题目：直流氢气混合气体电弧等离子体特性及分断机理研究

随着航空航天、电动汽车等直流供电系统功率增加，大开断容量、小型化、长寿命和强环境适应性直流开关的分断机理成为低压开关电器研究的前沿课题。氢气去游离作用强，利于熄灭直流电弧，国外进行了直流氢气开关理论及应用研究，但处于技术封锁阶段，而国内对此研究较少。本文在总结了国内外研究成果的基础上，以气体电弧理论为基础，研究直流氢气混合气体电弧的开断特性，以及氢气混合气体电弧在不同电流、不同气压下的电弧电压/电流特性、电弧的演变、电弧的形态、电弧运动特性、电弧功率、电弧电阻等，并基于Mayr模型与Cassie模型建立直流氢气混合气体电弧动态模型，利用磁流体力学理论对电弧的特性进行了分析，得到了以下研究结果：

(1) 建立了大容量直流氢气混合气体电弧实验平台和仿真平台。描述了大容量直流电容作为直流电源的实验回路的工作过程，包括主回路、保护回路和控制时序回路，并设计完成了直流实验控制系统。而后基于三维有限元理论，利用Maxwell电磁场仿真软件对直流氢气混合气体灭弧室触头结构进行建模和仿真，并对此过程进行了详细的说明，然后对建模参数进行了介绍。

(2) 利用氢气混合气体灭弧室三维有限元仿真模型计算分析了不同电流和开距下氢气混合气体电弧中心平面的磁场分布情况，分析了不同开距下电弧所受的洛伦兹力，仿真计算结果对应用于直流系统触头的设计具有指导和借鉴作用。

(3) 利用CAD与Solidwoks软件设计直流可拆开关样机。包括灭弧室与操动机构，由于拍摄与实验需要，开关样机需要密封、透明、可拆。根据电流等级设计灭弧室尺寸、触头尺寸与材料；通过分析弹簧的特性得到电磁系统反力特性，为了减小触头的碰撞能量以及线圈的温升，设计了双绕组线圈以及控制电路，使得电磁操动机构吸反力特性得到良好配合。除此之外，还设计了充气系统装置，以方便调节氢气混合气体的气体比例和压强。充气系统平台的建立使得气体比例与气压均可调，灵活性与可操作性高。

(4) 实验研究了直流气体电弧的演变过程。发现电弧演变过程存在以下三个形态，起弧阶段，功率增长阶段，熄弧阶段，并分析了每个阶段的特点。对直流氢气混合气体电弧与氮气电弧进行了对比实验，分析了电弧电压特性及电弧的U-I特性。根据对不同气体电弧电压特性进行对比分析的结果，分析了产生电弧电压台阶的原因。对直流

 

氢气混合气体电弧的功率特性进行了研究，得到了电弧功率与电弧电压的关系。研究了直流氢气混合气体电弧的运动形态，并提出电弧电阻的急剧增大、电弧功率的急剧减小与电弧熄灭有直接的关系。

(5) 基于Mayr模型与Cassie模型建立了直流氢气混合气体电弧动态模型，提出了电弧长度修正系数和电弧电阻修正系数。通过Matlab对模型进行了数值解求解，分析了电弧直径和气体压强对电弧电阻特性的影响，得到了电弧长度修正系数和电弧电阻修正系数的取值；然后采用Pscad仿真软件搭建了直流氢气混合气体电弧仿真模型，分析了电弧电导初值对电弧电阻的影响，以及电弧直径和气体压强对电弧电阻、电弧电压和电弧电流特性的影响。最后通过对比实验结果与仿真结果，得到仿真结果与实验结果基本一致。

(6) 基于磁流体动力学（MHD）理论，根据气体的质量、动量和能量守恒原理，将气流场、电磁场和热场耦合在一起，建立了三维直流双触头氢气混合气体电弧数学模型，应用Gambit软件建立了简化的灭弧室几何模型和网格剖分，然后采用Fluent软件对电弧模型方程进行了求解，不考虑起弧和电弧的熄灭过程，主要研究了电弧的燃弧过程。分析了在不同电流和气压下，直流氢气混合气体电弧温度场和压强分布情况，并且对直流氢气混合气体电弧和空气电弧进行了对比分析。