SF_6-CO_2和SF_6-CF_4混合气体断路器的喷口压力特性

CO_2和CF_4气体物理化学性能稳定,液化温度低,灭弧能力强,作为潜在的SF_6替代气体引起了广泛的关注。断路器开断故障电弧过程中的喷口压力特性对气体灭弧性能和断路器结构的优化设计等都具有重要意义。为此基于一台126 k V压气式断路器模型,通过实验研究了不同体积分数混合比例下SF_6-CO_2和SF_6-CF_4混合气体中灭弧室喷口压力的变化特性。结果表明,SF_6-CF_4混合气体的喷口监测点压力增幅Δppeak和电流零点时刻的压力增量ΔpCZ均明显高于SF_6-CO_2混合气体,气吹电弧作用更强;两种混合气体测量点处的压力增幅Δppeak均随SF_6体积分数增加而增大,SF_6-CO_2混合气体电流零点处的压力增量ΔpCZ随SF_6体积分数增加也明显增大,而SF_6-CF_4混合气体ΔpCZ的变化较小;此外,喷口压力的建立情况对断路器热开断能力有较为重要的作用。     

频率对压气式高压SF_6断路器燃弧特性的影响

研究不同频率对高压SF_6断路器开断特性的影响对于提高60 Hz条件下断路器的开断能力具有重要意义。基于此,建立了二维电弧磁流体动力学(MHD)模型,并考虑了电磁场、电弧辐射以及喷口烧蚀的影响,在保证燃弧时间均为17.36 ms条件下,仿真计算了50 Hz和60 Hz电弧的燃弧过程。比较分析了燃弧期间灭弧室的温度和气压分布规律,并研究了不同频率对电弧电压以及喷口烧蚀情况的影响。结果表明:电弧熄灭时刻,50Hz轴向温度低于60 Hz,最大轴向温度差值接近2 200 K,轴向气压略微高于60 Hz,说明50 Hz下的建压效果和过零时刻的气吹冷却效果均优于60 Hz;50 Hz电弧输入总能量和喷口烧蚀质量都少于60 Hz,而在熄弧前的半波,50 Hz比60 Hz喷口烧蚀质量高7.3%,提高了50 Hz下的建压效果;50 Hz情况下的熄弧电压尖峰显著高于60 Hz,说明其介质恢复情况好于60 Hz;从而解释了不同频率对压气式高压SF_6断路器电弧开断特性的影响。     

SF_6/CF_4混合气体中聚四氟乙烯绝缘表面直流闪络特性

文中对电极间距为5 mm的指形电极下SF_6/CF_4混合气体中聚四氟乙烯绝缘表面直流闪络特性展开研究,分别测量了当SF_6/CF_4混合气体中SF_6混合比为0%~100%、压强为0.1~0.4 MPa时绝缘试样的直流沿面闪络电压,研究压强、混合比、电压极性等因素对绝缘试样直流沿面闪络特性的影响。实验结果表明:混合气体中SF_6混合比一定时,在0.1~0.4 MPa气压范围内,绝缘试样的直流闪络电压随气压升高而呈线性增加;0.3 MPa的20%SF_6/80%CF_4气体中绝缘试样的负极性直流闪络电压为52.34 kV,是相同气压下纯SF_6气体中的61.4%;在较低气压下SF_6/CF_4混合气体中绝缘试样的负极性直流闪络电压比正极性低,而当气压高于某临界值时,负极性直流闪络电压比正极性高,沿面闪络电压出现极性效应反转现象;40%SF_6/60%CF_4中负极性闪络电压达到纯SF_6中的65%,该研究可以为SF_6/CF_4混合气体替代SF_6应用于高压直流气体绝缘电气设备中提供参考。     

旋弧和膨胀式SF_6断路器

<正> 一、旋弧式SF_6断路器 普通断路器的电弧几乎是固定不动的,它是靠吹弧气流带走在弧柱等离子区中产生的能量,而在电弧电流过零时熄灭的。 旋弧式断路器在很大程度上摆脱了上述情况。其灭弧室的工作原理是,使电弧始终都在SF_6气体中快速运动。在旋弧断路器中,气体可以说是不动的,但电弧高速旋     

SF_6气体中大电流过零后弧道的介电恢复特性

本文通过实验测得了SF_6气体中自出电弧在电流过零后弧道热气体的击穿特性,同时还测量了电弧电流,电弧电压及灭弧室内气压的变化,并对结果进行了简单的分析和数学模拟。     

SF_6气体中大电流过零后弧道的介电恢复特性

本文通过实验测得了SF_6气体中自出电弧在电流过零后弧道热气体的击穿特性,同时还测量了电弧电流,电弧电压及灭弧室内气压的变化,并对结果进行了简单的分析和数学模拟。     

SF_6/CF_4混合气体的饱和蒸气压与绝缘特性计算

为分析SF_6/CF_4混合气体的饱和蒸气压与绝缘特性,进而探讨SF_6/CF_4混合气体替代SF_6气体应用于高寒地区的可行性。首先,采用全局最优化算法拟合得到了SF_6和CF_4的Antoine特性常数,然后通过Antoine蒸汽压方程和汽液平衡基本定律相结合,计算了SF_6/CF_4混合气体的饱和蒸气压特性。然后,基于Boltzmann解析法获得了SF_6/CF_4混合气体的临界击穿场强数据。最后,综合SF_6/CF_4混合气体的饱和蒸气压特性与临界击穿场强数据,讨论了SF_6/CF_4混合气体的绝缘特性及在高寒地区应用的可行性。结果表明:在低温条件下,SF_6/CF_4混合气体所允许的压力明显高于纯SF_6,从而可以获得较纯SF_6更高的绝缘强度,如–40℃时摩尔分数50%SF_6/50%CF_4混合气体和SF_6气体的饱和蒸气压分别约为0.64 MPa和0.35 MPa,相应压力下的临界击穿场强分别约为43.5 k V/mm和31.34 k V/mm,即50%SF_6/50%CF_4混合气体的绝缘强度可以达到纯SF_6气体的1.4倍,说明SF_6/CF_4混合气体采用恰当的混合比例和充气压力能够有效解决SF_6在高寒地区的液化问题。     

C4F7O-CO2混合气体自由燃弧电弧特性实验研究

C_4F_7N-CO_2混合气体有可能替代SF_6作为绝缘和灭弧介质,研究其燃弧特性具有重要意义。文中通过棒-棒电极下的自由燃弧实验,研究了CO_2、体积分数40%C_4F_7N-60%CO_2以及SF_6几种气体的电弧特性。实验中测量了电弧电压、电流、零区特性以及光谱分布等众多参量,基于Mayr电弧模型分析了电弧能量累积和耗散过程,结合Abel逆变换和玻耳兹曼斜率法得到电弧径向温度分布。实验发现:CO_2气体电弧稳定性极差,燃弧期间电弧电压高于SF_6电弧且多次剧烈波动,加入C_4F_7N后,电弧稳定性得到改善,电弧电压降低;加入C_4F_7N后,自由燃弧期间其电弧能量累积量减小,电流过零前的能量耗散系数降低;电流峰值时刻CO_2、40%C_4F_7N-60%CO_2以及SF_6几种气体电弧弧芯温度分别为20 000、18 900、14 900 K,电弧直径分别为13、17、23 mm,C_4F_7N对降低CO_2电弧弧芯温度有明显作用。     

SF_6/N_2混合气体灭弧室中电弧阻塞效应的分析研究

分析研究了SF_6/N_2混合气体电弧阻塞现象。结果显示,相同电弧电流下,SF_6/N_2混合气体弧柱和热边界区直径分别大于SF_6气体,在电流半波中阻塞时间延长。此外,混合气体电弧能量密度高于SF_6,而弧柱焓流率则低于SF_6的相应值,因而在电流峰值附近更易造成能量在上游的聚积,使电弧对喷口的阻塞作用加强,影响灭弧与介质恢复过程。为了提高混合气体灭弧室的气吹灭弧能力,应对灭弧室结构参数和其他工作条件重新予以调整和确定。     

高压断路器零区测量系统的开发与应用

电流零区测量(CZM)系统可以用于评估断路器的开断能力,是电弧机理研究和产品开发、优化的有用工具。首先介绍了零区测量系统的原理以及据此开发的零区测量系统,该系统主要由高采样频率光纤隔离数采仪、分压器、Rogowski线圈和采集控制及数据处理程序组成。定制的分压器和Rogowski线圈经过校验后,可分别用于测量电弧电压和电流。随后将该系统应用于电压等级为252 k V、额定短路电流为50 k A/60 Hz的SF_6断路器的L90试验中,以获取不同燃弧时间的的零区特性数据。测试结果表明:过零前200 ns时刻的电导、过零前电弧电压下降率可以较好地表征SF_6断路器的热开断能力;对于被试断路器而言,过零前200 ns时刻的电导、过零前电弧电压下降率的开断临界值分别为Glim≈1.4 m S,Plim≈2 850 V/μs。该测量系统可对断路器开断能力进行定量测量和评定,将有助于提升高压断路器研发水平。     

低温SF_(6)/CF_(4)混气中绝缘子闪络电压的概率分布北大核心CSCD

SF_(6)/CF_(4)混合气体主要应用于低温环境下的气体绝缘电气设备中,气固交界面是设备的绝缘薄弱环节,有必要研究低温环境下SF_(6)/CF_(4)混合气体中的绝缘子沿面闪络特性。文中首先分析了SF_(6)/CF_(4)混合气体的基本绝缘和液化特性,据此选择0.7 MPa 50%SF_(6)/50%CF_(4)混合气体进行-50~20℃温度范围内的圆柱形绝缘子沿面闪络试验,同时开展了0.5 MPa SF_(6)气体在-35~20℃温度范围内的对照试验。其次采用威布尔分布分析了沿面闪络电压的概率分布特性。发现SF_(6)/CF_(4)混合气体中的绝缘子沿面闪络电压服从威布尔分布,利用威布尔分布可反映不同累积概率下的闪络电压及其分散性,其特征闪络电压随温度降低呈先下降再上升最后再下降的变化趋势。建议0.7 MPa 50%SF_(6)/50%CF_(4)混合气体的最低使用温度不低于-40℃,该值低于0.5 MPa SF_(6)气体的最低使用温度建议值-35℃,研究结果对SF_(6)/CF_(4)混合气体在低温下的应用具有参考意义。     

SF_6断路器喷口烧蚀性能的试验研究

本文对SF_6断路器喷口耐电弧烧蚀性能进行了试验研究,拟合出喷口烧蚀与开断电流,燃弧时间和电弧能量的关系曲线,分析了开断电流和燃弧时间对喷口烧蚀的影响,试验结果表明国产喷口取代法国喷口是可行的。     

SF6自能膨胀式断路器开断大电流过程的数值模拟与分析

在建立喷口电弧与喷口烧蚀蒸气相互作用的数学模型基础上,应用有限元方法数值模拟了SF6自能膨胀式断路器开断大电流的过程,计算并分析介质恢复过程.研究结果表明:膨胀室内压力的建立与燃弧过程密切相关,第二个电流半波的燃弧过程,对压力的影响较第一个电弧电流半波的大,是压力建立的关键过程.电流过零后灭弧室气流特性主要为:由于膨胀室内气流的作用,喷口喉部内形成一滞止区,弧隙间的温度迅速下降,喷口下游气流逐渐发展成超音速流.介质强度恢复特性表现为迅速上升的过程,而后为缓慢上升的过程;开断电流减小,介质强度恢复的速度快,介质强度高.     

微水条件下SF6/CF_(4)混合气体中的低温沿面放电特性北大核心CSCD

为了探究微水条件下SF_(6)/CF_(4)混合气体中的环氧树脂低温沿面闪络特性,开展0.2 MPa与0.4 MPa两个气压下50%SF_(6)/50%CF_(4)混合气体在不同温度和微水含量条件下的环氧树脂沿面放电试验。文中利用板—板电极模拟切向电场为主的准均匀电场,通过计算和实验探究了微水含量的选取和控制方法,研究了温度和微水含量对50%SF_(6)/50%CF_(4)混合气体中准均匀电场沿面闪络的影响,研究发现:沿面闪络电压随温度降低呈先减小后稳定的变化规律,仅当试验气压为0.2 MPa且含水量为3000 ppm(1 ppm=1×10^(-6))时,沿面闪络电压随温度降低呈先增大后减小的规律;微水含量在300~3000 ppm范围内时,微水含量对气压为0.2 MPa和0.4 MPa的50%SF_(6)/50%CF_(4)混合气体中沿面闪络击穿场强的影响不大。试验可为低温下的GIS等设备的状态评估提供参考。     

弧隙电阻对发电机断路器瞬态恢复电压的影响研究

瞬态恢复电压是发电机断路器的一项重要指标,在开断短路故障时具有决定性意义。弧隙电阻作为发电机断路器开断过程中的内部因素,是否对瞬态恢复电压产生影响并未有人进行过研究。文中利用电磁暂态仿真软件ATP-EMTP计算分析系统开断三相短路故障时,不同弧隙电阻发电机断路器的瞬态恢复电压(transient recovery voltage,TRV),并研究了弧隙电阻与瞬态恢复电压波形之间联系。仿真结果表明:发电机断路器在开断故障过程中TRV的上升率与弧隙电阻的上升率成正相关关系,通过降低弧隙电阻上升率可以降低TRV的上升率;发电机断路器开断过程中,电流过零后弧隙电阻阻值大的断路器产生的瞬态恢复电压峰值小,提高电流过零后弧隙电阻的阻值可以降低产生的瞬态恢复电压峰值。     

系统故障参数对真空断路器开断性能影响的建模与仿真研究

建立了基于扩散型真空电弧开断的真空断路器黑盒模型。以电流过零点为界,针对燃弧阶段建立了电弧电压模型,并根据试验数据确定了相关系数;针对弧后介质恢复阶段建立了基于朗缪尔探针理论的弧后电流模型,不同瞬态恢复电压（TRV）上升率对应的仿真结果与试验结果一致。基于所建立的模型,采用不同的方法评估了短路电流直流分量造成的真空断路器等效开断能力下降倍数,结果表明：燃弧能量法进行评估时最苛刻,转移电荷法次之,电流有效值法最轻。采用弧后电导表征真空断路器的弧后介质恢复程度,结果表明：TRV上升率主要影响弧后1.5 μs以后的介质恢复速率,而过零前短路电流下降率仅影响初始弧后介质恢复速率。最后给出了部分系统故障参数对真空断路器开断性能的影响规律。     

CO_2气体断路器弧后击穿特性计算分析

六氟化硫(SF_6)具有优良的绝缘与灭弧性能,广泛应用于电力设备中,但该气体是一种强温室气体,已被要求限制甚至停止使用。二氧化碳(CO_2)灭弧性能优良,作为一种潜在的灭弧介质替代SF_6气体具有较大应用前景。针对CO_2气体在高压气体断路器中的应用,围绕弧后击穿特性这一核心问题,通过磁流体动力学电弧仿真和弧后热击穿与电击穿特性评估,分析了CO_2气体电弧的弧后介质恢复特性,及其与SF_6气体的差距,进而探讨了采用CO_2气体作为高压气体断路器灭弧介质的可行性与关键问题。结果表明:文中断路器结构下CO_2电弧热开断能力约为SF_6气体的28.7%;弧后CO_2气体介质恢复速度较SF_6气体慢,动触头前端的区域电击穿发生概率较高;提高CO_2气体充气压力可有效提高电弧热开断能力和弧后介质恢复强度;该研究可为环保型高压气体断路器的研制与优化提供参考。     

直流条件下空气与SF_6喷口电弧换热机理分析

空气作为来源丰富的自然气体其绝缘和电流开断性能得到了很多研究。近几年来作为Fluoroketone的稀释气体在中压开关中进行了SF_6替代试验。大量结果表明基于空气的气吹断路器故障电流开断能力远远小于SF_6断路器,但长期以来一直未能回答为什么空气电弧的时间常数远大于SF_6电弧的时间常数、其开断性能远远弱于后者的问题。文中基于可靠的实验数据对二维轴对称微分湍流电弧模型中的湍流参数首先进行了标定,并在此基础上详细分析了空气电弧的能量交换机理。通过对比研究发现小电流空气喷口电弧径向和轴向散热相当,而在SF_6电弧中径向散热占绝对主导地位。两者散热机理的差异与径向温度分布(弧柱半径大小)有直接关系,而径向温度分布由物性参数ρCp通过湍流换热控制。因此,文中的研究结果为找出瞬态电弧中(开断过程)气体的不同开断能力的原因指明了方向。     

PTFE蒸气对电弧特性影响的数值分析

在喷口电弧动态数学模型中 ,考虑了喷口烧蚀产生的PTFE蒸气的作用。应用有限元方法模拟了SF6 自能膨胀式断路器开断短路电流的过程。通过与不考虑PTFE蒸气影响的开断过程的模拟结果相比较 ,得到了PTFE蒸气对喷口电弧特性影响的结果。表明 :PTFE蒸气使喷口电弧的压力明显增高 ;使电流较高时的电弧温度降低 ;使电弧电流过零时的弧区温度升高 ;在电弧电流下降时 ,电弧的温度下降速度变慢 ;使电弧的半径增大。     

CO2、SF6以及C4F7N气体电弧特性的仿真对比研究

寻求可替代SF_6用于高压电气设备的气体是近年来的研究热点,而C_4F_7N气体由于具有较好的环保性能和优良的绝缘特性而极具潜力。然而受限于实验成本等原因,现阶段对于其灭弧性能的研究相对较少。通过仿真分析气体电弧行为能够为环保型开关的设计提供重要指导。文中首先分析了C_4F_7N、CO_2和SF_(6 )3种气体电弧的物性参数及成因,基于此采用磁流体动力学方法建立了轴对称二维喷口电弧模型并进行了计算,获得了C_4F_7N、CO_2和SF_6中电弧等离子体的温度分布及对应燃弧情况下的电弧电压,结合电弧物性参数结果分析了3种气体燃弧特性的主要成因。研究发现,纯C_4F_7N气体的电弧半径与电弧电压均与SF_6气体相近,相比于纯CO_2气体表明了其作为灭弧介质的潜在应用前景。但由于C_4F_7N气体分子质量相对较高,后续C_4F_7N气体的电弧仿真需要对湍流参数进行进一步研究,并通过相应的实验进行验证。