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(guò)對(duì)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(guò)對(duì)不同開(kāi)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(kāi)斷電流的大小對(duì)于真空電弧的收縮程度具有影響作用。

　　隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各行業(yè)對(duì)電能的需求量越來(lái)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(jí)也隨之不斷增高，這就對(duì)開(kāi)關(guān)電器提出了更加苛刻的技術(shù)指標(biāo)要求。真空開(kāi)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(lèi)型開(kāi)關(guān)電器相比，由于具備觸頭與滅弧系統(tǒng)簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)、可靠性高、易于維護(hù)等特點(diǎn)，在中壓開(kāi)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(duì)真空開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(yáng)極斑點(diǎn)。當(dāng)陽(yáng)極斑點(diǎn)溫度達(dá)到陽(yáng)極材料熔點(diǎn)后， 陽(yáng)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(guò)程過(guò)于激烈，則當(dāng)電流過(guò)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(kāi)斷失敗。由此可見(jiàn)，對(duì)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(kāi)斷能力。真空電弧的建模與仿真研究是對(duì)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(yáng)極斑點(diǎn)區(qū)、等離子區(qū)和陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(wú)阻力。

　　(3) 在外部磁場(chǎng)作用下，陰極斑點(diǎn)滿(mǎn)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(wèn)題。

　　(4) 等離子體的收縮是在陽(yáng)極斑點(diǎn)形成之前。模擬的是陽(yáng)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(yáng)極表面收縮程度

　　在電弧陽(yáng)極區(qū)，電流強(qiáng)度對(duì)陽(yáng)極的收縮程度有一定影響。圖8 表示的是不同電流對(duì)陽(yáng)極弧柱收縮的影響。橫坐標(biāo)代表的是開(kāi)斷電流大小，縱坐標(biāo)表示的是陽(yáng)極表面等離子體積聚程度，也就是在不同開(kāi)斷電流下陽(yáng)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(yáng)極斑點(diǎn)，當(dāng)電流逐漸增大，陽(yáng)極表面開(kāi)始出現(xiàn)大而明亮的斑點(diǎn)，弧柱開(kāi)始呈現(xiàn)收縮狀。陽(yáng)極也開(kāi)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(shì)更加明顯，另一方面，陽(yáng)極侵蝕也不斷加劇，這說(shuō)明弧柱形態(tài)變化跟陽(yáng)極活動(dòng)之間有對(duì)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(yáng)極做加速運(yùn)動(dòng)。

　　(3) 開(kāi)斷電流的大小對(duì)等離子體的收縮程度有很大影響。