高压直流继电器电弧运动仿真分析与实验研究
武汉加油
风雨同行 共克时艰
福州大学电气工程与自动化学院的研究人员曹启纯、刘向军，在2019年第22期《电工技术学报》上撰文指出，电弧是影响高压直流继电器性能的重要因素，研究电弧运动特性及其灭弧措施对提高其电寿命和可靠性具有重要意义。研究结果表明，触头烧蚀产生的银蒸气不利于电弧的熄灭并阻碍电弧运动；外加磁场作用下触头断开后的一段时间内，电弧在较小范围内做随机运动，是造成烧蚀的主要阶段，增大外加磁场有利于缩短随机运动时间；增设纵向绝缘栅片将提高电弧电压，加快电弧的熄灭。
高压直流继电器是一种具有高功率处理能力的控制电器，被广泛应用于新能源领域。分断直流大电流过程中产生强烈的电弧是导致高压直流继电器电气寿命普遍不高的主要原因。高压直流继电器主要灭弧方式是磁吹灭弧，大功率继电器还充入气体介质以提高灭弧性能。
不同的灭弧措施对燃弧过程有不同的影响，进而影响灭弧的可靠性。提高高压直流继电器电寿命的关键在于使电弧平稳、快速地离开触头表面，减小电弧对触头表面的烧蚀。因此，研究不同条件下的直流电弧运动特性具有重要意义。
近些年，随着计算机技术的发展，基于磁流体动力学（Magnetohydrodynamics, MHD）的磁流体仿真已经成为电弧研究的重要手段。
有学者建立了三维模型，利用流体控制方程和麦克斯韦方程对磁场作用下的电弧进行了数值计算，并给出了电流密度分布方程和弧根中心坐标的计算方法，通过弧根位移曲线量化触头的烧蚀程度。
有学者采用动网格技术，针对触头分断动作过程中的空气电弧进行了仿真分析。
有学者以断路器为研究对象，对不同燃弧位置、灭弧室宽度等因素对于电弧运动的影响进行仿真分析。
有学者对密封充气继电器的电弧进行了仿真和实验，得到了提高气体压强、增大外加磁场有利于熄弧的结论，也对存在银蒸气情况下的电弧进行分析。
在电弧实验研究方面，有学者采用基于直线电机的电弧实验系统，对不同磁场及电流条件下的燃弧时间进行实验分析。
为避免电弧实验系统中触头分断速度与实际电器的差异，有学者对实际继电器的电弧光学特性和光谱特性进行分析。
有学者对继电器样机在不同磁场下弧根运动特性进行实验研究。
有学者对直流电弧运动过程中的重击穿现象进行了研究分析。
有学者利用彩色高速摄像机和光谱分析仪进行联合测温，得到电弧温度场空间分布随时间的变化规律。
有学者利用高速摄像机拍摄电弧图像，并提取了阴极、阳极弧根运动轨迹。
有学者则提出了弧根三维运动特性的研究方法。
由于高压直流继电器结构紧凑，触头开距小，直流电流开断困难，寻求有效的灭弧措施是优化高压直流继电器的重要环节。福州大学电气工程与自动化学院的研究人员以额定电压为150V，额定电流为100A的某型号高压直流继电器为研究对象，其结构示意图如图1所示。
图1 高压直流继电器结构
图12 电弧测试系统示意图
研究者利用ANSYS Fluent软件对电弧进行仿真分析，研究磁场和银蒸气对电弧电压和电弧运动特性的影响。由于目前该类型继电器采用简单的磁吹方法进行灭弧，灭弧能力有限，因此本文在继电器内部增设纵向栅片，对电弧特性进行研究，为提高电寿命和可靠性提供理论依据，并得到如下结论：
1）当触头间隙中银蒸气浓度较高时，电弧电压较小，并阻碍了电弧的运动。
2）对纵向栅片对电弧的影响进行了仿真计算，结果表明，增设纵向栅片可以提高电弧电压，有效加速灭弧；纵向栅片的存在还阻碍了电弧向器壁运动，有效防止了电弧对器壁的烧蚀。
3）实验结果表明，在磁场作用下，电弧燃弧后弧根运动可分为两个阶段：第一阶段，随机运动时间内没有明显的大范围移动，是对触头表面造成烧蚀的主要时期；第二阶段，弧根进行方向性运动，直到运动到触头边缘。增大磁场强度有利于缩短随机运动时间。