直流继电器分断电弧数值仿真的数学模型主要有宏观模型和微观模型，目前研究相对较少，哈尔滨工业大学基于磁流体动力学对不同电压等级的继电器电弧进行了相关仿真研究[35,40]。华中科技大学李震彪团队对继电器微观模型进行了有意义的探索[43,44]。通过对继电器电弧行为的数值计算，可以为大功率继电器产品优化设计提供理论依据，缩短研发周期，并对继电器实际动作中的一些问题成因作出解释。文献[35]针对航天继电器，建立了航天热力学条件下银触头在 N2、H2、He 分断电弧的三维磁流体动力学模型，提出了热力学环境在航天继电器电弧模型中的描述方法，其中力学环境等效为动量方程的体积力，热学环境通过温度边界条件、压力边界条件及电弧热力学特性和输运系数实现，研究了 28V/20A、40A 和 60A 不同分断条件下电弧电压、燃弧时间、触头烧蚀量等参数，给出了空间热力学环境对继电器电弧特性和触头烧蚀特性的影响规律。文献[40]对 270V/200A 直流大功率桥式双断点触头分断电弧过程进行了仿真计算，仿真获得了电弧温度、电流密度分布的时变数据，其中的电弧电压曲线与试验测量进行了对比发现具有一致的变化趋势，验证了仿真模型的可行性。臧春艳[43,44] 等考虑密封继电器常见的保护性高纯氮气中混有部分水蒸气的影响，建立了热平衡态电弧微观模型，通过各类粒子数密度的变化来分析水蒸气作为杂质气体对氮气电弧的影响。结果表明水蒸气的存在会削弱氮气电弧的相关电离过程。

德国 Manfred Lindmayer[47]通过仿真对横向磁场下的直流电弧分断的机理进行研究，基于 COMSOL 有限元多物理场耦合软件平台建立了二维对称电弧仿真模型，计算了电弧通道在磁场中洛伦兹力的作用下形成类“气泵”效应，吹动介质流动。通过仿真，从机理上尝试解释了氢气的熄弧特性优于空气。此外，西安交通大学电器教研室近年来对直流断路器中的电弧仿真进行大量的研究工作[51-55]，其中吴翊等引入 6 波段 P-1 辐射模型，不仅考虑了热辐射的发射问题，同时还解决了等离子体内热辐射的自吸收问题，为精确求解其他气体电弧等离子体的辐射问题提供了借鉴[52]。王伟宗等通过最小吉布斯自由能方法计算获得了氮气平衡态电弧等离子体的粒子组分构成、热力学属性、输运系数以及辐射系数等建立宏观磁流体动力学仿真建模所必须的输入参数[53,54]。这些断路器中的电弧研究成果可为深入开展更高电压等级的直流大功率继电器类开关电器电弧仿真研究、优化灭弧室结构、提高其分断容量等工作提供借鉴。

分断电弧特性特别是电弧对触头材料的侵蚀和材料转移行为进行了长期、持续的研究，推动了直流大功率继电器类开关电器的电弧理论及调控技术的完善，但是，在以下几个方面仍存在一些问题，需要研究者针对直流大功率继电器的特殊性做进一步的工作，主要包括：

1）触头熔融金属液滴溅射烧蚀特性的研究。进一步研究熔池内部动力学数学模型，得到燃弧过程中随时间变化的材料溅射烧蚀特性；进一步研究电弧与触头之间的物质、能量传递过程，建立更为准确的包括电极和电弧的双向耦合磁流体动力学模型，完善热流密度分布等参数与触头表面熔池的相关特性规律。

2）进一步深入研究磁吹作用下触头材料侧向堆积特性及形貌演变规律，建立直流电弧作用下触头材料熔化形成熔池及其内部液态金属在洛伦兹力、弧根压力、体积力及表面力等共同作用下非对称微、宏观数值仿真模型，特别是宏观模型与微观模型的耦合/联合计算，研究能够应用于工程实践的触头形貌的数学描述方法，确定触头形貌特性参数变化与负载条件、分断速度及磁场分布等燃弧条件之间的关系，为电寿命预测提供支撑。

3）电弧放电等离子体与触头表面金属熔池之间的过渡区物理机理的进一步研究，该区域涉及非平衡态等离子体与液态金属熔池相互耦合作用。现有的鞘层理论等描述还不够准确完善，难以对该区域的微观粒子行为、熔融金属液滴等物理特性做出准确模拟和试验测量。

进行适用于航空航天、高铁、武器装备等特殊环境下的大功率直流继电器中电弧特性、电弧对触头侵蚀机理模拟试验、仿真工作，优化灭弧室、触头系统的结构，提高大功率密封充气式直流继电器的可靠性。

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