H_2和空气下的直流开断电弧的燃弧特性分析

为解决航空电器要求体积小、重量轻、开断容量大的问题,选用H2和空气开关电器样机进行试验研究,建立直流开断试验电路,分析不同气体下直流电弧的电弧电压、电流波形、燃弧时间特性,电弧能量特性及电弧相转变过程。试验结果表明,H2比空气开关电器燃弧时间短、灭弧能力强,具有应用于航空供电系统的优势。     

高压SF_6断路器非平衡态等离子体电弧的熄弧特性

SF6高压断路器开断过程是结合电弧特性、压气特性、气流特性、电磁特性、温度特性、介质恢复特性等的多物理动态过程。为避免其熄弧重燃,考虑电弧能量对等离子体内电子温度和重粒子温度的动态作用的情况下,建立了SF6气体电弧等离子体非平衡态双温度电弧数学模型。计算得出了等离子体中各粒子密度随电子和重粒子温度变化曲线,带电粒子密度随温度和压强的变化趋势,以及非平衡态等离子体电导率在不同压强下随温度变化的曲线。通过126 kV断路器负载开断过程压气特性和气流特性计算,得到了熄弧过程中灭弧室内的压强、温度和密度分布。考虑空间电荷对灭弧室内电场分布的影响,计算了气流运动过程中的电场分布,计算了熄弧过程中介质恢复特性分布,分析了电弧等离子体熄灭动态过程中微观参数的变化情况。计算表明:1 600 A燃弧2 ms小电流电弧开断弧后0.2 ms内介质恢复平均速度为175 kV/ms,明显快于电压恢复速度37.7 kV/ms;开断速度对不同燃弧时间下的介质恢复特性有直接的影响,燃弧时间越短越容易发生重燃弧现象;燃弧时间2 ms时,开断速度为11 m/s的击穿裕度值较大,可以保证弧后不会发生重燃弧现象。     

直流大功率接触器自磁场灭弧室电弧特性研究

新型轨道交通牵引系统配电系统一般为直流供电制,其额定电压与电流一般为kV和kA级,因此作为配电系统中的关键元器件,各类直流大功率接触器的需求也进一步提升.制约产品发展的核心问题是直流大功率感性负载条件下接触器灭弧能力及灭弧速率.基于此,该文研究一种自吹弧式灭弧室的电弧特性.通过仿真给出灭弧室主触头流过不同直流电流产生的自吹弧磁场分布,对比分析阻性与不同时间常数感性负载下的分断电弧特性和燃弧能量.最终提出灭弧室内"磁场竞争模型"用以解释燃弧过程中的电压临界值和时间常数临界值现象.自磁场吹弧式灭弧室接触器具有分断高电压、大电流及大时间常数感性直流负载的能力,具有很强的实际应用价值和理论研究意义.     

电气参数和机械参数对继电器直流电弧的影响

电气参数和机械参数是影响小型继电器直流电弧开断性能的主要因素。在实验中改变电源电压、负载条件、继电器分闸弹簧数量以及触头对数,测量继电器开断过程中直流电弧的电压电流波形,总结电弧燃弧时间和能量的规律。研究表明:电源电压升高极大地提高了电弧燃弧时间和能量;电源电压一定时,电弧的燃弧时间和能量随电流的上升而增长;电压等级较低时,继电器分断初速度对燃弧时间和电弧能量的影响不大,电压等级较高时,速度对燃弧时间和电弧能量影响较显著;双组触点分断负荷相对于单组触点的情形大大减少了电弧的燃弧时间和电弧能量,有利于减轻电弧对触头侵蚀。     

不同磁场条件下直流接触器电弧开断特性的仿真研究

直流接触器是实现分断、功率切换以及故障保护等功能的关键器件。文中以某直流接触器为例,建立了直流接触器氢气电弧特性仿真的二维磁流体动力学模型,该模型综合考虑了外部负载电路、触头运动以及非均匀外部磁场等因素对接触器电弧特性的影响,仿真研究了不同磁钢厚度下密闭式直流接触器内电弧开断过程中的电流电压变化曲线以及温度场分布。研究结果表明,在不同磁钢厚度的非均匀磁场作用下,450 V/400 A、充气压力为4 atm(1 atm=101 kPa)的直流接触器内部电弧的燃弧时间有所不同,并且随着磁钢厚度增大,磁场强度变强,燃弧时间缩短,磁钢厚度为5.5 mm时的燃弧时间最短。     

直流接触器触头电弧侵蚀特性

触头开断过程中会产生电弧,从而导致触头表面被侵蚀,影响其电接触性能。由于直流供电系统不存在自然过零点,致使直流接触器触头受电弧侵蚀影响比交流接触器更加严重。为了研究电弧对触头的侵蚀作用,基于磁流体动力学理论,考虑电弧与触头之间的能量耦合,建立电弧-触头动态耦合模型,研究了电流等级和分断速度对触头电弧侵蚀特性的影响。仿真结果表明：近阳极区电弧温度高于近阴极区电弧温度;电流等级由20 A提高到30 A时,电弧温度和燃弧时间显著提高,燃弧能量增加75.93%,使得触头侵蚀更加严重;触头分断速度由0.1 m/s增加到0.2 m/s时,电压电流的变化率提高,燃弧时间和熔池体积减小,燃弧能量减少47.83%,电弧对触头的侵蚀作用降低。实验结果与仿真相吻合,验证了仿真模型的正确性。     

微米级金刚石颗粒开断400V直流电弧的可行性探讨

为了探究固态流体颗粒新型灭弧方式在400V低压直流微网领域的应用可行性,进而提供新型灭弧方式的低压直流断路器设计思路,本文选用微米级金刚石颗粒作为低压直流断路器的灭弧介质,设计了2kV/3.5kA、电流上升率1.3kA/ms的直流合成回路,以及与之配套的灭弧室测试其灭弧性能。在预加电压为800V、短路电流峰值1～2kA条件下进行金刚石颗粒的熔丝熔断灭弧试验与操纵机构拉弧试验,分析微米级金刚石颗粒对400V直流短路电弧开断性能的影响。试验结果表明:使用平均直径为50μm的金刚石颗粒作为灭弧介质,能够有效提高燃弧电压,其燃弧电压提升幅度约为空气作为灭弧介质时的5～6倍。且采用机械力推动金刚石颗粒冲击电弧或在灭弧室内充入CO_2气体等方法,均可有效提升其灭弧速度。最后讨论了微米级金刚石颗粒在用作低压直流断路器灭弧介质的可行性和提升类似固态流体颗粒灭弧性能的改进措施。     

基于实际气体Redlich-Kwong方程的SF_6断路器开断特性

准确的气体状态参数是计算灭弧室气流特性的关键,对SF6断路器的优化设计有重要意义。联合求解实际气体Redlich-Kwong状态方程与流场控制方程,依据Leslie S.Frost焓流电弧模型与等离子体微观参数建立非平衡态电弧能量动态模型,对40.5 kV电容器组SF_6气体断路器灭弧室进行冷态与热态气流场分析,在空载与容性小电流开断条件下,得到灭弧室内气体的压强、密度、温度分布。在开断过程中分析断路器的压力特性,通过电场与气流场的耦合计算得到弧触头间电弧熄灭后的介质恢复特性曲线。计算结果表明:Redlich-Kwong状态方程的计算误差可低至2.11%,与理想气体状态方程相比,采用Redlich-Kwong状态方程进行计算具有更高的准确度。气体流速较大时,气体状态方程对气体压强的影响较大,实际气体状态方程得到的气体压强高于理想气体。断路器开距7 mm后,电场强度最大值下降速度趋于平缓。断路器在开断容性小电流时,如果开断相角分别为1/10π、1/5π、3/10π、2/5π、1/2π,计算得相应燃弧时间分别为0.6、0.73、1.8、2.9、3.7 ms,存在提前熄弧现象。熄弧后断口间击穿电压始终高于瞬态恢复电压值,能够成功开断电弧不出现重燃,为获得较高的击穿裕度,开断相角应大于1/5π。     

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。     

直流真空电弧形态演变的动态影响因素研究

基于新型永磁斥力混合高速操动机构和转移回路强迫过零开断的方法,在合成回路系统中进行了真空电弧直流开断实验。利用CMOS高速摄像机观测直流开断过程中不同转移电流频率下真空电弧的燃烧及转移过程,采用图像处理技术提取了电弧图像特征,得到了不同转移电流频率下强迫过零阶段电弧的形态变化,不同燃弧时间下的电弧形态变化以及不同预充电电压下的电弧形态变化,并对电弧形态变化的原因进行了分析。分析结果表明,注入同等的电弧能量,转移电流频率较低时,电弧形态演化过程长,有利于熄弧后电极间隙介质绝缘强度的恢复;电压过充对电弧形态的演变过程影响较小;燃弧时间较长时,电弧处于大面积稳定燃烧状态的时间较长,产生的金属蒸汽越多,不利于开断。     

磁场氢气灭弧介质下直流电弧特性研究

直流接触器在控制直流电路开关中起到重要作用.基于 Eindhoven模型计算氢氮混合介质电弧物性参数,基于磁流体动力学原理进行电弧仿真,对氢氮灭弧介质进行分断试验,为直流接触器的设计提供参考。     

直流氢气-氮气混合气体电弧开断过程实验研究

对纯铜双触头结构下氢气混合气体电弧与氮气电弧特性进行研究,在直流回路中,采用可拆、透明及密封的灭弧室,触头直径为18 mm,触头额定开距为1.5 mm,通过高速图像观测系统捕捉触头分断过程中的电弧形态,同时对电弧电压与电流进行测量。研究不同电流下电弧电压、电弧形态、电弧功率以及电阻特性,分析直流电弧的演变过程,并对每个阶段进行定义,分析每个阶段的特点;寻找电弧熄弧时间与气体的扩散系数和电流之间的关系。最后比较不同灭弧介质对开关开断能力的影响。实验结果及理论分析表明,氢气混合气体熄弧特性比氮气优越,与其气体扩散系数和导热系数呈正比。     

直流真空电弧强迫开断电弧形态

随着航空270V直流系统的应用,直流开关的需求逐渐增加。现阶段直流开关大多为空气开关,其开断容量较小,使用真空开关将对于提高开断容量具有一定优势。针对航空270V直流用短间隙真空灭弧室进行高频开断实验,研究了直流强迫开断的电弧电压、电流特性,分析了回路参数对直流强迫开断中平均电流变化率di/dt和弧后过电压dv/dt的影响。通过相同开断实验电流、相同电流变化率、不同触头结构情况下开断实验,分析了电弧直径动态特性。强迫熄弧过程中,平板触头电弧直径逐渐减小,纵磁触头电弧直径变化较小并在熄弧前迅速变化。针对不同电流实验,随电流升高电弧直径略有增加。起弧阶段,平板触头电弧直径随燃弧时间呈对数函数增加,而纵磁触头电弧直径基本保持不变。拟合得到平板电弧起弧时直径变化函数,随燃弧时间延长,平板触头电弧直径逐渐增大至大于纵磁触头电弧直径。     

旋弧式SF_6断路器开断高压直流电流性能的实验研究

将一个未充电的电容器并联在断路器两端,当电容量为60μF、断路器的气体压力为0.3MPa时,旋弧式SF_6断路器能够开断的直流电流约为360A,燃弧时间约为25ms。增大旋弧灭弧室的磁场强度有可能使开断电流进一步提高。     

纵向与横向磁场作用下分断直流感性负载时的电弧特性实验

研究AgSnO2触头组以不同速度分断直流感性回路产生的电弧在纵向与横向磁吹作用下的特性参数.电压与电流为28V/5A,回路时间常数为2ms.吹弧磁感应强度为0～200mT,分断速度为10～50mm/s.采用高速摄像机记录电弧随时间变化的图像,同时,采用数字示波器存储电弧电压波形.研究在不同分断速度下,燃弧时间、电弧停滞...     

平板触头分离过程直流真空电弧形态与电压特性

基于强迫换流原理的混合型直流真空断路器是直流开断技术的有效方式之一,其参数设计及开断能力与电弧形态演化密切相关。利用可拆卸真空灭弧室,对直径为45?mm的CuCr50平板触头,在1~8?kA的近似恒定直流条件下分离过程中真空电弧的形态演化规律和电弧电压特性进行了研究。实验结果表明:触头分离初期,电弧集聚在电弧引燃处;随着开距的增加,电弧逐渐扩散。当电流小于5?kA时,电弧始终呈扩散型,电弧电压噪声较小;当电流大于5?kA,电弧能扩散到整个触头表面,但电弧初始引燃处多发展成阳极亮斑,且燃弧时间大于1.5?ms后,电弧电压噪声分量急剧增加。实验结果可以用于指导混合型直流真空负荷开关的设计。     

特高压电容器组专用断路器开断特性及试验研究

特高压电容器组专用断路器不但要满足短路大电流的开断要求,而且要保证额定小电流开断后不发生重击穿。文中比较分析不同灭弧室结构的绝缘性能和冷态介质恢复特性,确定最佳的灭弧室结构。计算额定1.6 k A小电流短燃弧和短路40 k A大电流开断特性,搭建试验回路,测量不同开距下的击穿电压值。结果表明:灭弧室内引弧环结构增大弧触头间的电场值,降低冷态开断介质恢复速度和击穿裕度;屏蔽罩结构对大喷口打开后的弧触头间电场分布具有屏蔽作用;小电流电弧燃弧时间越短,击穿裕度值越小,尽量避免燃弧时间小于0.5 ms,保证弧后具有较大的击穿裕度。预测开断短路电流的最短燃弧时间为15 ms,断路器对开断短路长燃弧的稳定性较高,介质恢复速度较快。文中计算结果与试验结果基本吻合,由于试验击穿点存在分散性,在刚分时刻后0.5 ms内存在重击穿的可能,分闸过程应避免在此时间范围内熄弧,保证燃弧时间大于0.5 ms。     

低压断路器开断过程中触头间隙重击穿现象的研究

传统的观点认为低压限流断路器的开断电弧进入灭弧室后，电弧就熄灭。但近年来，人们通过采用现代测试手段，发现断路器的中开断电弧是经过多次重燃后才熄灭的，即电弧在灭弧与触头间隙之间经反复转移才趋于息灭，这种现象造成电弧电压的多次骤降，延长燃弧时间和增大了允通能量∫ｉ＾２ｄｔ，影响断路器的开断性能。介绍检测这种现象的实验手段。这种现象存在机理和为了改善低压断路器开断特性而采用的有效措施。     

270V直流开断特性研究与耗散功率变化的Mayr模型仿真分析

为了优化航空270V直流接触器结构设计以及预期接触器的开断容量,采用一种以栅片和磁吹系统相结合的直流接触器,进行典型负载类型下的开断性能实验,得到了感性负载情况下开断难度最大,且随着回路电感值的增大,燃弧时间和电弧熄灭时过电压峰值增加。主触点间并联RC支路虽然会增加整个燃弧时间,但能有效限制过电压的数值,且过电压峰值随并联支路电容C的增加而减小。假设燃弧过程中电弧具有对称性,并对电弧进行受力分析,提出横向磁场中电弧运动速度和消散功率的计算方法,得到一种Mayr电弧修正模型。在不同等级的阻性负载情况下,分别对燃弧过程进行数值仿真,经仿真与实验结果对比,所提Mayr电弧修正模型能够准确描述电极分断过程中电弧电压及运动速度的变化情况,为航空直流接触器的设计提供有效的参考。     

特高压直流转换开关MRTB电弧特性仿真与实验研究

针对特高压直流转换开关MRTB,基于磁流体动力学理论建立了MRTB开断的燃弧过程数学模型。从电弧的物理过程出发,耦合了外部电路与机械运动对电弧的影响,实现了对MRTB灭弧室内电弧自激振荡的动态过程仿真计算。获得了开断中,SF6电弧温度压力等分布的内部动态过程以及电弧电压与振荡电流随时间变化的曲线,并进行了实验验证。研究工作可以应用于分析转换开关自激振荡中的电弧物理过程、研究不同电路参数的影响、优化断路器的灭弧室设计等方面,为特高压直流转换开关MRTB的研制与优化奠定了理论基础。