真空灭弧室弧后鞘层仿真计算

真空断路器开断电流之后，由于燃弧期间残留等离子体依然存在，在暂态恢复电压的作用下，构成等离子体的电子和离子开始分离，又因为电子的质量要远远小于离子的质量，所以会在弧后的新阴极表面形成一个由正离子组成的鞘层，称为弧后鞘层。这个物理过程是真空断路器开断之后所经历的第一个物理过程，深入研究其产生和发展机理，对于认识弧后介质恢复过程的初始阶段有着重要的意义。

针对鞘层发展阶段所广泛采用的Andrews鞘层模型并没有考虑等离子扩散过程中存在的离子与中性金属蒸气的碰撞问题，而在真空断路器开断大电流之后，弧隙间存在大量的金属蒸气，这些蒸气原子将阻碍鞘层的发展。所以这个模型并不完全适用于大电流开断的情况。Sarrailh的模型考虑了离子-蒸气的碰撞问题，但是因为采用模拟计算方法，假设碰撞频率不发生变化，而随着离子的扩散和离子密度的降低，碰撞频率势必不断降低，所以这个假设并不符合实际物理过程。(www.xing528.com)

为了深入了解弧后介质恢复过程的初始阶段，王振兴采用Particle in Cell-Monte Carlo Collision（PIC-MCC）方法对真空断路器弧后鞘层的形成和发展进行了仿真和分析，并且建立了弧后鞘层发展过程的一维仿真模型，其中特别同时考虑了金属蒸气与铜离子间的弹性碰撞和电荷交换碰撞等物理过程。计算分析中，针对不同开距、恢复电压、初始离子密度、电子密度、初始粒子动能等因素进行了模拟仿真，分析了不同条件下鞘层厚度随时间变化情况以及电子、离子能量分布和扩散情况。最后，将采用PIC-MCC方法获得的仿真结果与采用传统Andrews公式获得的结果进行了对比研究，讨论了重离子与中性金属蒸气碰撞对弧后鞘层发展的影响。限于篇幅原因，本节对仿真计算的详细过程不加赘述，仅介绍仿真计算的结果，仿真计算详细过程可以参见5.7节。