电弧是气体放电的一种形式,作为典型的热等离子体广泛存在。经过强电场发射、热电场发射、碰撞游离和热游离4种方式获得的带电粒子,在外加电场作用下定向移动,产生电弧放电现象。该过程通过粒子间的碰撞实现能量的转移,表现为电功率、热功率、光功率和磁功率等形式。为更好地利用和抑制电弧,需对其形成机理及特性进行深入分析,通过建立数学模型,获取参数变化的影响因素,指导实际工程应用[1-2]。

现有的电弧模型根据涉及的物理量不同,可分为电弧内特性描述和外特性描述2种,可反映电弧内、外属性的动态变化。内特性描述以微观等离子体状态为对象建立模型,涉及流体力学、空气动力学、热力学等理论,属性参数包括：粒子速度分布函数、热力学参数、输运参数、组分参数等;外特性描述从外围电路或系统角度建立模型,以电路理论为主,属性参数包括：电弧电压、电弧电流、电弧电阻及功率等。2种建模方式的相同点在于：均可表征电弧动态变化,属性参数的动态过渡过程遵循能量、动量和质量守恒。两者区别在于：内部特性描述将电弧视为等离子体,外界参数的影响最终表现为粒子间相互作用的变化,导致介质属性参数和电弧状态的改变,侧重机理分析,可称为“内因”;外部特性描述将电弧视为非线性电气元件,通过实验或设定经验值等办法获取模型所需参数,建立等效电路方程组并求解,电弧状态受电路结构及组成元素的影响,称为“外因”。内、外特性两种描述方式通过属性参数间相互影响而建立联系,遵守能量守恒。

若将内、外特性描述统一结合,可全面反映电弧形成的动态过程。为了满足实际工程需要,人们在两种特性建模方面开展了相关研究工作[3-6],但研究范围仅局限于特殊应用场合,缺少对电弧在各领域宏观层面的总结与整理。以便于分析为目的,通过总结电弧模型的研究文献,对已有成果进行了分类汇总,分析了各种模型的设计和计算过程,并进行了横向对比,从建模机理及分类、数值计算方法、计算仿真软件、应用领域及测试系统等方面进行了归纳整理,突出共性问题,明确下一步研究方向,为电弧模型的优化研究提供参考。

电弧模型从描述内容及分析角度不同,可分为外部电气特性描述和内部物理-化学特性描述,2种方式在电弧动态特性研究方面有着截然不同的含义。前者侧重于负载的外特性描述,以弧隙能量平衡、欧姆定律等理论为依据,通过数值拟合或经验值选取等方法来确定待定系数,获得外在电弧特性参数,也称为电路模型或黑盒模型;后者是对电弧热等离子体中单个粒子（微观态）或粒子体系（宏观态）在等离子体波作用下的行为属性的研究,利用热力学统计理论,获得粒子间组分计算模型,求得粒子热力学参数及输运参数,既反映了宏观电弧特性及时空演变,也表征了微观粒子组分及属性[1],如流体模型、动力学模型、粒子组分模型等。其中流体模型属于宏观/微观态模型,动力（理）学模型和粒子组分模型属于微观态模型。

描述外部电气特性模型可以方便地与外部电气系统联合计算,进行仿真研究,无需解耦。而内部物理-化学模型无法直接与电气系统联立求解,需解耦操作[7-10],在研究电弧对于整个系统的电气特性影响方面具有一定的局限性。

该类模型主要反映电弧的阻抗特性、伏安特性、能量平衡等特性,侧重从外部特征入手,不考虑电弧内部粒子之间的行为及属性,分析自身电气特性及对系统在电路结构、谐波畸变、电磁干扰等方面的影响。如早期由Elenbaas和Heller提出的弧柱模型[11]以及文献[12-15]涉及的Cassie模型、Mayr模型和Habedank等均为基于能量平衡理论建立的黑盒模型。非线性（时变）电阻模型[16-17]、谐波电流/电压源模型[18-19]、神经网络和模糊逻辑模型等[20-21]是基于描述电弧阻抗特性和伏安特性等建立的黑盒模型。文献[22]建立了基于经验公式的半经验模型,分析了高压限流断路器电弧特性,并通过试验验证了模型的准确性,可实现设备结构优化;文献[23]利用EMTP建立了基于Mayr-Cassie理论的可变间隙电弧模型,分析了高压隔离开关VFTO特性,通过模型计算与实测数据对比,验证了理论分析的有效性;文献[24]提出了一种利用集总电路模型分析放电等离子特性的思路和具体实现方法,将Matlab/Simulink软件与Boltzmann方程结合,对基尔霍夫电路方程和电子连续性方程进行了求解计算,实现了外部电气特性与内部微观特性的有机结合,拓展了电弧仿真思路。

外特性模型中确定待定参数是建模过程的主要任务,一般可采用机理设定法和经验设定法,前者从电弧形成过程中待定参数与其影响因素的关系入手,推算出模型待定参数;后者是用数学方法对已有数据的演绎或优化[25],主要采用数值拟合、数值迭代和概率统计等方法。以Mayr模型为例详细介绍经验设定法的一般步骤：

\(\frac{{{g}'}}{g}=\frac{1}{\theta }(\frac{ui}{P}-1)\)

式中：g、\({g}'\)、u、i分别为电弧电导、电弧电导随时间变化量、电弧电压和电弧电流。耗散功率P和时间常数θ为待定参数,一般可由3种途径确定：

（1）通过实验手段,在同一工况下,假定某一个电弧电导g值,从示波图中读取电弧电压u和电弧电流i数值,通过反复实验,用数值拟合的方式求出模型待定参数,在一定的假设条件下,代入数学模型计算待求解变量。改变工况后,重复以上步骤,校验待定参数的合理性。

（2）在实验条件不具备的情况下,依托已有的经验数据作为模型的数据源,通过设置不同工况,局部修正数据或拟合算法,以获得较为准确的结果。常利用牛顿-拉夫逊法或最小二乘法等数值迭代方法[26-27]。

（3）通过对大量实验或经验数据的统计分析,利用概率论对待定参数近似求解,分析数据走势及变化范围[28]。

黑盒模型的建模流程如图1所示。

在不计仿真误差的前提下,电弧外部特性描述模型具有一定通用性。针对开关电弧模型,从受外界因素影响角度,可进一步划分为确定性模型和随机性模型,划分依据在于后者考虑了外部随机因素对电弧形成过程的影响,需借助随机过程理论[29]。

依据热力学和等离子体物理等理论,电弧产生的全部时空过程伴随5种状态：CTE（完全热力学平衡）、LTE（局部热力学平衡）、NLTE（非局部热力学平衡）,LCE（局部化学平衡）、NLCE（非局部化学平衡）。根据文献[1,30],按所处LTE和NLTE以及NLTE下对应的LCE和NLCE状态下粒子组分、密度分布特点以及两者求取方法的不同,电弧模型可分为流体模型、动力（理）学模型、粒子组

图1 黑盒模型建模一般流程 Fig.1 General flow of black-box model modeling

分模型和混合模型等[31]。

（1）流体模型。作为目前常用的模型,流体模型是将电弧等离子体视为一种多组分流体,描述了粒子频繁碰撞下呈现麦克斯韦分布的状态,通过宏观热力学统计或化学动力学理论求取粒子组分,与N-S（Navier-Stokes）控制方程、电磁方程等联合建模,同时表征电弧宏观时空特性与微观粒子状态[32]。根据不同热力学状态下的粒子组分及密度分布,流体模型可分为MHD单温度（单流体）宏观模型和MHD双温度（双流体）微观模型,其主要区别在于LTE和NLTE下,电子与离子温度是否处于统一的热力学温度[33-35]。文献[36]基于LTE对145 kV自能式高压SF6断路器进行了仿真研究,分析了灭弧室内部温度计气压分布情况,讨论了阀片在不同环境参数下受力特性;文献[37]在假设LTE下,利用MHD理论建立并分析了弓网电弧模型在燃弧过程中,接触线与滑板的温度场分布并进行了实验验证;文献[38]在假设LTE下,建立了MHD单温度流体模型,考虑了金属铁蒸汽对电弧动态过程的影响,并通过实验验证。

除MHD流体模型以外,因依托的理论依据、工况及边界条件的不同,流体模型可表现为其他形式,如文献[39-41]介绍了基于激波理论和空气动力学能量守恒的链式、导电棒等模型,通过电流元初值的假定,在给定边界条件下对控制方程进行迭代计算;文献[42]描述了MHD单流体模型对器壁侵蚀的数值计算过程,可称之为器壁侵蚀模型;文献[43]针对SF6断路器,在假设LTE下,研究了基于空气动力学理论的多维能量源模型,对短路开断气流场及喷口上游温度和压力场进行了模拟。以上均属于宏观模型范畴。

（2）动力（理）学模型。动力（理）学模型从实现手段上可分为理论分析模型与计算机数值实验模型两部分,前者由理论公式推导而来,采用随机动力学（动理学）描述粒子微观运动,表征相空间中随机变量随时间的演化,可获得准确的计算结果,属于微观态模型。如Vlasov（弗拉索夫）、Boltzmann（玻尔兹曼）,Fokker-Planck（福克尔-普朗克）,Langevin（朗之万）等模型[44];后者主要以粒子数值模拟为主,是通过理论公式的代码编辑实现对微观粒子状态属性的跟踪,计算结果准确性与编程实现、参数选取、计算机性能等因素有关,由于可以精确的描述粒子的微观状态属性,已经成为深入研究电弧热等离子特性的有力工具。常用的粒子模拟方法有PIC（粒子模拟）、MCC（蒙特卡罗碰撞）和PIC-MCC（粒子模拟蒙特卡罗碰撞）等[45-46]。文献[47]使用了PIC-MCC模型,对平行板电极放电等离子体的微观动态行为进行了计算;文献[48]利用PIC-MCC模型模拟了平行板间隙中流注放电通道的形成与发展,总结了流注通道随外界压力、板间距等参数变化的影响。

（3）粒子组分模型。电弧粒子组分是获取物性参数的前提,直接影响流体模型的求解。该模型建立的基础是Saha（沙哈）电离方程和Gibbs（吉布斯）自由焓最小化原理。按照模型依据的原理可分为质量作用定律模型、Gibbs自由焓最小化原理模型和化学动力学模型,均属于微观态模型。文献[49]在求取CO2和O2不同比例的混合气体在LTE下的配分函数、化学组分及热力学参数后,利用Boltzmann方程对混合气体的电击穿特性进行了仿真计算,获取了O2浓度与临界击穿场强的关系;文献[50]从元素化学计量守恒、Dalton（道尔顿）分压定律、质量作用定律和电荷准中性条件4个方面,对平衡态与非平衡态等离子体化学组分的求取方法进行了总结。

（4）混合模型。将动力学模型中的粒子模拟与流体模型相结合,通过提取关键粒子状态量建立流体模型,跟踪剩余粒子的状态属性,保存了流体模型计算速度快和动力学模型计算精度高的优点。文献[51]通过建立流体-化学混合模型对交直流真空电弧等离子体的状态进行了分析,总结了纵向磁场对真空电弧的影响及粒子密度与温度空间分布。

参考图2所示结构图,进一步描述电弧热等离子体内部参数及外部状态等因素之间的相互关系。

（5）其他模型。文献[52]根据电弧燃烧前（NLTE电击穿过程）、后（LTE稳态燃弧过程）的

图2 电弧微观机理拓扑结构关系图 Fig.2 Chart of arc microscopic mechanism topological structure

状态不同,划分为弧前模型和弧后模型,其划分本质仍是以LTE、NLTE、LCE和NLCE下的粒子传热、流动、电离等物理化学反应及组分等因素为依据,属于微观态模型研究范畴。除以上各种分类方法以外,根据模型的边界条件是否轴对称分为一维、二维和三维模型。

通过以上分析,可以很直观地了解当前电弧模型发展现状,方便了其分类信息的查阅。图3表示为电弧热等离子体模型分类图。

相比外特性描述而言,从电弧物理-化学特性层面建模,可以更深入地体现电弧形成机理。电弧内部粒子运动过程是时变、复杂的,建模过程中,人为假设处于LTE和LCE状态会出现误差,准确建立全过程电弧微观模型,需考虑电弧等离子体组分、热力学参数和输运参数在NLTE与LTE下的自洽性问题,避免由于假设LTE下而导致物性参数的不确定性,还原电弧内部流动、传热、碰撞以及其他物理化学过程。另外,关于近极区鞘层对电弧的影响,有待于从微观粒子角度深入研究。

电弧模型需选择合适的数学方法进行求解。一般工程领域数学解法分为解析法和数值法,前者可直接对公式计算求解,后者需设定待求变量初值,经迭代计算后,获得近似解。电弧模型的求解主要采用数值法,分别针对不同电弧模型进行总结。

黑盒数学模型一般用微分方程进行描述,在确定待定参数后,可利用Matlab/Simulink、PSCAD、EMTDC等仿真工具,对模型及其外围电路进行组合并仿真计算。通过对比实测波形,校验模型的准确性[22,53-54]。

基于电弧内部物理-化学模型的计算方法主要依据计算流体力学和动力学等理论建立N-S方程或加入电磁场方程,形式为偏微分表达式,需离散化处理。一般采用差分法和迭代法进行数值计算。求解步骤是以时间为步长,选择离散方法和离散格式,对模型计算区域进行网格划分,将偏微分方程离散为各个网格节点上的代数方程组,对代数方程组进行流场计算,获得网格节点上的解,最后通过差值计算求解。以下按照离散方法、离散格式和流场算法3部分进行说明。

（1）离散方法。常规的离散化方法包括有限差分法、有限元法和控制体积法等。有限差分法应用较早,算法成熟,利用差商代替原始的偏微分方程,构成以离散点为单位的差分方程组再近似求解;有限元法以极值和划分差值原理为基础,对各单元进行插值计算后再对极值求和,作为待求函数;有限体积法结合了前两者算法的特点,具有较强的适应性,是目前流体力学商用软件的核心算法。除此以外,根据应变量在网格节点分布的假设以及推导离散方程的方法不同,出现了有限分析法、边界元法、格子-玻尔兹曼法、谱方法等离散手段,可以结合实际问题具体选择[55]。部分数值离散化方法如表1所示。

（2）离散格式。为了提高计算精度,在进行离散化时,需要选取求解离散格式（插值格式）。一般具有以下特点：

①同一离散方法可选用多种离散格式,考虑差值格式的适应性问题,计算结果可能略有区别。

②模型的求解状态包括稳态计算和瞬态计算。稳态数值计算从空间求解,瞬态计算则需要从时-空两部分同时求解。

③宏观模型时-空计算尺度较大,微观模型时-空计算尺度较小。

④一般对于控制方程的扩散项均采用中心差分格式,对流项和时间项的差分格式需合理选取。

常用空间一阶离散格式包括中心差分、一阶迎

图3 电弧热等离子体模型分类图 Fig.3 Chart of arc thermal plasma model classification

表1 部分数值离散方法汇总表 Table 1 Summery of part of numerical discrete method

风、混合、指数及乘方等;高阶格式包括二阶迎风、QUICK等。时间域离散是按照离散方程中加权因子的取值来划分的,包括显式时间积分、隐式时间积分、全隐式时间积分、Crank-Nicolson时间积分

等[56]。离散格式的选取原则是在保证快速收敛的前提下获得较高的截差精度,以确保计算的准确度。部分时-空离散格式如表2所示。

（3）流场算法。流场计算是对电弧模型离散后得到的代数方程迭代求解的过程,一般流场算法分为直接联立代数方程组求解和非直接求解,分别对应为耦合式与独立式两种。耦合式方法根据参与计算变量的个数又可分为隐式、显示和显隐式3种格式;独立式方法根据求解速度和压力情况的不同分为SIMPLE、SMPLER、PISO等,其中SIMPLE系列算法因其具有较好的稳定性和收敛性,被广泛使用。具体分类如表3所示。

需要注意的是,宏观机理模型中的流体模型（单温度模型、双温度模型）在求解N-S控制方程时,需要已知电弧介质物性参数,下面介绍该部分的数值计算方法。

根据待处理问题不同,结合各模型建模机理,可选择多种数值计算方法,包括离散差分法、迭代法、拟合法、物理模拟法等。前3种方法与宏观态模型的解算方法类似,对模型进行离散化求解处理,物理模拟法则采用统计物理学或随机原理计算。以下按照微观模型分类,对算法进行介绍。

（1）流体模型。根据计算内容,流体模型的数值计算包括对粒子组分、热力学参数以及输运参数等物性参数的计算和对N-S控制方程的计算。

①物性参数计算。如前所述,该部分属于对粒子组分模型求解过程,主要基于宏观物理统计学、元素化学计量守恒方程等数学理论,一般采用离散差分法、多项式拟合、数值迭代等方法。具体求解流程如图4所示。

②N-S控制方程计算。类似于宏观机理模型的计算方法,对连续的偏微分方程进行离散化处理。

图4 微观粒子物性参数计算流程图 Fig.4 Flow chart of micro particle physical parameter calculation

文献[57]前期采用了有限差分法对模型的计算域进行离散,对控制方程的时间项、对流项和扩散项分别采用了龙格-库塔格式、Roe格式和中心差分格式,同时利用交替隐格式（alternating direction implicit,ADI）欧拉方程求解法对椭圆型方程进行了计算,实现了无条件稳定。

表2 部分时间-空间离散格式汇总表 Table 2 Summery of part of time-space discrete format

表3 流场算法汇总表 Table 3 Summery of flow field algorithm

（2）动力（理）学模型。该类模型兼顾了以上4种数值算法,理论解析模型主要采用离散法、迭代法和拟合法,计算机数值实验模型主要采用物理模拟法。文献[58]利用了欧拉有限差分法的Wendroff格式求解Vlasov方程,获得较高的精度;文献[59]介绍了Fokker-Planck方程和Vlasov方程利用多项式法展开后,进行离线差值计算的过程;文献[60]对粒子模拟法进行了综述,介绍了常用的数值计算方法：牛顿迭代法和有限差分法。

（3）粒子组分模型。该模型是针对电弧粒子组分进行计算,一般通过建立元素化学计量守恒、Dalton分压定律、质量作用定律和电荷等中性条件4类非线性方程组求解获得。利用光谱查表法获取介质配分函数初值,代入组分方程得到组分初值,通过牛顿-拉夫逊进行迭代求解。文献[61]分别介绍了空气、氮气和氩气3种不同介质的粒子组分和热力学特性等参数的求解方法,提出了利用碰撞截面和作用势进行解算,使得计算结果更为准确。

（4）混合模型。一般将流场进行离散化,在针对选定的超粒子进行跟踪,计算方法有离散法、牛顿方程等。文献[62]利用了牛顿下山法及修正的平行弦法对混合模型进行了解算;文献[63]利用了差分方法中的Leap-frog蛙跳格式对二维模型进行了求解。

在模型中,对流体N-S控制方程的求解,需要介质的物性参数作为输入条件,可以通过粒子组分模型进行计算,进而求得物性参数,或者利用已有的经验值直接计算。物理-化学模型数值计算方法汇总表如表4所示。

在分析焊接和冶炼等应用领域电弧模型时,由于流体雷诺数较高(Re>10 000),需要考虑湍流对流作用,常用的湍流算法有Reynolds平均法、k-ε法、RNG法、大涡模拟法等,其中前2种方法应用最为广泛,使用时需要考虑离散精度过低而导致的人工粘性影响模型精度的问题。要根据模型边界条件和初始条件以及待求问题确定计算方法[64]。此外,在考虑电弧的辐射特性时,需要加入辐射模型。

数值计算方法的确定取决于具体模型类别及应用场景,不同计算方法决定了数值模拟与仿真的可行性,应在稳定性、收敛性、快速性和准确性等多方面给予权衡,考虑在电弧形成全过程的时间和空间领域,建立分段计算的自适应算法,以满足多状态过渡条件下参数的自洽性。

随着软件技术的发展,数值仿真软件为电弧模型数值计算与模拟提供了便捷的途径,简化了传统编写程序过程,缩短了计算仿真的周期。运用Matlab、PSCAD、EMTP/ATP等软件,可实现对外特性模型的仿真计算。物理-化学模型的专用数值计算软件操作一般包括前处理、求解和后处理3个部分：（1）前处理。主要完成模型建立、网格划分、边界及初始条件定义等步骤。（2）求解。该过程需要选择合适的数值解法,包括离散差分算法和流场的代数方程算法。（3）后处理。对计算结果的分析和显示可在该环节实现,包括绘制矢量图、云图、曲线图等。

仿真软件操作流程如图5所示。在计算中,时间步长及瞬态下初值的设定对结果的收敛性有一定影响。除此之外,网格划分质量、边界条件的设定、松弛因子参数的选取也制约了计算结果的准确度[65]。

目前,常用的软件是以CFD（computational fluid dynamics）为理论基础开发的,如Phoenics、Fluent等。另外,基于多物理场耦合的数值计算工具

表4 物理-化学模型数值计算方法汇总表 Table 4 Summery of physical-chemical model numerical calculation method

图5 仿真软件操作流程图 Fig.5 Flow chart of simulation software operation

COMSOL和基于PIC（particle in cell）理论开发的VSim和USim等平台也被广泛的应用在电弧建模领域,具有较好的仿真效果。部分商用软件信息如表5所示。

以上个别软件中,内嵌了网格划分工具,如ANSYS和COMSOL等,可在内部完成网格操作,也可通过Gambit、ICEM-CFD、Gridgen、CFX-build、CFD-Geom等专用网格划分软件处理。网格结构一般可分为结构网格和非结构网格,结构网格中各单元排列规则有序,能够保证高精度求解,稳定性好,计算速度快,但划分过程困难,采用的重叠网格等技术不易与边界条件相配合,造成适应能力较差。非结构网格容易划分,单元排列略显无序,具有较强的适应能力,但计算时间较长,收敛性差。

根据电弧应用领域及所处场景不同,实验研究可分为实验研究手段和实验测试系统2个方面。

表5 部分商业仿真软件汇总 Table 5 Summery of part of commercial simulation software

电弧内部的物理化学过程十分复杂,实验测试是研究其属性最为直观有效的途径[66]。通过各种电学、光学和磁学等技术,实现对电弧形成过程中物性参数、状态变化的测量,分析对比数值计算结果与实测结果,验证模型计算的可靠性,以指导实际工程中对设备及工艺的优化与改善。

电弧的实验测试手段包括主动式和被动式2大类,主动式通过外置电磁、激光或粒子束等能量源,观察并测试等离子体响应;被动式通过直接测量电弧外送的能量信号,获取电弧内部特征。典型测试方法包括：探针法、光学成像法、光谱分析法等[67-68]。测试方法需依据电弧应用领域特点和测试平台的结构组成确定。部分测试手段详见表6。

表6 等离子体电弧试验测试手段汇总表 Table 6 Summery of plasma arc test method

电弧应用范围广泛,包括开关电器、金属冶炼、焊接喷涂、弓网及线路故障等领域,总结适用相应领域电弧模型。同时,为了验证模型及计算结果的有效性,需配合试验测试。常见的测试方案可通过搭建实验平台或者依托经验数据完成。

（1）开关电器

开关电器是电气领域的常用设备,可根据消弧室设置、灭弧介质、断口类型等分类。学者们利用黑盒模型对开关电弧开展了大量研究工作,前述模型的分类适用于各种开关电弧的数值分析,结合测试平台的实验研究,可指导开关结构的优化设计。如文献[69-70]介绍了磁流体动力学模型数值计算和实验方法,开关设备在不同工况下进行开断试验,采用上述的实验测试手段,记录开关电弧电、光、热等参数,与同工况下的数值计算结果进行对比,为完善开关结构提供理论依据。

（2）金属冶炼

电弧炉是常用的金属冶炼设备,建模一般从两方面进行,一是考察系统谐波、干扰、瞬变等影响,二是考察炉内射流与熔池微观属性变化。前者可使用黑盒模型,从电弧炉负载的外部阻抗特性入手,分析其谐波、电能质量、无功补偿等特性[18,25,53];利用电弧的物理-化学模型可实现对炉池内部电弧建模,了解其工作原理和工况。依据MHD（单温度、双温度）理论和湍流对流理论,对电弧射流和熔池2部分采取分别建模求解再相耦合的方法,或将2部分整合一体建模进行分析[71]。实验研究可通过购买小容量实验设备或现场实测的办法[72]。

（3）焊接喷涂

针对焊接电弧的数值研究,主要是分析工件的传热特性、应力分布等,以提高焊接质量,优化焊接工艺。可建立黑盒模型仿真焊接电弧的外部动、静特性[73]或者基于MHD（单温度、双温度）流体模型,类似电弧炉模型,熔池的温度对电弧微观属性产生影响。在建立MHD机理模型时,需要考虑电弧和熔池两部分之间相互耦合的作用[74]。实验测试环节可利用传感器技术、计算机通信技术和自动控制技术,实现对光、电、热等电弧形态参数的采集[75]。文献[76]利用水冷铜阳极法测量电弧压力,可检测作用在压力传感器上的电弧力,利用电弧电压测量电路,采集电弧电压值,可以获得较理想的数据。

（4）弓网及线路故障

对于铁路交通弓网电弧的研究,主要采用黑盒模型[77]和流体模型[35,37],在构建黑盒模型时,充分考虑由于机车运动导致滑板与接触网的动态滑动过程而引起的过电压和电磁暂态等现象,需要引入修正系数[78]。流体模型分析弓网电弧,主要侧重接触线和滑板内部的温度场分布情况,为改善电气材料提供理论依据。对输配电线路因故障等情况产生的电弧,除采用黑盒模型分析以外[79],还可利用以激波理论、流体动力学以及磁流体力学理论建立的链式、导电棒式和磁流体电弧模型,同样可以获得较好的仿真效果[3,80]。以上两类电弧均可搭建实验平台,文献[3,80]分别利用实验平台测试了线路雷击和潜供电弧燃烧特性;文献[37]利用自行研制的弓网电弧试验平台,实现了静态升降弓燃弧的测试研究。

实验测试结果的真实性以高效、准确的测试平台和测试手段为保障。在综合众多因素下,结合数字化实验平台,考虑加入模糊、智能等分析算法、合理进行参数理论估算与经验值选取,可进一步提高测试结果的准确性。

1）建模方面,内、外特性两种描述方式均建立在一定假设条件下,模型存在误差,应根据实际需求确定合适的建模方式;数值计算方法和仿真软件的选取,应结合具体模型特点,综合考虑稳定性、收敛性等因素而定;电弧模型的准确性需要搭建有效可行的实验平台进行验证,为服务工程应用提供保障。

2）进一步要解决的问题：（1）考虑大尺度、多维粒子模拟,建立满足多场域自洽性的电弧全过程模型,优化数值计算方法,提升实验测试手段;（2）完善配分函数、热力学参数、输运参数等基础数据的实验研究,建立资源共享数据平台,满足对基础数据的需求,实现资源节约与共享;（3）开展不同领域间交叉模型的开发,研究模型的通用性及可适应不同应用领域的数值计算方法。

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