此過程過于激烈，則當(dāng)電流過零后，觸頭間的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度可能低于其電壓恢復(fù)強(qiáng)度，從而導(dǎo)致短路電流開斷失敗。由此可見，對于真空電弧收縮影響因素的研究具有十分重要的理論與工程實(shí)用價(jià)值。

　　電弧的特性直接影響了真空斷路器的開斷能力。真空電弧的建模與仿真研究是對真空電弧進(jìn)行深入研究的一種重要手段。

1、真空電弧模型

　　1.1、物理模型

　　本文所研究的真空電弧物理模型如圖1 所示，真空電弧主要由陽極斑點(diǎn)區(qū)、等離子區(qū)和陽極鞘層區(qū)三部分組成。等離子體的流動(dòng)方向是從陰極到陽極，電流載體是電子和離子。

圖1 真空電弧物理模型

　　此模型的建立基于以下條件：

　　(1) 弧柱等離子體高度電離，這是由于陰極斑點(diǎn)區(qū)域等離子體高度電離。等離子體密度高且碰撞頻繁。

　　(2) 陽極是一個(gè)等電位表面，并且被認(rèn)為是理想的導(dǎo)體，其接收的載體無阻力。

　　(3) 在外部磁場作用下，陰極斑點(diǎn)滿足等離子體射流特性，呈圓筒狀，這限制了等離子體均勻性的問題。

　　(4) 等離子體的收縮是在陽極斑點(diǎn)形成之前。模擬的是陽極等離子體收縮前。

　　(5) 附近的陰極斑點(diǎn)是致密的和高度不均勻的。

　　2.7、陽極表面收縮程度

　　在電弧陽極區(qū)，電流強(qiáng)度對陽極的收縮程度有一定影響。圖8 表示的是不同電流對陽極弧柱收縮的影響。橫坐標(biāo)代表的是開斷電流大小，縱坐標(biāo)表示的是陽極表面等離子體積聚程度，也就是在不同開斷電流下陽極表面等離子的收縮面積與初始電流密度下等離子體收縮面積的比值。當(dāng)電流很小時(shí)，弧柱外形呈擴(kuò)散狀，此時(shí)不存在陽極斑點(diǎn)，當(dāng)電流逐漸增大，陽極表面開始出現(xiàn)大而明亮的斑點(diǎn)，弧柱開始呈現(xiàn)收縮狀。陽極也開始融化。隨著電流繼續(xù)增大，一方面弧柱收縮加劇，向大電流擴(kuò)散柱弧轉(zhuǎn)變的趨勢更加明顯，另一方面，陽極侵蝕也不斷加劇，這說明弧柱形態(tài)變化跟陽極活動(dòng)之間有對應(yīng)關(guān)系。

4、結(jié)論

　　(1) 大電流情況下，真空電弧等離子體處于亞音速運(yùn)動(dòng)狀態(tài),等離子體的壓力、密度、速度及馬赫數(shù)的分布不均勻。

　　(2) 在大電流真空電弧磁流體中，最大的等離子體壓力出現(xiàn)在陰極附近，在壓力梯度的作用下，真空電弧等離子體從陰極到陽極做加速運(yùn)動(dòng)。

　　(3) 開斷電流的大小對等離子體的收縮程度有很大影響。