题目：直流真空电弧强迫开断机理与技术研究

目前，在向多电/全电飞机方向发展的进程中，机载设备对电能的需求急剧增加。随着飞机电源系统的功率越来越大，尤其是270V高压直流供电系统的使用，设计小体积、轻重量、大开断容量的直流开关设备来满足未来航空直流供电系统的需求成为亟待解决的重要问题。真空开关因其较高的开断容量、较大电气绝缘强度、全密封、适应性强、体积小、重量轻、可靠性高和易维护等优点，具有应用于航空领域的优势。本文在总结了国内外研究成果的基础上，以真空电弧理论为基础，针对直流真空电弧强迫开断技术进行研究，研究分析在不同电流、不同频率下的电弧电压/电流特性、其与回路参数的相关影响。研制真空电弧光学直径高速测量系统，研究电弧的演变、电弧的形态、电流开断特性等方面，根据真空电弧理论对电弧强迫开断的特性进行了分析，研究如下：

 (1)建立了直流真空电弧强迫开断实验平台，分析强迫开断过程。设计引弧回路、主电流回路和调频回路参数，研制具有引弧支路的直流放电回路模拟实际航空供电系统中出现的大电流。设计研制强迫回路设备。设计研制高速图像采集系统，对高频大电流下电流采集系统的主要结构及设计要点进行研究分析。

(2) 建立纵磁、平板触头三维磁场仿真模型。利用Ansoft针对三维有限元模型仿真分析了不同电流频率、不同触头结构、不同开距下真空灭弧室的磁场分布情况。强迫开断起始阶段，纵磁触头间隙中平面磁感应强度呈现多峰值区域分布的特点，而平板触头则呈现斗状分布。由于涡流的存在造成过零时刻纵磁触头磁感应强度随着电流频率的增大而增大，同时磁场的滞后会随着电流频率的增大而增大。而开距的增加，使得该平面在电流过零时刻的磁感应强度最大值减小。平板触头弧隙中心磁感应强度随电流下降逐渐下降，呈线性关系，由于基本无滞后现象，电流过零时刻只剩余很小的杂散磁场。故平板触头有利于高频开断下电弧等离子体的扩散，亦将有利于电弧开断。模型仿真对于设计航空用真空灭弧室直流开关具有指导和借鉴作用。

(3) 针对纵磁、平板触头灭弧室进行直流真空电弧强迫开断实验研究，重点分析了强迫回路参数对电弧电压、电流特性的影响。根据电弧伏安特性将其分为三个阶段：直流燃弧阶段，强迫开断阶段，弧后阶段。通过等效回路及实验分析作为燃弧及弧后重燃的重要参数di/dt、dv/dt，随强迫回路电感增加di/dt逐渐减小，随强迫回路预充电电压增加，di/dt线性升高。本文对不同实验电流，不同电弧电流平均开断速率di/dt分析，得到电弧开断时间与回路参数的关系式。随着反向电流频率的增加电弧电压下降速率增加，直至电弧电流过零前，电弧电压的瞬时值均下降为约10V左右。由于触头间隙较小，随实验电流幅值上升，电弧电压幅度增加很小。电弧电压随开距的增加而升高，且随开距增大，电弧电压噪音峰值逐渐减小。纵磁、平板触头结构对强迫开断时di/dt、电弧电压变化影响较小。AgWC触头相较于CuCr50触头，电弧电压有所降低，在直流燃弧阶段约为12V。实验并计算分析电弧过电压发现其包括低频、高频两种振荡波形。

(4) 本文通过分析不同触头结构、不同实验电流、不同强迫注入时间，不同反向电流频率下，直流电弧强迫开断的电弧形态，发现直流真空电弧强迫开断过程存在以下三个阶段，包括电弧稳定阶段，直径收缩阶段以及电弧熄灭阶段。重点对开断过程中电弧直径变化进行了研究，发现平板及纵磁触头电弧，直径变化均包含缓慢下降阶段以及快速下降阶段。电流减小到约1000A后平板电弧直径快速下降，而纵磁在电流减小到约300A后电弧直径快速下降。根据触头仿真结果推论纵磁触头磁场滞后导致电弧直径保持较长时间稳定。通过对电弧起弧过程分析，电流上升到一定电流值后，纵磁触头电弧直径保持振荡稳定状态。而平板触头电弧直径在一定时间内，仍随燃弧时间增加呈对数函数升高。随实验电流升高，电弧直径略有增加。相同电流下，随燃弧时间增加，平板触头电弧直径大于纵磁触头直径。总结获得平板触头电弧直径与起弧时间函数关系式。

(5) 本章在实验研究了不同频率、不同实验电流、不同触头结构、不同开距、不同调频回路下真空灭弧室的电流开断能力，通过弧后金属蒸气密度以及纵向磁场磁场滞后三维仿真两种方法分析了其对电流开断的影响。发现导致电弧重燃时，实验电流值与电流平均变化率di/dt呈反比例关系，而平板触头开断能力稍高于纵磁触头。实验发现三种类型的电弧重燃情况。通过改变调频回路，发现随弧后过电压振荡频率降低，电弧开断性能上升；随触头开距的增加，导致电弧重燃的di/dt逐渐增加。电弧可以在更高的频率下成功开断。