空气断路器阳极鞘层微观建模与求解

摘要

【目的】在“双碳”目标驱动下，空气断路器因其环保性、可靠性在新能源电网中的应用领域日益拓展，随着储能容量的提升，其开断能力受到了较大挑战，提升空气断路器的承载能力意义重大。空气断路器通常采用栅片建立的近极压降限制开断电流辅助熄弧，了解带电粒子的运动规律，掌握鞘层建立的过程，计算近极压降是完成空气断路器开断研究的基础。相对于阴极鞘层，阳极鞘层形成时间短，仿真难度大，研究相对匮乏，故建立微观模型进行求解，完善空气电弧理论，从微观、宏观两个角度提升断电器开断性能具有工程意义。【方法】本研究对空气断路器开断物理过程进行合理假设，以近阳极微小尺度空间作为研究对象，构建了描述动态形成过程的微观瞬态动力学模型，完成模型碰撞项与非碰撞项解耦，并基于粒子蒙特卡罗碰撞(PIC-MCC)方法对解耦后方程进行求解，得到空气介质阳极鞘层形成过程电势、电场及带电粒子相空间分布。通过分析电势图及粒子相空间分布图获得各阶段近阳极压降，并讨论空气灭弧阳极鞘层形成过程中电负性氧离子作用，进而分析阳极鞘层形成各阶段动因。【结果】仿真结果表明：电子、离子迁移率差异造成空间电荷滞留，改变了电极间的电位分布，形成了近极强场；近极强场抑制阳极对电子的吸收，形成阳极鞘层；阳极鞘层的形成经历了从初始的“负阳极鞘层”状态最终过渡到典型的“正阳极鞘层”状态的过程；不同阶段电极附近空间电荷累积特性和迁移率差异是引起负鞘层形成、向正鞘层演变及阳极压降的决定性因素，电负性氧离子会对阳极鞘层的形成和阶段转变起到加速作用。【结论】该研究不仅为理解近极压降的形成提供了微观电荷视角的解释，也为优化断路器设计、提升其在“双碳”背景下的开断可靠性与开断性能提供了重要的理论依据。

关键词

粒子蒙特卡罗碰撞 / 粒子模拟 / 空气电弧 / 玻尔兹曼方程 / 阳极鞘层 / 阳极压降 / 空间电荷 / 电负性

基金资助

国家自然科学基金项目(51407120)