学术简报｜高压开关SF6-Cu电弧净辐射系数计算
东南大学电气工程学院、电力设备电气绝缘国家重点实验室（西安交通大学电气工程学院）的研究人员仲林林、王小华等，在2018年第23期《电工技术学报》上撰文指出，辐射是高温电弧等离子体能量输运的主要过程之一。
在高压SF6电弧中，来自触头烧蚀的铜蒸气会显著影响SF6电弧的辐射过程。为了给考虑触头烧蚀的SF6电弧仿真提供辐射相关的基础数据，在原子线状谱、原子连续谱及分子谱辐射计算研究的基础上，建立了高压开关SF6-Cu电弧净辐射系数（NEC）计算模型，分析了电弧半径、电弧压力及铜蒸气浓度对SF6-Cu电弧NEC的影响规律。
研究发现：低温时，共振谱线占据主导；高温时，非共振谱线占据主导。NEC随电弧半径增大而下降，随电弧压力增强而升高。铜相比氟和硫等非金属元素更容易激发，谱线辐射强度更高，因此铜蒸气的存在使得SF6-Cu电弧的NEC显著提高。
辐射是电弧等离子体中能量输运的关键过程之一。例如在断路器开断短路电流过程中，辐射带来的能量耗散提高了电弧的冷却速度，同时也对触头和喷口造成烧蚀。A. Gleizes、Y. Cressault、V. Aubrecht和T. Billoux等研究发现，来自触头烧蚀的金属蒸气由于电离能低而谱线辐射强度大，会显著影响电弧等离子体的辐射过程。
辐射是光量子的集合，描述辐射输运的方程（即光子输运方程）也是粒子输运方程的一种形式。相比于普通粒子，光子不仅是空间、时间和速度的函数，也是频率或波长的函数，其输运方程比普通粒子的方程复杂得多。在电弧等离子体中，光子的波长范围通常是从远紫外到红外，这使得辐射性质需要在相当宽的波长范围内计算，计算复杂度高。
为了降低电弧等离子体辐射输运计算的复杂度，一些简化辐射模型相继被提出并获得应用，例如净辐射模型、局部特征模型、P-1模型等。其中净辐射模型被广泛用于开关电弧和焊接电弧的数值模拟。在净辐射模型中，辐射损耗的估计被最终归结为净辐射系数（Net Emission Coefficients, NEC）的计算。
最早关于SF6电弧净辐射模型的研究由J. J. Lowke和R. W. Liebermann在20世纪70年代完成，他们在5000~35000 K温度范围内计算了SF6电弧等离子体的NEC，发现常压下的电弧线状谱辐射比连续谱辐射大一个数量级。此后，法国和捷克的研究小组对电弧等离子体的NEC开展了大量研究。
考虑到J. J. Lowke和R. W. Liebermann使用半经验的类氢近似计算连续谱辐射，误差较大，A. Gleizes等对SF6和SF6-N2电弧的连续谱辐射系数进行了重新计算，计算中考虑了复合、吸附和轫致辐射三类辐射机制。
在此基础上，A. Gleizes等重新计算了SF6和SF6-N2电弧在8 000~24 000 K范围内的NEC，其中分子辐射的影响被忽略。V. Aubrecht等也曾对SF6电弧的NEC进行了研究，虽然计算的起始温度下降到了300 K，但依然没有把分子辐射纳入计算。
SF6-Cu电弧NEC研究最早由A. Gleizes等开展，该研究使用逸出因子来简化线状谱辐射的计算，计算起始温度为5 000 K，且同样没有考虑分子辐射的作用。
为了给考虑触头烧蚀的高压SF6电弧磁流体动力学仿真提供辐射相关的基础数据，本文以SF6电弧为对象，建立高压开关SF6-Cu电弧NEC计算模型。在原子线状谱、原子连续谱及分子谱等光谱辐射理论研究的基础上，计算了净辐射模型的关键参数NEC，分析了电弧半径、电弧压力及铜蒸气浓度对SF6-Cu电弧NEC的影响规律。
结果与讨论
电弧等离子体由大量带电粒子和中性粒子组成，其NEC的计算依赖于电弧粒子组分的获取。本文作者前期开展了大量关于SF6和SF6-Cu电弧微观物性参数的计算研究，从中获得的电弧粒子组分可为本文开展的电弧NEC计算研究提供基本输入数据。下面对计算结果展开讨论。
1 净辐射系数的主要构成
电弧等离子体的NEC由连续谱辐射系数（包括原子连续谱和分子连续谱）、原子线状谱辐射系数、分子带状谱辐射系数等三部分组成，其中原子线状谱又包括共振线谱和非共振线谱，如图1所示，其计算温度为300 ~30 000 K，计算压力为100 kPa，电弧半径为5 mm，铜的体积浓度为10%。在低温区间，SF6气体尚未完全分解，分子是电弧组分中的主要粒子，分子带状谱辐射成为主要辐射成分。
随着温度升高，SF6及其分解产物（如SF5、SF4、SF3、SF2、SF等）很快分解，原子（F、S和Cu）及其离子的辐射迅速取代分子成为辐射的主要来源。通过比较电弧线状谱和连续谱的数值大小可发现，在原子及其离子辐射占据主导的温度段，SF6-Cu电弧的连续谱比线状谱小1~2个数量级。
图1 SF6-Cu电弧等离子NEC的组分
原子由最低激发态跃迁到基态所发射的谱线称为共振谱线。共振谱线的激发能量最低，原子也最容易激发到这一能级。因此，共振谱线辐射最强，也最易激发。从图1中可知，当温度低于15000 K时，共振谱线占据主导；当温度高于15000 K时，更高的电子能量和更快的碰撞频率使得原子的非共振谱线开始取代共振谱线成为NEC的关键成分。
2 电弧半径的影响
图2描述了SF6-Cu电弧等离子体的NEC随电弧半径的变化规律，其他计算条件同图1。当辐射能量穿过电弧时，由于光子或多或少地被等离子体吸收，辐射光强度也随光进入等离子体的深度而减弱。光学薄电弧等离子体是指电弧的光学厚度非常小，即电弧等离子体本身对光的吸收可忽略。
从图2可知，随着电弧半径从零逐渐增大，等离子体从光学薄逐渐变成光学厚，对辐射能量的阻挡与吸收也逐渐显著，从而使得NEC出现明显下降。此外，电弧半径对NEC的影响在不同温度区间表现不同。例如以15 000 K为界，低温段的NEC相比高温段对电弧半径更敏感。这是因为低温段的辐射由共振谱线主导，而高温段的辐射则由非共振谱线主导，由于逸出因子的作用，共振谱线相比非共振谱线更容易受到电弧半径的影响。
图2 不同电弧半径下的SF6-Cu电弧等离子的NEC
3 压力的影响
压力对电弧NEC的影响主要通过压力对电弧粒子组分的影响来体现，如图3所示，其中，计算温度为300~30 000 K，铜的体积浓度为10%，电弧半径为1 mm。一方面，提高压力可增大粒子数密度，从而增强辐射强度、提高NEC；另一方面，根据描述化学平衡移动的Le Chatelier原理，如果改变可逆反应的条件（如浓度、压强、温度等），化学平衡被破坏，并朝着减弱这种改变的方向移动。因此，分解和电离反应被抑制，原子及离子需在更高温度下发挥作用，因此NEC的幅值会随压力的增大而向低温方向移动。
图3 不同压力下的SF6-Cu电弧等离子的NEC
4 铜蒸气的影响
图4为不同铜浓度下SF6-Cu电弧等离子体NEC，其计算压力为100 kPa，电弧半径为1 mm，计算温度为300~30000 K。可见，由于铜蒸气的影响，SF6-Cu电弧的NEC在整个温度段都显著提高了。对比铜、氟、硫等原子的电子能级可发现，铜比氟和硫等非金属元素更容易激发，因而铜的谱线辐射强度更高，辐射系数更大。可预见，触头烧蚀带来的铜蒸气将会显著影响电弧等离子的辐射过程，进而影响高压开关开断过程的能量输运。
图4 不同铜浓度下的SF6-Cu电弧等离子的NEC
相比于传统模型，本文的NEC计算模型不仅充分考虑了原子及其离子的各类谱线，而且考虑了分子带状谱和分子连续谱的影响，因而能够较好地反映低温区间分子辐射对电弧辐射输运过程的贡献。主要研究结果如下：
1）电弧等离子体的NEC由连续谱辐射系数（包括原子连续谱和分子连续谱）、原子线状谱辐射系数、分子带状谱辐射系数三部分组成，其中原子线状谱又包括共振线谱和非共振线谱。低温时，共振谱线占据主导；高温时，非共振谱线占据主导。在原子及其离子辐射占据主导的温度段，SF6-Cu电弧的连续谱比线状谱小1~2个数量级。
2）随着电弧半径从零逐渐增大，等离子体从光学薄逐渐变成光学厚，NEC出现明显下降。
3）一方面，提高压力可增大粒子数密度，从而增强辐射强度、提高NEC；另一方面，由于分解和电离反应被抑制，NEC的幅值会随压力的增大而向低温方向移动。
4）铜比氟和硫等非金属元素更容易激发，谱线辐射强度更高，因此铜的存在使得SF6-Cu电弧的NEC显著提高。