论文摘要
电弧产生、发展、熄灭过程的深入研究是对其进行有效控制的前题，对电弧产生的前因及影响电弧生成因素的深入探索表明，弧前抑弧调控是提升开断能力的有效途径。弧前过程是电弧存在的基础，在弧前过程中形成的微观粒子空间分布、能量分布、空间电荷作用下的动态电场分布及鞘层分布对稳态电弧能量起到决定性作用。弧前过程是一个小时、空尺度下的非线性、时变、非平衡过程，基于此，本文从微观角度出发，探求液态金属桥断裂后稳态电弧生成前带电粒子群的产生、发展及演变规律及物理本质，分析不同灭弧介质弧前过程的形成机理，讨论宏观因素对微观形成机理的影响，具体内容为：（1）以非平衡态电离气体的基本方程玻尔兹曼方程为基础，创建弧前电子发展动态模型、带电离子运动模型、微观粒子碰撞模型，并提出基于粒子蒙特卡罗碰撞的求解方法。采用建立的数学模型，自编程仿真计算了单原子介质弧前过程，对比经典算例，验证算法准确性。通过对一维单原子介质的仿真计算，分析电子、离子运动对弧前过程的影响，研究鞘层和电离层形成过程。（2）建立了简化二维真空断路器大电流开断下弧前过程仿真模型。以金属电离化气为研究对象，自编程仿真分析真空金属电离化气电弧产生的微观物理本质。求得了电子崩在金属电离化气中的发展过程、空间电荷密度分布、鞘层形成过程及空间电荷作用下的动态电场变化。从微观角度出发，解释大电流开断下，金属电离化气电弧形成前期电子聚集的主要原因；分析了开距、二次电子发射系数、开断电流、近极区电子碰撞等宏观参数对微观弧前过程影响的物理本质。（3）根据场致电子发射理论和热电子发射理论，建立二维真空断路器小电流开断下弧前过程仿真模型。自编程仿真分析小电流开断过程中金属电离化气的产生及击穿过程，获得电极过程对小电流真空电弧产生的绝对影响。（4）建立SF6电弧的动态弧前过程仿真模型，在模型中充分考虑多原子组成的SF6分子在弧前过程中激发、吸附、解离电离、粒子重组等不同物理化学变化。自编程计算分析空间电荷时空变化及对微观动态电场的影响；定量计算SF6电弧弧前过程中电子崩产生、发展时间及电子能量变化；获得SF6电弧形成初期等离子体内部运动情况。