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。     

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。     

管道母线(GIL)中SF_6/N_2混合气体绝缘性能的研究

文中首先对GIL中SF_6/N_2混合气体的绝缘性能进行了计算,重点关注了SF_6体积分数配比以及气体压力对绝缘能力的影响,并且研究了高落差下是否出现气体分层从而对混合气体的绝缘能力产生影响。其次,利用试验装置,对SF_6/N_2混合气体在不同配比和压力下的雷电击穿电压进行了测量,并且对比分析了试验结果与计算结果的差异。计算结果表明SF_6/N_2混合气体绝缘强度随SF_6气体体积分数增加而提高,但SF_6体积分数达到10%后,混合气体的击穿电压呈现出饱和的趋势;在高落差下,SF_6和N_2的混合比随高度的变化很微小;GIL样机的雷电冲击试验结果验证了击穿电压计算结果的正确性。     

用于气体绝缘输电线路的CF_3I及其混合气体的散热能力分析

由于SF_6气体温室效应严重,因此亟需找到一种能够替代SF_6气体的环保型绝缘气体。利用传统解析法,对不同气压下充有不同体积分数CF_3I气体的CF_3I-N_2及CF_3I-CO_2混合气体绝缘的气体绝缘输电线路(GIL)的导体温度和外壳温度进行了计算,并与同等条件下采用SF_6气体以及含20%体积分数SF_6气体的SF_6/N_2混合气体的情况进行了对比,分析了CF_3I及其混合气体的散热性能。结果表明:同等条件下,CF_3I-N_2混合气体的散热能力优于CF_3I-CO_2混合气体。而含30%~80%体积分数CF_3I气体的混合气体的散热能力也优于已经广泛应用的SF_6及20%SF_6与80%N_2的混合气体,最高可达到纯SF_6气体的1.05倍以及20%SF_6与80%N_2混合气体的1.1倍。综合考虑绝缘特性、散热特性和液化温度等多方面因素,CF_3I气体体积分数为20%~30%的CF_3I/N_2混合气体可以在一定条件下用作GIL中的绝缘介质。     

SF_6/N_2混合气体1100 kV GIL产品研制及应用

1 100 kV气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)中SF_6使用量较大,由于SF_6气体具有很大的温室效应,因此,采用SF6/N2混合气体作为绝缘介质以减少SF6气体的使用量具有重要的社会意义。通过研究SF_6/N_2混合气体的绝缘、温升等特性,提出了适用于1 100 kV GIL的SF_6/N_2混合气体压力及混合比,研制了1 100 kV GIL样机,并进行了绝缘、温升试验研究,试验结果与仿真一致:混合气体压力不变的条件下,气体的绝缘强度随SF_6比例的增加而增大,GIL导体、触指温升随SF_6比例的增加而降低,壳体温升与混合气体中SF_6比例的关系不大;在相同绝缘耐受场强条件下,SF6/N_2混合气体压力与纯SF_6气体压力成正相关关系,且混合气体中SF_6比例越低,气体压力增加的幅度越大。研制的SF6/N_2混合气体绝缘1 100 kV GIL样机通过型式试验及长期带电运行试验,验证了产品长期带电运行的可靠性。     

不同背景气体对SF6分解产物检测结果影响的研究

为了探索混合气体中SF_6分解产物的检测技术,了解不同背景气体对SF_6分解产物检测结果的影响,文中对比研究了CF_4/SF_6、N_2/SF_6等不同混合气体与纯SF_6为背景气体条件下,SO_2、H_2S、CO等SF_6分解产物检测结果的差异,研究表明,不同背景气体对SF_6分解产物的检测结果影响不同,文中通过分析拟合得出了CF_4/SF_6、N_2/SF_6混合气体对SF_6分解产物的检测结果的影响系数,并建立了几种CF_4/SF_6、N_2/SF_6混合气体为背景气体与纯SF_6为背景气体条件下SF_6分解产物转换的数学模型。     

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。     

高压断路器用SF_6/CF_4混合气体状态参数计算及液化分析

高压断路器采用混合气体作为绝缘和灭弧介质,可有效降低其液化温度。文中以SF_6/CF_4混合气体为例,分别计算SF_6、CF_4状态参数。计算SF_6气体状态参数采用工程上常用的Beattie-Bridgman经验公式作为状态方程,同时应用一种新的SF_6饱和蒸汽压曲线拟合公式。计算CF_4气体状态参数应用SRK方程作为状态方程,同时采用Riedel公式作为CF_4气体的饱和蒸汽压方程。通过计算SF_6、CF_4的状态参数,绘制出具有工程应用价值的SF_6、CF_4饱和蒸汽压曲线和等密度曲线,同时对SF_6/CF_4混合气体的液化特性进行分析。在此基础上,举例说明SF_6、CF_4状态参数在高压混合气体断路器工程中的应用。     

PTFE蒸气对热态SF_6气体电击穿特性的影响

PTFE蒸气对SF_6断路器的开断特性有重要影响。为此研究了压力范围0.01~1.6 MPa、温度范围300~3 500K内PTFE蒸气对热态SF_6气体电击穿特性的影响。基于Gibbs自由能最小化的方法计算了不同混合比例和压力下SF_6与PTFE蒸气混合气体的平衡态化学组成随温度的变化;接着利用Boltzmann解析法计算分析了混合气体中电离与吸附反应系数随混合比例、温度、压力等因素的变化规律;然后通过混合气体在折合电场作用下自由电子产生与消失达到平衡的条件,确定了SF_6-PTFE混合气体的临界折合击穿场强随温度、压力、混合比例的定量关系。结果表明:在较低温度范围内,纯SF_6气体的电击穿特性明显优于SF_6-PTFE混合气体,然而在较高温度范围内,SF_6-PTFE混合气体的临界折合击穿场强高于纯SF_6气体。此外,提高压力能够将临界折合击穿场强随温度的变化推移至更高的温度范围。     

-50℃条件下SF_6/N_2混合气体的击穿特性

为研究低温条件下SF_6/N_2混合气体的击穿特性,搭建了温度可控的气体击穿试验系统,采用棒板电极模型模拟GIS内部极不均匀电场,对SF_6/N_2混合气体的工频及雷电冲击击穿特性进行了研究。结果表明:只要保证固定的充气比例和密度下混合气体不发生液化,温度变化对SF_6/N_2混合气体的绝缘性能基本无影响,且SF_6/N_2混合气体的极性效应比纯SF6气体更明显。     

252kV SF_6断路器空载时压力特性试验研究

为了研究灭弧室中物性参数的动态特性,笔者对高压SF6断路器在空载状态下压气缸与喷口喉部的压力特性进行了测试,得到压气缸与喷口喉部气体压力的特性曲线。分析了压力变化与开断时间的关系,比较了不同基压下压气缸与喷口喉部气体压力特性的变化,说明了基压对断路器灭弧室内压力的影响。     

Calculation of transient puffer pressure rise takes mechanical compression, nozzle ablation, and arc energy into consideration

Thermal puffer-type gas circuit breaker (GCB) has a high dielectric and current interruption capability. In order to design a good thermal puffer GCB, it is important to know the blast pressure for arc cooling. Although pressure calculation programs have been developed and used for design work, the basic characteristics, such as contribution of nozzle ablation gas to puffer pressure rise, amount of back flow gas to puffer chamber, and pressure distribution along gas passages during current interruption, are not well known. In this paper, pressure rise, mass flow, and temperature calculations were carried out using a new calculation model, which takes mechanical compression by puffer piston, nozzle ablation in the nozzle throat and arc energy into consideration. By analysis of the calculation results, we found the pressure rise mechanism is as follows. While fixed contact located in the divergent part of nozzle, all of the ablation gas generated from the nozzle wall cannot be exhausted from the nozzle and it leads to high-pressure generation in the nozzle throat. This pressure causes transfer of hot ablation gas back to the puffer chamber via gas passage. The puffer pressure increases thermally due to temperature rise by this mechanism. At a longer arcing time, as high puffer pressure was already established in the puffer chamber, the nozzle ablation gas cannot flow back to the puffer chamber. Besides as mass flow through nozzle is limited by low gas density, the puffer pressure rise is obtained by the mechanical compression of puffer piston.     

不均匀电场下CF_3I/N_2混合气体工频击穿特性试验

从工频击穿性能的角度探讨CF_3I/N_2混合气体替代SF6气体用于气体绝缘设备的可能性。通过工频击穿试验探究气压、混合比和电极间距三种因素对CF_3I/N_2混合气体工频击穿电压的影响,并与相同条件下的SF6/N2混合气体进行对比分析,提出使用协同效应指数C值判定混合气体协同效应类型及协同效应强弱的定量分析方法。结果表明,随着混合比、气压的升高,CF_3I/N_2混合气体工频击穿性能逐渐接近SF6气体,较高气压下的CF_3I/N_2混合气体更具有应用潜力。CF_3I/N_2混合气体工频击穿电压呈正协同效应,而且CF3I气体具有优良的自恢复绝缘性能。综合考虑工频击穿性能、液化温度和环境影响三种因素,在特定的场合下,CF3I含量为20%~50%的CF_3I/N_2混合气体有可能替代SF6气体用于气体绝缘设备。     

热堵塞时SF_6断路器灭弧室压力特性的计算方法及其应用

根据喷口电弧的物理模型,提出了热堵塞时压力特性的计算方法.同时,对ELE SL系列SF_6断路器灭弧室开断电流时压力特性的数值进行了计算,并与瑞士巴登试验站得到的实测值进行了比较,二者基本一致.     

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。     

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。     

Gas-flow Simulation with contact moving in GCB considering high-pressure and high-temperature transport properties of SF/sub 6/ gas

This paper addresses a thermal gas-flow simulation in gas circuit-breaker (GCB) chambers, introducing SF/sub 6/ gas constants up to a pressure of 10 MPa and to a temperature of 30 000 K. In the simulation, moving parts, such as nozzle, movable arcing contact, and operating rod, are moved with the opening motion of GCB to see if different results are produced from the conventional simulation method, in which fixed parts in the real GCB are moved. As a result, as far as the pressure profile in the puffer chamber is concerned, it is confirmed that this simulation method can produce better results than the conventional method for the hybrid-puffer-type chamber.     

N_2/SF_6混合气体的绝缘特性

为了探讨 N_2/SF_6混合气体代替纯SF_6气体作为气体绝缘输电管道绝缘介质的可行性,通过对低含量SF_6混合气体在不同混合比和压力下的工频及操作冲击耐电强度试验,分析了混合气体的绝缘特性。研究结果表明:在不改变现有输电管道结构和尺寸的情况下,可适当增加低含量SF_6混合气体的压强来保证输电管道的绝缘强度。     

Experimental Study of the Effect the Basic Geometrical Parameter and the Active Gas Nozzle Expansion Ratio Have on the Performance Characteristics of Supersonic Gas Ejectors Fitted with a Conical Mixing Chamber

The article presents the results from experimental investigations of supersonic gas ejectors equipped with a conical mixing chamber having different lengths carried out for a number of values of the basic geometrical parameter and the active gas nozzle expansion ratio. Certain results obtained from a thermodynamic analysis of the ejectors have been confirmed in a wide range of geometrical parameters, specifically, that there is a possibility to obtain—at the same ejection factor—the first and second critical modes, which differ from each other in the motion pattern of mixing flows and in the efficiency of mixing processes occurring at different passive gas pressures; that there exist three zones in the throttle performance, which correspond to two critical modes and one subcritical mode (it is worthy of noting that the transition from the first critical mode to the subcritical mode that occurs during a growth of back pressure is accompanied by a step-like increase of passive gas pressure, whereas the transition from the subcritical mode to the second critical mode and vice versa occurs without a break in the continuity of changing the ejector’s throttle performance parameters); and that there may be two varieties of the second critical mode: with supersonic and sonic gas mixture flow velocities in the conical chamber outlet section. It is shown that the basic geometrical parameter and the active gas nozzle expansion ratio strongly influence the ejector’s operating and throttling performance characteristics, as well as the mixing chamber optimal length. Experimental dependences of the supersonic gas ejector’s adiabatic efficiency on the conical mixing chamber length are obtained at different values of the basic geometrical parameter and the active gas nozzle expansion factor for the first and second critical modes. It is shown that the optimal mixing chamber length depends on the ejector operating mode. Recommendations for selecting the optimal length of the supersonic gas ejector’s conical mixing chamber within the studied range of parameters for the first and second critical modes are given.     

压气式SF6断路器二维冷态气流场的模拟计算

将压气式ＳＦ６断路器与操动机构进行了二维冷态气流场联合求解，计算了断路器的空载分闸特性及分闸过程中各时刻灭弧室内的冷态气流场，应用Ｔａｙｌｏｒ－Ｇａｌｅｒｋｉｎ法对可压缩气体非稳态控制方程组进行了数值求解。