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高壓直流繼電器是一種具有高功率處理能力的控制電器，被廣泛應用于新能源領域。分斷直流大電流過程中產生強烈的電弧是導致高壓直流繼電器電氣壽命普遍不高的主要原因。高壓直流繼電器主要滅弧方式是磁吹滅弧，大功率繼電器還充入氣體介質以提高滅弧性能。

不同的滅弧措施對燃弧過程有不同的影響，進而影響滅弧的可靠性。提高高壓直流繼電器電壽命的關鍵在于使電弧平穩(wěn)、快速地離開觸頭表面，減小電弧對觸頭表面的燒蝕。因此，研究不同條件下的直流電弧運動特性具有重要意義。

近些年，隨著計算機技術的發(fā)展，基于磁流體動力學（Magnetohydrodynamics, MHD）的磁流體仿真已經成為電弧研究的重要手段。

• 有學者建立了三維模型，利用流體控制方程和麥克斯韋方程對磁場作用下的電弧進行了數值計算，并給出了電流密度分布方程和弧根中心坐標的計算方法，通過弧根位移曲線量化觸頭的燒蝕程度。
• 有學者采用動網格技術，針對觸頭分斷動作過程中的空氣電弧進行了仿真分析。
• 有學者以斷路器為研究對象，對不同燃弧位置、滅弧室寬度等因素對于電弧運動的影響進行仿真分析。
• 有學者對密封充氣繼電器的電弧進行了仿真和實驗，得到了提高氣體壓強、增大外加磁場有利于熄弧的結論，也對存在銀蒸氣情況下的電弧進行分析。
• 在電弧實驗研究方面，有學者采用基于直線電機的電弧實驗系統，對不同磁場及電流條件下的燃弧時間進行實驗分析。
• 為避免電弧實驗系統中觸頭分斷速度與實際電器的差異，有學者對實際繼電器的電弧光學特性和光譜特性進行分析。
• 有學者對繼電器樣機在不同磁場下弧根運動特性進行實驗研究。
• 有學者對直流電弧運動過程中的重擊穿現象進行了研究分析。
• 有學者利用彩色高速攝像機和光譜分析儀進行聯合測溫，得到電弧溫度場空間分布隨時間的變化規(guī)律。
• 有學者利用高速攝像機拍攝電弧圖像，并提取了陰極、陽極弧根運動軌跡。
• 有學者則提出了弧根三維運動特性的研究方法。

由于高壓直流繼電器結構緊湊，觸頭開距小，直流電流開斷困難，尋求有效的滅弧措施是優(yōu)化高壓直流繼電器的重要環(huán)節(jié)。福州大學電氣工程與自動化學院的研究人員以額定電壓為150V，額定電流為100A的某型號高壓直流繼電器為研究對象，其結構示意圖如圖1所示。

圖1 高壓直流繼電器結構

圖12 電弧測試系統示意圖

研究者利用ANSYS Fluent軟件對電弧進行仿真分析，研究磁場和銀蒸氣對電弧電壓和電弧運動特性的影響。由于目前該類型繼電器采用簡單的磁吹方法進行滅弧，滅弧能力有限，因此本文在繼電器內部增設縱向柵片，對電弧特性進行研究，為提高電壽命和可靠性提供理論依據，并得到如下結論：

• 1）當觸頭間隙中銀蒸氣濃度較高時，電弧電壓較小，并阻礙了電弧的運動。
• 2）對縱向柵片對電弧的影響進行了仿真計算，結果表明，增設縱向柵片可以提高電弧電壓，有效加速滅弧；縱向柵片的存在還阻礙了電弧向器壁運動，有效防止了電弧對器壁的燒蝕。
• 3）實驗結果表明，在磁場作用下，電弧燃弧后弧根運動可分為兩個階段：第一階段，隨機運動時間內沒有明顯的大范圍移動，是對觸頭表面造成燒蝕的主要時期；第二階段，弧根進行方向性運動，直到運動到觸頭邊緣。增大磁場強度有利于縮短隨機運動時間。

以上研究成果發(fā)表在2019年第22期《電工技術學報》，論文標題為“高壓直流繼電器電弧運動仿真分析與實驗研究”，作者為曹啟純、劉向軍。