表面闪络引发的真空开关故障过程的仿真与分析

《IEEE Transactions on Plasma Science》：Simulation and Analysis of the Breakdown Process of Surface Flashover Triggered Vacuum Switch

表面闪光触发真空开关（STVS）的等离子体演化机制研究通过粒子-流体耦合模型揭示，主间隙击穿前等离子体电子密度达6.4×10^6 m?3时形成放电通道，导致电场畸变和场致发射击穿。该模型完整模拟了初始带电粒子行为、阳极微斑相变及主间隙等离子体形成过程，为高稳低抖动STVS设计提供理论支撑。

　　

摘要：

通过对表面闪络触发真空开关（STVS）触发过程中等离子体动态演化特性的更深入理解，以及探索其触发机制，可以改进其设计参数的选择。电击穿过程是稳态电弧产生和发展的前提，它决定了稳态电弧的初始等离子体特性。因此，本文采用了结合粒子模型和流体模型的方法。本文提出了一个更完整地描述和演示STVS触发过程物理机制的模型。该模型模拟了初始带电粒子的产生和演化行为、阳极表面微斑点的相变行为，以及主间隙击穿过程中等离子体的形成和击穿行为。模拟结果表明，当等离子体扩展到阴极表面时，电子密度达到约6.4×10^16 m^-3，这标志着主间隙从真空绝缘状态转变为导电状态。放电通道形成后，阴极附近的电场分布发生显著畸变，局部场强迅速增加到场发射（FE）的临界击穿阈值，从而导致间隙成功击穿。通过多物理场耦合仿真，系统地揭示了STVS中电击穿的物理机制。这些研究结果可以为高稳定性和低抖动STVS产品的优化设计提供重要的理论基础和技术支持。

引言

触发真空开关（TVS）使用真空作为绝缘介质。通过触发电极和辅助电极之间的放电，产生初始等离子体并进入主间隙，从而点燃主间隙。当电流穿过零点时，大量电子、离子和金属蒸汽颗粒会残留在间隙中[1]。电子迅速向新的阳极移动，在新的阴极附近形成离子鞘层，并逐渐覆盖整个间隙[2]。随后，残留的中性金属蒸汽颗粒被电极吸附或通过扩散和电离作用消散，最终使间隙恢复到真空绝缘状态。