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1、24何孟兵等:放电电弧电磁力计算与气体开关电极机械性能的选择电工材料2007No.1放电电弧电磁力计算与气体开关电极机械性能的选择何孟兵,周圣,李志鹏(华中科技大学电气与电子工程学院,武汉430074)摘要:当气体火花开关闭合时,开关电极之间会产生强烈的大电流电弧,电极内部开始有电流流动。电弧电流产生的磁场和电极中的电流相互作用会产生强大的机械力冲击电极表面进而影响开关的性能。本文计算了开关电弧对电极的电磁冲击力,并对开关电极材料机械性能的选择提出了建议。关键词:气体火花开关;电弧;电磁力;电极机械性能中图分类号:TM153.3;TM564文献标志码:A文章
2、编号:1671-8887(2007)01-0024-03CaculationofArcMagneticPressureonElectrodeSurfaceandChoiceofElectrodeMechanicalPropertyHEMeng-bing,ZHOUSheng,LIZhi-peng(CollegeofElectricalandElectronicEngineering,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074)Abstract:Whensparkswitchcloses,anelec
3、tricarcformsbetweentheelectrode,andcur2rentconductionbegins.Thestrongmechanicalforcegeneratedasthearcformsimpactstheelectrodeandhaseffectsonswitchperformances.Thisinvestigationcalculatesthepressuregeneratedbyhigharccurrentandpresentsomeconclusionsandrecommendationsonthechoiceofelec
4、trodemechanicalproperty.Keywords:gassparkswitch;higharccurrent;magneticpressure;mechanicalproperty1引言有必要对开关放电电弧与电极间的相互作用力进行气体火花开关是脉冲功率技术中常用的开关计算,以便为开关的设计提供一定的理论参考依器件,在大电流工作时,开关电极会因为高能量、据。大电流电弧的烧蚀作用而影响到气体火花开关的[1～5]工作性能和寿命。影响开关电极烧蚀的因素,2计算模型不仅与开关的工作电流有关,还与开关的电极材开关放电电弧与电极间相互作用示意图见图1。料、
5、开关的结构、开关间工作气体的种类与压强、电为简化数学处理,作如下假设:极材料烧蚀熔化液滴的形成与分解等因素有(1)电弧中电流呈圆柱状均匀分布,与电弧接[2,3]关。其中开关电弧与电极的相互作用力对开关触的电极表面均匀接触;电极材料的烧蚀、开关电极的机械应变以及开关密(2)电极材料为各向同性的均匀物质;闭腔体的机械强度设计都有极其重要的影响,因此(3)放电电弧电流不随时间变化。在总电流中取一以速度v作定向运动的电荷微元dQ,其在磁场B中受到的力为:dF=作者简介:何孟兵(1971-),男,湖北黄梅人,副教授,从事脉冲功率dQ(v×B)。电荷微元dQ=ρdV(ρ
6、为体电荷密技术的研究,(电话)027-87540157(电子信箱)hemengbing@263.net。度,dV为电荷微元dQ的体积),电流密度的表达收稿日期:2006-10-03式为:J=ρv,于是可以得到dF=dV(J×B)。将此电工材料2007No.1何孟兵等:放电电弧电磁力计算与气体开关电极机械性能的选择253分析式积分,即得到电流受到的力F=Q(J×B)dV,V3.1影响电磁力大小的因素而导体单位体积上受到的力则为:式(5)表明,电弧对电极电磁力的影响与电流大dF小、电流频率、电弧半径、电极的电导率、电极的磁导f==J×B(1)dV率及电极半径等因
7、素有关。定性地看有以下几点:对图1所示的电弧和电极系统而言,其磁感应①电流越大,电磁力越大;②电极的半径越小,电极强度为:单位体积上受到的最大电磁力越大;③电流的频率μ0I越高,电磁力越大;电极导体的电导率越大,电磁力B=(2)2πr越大。因为这两者都使趋肤深度变小,电流密度增由于趋肤效应,电流密度随电极深度增加按指大,导致电磁力变大。-z/Zs数规律衰减:J=J0e,式中,Zs为趋肤深度。Zs在工程设计中选择开关电极材料时,从导电的由式(3)决定:角度考虑,希望材料的电导率越大越好,这样可以减503小开关电极的焦耳热,减小开关电极的烧蚀[6]。但从Zs=(
8、3)fμσ电磁冲击力的角度看,电极材料的电导率越大,
