陽極表面能流密度(EFD)分布可以表征極間等離子體對陽極的加熱作用，是重要的真空電弧特性參數(shù)。為此，在前期建立的真空電弧磁流體動力學(xué)(MHD)模型的基礎(chǔ)上，引入邊界條件，計算了小間隙中超音速電弧和亞音速電弧的陽極表面能流密度參數(shù)，并進(jìn)一步分析討論了電弧電流、觸頭開距、觸頭半徑和縱向磁場(AMF)等燃弧參數(shù)變化對該參數(shù)的影響。

　　研究結(jié)果表明：1)當(dāng)電弧電流增大時，上述參數(shù)均增大，且向弧心收縮加劇，亞音速電弧收縮更加明顯；2)當(dāng)觸頭開距增大時，上述參數(shù)也向弧心區(qū)域逐漸收縮；3)當(dāng)觸頭半徑增大時，上述參數(shù)均逐漸減小，且沿徑向分布越來越均勻；4)當(dāng)縱向磁場增大時，上述參數(shù)的徑向分布越來越平緩。上述燃弧參數(shù)變化對陽極表面能流密度的分布均有影響，因此，減小觸頭開距、增大觸頭半徑和縱向磁場均能抑制陽極表面能流密度的收縮，減少輸入陽極的能量，提高真空開關(guān)開斷性能。

　　引言

　　小間隙真空電弧是新一代多斷口真空開關(guān)技術(shù)和相控開關(guān)技術(shù)中常見的電弧，對其進(jìn)行深入研究是研發(fā)新型真空開關(guān)的基礎(chǔ)。根據(jù)真空電弧陽極斑點(diǎn)形成理論，極間電弧等離子體收縮使輸入陽極局部區(qū)域的能流密度增大，進(jìn)而導(dǎo)致陽極局部過熱，形成陽極斑點(diǎn)。

　　Schellekens和Schulman采用高速攝像技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，電弧電流、觸頭半徑、觸頭開距和外加縱向磁場等燃弧參數(shù)的變化對真空電弧形態(tài)演變及收縮狀況有著重要影響。Schade總結(jié)得出，隨著縱向磁場和電弧電流的變化，真空電弧呈現(xiàn)超音速擴(kuò)散電弧、多弧、亞音速擴(kuò)散電弧、擴(kuò)散柱電弧和收縮柱電弧等燃弧模式。董華軍等采用CMOS高速攝像機(jī)，結(jié)合Matlab數(shù)字圖像處理方法對不同觸頭結(jié)構(gòu)下的小間隙真空電弧形態(tài)演變進(jìn)行了定量研究。

　　通過實(shí)驗(yàn)可定性研究電弧形態(tài)的變化及其影響因素，但真空電弧是在全封閉真空環(huán)境中燃燒的，其內(nèi)部等離子體參數(shù)的測量和診斷十分困難。隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，研究人員通過對真空電弧進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，并采用數(shù)值方法求解，得到了真空電弧內(nèi)部等離子體參數(shù)，從微觀角度定量分析了電弧特性，從而豐富了真空電弧的研究手段。Boxman等研究人員均在這方面取得了卓越研究成果。

　　陽極表面能流密度(energy flux density，EFD)是衡量極間等離子體對陽極加熱作用的參數(shù)，是最重要的電弧特性參數(shù)。本文采用數(shù)值模擬技術(shù)，求解真空電弧真空電弧磁流體動力學(xué)(magneto hydrodynamic，MHD)模型，得到陽極表面EFD的徑向分布，討論分析了電弧電流、觸頭半徑、觸頭開距和縱向磁場等燃弧參數(shù)變化對其分布的具體影響。進(jìn)而提出了真空電弧調(diào)控策略，抑制電弧收縮，可進(jìn)一步提高真空開關(guān)的開斷能力。

　　結(jié)論

　　1)陽極能流密度主要由電子產(chǎn)生，而離子的貢獻(xiàn)較少。

　　2)當(dāng)電弧電流增大時，超音速和亞音速電弧的陽極能流密度均隨之增大，且向弧心區(qū)域收縮加劇；特別是對于大電流亞音速電弧，其增加更迅速且收縮更嚴(yán)重。

　　3)當(dāng)觸頭開距增大時，超音速和亞音速電弧陽極能流密度均向弧心區(qū)域逐漸收縮，向邊緣區(qū)域逐漸降低。

　　4)當(dāng)觸頭半徑增大時，超音速和亞音速電弧流入陽極的能流密度均逐漸減小，徑向分布更加均勻，收縮程度也有所減輕。

　　5)當(dāng)縱向磁場增大時，陽極能流密度沿徑向分布越來越平緩；特別是在大電流情況下，縱向磁場有效抑制了能流密度的收縮，減小了輸入陽極的能量。在真空開關(guān)觸頭結(jié)構(gòu)一定的情況下，改變縱向磁場是實(shí)現(xiàn)電弧調(diào)控、提高開關(guān)開斷能力的主要手段。