气体放电理论讲稿.doc

Thermal plasma modelling

气体放电理论作业

姓名：张小福
院系：高压硕1006
学号：M201071155

5.3注射微粒和等离子体之间相互作用
为等离子体和微粒之间的相对速度，定义如下：

在方程中，为阻力系数， 和分别为微粒的轴向和径向速度分量，为微粒直径，为微粒密度，g为重力加速度。虽然在喷射中由于很高的等离子体速率重力效应可以被忽略，但是在速率较低的等离子体边缘重力效应还是很重要的。由于在粉末周围的薄层中，温度梯度很大，流动性不能被假设成常量。其平均值可以这样定义：

式中T表示等离子体温度，为粒子温度，为等离子体特性，如ρ，u、k。粒子的雷诺数定义如下：

对于球形微粒的阻力系数，其表达式为：

如果微粒不是球形，则可以引入形状系数。粒子温度通过等离子体和微粒之间的能量平衡来确定：

为热传递系数，为微粒的比热容，、分别为粒子固相辐射系数和液相辐射系数，为粒子熔化比例，和分别为微粒的熔化和蒸发温度。和为熔化热和蒸发潜热。σs为斯蒂芬-波尔兹曼常数。为环境温度。热传递系数通过努赛尔数Nu来确定：

对于努赛尔数有一些经验关系式，但是由于实验数值的缺失很难确定具体值。Young和Pfender对最常用的表达式进行了一些对比和讨论此处，我们给出这样一个例子，这一关系式由Vardelle等人提出，Young和Pfender在氩等离子体中对其进行了讨论，在温度高于9000K时，努赛尔数表达式为：

典型地结果如图19所示。在图19（a）中，能够明显的看到，等离子体由于其余微粒的存在而冷却，微粒大小对他们轨迹的影响如图19（b，c）所示。

图19 （a）氧化铝微粒的注入对氩等离子体温度场的影响（最小等温线为2kK，温度间隔为2kK，等温线的温度单位kK）
（b）等离子体温度场（——）、直径为50um的氧化铝微粒的轨迹（……）
（c）情况如（b），微粒直径为25um
6．交流大电流切断
6.1.带有电弧的大电流切断系统的一般运行方式
在交流大电流中断中，有几种用于使触头分离时所产生的电弧迅速熄灭的技术。这些技术可分为三类：
1、低压（V<1kV），其一般发生在空气中；
2、中电压下的真空切断（V <32kV，甚至更多）；
3、高压切断，在现代系统通常使用。
真空电弧在第二项技术中并不会产生热等离子体，也不会在本文中呈现。其他的技术都有一些相似之处：由于触头的分离产生的熔桥引燃了电弧，并且由瞬态来决定，这是因为电流是交变的而且电弧必须尽量的短。然而，他们的利用原则是相当不同的，并与主要技术问题一起，现在要详细对待。
在低电压系统，电弧是在一个外壳为有机材料的小盒里，在两个触头间建立的，它可迅速转移到金属栏杆，并转移至灭火密室中，在里面它被金属分流器分裂成几个小弧。因此，保持这些小电弧的电压需要维持在比电路中的电压高的条件下，从而使电弧能较为自然地下落。这一过程的关键之处是电弧沿轨道的转移和渗透到灭火室。
电弧的运动是由两种效应所影响：
1、通有电流的触头和压力所产生的外部电磁力；
2、在空气加热或离解时所产生的等离子体上的压力效应，触头和外壳的烧蚀会导致材料的汽化。
同时，压力会增加一些工业问题，这些工业问题激发了如下基础研究和模型的建立：断路器的小型化；电弧进入灭弧室的快速渗透；由于导电蒸气的存在引起的触头间的电弧重燃；燃弧后沉积在断路器里的粉末一些基本的实际现象或情况必须在相应的建模中加以分析：计算外部受力；电弧三维模型的建立以及等离子和气体的运动轨迹；沿着轨道的弧根转移；电弧与周围材料（触头，外壳，分流器）的相连和守恒方程中蒸汽特性的介绍；重燃过程中这些蒸汽所扮演的角色；及沉积下的粉末的化学分析。
在SF6高压断路器中因触头分离所产生的电弧周围是一个喷嘴，当交流电流过零点时（电弧成为丝状），由来自某一区域的冷气体吹动电弧， 该区域由河豚效应——压缩空气断路器引起气体的压缩。这种效应能非常迅速地冷却等离子体，并且可由能承受快速回复电压的绝缘气体来代替等离子体。在现代断路器中，压气效应通常与由于蒸发造成的可控材料烧蚀所引起的过压有关，它与机械活塞的运动相关。在这种装备中所使用的气体必须满足两个条件：1、有助于等离子体态冷却的高的热导率；2、常态下高的绝缘强度，以避免接触时的高压导致击穿。除了这些物理特性以外，其他的化学特性，例如分子的稳定性和无毒性也是必须的。SF6就是最好的候选者。目前与这种系统相关的仍然存在的技术和科学难题有：扰动和非平衡效应对气流冷却影响的定量解释；SF6和材料的的气体混合物在中温范围（例如几百K）的击穿特性；超高压设备的开发；强温室效应气体SF6替代气体的寻找。
6.2低压断路器（LVCB）电弧模型
关于电弧三维模型[10,101,102]的最新进展考虑了弧根的运动、三维温度场和速度场分布、外加磁场和电弧向带有分流器灭弧室腔的渗透。直至今日，电弧与电接触、电弧与器壁有机材料相互作用，如烧蚀、汽化和金属蒸汽与原始气体的混合，它们的真实机理还没有完全解释清楚，目前仍在发展中。这里，我们将呈现这类问题的几个典型方面。
6．2．1外部磁场
低压断路器(LVCB)的真实物理几何结构是相当复杂的，一些理论和实验方面的研究采取一种比较简单的几何模型来处理主要的机构。其中的一种在图20中呈现出来。

图20 一个低压断路器的简化模型
由电缆和电弧本身产生在M点的磁场可以由Biot-Savart毕萨伐尔定律给出：

在图20的简化模型中，我们认为电流I以直线段的方式进入电弧，上部横杆在M点的作用可以由下式给出：

公式（58）相较于公式（57）更简单并运算更快，在其迭代过程中更加适用。已经被证实，这两个公式对于图20的几何结构，得到的是同样的结果，但是采用公式（58）可以减少演算时间。
6.2.2弧根运动和重新突出
弧的总位移是一个由等离子体柱（流体力学和电磁效应，这是考虑到基本的守恒方程）和弧根运动相结合产生的，基本方程中不考虑作用力。弧和电极之间的相互作用十分复杂，其中一些是弧阳极的相互作用，已在第4节给出的讨论范围;电弧阴极斑点和阴极相互作用，例如参见：[103 - 105]。对于一般LVCB圆弧模型，它对弧根运动作用必须简化，以迫使弧根换位。其基本思路是：弧将移动到气体和被等离子体本身接触部分加热的区域。我们已经提出了类似的做法，就是基于对薄弱区域内的灭弧室的电导率计算。该方法的具体细节在[10]中给出。很显然，这涉及到弧电极相互作用问题的简化，但其结果和在实验中观察预测的两种性质相吻合：
（一）平均弧根速度是沿着轨道的，模型（10 - 20）的计算是与测量[106]一致;
（二）计算预测的可能性[10，101]与我们的模型[10] 关于电弧重新突出的速度为同一量级
6.2.3 瞬态演化弧
计算的主要目的是显示随着LVCB的温度和速度场的变化，特别是要研究中断入口的电弧反应行为，以及它在分裂弧到各种小弧的过程中对金属板的作用。后者部分在模型中还没有进展，我们将集中力量关注沿弧形轨道的位移。当然，在纸上这个平面不能很好的显示三维结果。在两个瞬间得到瞬时温度场的变化如图21所示。这种类型的计算也可以预测接触附近的重新突出的弧。

（a）低压断路器的温度场 空气 t = 310 μs
（b）低压断路器的温度场 空气 t = 870 μs
最近Lindmayer 的结果[107]提出，电弧进入中断室之前似乎“犹豫”了一会儿，这个使实验环境对应的很好，尽管这个初步的计算作了相当大的等离子体特性简化。
6．3高压断路器电弧模型
6.3.1总论
在高压断路器情况下，圆柱状几何模型是一种很好的近似，它的二维模型已经得到了很好的发展。然而，仍需注意处于弧根凹连接处（参见作为几何和估算网格范例的图22）的模型并不是环状的，因此，也不能严格的按照二维模型对待。
为了避免立体的延长，假设一个多孔电极。该模型的总体目标是计算（或预测）器具中断的能力，即它能够迅速从等离子体（导电介质）过渡到寒冷的能够维持高电压介质气体。因此，在一般情况下，连续两个电流过零阶段须研究：
1、持续时间短（小于10μs的SF6 HVCB），称为“后弧阶段”，对应于当一个快速瞬态恢复电压作用到接触弧之间的时候，接触弧立即冷却，可能产生一个后弧电流。
2、称为“介质相”，它的产生滞后（100μs或更多），并且对应于寒冷或温热气体环境，以避免由于电网电压变化而导致任何故障。
第二阶段使用不涉及热等离子体的物理方法，我们将限制我们描述的第一阶段。在这一阶段，该模型的主要目的是计算出弧形导衰减的演变。
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