不同滅弧介質下直流接觸器電弧特性仿真研究

摘要：當直流接觸器動作時，電弧產生于動、靜觸頭之間。本文通過對比氫氣和二氧化碳滅弧介質下直流接觸器電弧特性仿真研究，得出了氫氣介質下電弧電流先降低到零，電弧先熄滅，氫氣相比于二氧化碳滅弧效果更好的結論。

關鍵詞：直流接觸器，滅弧，介質

1.仿真模型

直流回路等效電路圖是RL串聯電路。

電流過零后，接觸器電弧熄滅，不再流過電流，電路發生改變，進入限流階段，電路方程：

式中：U為接觸器開路電壓、R為線路等效電阻阻值、L為線路等效電感感值、Uh為電弧電壓，f（i）是基于磁流體動力學模型的接觸器電壓電力函數關系式。

為了在FLUENT的用戶自定義函數（UDF）中實現上述方程，對方程離散化處理得到：

式中，Δt為計算的時間步長，i為上一個時間步接觸器的電流，i為接觸器的電流，u為上一個時間步的電源電壓值，u為上一個時間步接觸器的電弧電壓。通過上式，可以利用上一個時間步的電流和電壓計算得到本次計算接觸器的電流值，作為電場方程的邊界條件進行求解。

2.滅弧介質對直流接觸器電弧特性影響分析

2.1溫度特性分析

下圖H2介質下燃弧過程接觸器中性面溫度的分布圖。在0.1ms時，電弧剛剛開始燃燒，長度變長，最高溫度約達到1.48*104K。在這個過程中，動觸頭處于向下運動的狀態，電弧長度增加，動、靜觸頭之間的間距決定了電弧的長度。在0.2ms時，電弧在電磁力的作用下在此時到達動觸頭邊緣，溫度最大值達到大約2.16*104K。在0.35ms時拉彎程度更加明顯，且電弧此刻幾乎流出動觸頭邊緣，溫度最大值達到約2.76*104K。在0.5ms時，已經有較大一部分電弧流出動觸頭邊緣，電弧被拉彎拉長更加明顯，由于電弧變形，最大溫度出現在動觸頭下側，約是2.26*104K。

同理，CO2介質下接觸器中性面溫度的分布，在0.1ms時，電弧剛剛開始燃燒，最高溫度達到1.38*104K。在0.2ms時，電弧接近動觸頭邊緣，溫度最大值達到大約2.47*104K。大約在0.25ms時電弧到達動觸頭邊緣。在0.35ms時，電弧被拉彎的程度嚴重，有很少一部分電弧流出動觸頭邊緣，溫度最大值達到約2.93*104K.在0.5ms時拉彎程度更加明顯，且電弧此刻已經有較大部分流出動觸頭邊緣，溫度最大值達到約2.76*104K。

2.2電弧電壓特性分析

0.2ms和0.5ms時H介質下接觸器中性面電弧電壓，在0.2ms時，動、靜觸頭的電壓差大約為26.4V。動、靜觸頭之間之所以存在著電壓差是因為形成了電弧。在0.5ms時，動、靜觸頭的電壓差大約為79V。

同理，CO介質下接觸器中性面電弧電壓，在0.2ms時，動靜觸頭的電壓差大約為34.2V。在0.5ms時，動靜觸頭的電壓差大約為147V。與0.2ms時刻相比，動、靜觸頭的電壓差明顯增大，即電弧電壓增大，電弧電流的變化率也將增大，電弧電流下降到零的速度加快，電弧將加速熄滅。

3.結論

直流接觸器操作頻繁，開斷過程中很大概率會產生電弧，它不僅會對觸頭造成極大的損害和破壞，還影響設備的可靠性。本文對直流接觸器動觸頭向下運動過程中電弧熄滅進行仿真，對電弧熄滅的介質影響進行了分析，得出了如下結論：滅弧室內氣體介質的不同會影響電弧熄滅的速度;氫氣和二氧化碳兩種氣體都可以熄滅電弧，但相比之下氫氣可以率先熄滅電弧，效果更好。

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作者簡介：王曉彤，女，漢族，天津，1999年3月，本科，河北工業大學，天津市紅橋區光榮道8號，300132，研究方向：電氣可靠性。