直流接触器可频繁地接通与关断大电流电路,其电流开断过程中的电弧运动特性与电寿命和可靠性息息相关。近年来,随着直流配电系统在船舶、高铁、电动汽车等领域的广泛应用,作为线路关键控制元件的直流接触器也受到广泛关注。尤其是电动汽车及充电桩快速增长的市场需求,对直流接触器提出大容量、长寿命、高可靠性的挑战。本文针对一款充气式直流接触器产品,建立接触器开断电流过程的三维磁流体动力学电弧模型,探究电弧在接触器内部的运动过程,并对比分析不同因素和灭弧结构对燃弧特性的影响,进行相应的电寿命实验探究,为封闭式直流接触器设计提供理论依据。首先,本文针对一款750 V/300 A的直动式直流接触器产品,建立三维动态电弧仿真模型,研究了其在电流开断过程中的电弧运动轨迹。采用混合划分网格的方式,剖分了灭弧室的网格,实现触头运动过程的动态网格更新。根据场路耦合模型,耦合气流场和外部电路特性,建立接触器开断电流过程的三维磁流体动力学电弧模型,分析电流开断过程中的电弧动态特性,揭示电弧演变过程的内在机理,研究结果表明:电弧运动过程中存在分叉现象。电弧整个运动过程可分为五个阶段:触头间的运动、侧壁面上的平铺、三叉、双叉和单支阶段。通过仿真与实验中电压电流波形图对比及实验后产品图片进行分析,验证仿真模型的准确性。其次,在前述电弧仿真模型的基础上,建立考虑触头烧蚀过程仿真模型。电弧与触头的相互作用包含着能量传递和物质传输两个层面,能量传递中考虑热传导和粒子发射轰击的作用,当触头被加热至熔点后,在触头表面会产生铜蒸汽并向氢气中扩散。研究结果表明:由于烧蚀产生的铜蒸汽的存在,考虑烧蚀作用时电弧温度较低、运动速度较慢,燃弧时间减小;单次燃弧过程阴极烧蚀速率为8.9μg/C;将仿真结果与文献中的实验结果进行对比,验证仿真模型的合理性。再次,探究了不同因素与灭弧结构对接触器开断特性的影响。时间常数越大,线路电流变化得越慢,电弧最大电压越大,燃弧时间越长;外部永磁体距灭弧室壁面越近、充气压强越大,电弧运动速度越快,燃弧时间越短;拉弧速度对电弧特性影响较小;起弧位置存在偏移时,电弧会迅速偏移至一侧,电弧最大电压增大,燃弧时间缩短,但会严重烧蚀灭弧室某一棱线。根据电弧在灭弧室内的运动路径,对实际产品结构提出开口动触头、陶瓷栅片和铁栅片方案,开口动触头能促进电弧的散热过程,陶瓷栅片能减小电弧流速,铁栅片能提高电弧电压,都能一定程度上减小燃弧时间。最后,研制模拟直流接触器电弧开断过程的实验样机,实现不同因素影响下电弧特性的诊断。样机采用透明真空腔体设计,实现氢气环境下电弧图像的拍摄;通过设计直流接触器实际产品尺寸的透明罩,模拟实际产品的封闭结构;动触头运动过程由电磁机构实现;由大功率晶闸管控制回路导通,样机控制回路关断。针对部分影响因素和灭弧结构,进行了实际接触器产品在1 ms时间常数下的电寿命实验,得到了开口动触头最优设计方案,最大拉弧次数从696次提升到1 000次以上。