[发明专利]一种触头烧蚀行为的评估方法和装置

说明书

本发明涉及一种触头烧蚀行为的评估方法和装置。所述方法包括：获取所述触头的结构参数，并根据所述结构参数建立直流气体电弧下的所述触头的仿真模型，其中所述结构参数包括触头材料、触头尺寸和触头形状；对所述电弧的电流小于20A时的所述仿真模型的蒸发烧蚀特性进行仿真，并利用朗格缪尔方程和气体动力学方法建立蒸发烧蚀模型；对所述电弧的电流大于10²A时的所述仿真模型的喷溅烧蚀特性进行仿真，并利用概率统计方法建立喷溅烧蚀模型；进行电弧‑触头多物理场耦合的统一计算，得到电弧温度和触头温度，以及根据所述蒸发烧蚀模型、所述喷溅烧蚀模型、所述电弧温度和所述触头温度，确定电弧‑触头多场耦合的烧蚀模型。

技术领域

本发明涉电弧接触技术领域，特别是涉及一种触头烧蚀行为的评估方法和装置。

背景技术

电弧是气体或蒸汽中具有温度高、发强光和能导电等特点的一种自持放电现象。分断触头时，由于电流收缩，使得触头表面温度升高产生热电子发射，因而形成电弧放电，电弧在触头之间燃烧会引起触头烧蚀。由于烧蚀产生的金属蒸汽进入弧柱中，会改变电弧的热力学特性和输运特性，从而降低低压断路器的开断性能。此外，触头烧蚀会引起触头的质量改变，在高温电弧作用下，触头熔化形成熔池，质量变化形式包括由于触头材料蒸发引起的触头材料转移，蒸发到周围环境和以液滴形式喷溅到周围环境中。触头烧蚀还会引起触头表面的化学变化和形态变化。综上所述，触头烧蚀会影响低压断路器的使用寿命和开断性能，从而影响直流配电网的供电可靠性。

不同条件下，触头的烧蚀机制不同。对于纯金属触头材料，通常认为，当电弧电流较小时，以蒸发烧蚀为主，随着电流增大，喷溅烧蚀作用显著。而对于混合物触头材料，烧蚀机制与材料特性紧密相关。但是，由于影响烧蚀的因素有很多，除了触头材料自身属性之外，燃弧时间，电弧电流，电极间隙，开断速度，电弧形状等电参数和设备参数都会对烧蚀特性产生影响，如今仍无法对任一工况下的触头烧蚀行为进行准确模拟。

发明内容

基于此，有必要提供一种触头烧蚀行为的评估方法和装置，以准确模拟任何工况下的触头烧蚀行为。

本发明实施例提供了一种触头烧蚀行为的评估方法，包括：

获取所述触头的结构参数，并根据所述结构参数建立直流气体电弧下的所述触头的仿真模型，其中所述结构参数包括触头材料、触头尺寸和触头形状；

对所述电弧的电流小于20A时的所述仿真模型的蒸发烧蚀特性进行仿真，并利用朗格缪尔方程和气体动力学方法建立蒸发烧蚀模型；

对所述电弧的电流大于10²A时的所述仿真模型的喷溅烧蚀特性进行仿真，并利用概率统计方法建立喷溅烧蚀模型；

进行电弧-触头多物理场耦合的统一计算，得到电弧温度和触头温度，以及根据所述蒸发烧蚀模型、所述喷溅烧蚀模型、所述电弧温度和所述触头温度，确定电弧-触头多场耦合的烧蚀模型。

在其中一个实施例中，所述蒸发烧蚀模型为

q_below＝Γ_n·L_vapor

J_ev＝ρ_v M_a c_v

其中，Γ_n为所述触头表面蒸发原子通量密度，m_n为原子质量，k_B为玻尔兹曼常数，q_below为蒸发耗散的能流密度，L_vapor为单个分子的蒸发潜热，J_ev为触头表面温度为T_l时刻的蒸发通量，M_a为金属蒸汽的马赫数，c_v为气体温度为T_v时的声速，ρ_v为蒸汽层金属蒸汽密度。