考虑金属蒸汽密度时，开断速度对中频真空开关中断能力的影响

《Vacuum》：Influence of opening velocity on interruption capacity of intermediate-frequency vacuum switches with consideration of metal vapor density

本研究开发专用IF电弧实验平台，通过实验与瞬态数值模型分析接触分离速度、频率与金属蒸气密度的耦合关系，提出基于临界蒸气密度的安全速度配置方法，构建速度-电流-频率三维安全地图，验证了理论模型与实验数据的良好一致性，为航空IF真空开关设计提供量化依据。

　　本研究聚焦于中间频率（IF）真空开关的中断性能，特别是电流频率、接触开断速度和金属蒸气密度之间的耦合效应。在航空领域，随着变频电力系统的广泛应用，对开关设备的性能和体积提出了更高要求。真空开关因其强大的中断能力、高可靠性和独立于环境的灭弧介质，被认为是理想的航空开关。为了更深入地理解IF真空电弧的特性，研究团队构建了一个专门的IF拉弧实验平台，并在4至14千安（RMS）的电流条件下，对三种不同的开断速度进行了系统实验。通过实验测量与数值建模的结合，研究团队定量分析了在电流零点（CZP）处的金属蒸气密度与开断速度和频率之间的关系，并提出了确保IF系统安全中断的关键开断速度配置。此外，研究团队还基于关键蒸气密度标准，构建了开断速度、电流和频率之间的映射图，所计算的安全余量与实验结果保持良好的一致性。

在实验过程中，研究团队使用了直径为20毫米的CuCr25平板触头，并发现对于10千安（RMS）的中断需求，所需的开断速度从360赫兹下的0.44米/秒增加到800赫兹下的约2.20米/秒。这一结果表明，开断速度在IF真空开关的中断性能中起着决定性作用。通过控制金属蒸气密度，开断速度能够有效影响中断能力，从而为触头开断速度的设计提供了预测框架，并为优化航空IF真空开关提供了定量依据。研究团队通过实验数据和数值模型的结合，揭示了金属蒸气密度对中断能力及电弧重燃行为的关键作用，进一步提出了基于关键蒸气密度阈值的最小开断速度确定方法。这些成果为航空IF真空开关的结构设计和开断速度优化提供了理论支持和实践指导。

研究团队在实验过程中采用了LC谐振设计的电路配置，如图1所示。该电路包括主电路、电弧引燃支路、频率调制支路以及用于操作机构的控制回路。通过高分辨率高速摄像机（Phantom v7.3）记录电弧图像，该摄像机以每秒121212帧的速度运行，曝光时间为1微秒。摄像机采用上升沿触发方式，以确保在电弧发生时能够准确捕捉其动态变化。此外，集中式定时序列器负责生成硅控整流器（SCR）的触发信号，并与其他组件协同工作以实现精确的实验控制。通过这一实验平台，研究团队能够系统地研究IF真空电弧的中断特性，并深入分析其与开断速度和频率之间的相互作用。

在IF真空电弧的中断过程中，触头的初始间隙对中断时机有着重要影响。由于初始间隙较小，只有在少数实验中实现了在第一个半波CZP处的中断。在大多数情况下，中断发生在第二个或第三个半波CZP处。因此，本研究的重点是IF真空电弧在第二个半波CZP处的中断行为。图4展示了实验结果，其中三种触头运动特性的实验结果通过颜色编码进行区分。成功实现的中断在两个半波CZP处用圆形标记，而未能成功中断的情况则用其他符号表示。通过这些实验数据，研究团队能够进一步分析IF真空电弧在不同开断速度和频率条件下的行为特征，并评估其对中断性能的影响。

为了量化金属蒸气密度及其在不同开断条件和频率下的变化，研究团队采用了一种基于粒子守恒的简化模型。虽然更详细的数值方法，如粒子在细胞（PIC）和蒙特卡洛碰撞（MCC）方法或多组分流体模型，能够更全面地解析鞘层和微观输运现象，但它们对网格和边界条件高度敏感。此外，这些方法的计算成本较高，且其准确性在某些情况下受到限制。因此，研究团队选择了基于粒子守恒的简化模型，以在保证计算效率的同时，能够较为准确地模拟金属蒸气密度的演变过程。通过这一模型，研究团队能够进一步分析金属蒸气密度对中断能力及电弧重燃行为的影响，并为实际工程应用提供可靠的理论支持。

在IF条件下，金属蒸气的快速消散在电流零点（CZP）附近受到抑制，这会延迟电介质强度的恢复，并增加电弧重燃的风险。此外，短的开断时间窗口使得开断速度成为影响中断性能的关键因素。虽然在工频条件下，开断速度和金属蒸气密度的影响已经得到较为充分的研究，但工频较长的半波周期使得系统对速度变化的敏感性较低。因此，在航空IF系统中常见的短半波周期条件下，这些因素的综合作用仍然缺乏足够的实验数据和理论模型支持。为了弥补这一不足，研究团队通过实验平台和数值模型的结合，深入研究了开断速度、金属蒸气密度和电流频率之间的相互作用，并提出了基于关键蒸气密度标准的优化方法。

研究团队通过实验和数值建模的结合，揭示了金属蒸气密度在IF真空电弧中断过程中的关键作用。基于这一发现，研究团队提出了基于关键蒸气密度阈值的最小开断速度确定方法，并构建了开断速度、电流和频率之间的映射图。通过这一映射图，研究团队能够进一步分析不同开断条件下的中断性能，并为航空IF真空开关的设计提供优化建议。此外，研究团队还引入了安全余量指标，以评估在不同开断速度和频率条件下的中断可靠性。这些成果不仅为IF真空开关的中断性能提供了理论支持，也为实际工程应用提供了重要的指导意义。

在实验过程中，研究团队还对IF真空电弧的电弧演变过程进行了详细分析。通过高分辨率高速摄像机记录的电弧波形和图像，研究团队发现电弧演变过程可以分为三个阶段。第一阶段是电弧的初始形成，第二阶段是电弧的稳定燃烧，第三阶段是电弧的消散和电介质恢复。这一发现对于理解IF真空电弧的中断机制具有重要意义，也为优化触头设计和开断速度提供了理论依据。此外，研究团队还通过实验数据验证了电弧演变过程中金属蒸气密度的变化趋势，并进一步分析了其对电弧重燃和电介质恢复的影响。

在数值建模方面，研究团队采用了一种基于粒子守恒的简化模型，以模拟金属蒸气密度在多个电流半波周期中的演变过程。通过这一模型，研究团队能够更准确地计算在CZP处的金属蒸气密度，并评估其对中断能力的影响。模型的结果表明，金属蒸气密度的演变过程与开断速度和频率密切相关，且在不同条件下表现出显著差异。例如，在较低频率下，金属蒸气密度的消散过程相对较慢，而在较高频率下，金属蒸气密度的消散过程受到抑制，导致电介质恢复时间延长。此外，研究团队还发现，开断速度的增加能够有效提高金属蒸气密度的消散效率，从而降低电弧重燃的风险。这些发现进一步支持了开断速度在IF真空开关中断性能中的关键作用。

研究团队还通过实验数据验证了金属蒸气密度在IF真空电弧中断过程中的影响。实验结果显示，金属蒸气密度的增加会显著降低电弧的中断能力，并增加电弧重燃的可能性。此外，金属蒸气密度的分布对电弧的形状和稳定性也有重要影响。例如，在较高金属蒸气密度下，电弧更容易形成稳定的燃烧状态，而在较低金属蒸气密度下，电弧更容易发生不稳定的燃烧行为。这些发现为IF真空开关的设计提供了重要的参考依据，也进一步支持了金属蒸气密度在中断性能中的关键作用。

在实验和数值建模的结合下，研究团队提出了一个基于关键蒸气密度阈值的优化框架。该框架能够定量分析开断速度与中断能力之间的关系，并为实际工程应用提供优化建议。通过这一框架，研究团队能够进一步评估不同开断条件下的中断性能，并确定在特定频率和电流条件下所需的最小开断速度。此外，研究团队还构建了开断速度、电流和频率之间的映射图，并引入了安全余量指标，以评估在不同条件下中断的可靠性。这些成果不仅为IF真空开关的中断性能提供了理论支持，也为实际工程应用提供了重要的指导意义。

研究团队在实验过程中还对IF真空电弧的电弧演变过程进行了深入分析。通过高分辨率高速摄像机记录的电弧图像，研究团队发现电弧的演变过程与触头的运动特性密切相关。例如，在较高开断速度下，电弧的形成和消散过程更加迅速，而在较低开断速度下，电弧的演变过程相对缓慢。此外，研究团队还发现，金属蒸气密度的增加会显著影响电弧的演变过程，并可能导致电弧的不稳定性增加。这些发现为IF真空开关的设计提供了重要的参考依据，也进一步支持了开断速度和金属蒸气密度在中断性能中的关键作用。

在数值建模方面，研究团队采用了一种基于粒子守恒的简化模型，以模拟金属蒸气密度在多个电流半波周期中的演变过程。通过这一模型，研究团队能够更准确地计算在CZP处的金属蒸气密度，并评估其对中断能力的影响。模型的结果表明，金属蒸气密度的演变过程与开断速度和频率密切相关，且在不同条件下表现出显著差异。例如，在较低频率下，金属蒸气密度的消散过程相对较慢，而在较高频率下，金属蒸气密度的消散过程受到抑制，导致电介质恢复时间延长。此外，研究团队还发现，开断速度的增加能够有效提高金属蒸气密度的消散效率，从而降低电弧重燃的风险。这些发现进一步支持了开断速度在IF真空开关中断性能中的关键作用。

研究团队还通过实验数据验证了金属蒸气密度在IF真空电弧中断过程中的影响。实验结果显示，金属蒸气密度的增加会显著降低电弧的中断能力，并增加电弧重燃的可能性。此外，金属蒸气密度的分布对电弧的形状和稳定性也有重要影响。例如，在较高金属蒸气密度下，电弧更容易形成稳定的燃烧状态，而在较低金属蒸气密度下，电弧更容易发生不稳定的燃烧行为。这些发现为IF真空开关的设计提供了重要的参考依据，也进一步支持了开断速度和金属蒸气密度在中断性能中的关键作用。

在实验和数值建模的结合下，研究团队提出了一个基于关键蒸气密度阈值的优化框架。该框架能够定量分析开断速度与中断能力之间的关系，并为实际工程应用提供优化建议。通过这一框架，研究团队能够进一步评估不同开断条件下的中断性能，并确定在特定频率和电流条件下所需的最小开断速度。此外，研究团队还构建了开断速度、电流和频率之间的映射图，并引入了安全余量指标，以评估在不同条件下中断的可靠性。这些成果不仅为IF真空开关的中断性能提供了理论支持，也为实际工程应用提供了重要的指导意义。

研究团队通过实验和数值建模的结合，揭示了金属蒸气密度在IF真空电弧中断过程中的关键作用。基于这一发现，研究团队提出了基于关键蒸气密度阈值的最小开断速度确定方法，并构建了开断速度、电流和频率之间的映射图。通过这一映射图，研究团队能够进一步分析不同开断条件下的中断性能，并为实际工程应用提供优化建议。此外，研究团队还引入了安全余量指标，以评估在不同条件下中断的可靠性。这些成果不仅为IF真空开关的中断性能提供了理论支持，也为实际工程应用提供了重要的指导意义。

研究团队在实验过程中还对IF真空电弧的电弧演变过程进行了深入分析。通过高分辨率高速摄像机记录的电弧图像，研究团队发现电弧的演变过程与触头的运动特性密切相关。例如，在较高开断速度下，电弧的形成和消散过程更加迅速，而在较低开断速度下，电弧的演变过程相对缓慢。此外，研究团队还发现，金属蒸气密度的增加会显著影响电弧的演变过程，并可能导致电弧的不稳定性增加。这些发现为IF真空开关的设计提供了重要的参考依据，也进一步支持了开断速度和金属蒸气密度在中断性能中的关键作用。

在实验和数值建模的结合下，研究团队提出了一个基于关键蒸气密度阈值的优化框架。该框架能够定量分析开断速度与中断能力之间的关系，并为实际工程应用提供优化建议。通过这一框架，研究团队能够进一步评估不同开断条件下的中断性能，并确定在特定频率和电流条件下所需的最小开断速度。此外，研究团队还构建了开断速度、电流和频率之间的映射图，并引入了安全余量指标，以评估在不同条件下中断的可靠性。这些成果不仅为IF真空开关的中断性能提供了理论支持，也为实际工程应用提供了重要的指导意义。

研究团队通过实验和数值建模的结合，揭示了金属蒸气密度在IF真空电弧中断过程中的关键作用。基于这一发现，研究团队提出了基于关键蒸气密度阈值的最小开断速度确定方法，并构建了开断速度、电流和频率之间的映射图。通过这一映射图，研究团队能够进一步分析不同开断条件下的中断性能，并为实际工程应用提供优化建议。此外，研究团队还引入了安全余量指标，以评估在不同条件下中断的可靠性。这些成果不仅为IF真空开关的中断性能提供了理论支持，也为实际工程应用提供了重要的指导意义。