真空灭弧室弧后金属蒸气密度的理论计算与分析

真空灭弧室因为燃弧期间电弧对触头表面的烧蚀，会蒸发产生大量中性金属蒸气，而这些金属蒸气在电流过零之后依然存在，将对弧后介质恢复过程产生重要的影响。尤其是开断大电流的情况，电弧收缩会在阳极表面形成阳极斑点，强烈烧蚀触头表面造成其熔化，即使电流过零后灼热的表面依然会有大量金属蒸气产生，降低了真空断路器的介质恢复强度，造成开断失败。

为了解决这个问题，可以从触头表面温度的角度加以研究，因为金属蒸气主要由过热的触头表面蒸发产生，如果知道了不同电流开断后的触头表面温度变化情况，就可以推算出此时弧隙中的金属蒸气密度以及衰减速率。触头表面的温度计算涉及多方面的物理过程，包括燃弧期间能量的注入，蒸发造成的能量损失，触头传热以及相变过程。此外，针对开断大电流的情况，还需要考虑阳极鞘层以及电流收缩对阳极能量注入的影响。在获得触头表面温度之后，为了计算金属蒸气的蒸发量，不但需要知道触头表面温度和蒸发量的关系，还需要考虑因为扩散、触头吸收等原因造成金属蒸气损耗。通过以上两个方面的计算，能够最终获得触头表面温度与金属蒸气密度的关系，并由此得到大电流开断后的金属蒸气变化规律。(www.xing528.com)

本节首先建立了触头阳极的热传导模型，同时考虑触头材料从固态到液态相变对温度计算的影响，建立随着物态变化，固、液分界面也同时变化的自由边界偏微分模型，采用有限差分法求解此自由边界问题。然后，通过分析阳极电流密度和阳极鞘层的关系，获得燃弧过程中输入触头的能量，同时考虑因为蒸发效应造成的触头温度降低。最后采用直接蒙特卡洛法（DSMC），获得不同温度条件下触头间隙的金属蒸气量以及衰减过程。此外，还讨论了触头温度与阳极形态的关系并对比研究了采用Rich-Farrall公式获得的金属蒸气衰减过程。