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     

高压SF6断路器电弧与气流相互作用研究

以二维N—S方程和湍流模型为基础，在考虑了灭弧室内吹弧气流温度、压力等物理因素影响后，建立了高压SF6断路器电场／气流场数值求解模型，反映了气吹对电弧形态的影响及电弧电流的自适应调整。并以500kV单断口SF6断路器短路开断为例，进行了电场及跨音速、可压、复杂流路、变边界条件的气流场求解研究，并对燃弧区域电弧堵塞、动态电弧与吹弧气流的相互作用、气流压力、速度变化以及电弧堵塞前后喷口区域质量流与气流压力定量变化进行了数值仿真分析，为进一步定量研究电弧能量有效利用及更有成效进行高压断路器开断过程仿真研究奠定基础。     

研制中的配电网开断及分段设备

1.旋弧式SF_6柱上断路器旋弧式SF_6断路器结构简单,所需操作功率小,所以在国外配电网上广泛使用。(1)原理当分闸时,动—静触头一分离,它们之间就产生电弧,当触头拉开一定距离时,由于磁吹线圈、静触座和圆筒电极相串联,电弧就转移到动触头与圆筒电极之间,磁吹线圈通过电流,它产生一个磁场,电弧在磁场作用下拉长,并作超音速旋转,另外在电弧     

双能式SF_6高压断路器灭弧室结构设计及熄弧特性仿真研究

为满足现代电网快速切断和保护的需求,SF_6高压断路器作为主要的一类线路保护装置,其灭弧性能有必要得到加强。针对目前自能式SF_6高压断路器灭弧时存在反应时差,提出一种新型活塞助气双能式SF_6高压断路器灭弧室结构,并以此为研究对象,在分析双能加强气流形成与灭弧机理的基础上,建立灭弧过程的气流场模型与电弧模型,采用Fluent软件对灭弧室内双能加强气流截断电弧时电弧耦合气流温度场变化过程进行仿真分析。仿真结果表明:提出的双能式灭弧室结构拟用于110 kV电压等级进行灭弧时具有良好的熄弧特性,能在5 ms时间内熄灭工频电弧并且可以在后续时间内有效抑制弧触头间二次燃弧。该灭弧室结构能够在电弧熄灭后继续保持灭弧通路内有冷态气流通过,可快速降低热膨胀室内的燃弧余温。通过该研究可以为提高SF_6高压断路器开断能力提供技术参考。     

轴流式涡流喷口气流运动及高压SF_6断路器介质恢复特性分析

为提高高压SF6断路器中介质恢复和开断能力,提出了涡流冷却气吹技术。在高压SF6断路器中构造新型轴流式涡流喷口结构,使气体在开断过程中动能径向交换,形成沿径向温度梯度,实现高压气流能量分离。以550 k V SF6断路器为例,采用有限体积法,建立3维气流场物理数学模型,研究了容性小电流开断下,喷口上游构造的"X"形导流片对灭弧室内气流参数的影响。并基于流注理论,对有、无导流片结构的断路器介质恢复特性进行数值计算与定量分析。结果表明:导流片结构改变流体运动形态,形成大旋转曲率强旋流动,有效实现能量分离,且能延长气流滞留时间,提高气流利用效率;新型轴流式喷口结构具有更高的介质强度恢复特性。     

基于气吹灭弧模型研究工频电弧发展及抑制机理

文中基于MHD理论,利用Comsol Mutiphysic仿真平台对110 kV输配网气吹灭弧装置所产生的高速气流与电弧耦合进行研究,发现装置气吹起始灭弧时间点控制在电弧暂态发展的早期,即雷电脉冲波峰过后至第一个工频周期的时间范围内为熄弧的最佳时机,期间电弧具有电导率处于低值状态、弧柱半径小及能量较孱弱的特点,所以设置在此阶段内吹弧能保证彻底熄灭电弧恢复绝缘.     

多段微孔结构中电弧的磁流体模型及气吹灭弧性能仿真

由于并联间隙自熄弧能力弱,当线路遭受雷击时并联间隙冲击闪络后易出现稳定的工频续流电弧,引起线路频繁跳闸从而限制其应用,因此如何提高并联间隙的自熄弧能力具有重要的研究价值。多段微孔结构具有优异的灭弧性能,将其运用于并联间隙可显著提高并联间隙的自熄弧性能,故基于磁流体动力学(MHD)理论,利用COMSOL Multiphysics软件建立了2维多段微孔结构中电弧的MHD模型,并仿真分析了该结构中电弧的运动特性及该结构的灭弧性能。仿真结果表明:电弧的MHD模型能很好的反映多段微孔气吹灭弧结构中电弧的运动过程;当短路电弧电流幅值分别为1 k A、2 k A、5 k A时,微孔喷口处最大气流速度可分别达到520 m/s、813 m/s、1 027 m/s,即电流越大加热空气效果越显著,空气受热膨胀后气流的运动速度越大;该灭弧结构中气流运动速度达到气吹熄弧要求的时间在1 ms以内。     

断路器喷口材料PTFE耐烧蚀性能的研究

喷口材料的性能直接影响着断路器的开断特性,为研究喷口材料的耐烧蚀性能,文中设计了一套直流电弧发生装置,可以产生电压、电流、时间、弧长可控的直流电弧,在电弧轴向中充入气流模拟断路器吹弧对聚四氟乙烯(PTFE)的烧蚀,以PTFE材料经受一次电弧烧蚀所损失的质量作为其烧蚀性能的指标。结果表明:稳定燃烧的直流电弧呈现负电阻特性,PTFE的烧蚀量随着电弧电流的增大而增大,随着电弧功率的增加而增大,在电弧中充入气流,电弧燃烧不稳定,并且气流可以明显减少电弧对PTFE的烧蚀量。     

550kV SF6断路器气流与电弧相互作用混沌研究

由于断路器在短路开断过程中不可避免地伴随有电弧产生,电弧能量的有效逸散直接影响灭弧断口内的介质恢复。为描述短路开断过程中灭弧室内跨音速、变边界、变流路湍动吹弧气流的流动特性以及开断进程中电弧发生及发展的行为演变,提出并引入等效单元体动态电弧物理数学模型,采用有限体积法作为多物理场求解策略,实现燃弧过程中吹弧气流的非线性运动行为数值模拟。采用混沌理论,分析开断进程中各气流参数的动态变化,得到燃弧过程中所存在的电弧混沌特征的描述。     

SF_6旋弧式断路器瞬态吹弧磁场的数值分析

本文用数值方法研究SF_6旋弧式断路器的吹弧磁场。由于断路器的开断过程是一种瞬态过程,采用基于有限差分技术的Crank-Nicolson方法计算吹弧装置的瞬态电磁场,计算结果与实验数据十分吻合。通过在不同条件下对吹弧磁场的数值分析,找出了铜套结构参数与磁场的关系,研究了主电流在不同合闸相角时与含有直流分量情况下的瞬态磁场特性,特别是对电弧零区磁场的分析,提出了在电弧电流过零瞬间获得最大磁场的途径。     

考虑湍流影响的高压SF6断路器喷口优化设计

高压SF6断路器喷口结构对断路器开断特性影响极大。在已取得的SF6断路器喷口中的湍流及其对介质恢复特性影响的前期研究成果基础上,充分考虑利用湍流对喷口内超音速气体流速的控制作用,来提高介质强度恢复速度的思想。以具有多级放-收的550kVSF6断路器为研究对象,以其喷口型面结构参数为优化变量,采用POWELL算法并加以改进作为优化策略,实现对喷口结构的优化设计。对优化后喷口结构在空载开断下的数值模拟结果表明,其介质恢复特性满足冷气流开断特性要求。     

喷口型面及尺寸对SF6高压断路器介质强度恢复特性的影响

SF6高压断路器的喷口对断路器开断过程中吹弧气体的流动特性起着控制作用,从而成为灭弧室的心脏。该文以252 kV SF6断路器为研究对象,研究了改变喷口喉部下游仰角、长度对灭弧室吹弧气体流动特性、介质强度恢复特性的影响;应用激波理论和拉伐尔喷口中流速与截面比的关系,研究了局部"放-收"型面及2段型面对吹弧气体的控制作用及对介质强度恢复速度的影响;比较了在不同的喷口尺寸及型面下介质强度的恢复速度,得出喷口下游的型面对开断过程中介质强度恢复速度影响显著的结论。这对SF6高压断路器喷口的优化设计及灭弧室小型化设计具有重要的实际意义。     

ELFSL4-2型断路器灭弧室气流场分布计算及分析

根据热力学和等熵流理论,开发出相应的数值计算方法和程序,对ELFSL4—2型断路器灭弧室开断过程中上游气缸压力,温度和喷口气流量进行了计算,同时还计算出电流过零时气压、流速、温度等参数沿喷口轴向的空间分布值。结果显示,该灭弧室较好地利用了电弧阻塞效应,因此具有良好的灭弧能力。     

基于真实气体模型的SF6断路器中冷态气流场特性的仿真分析

准确地计算灭弧室内气流场特性对于SF6断路器优化设计有重要意义。基于真实气体模型(user-defined real gas model,UDRGM),运用线性插值与UDRGM相结合的方法来导入SF6的气体属性,并与流场控制方程组联合求解,研究了SF6断路器简化灭弧室冷态气流场的特性规律。通过分析监测点处的物理量发现,触头分开过程中,灭弧室内整体压力差不断增加,气体密度分布主要取决于气压的变化;在喷口区域,气压最大值出现在动触头端部中心位置,各监测点处的气压与马赫数受触头位置的影响较大,当触头运动到监测点时,马赫数与气压会发生跃变,而喷口内部两触头间的气压变化梯度却很小。结果表明,基于UDRGM建立的SF6断路器冷态气流场分析新方法可有效地提高计算精度,也为热态气流场的研究提供了基础。     

短路开断 SF_6 断路器灭弧室内热气流场数值分析

采用ＦＬＩＣ法计算了短路开断时ＳＦ６断路器灭弧室内热气流流场的分布，较好地模拟了灭弧室内的移动部件在开断过程中的移动情况和电弧电流的变化特性，分析了电弧与气流的相互作用情况，说明了电弧阻塞效应对气流特性的影响。     

高压充气断路器热压气灭弧技术的进展

文章介绍SF6高压断路器灭弧室设计发展的各阶段情况，从依靠机构压缩喷口吹灭电弧，改进至压气式灭弧，以及热压气(室)灭弧等方式。     

Relationship between current waveform just before current zero and interruption ability of high‐speed VCB

A high‐speed vacuum circuit breaker which forces the fault current to zero was investigated. The test circuit breaker consisted of a vacuum interrupter and a high‐frequency current source. A vacuum interrupter with an axial magnetic field electrode and a disk‐shaped electrode was tested. The arcing period of the high‐speed vacuum circuit breaker is much shorter than that of a conventional circuit breaker. The arc behavior of the test electrodes immediately after the contact separation was observed by a high‐speed video recorder. The relation between the current waveform just before the current zero point and the interruption ability was investigated experimentally by varying the high‐frequency current source. The results demonstrate the interruption ability and the arc behavior of the high‐speed vacuum circuit breaker. Effective current interruption is made possible by a low current period just before the current zero point, even though the arcing time is short and the arc is concentrated. © 2010 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 172(2): 20–27, 2010; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.20915     

喷口电弧与喷口材料蒸气相互作用的数学模型

基于守恒方程组，建立了喷口电弧与PTFE蒸气相互作用的数学模型，并用该模型对SF6自能膨胀式断路器的开断过程进行数值模拟。结果表明：开断电流的大小对膨胀室内的压力有明显的影响，熄弧压力的建立是依靠PTFE蒸气和SR气体吸收了电弧的能量来完成的。进入膨胀室内的热气流与冷气体之间的相互作用使冷气体向膨胀室的气流出口处运动，有利于弧后触头问的介质恢复过程。PTFE蒸气能加快膨胀室内冷热气流的混合，导致热气体的温度下降、温度升高的区域增大；使弧后喷口内气流场的温度下降速度减小，但由于气体密度上升较快，介质强度增高。     

SF6高压断路器喷口中的湍流及其对介质恢复特性的影响

在流体力学中，当流体遇到流路复杂的情况会产生湍流。断路器喷口的形状结构对吹弧气体中湍流的产生和发展具有最直接的影响。该文从宏观角度，选择不同的湍动模型，在改变喷口型面结构下，通过数值模拟，分析湍流的产生及湍流对SF6高压断路器吹弧气体流动及介质恢复特性的影响。光滑喷口壁面吹弧气体的流动表现为层流；凸凹不平的喷口壁面吹弧气体的流动表现为湍流；对存在有湍流的不同喷口，湍流发展得越充分，越有利于控制超音速流的发展，从而有利于提高介质强度恢复速度。     

高压SF6断路器电弧动态模型研究

提出了在二维N-S方程和湍流模型求解基础上的喷口电弧等效电阻网格法，建立了新型电弧动态物理一数学模型，充分考虑了灭弧室内电弧温度、压力等物理因素的影响，气吹对电弧形态的影响以及电弧电流的自适应调整，以反映整个开断过程中电弧的动态变化。并在对高压SR断路器气流场N-S方程和k-ε方程求解研究的基础上，对500kV单断口SF6断路器短路开断情况下，跨音速、可压缩、复杂流路、变边界条件的气流场进行求解，实现了电弧动态变化过程的气动模拟，为进一步研究电弧能量的利用及更有成效地进行高压断路器开断过程的仿真研究奠定基础。