论文总字数：24417字

摘 要

直流接触器中分断时产生的电弧会影响触头的分断能力和电寿命，甚至会损坏电器，造成危险，电弧燃烧的过程中有温度场、磁场、流场的变化，而它的燃烧过程会引起过电压，弧柱高温高压的等离子体也会侵蚀触头，所以研究直流接触器的开断特性是一个很重要的内容。

电弧的状态、形状、特性与间隙里面气体介质的压强以及电极的几何状态、间距、电压等都有关系。本文对电弧产生的五个过程进行深入了解，并且讨论电弧产生过程中近阴极区、近阳极区以及弧柱区的特性，分析相关的动态模型。

基于麦也尔(Mayr)电弧模型，对电弧模型进行数值仿真，并且绘出电弧的相关特性曲线，分析电弧在开关过程中散热功率、开断时间、时间常数对电弧燃烧熄灭的影响，分析在设计灭弧室时对前三个参数的设计，思考相关的应对措施；利用Fluent磁流体动力学仿真能够很直观的分析其特点，根据双流体电弧模型，对电弧进行模拟研究。

关键词：直流接触器 电弧模型 麦也尔 仿真 磁流

Abstract

The arc being generated when the DC contactor is broken will affect the ability of the contact breaking and working life, even damage the electrical appliances. The temperature field, magnetic field, flow field will be changed. The combustion process of arc will cause over-voltage. Arc column high temperature and high pressure of the plasma will erode the contact, so the study of DC contactor breaking characteristics is a very important content.

The state, shape, characteristics, and the pressure of the gap inside the gas medium are related to the geometrical state, spacing, and voltage of the electrodes. In this paper, the five processes of arc generation are deeply comprehended, and the characteristics of near cathode region, near anode region and arc column area during arc generation are discussed. Finally, the relevant dynamic model is analyzed.

Based on the Mayr arc model, the arc model is simulated and the characteristic curve of the arc is plotted. The influence of the cooling power, breaking time and time constant on the arc extinguishing process is analyzed. In the design of the arc-extinguishing chamber, the design of the first three parameters is analyzed and the relevant measures are considered. The characteristics can be analyzed intuitively by the Fluent Software. The arc is simulated according to the two-fluid arc model.

Key Words: DC contactor, Arc model, Mayr, simulation, Magnetic fluid

目 录

摘要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 绪论 1

1.1直流接触器电弧 1

1.2电弧仿真研究现状 1

1.3本文所做的工作 2

第二章 直流接触器电弧及运动机理基本理论 3

2.1概述 3

2.2电弧的产生机理 3

2.3电弧的特性 5

第三章 基于Matlab的电弧模型仿真 9

3.1 MATLAB/Simulink7.0仿真平台的介绍 9

3.2 麦也尔（Mayr）模型简介 9

3.3 Simulink仿真模型 11

3.3.1电弧模块的实现 11

3.3.2仿真电路的建模 13

3.4 电弧仿真结果及其相关讨论 13

3.5 小结 22

第四章 基于Fluent的磁流体动力学(MHD)仿真 23

4.1 磁流体仿真软件平台介绍 23

4.1.1 CFD商业软件之一：FLUENT 23

4.2 电弧仿真 23

4.2.1电弧等离子仿真与模型守恒方程 23

4.2.2 Gambit划分网格 24

4.2.3 FLUENT中的求解 26

4.2.4 仿真结果 27

4.3 小结 29

总结与展望 31

参考文献 32

致 谢 34

第一章 绪 论

1.1直流接触器电弧

接触器是一种低压电器，它非常的重要，对于远程操作非常的便利，它通常作用于频繁地通断1200V及以下的控制电路，如：直流电动机、电加热、直流电磁铁、电照明等，在各个行业应用广泛，并且在我们的生产中自动化程度越来越高，而且对其的要求也越来越多。

但是目前直流接触器通断电路的原理都是利用开关的接触头来断开的，而且在使用过程中需要高频率的开断，并且经试验论证，当切断电路的时候，电极两端的电压超过12~20V，原本导通的电流超出0.25~1A，在触头之间通常都会产生。电弧，是指气体在导通的电极两端之间由绝缘的状态变得可以导通电流，从而流通电流，现在也在各个电工、焊工领域应用都能被广泛用到。但是对于触点开关电器来说，因为触点断开而产生的电弧，会使得原来已经断开的电路，没有那么容易断开，还会有一定的电流流通，产生很强的光亮和很强的温度可能损坏其触头，导致毁掉电气器件、导线等，更严重的情况会引起生命财产安全，更严重的可能起大火，所以研究直流接触器的电弧，深入总结其基本原理和特性，得出应对措施，使电弧能快速的彻底的熄灭。因此，对直流接触器产生电弧进行模拟和探索具有很深远的意义。

电弧的相关原理和研究在电器研究中有很多的方面和资料。燃弧的基本过程可以分为以下几个部分：触头刚开始分开的时候，是怎么使得电弧产生的、间隙里面的气体是怎么开始导通电流的，还有电流击穿间隙的过程，引起电弧过程中的火花、辉光、弧光放电等现象，还有就是空气中的中性粒子变为正离子和负离子等的概念。而在弧柱部分的理论主要有：在电离的时候同时进行的离子中和的物理过程，还有其中带电粒子浓度、数量几乎保持不变的状态，其几何形状、电势、温感布局、光斑、等离子流等。所以把电路中的一些数据和电弧的特性结合来探索熄灭电弧的条件。在交流系统中，交流断接触器是利用电流过定点熄灭电弧，完成介质恢复，但是直流系统的电流不会自己达到零安培，因此开断直流电路就比开断交流电路困难很多，虽然与其它的电弧的很多基础和燃烧过程有很大一部分相似，但是还是有部分区别。由于科技的发展，微机及其软件都可以利用来在各个生活工作中解决很多问题。因此在直流接触器的电弧分析中，利用现代科学技术，微机能对灭弧室进行模拟分析，清楚地对它断开电路和控制过程中复杂的各种物理现象以及机动现象等来深入研究。本文将利用计算机，将语言公式的解析、实验观察及仿真结合起来，使得产品设计更加准确，缩短设计时间、不再随机试验，猜测试验条件，也有助于直流接触器技术性能的提高。

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