低压断路器中触头区电弧停滞现象的研究

用二维光纤测试系统对开断过程中弧根的运动进行了观测,研究了多种因素对电弧运动及电弧停滞时间的影响,包括电极的极性对电弧停滞的影响;外加磁场对缩短电极的极性对电弧运动及电弧停滞时间的影响的作用;电极形状对电弧停滞的影响;阐明了电极特性与低压断路器开断特性的关系。     

旋弧运动与电极侵蚀的实验研究

利用可拆卸旋弧模型灭弧室实验研究了SF_6旋弧的起始停滞、旋弧运动的波动性、中心电极弧根的运动、半波时间内中心电极弧根的旋转圈数、中心电极的弧痕状态以及中心电极的侵蚀率等。所得结果可供电弧运动和电极侵蚀理论研究以及旋弧灭弧室设计参考。     

小电流下弧根运动对空气直流电弧的影响

阴极弧根为电子发射的主要区域，弧根的运动对空气直流电弧等离子体特性有重要意义。通过电极旋转驱动阴极弧根运动，实验观测得到电极旋转情况下空气直流电弧拉弧过程电极表面烧蚀情况、扭曲的弧柱形态，同时提取并对比了直线拉弧和旋转拉弧的电弧电压上升曲线。参照临界电流试验条件，建立小电流下平行电极间三维电弧仿真模型，探究在小电流情况下，自由燃烧态电弧的演变过程。仿真结果表明：阴极弧根运动使得发射后极间带电粒子空间分布变化，间隙放电通道改变，电弧的最大温度值降低；当电弧放电通道不稳定时，极间电弧电压出现波动，电弧能量包络空间相对变小，间隙中高能粒子较少，有利于电弧能量的空间逸散。     

高压直流继电器电弧运动仿真分析与实验研究

电弧是影响高压直流继电器性能的重要因素,研究电弧运动特性及其灭弧措施对提高其电寿命和可靠性具有重要意义。该文基于磁流体动力学(MHD)建立了高压直流继电器电弧等离子体的三维数学模型,对不同外加磁场、不同银蒸气浓度和增设纵向绝缘栅片条件下的电弧运动进行了一系列的仿真计算,得到不同条件下的电弧电压;通过计算弧根的位置坐标对电弧运动进行表征,得到弧根运动曲线。利用高速摄像机拍摄燃弧过程,对仿真结果进行验证。结果表明,触头烧蚀产生的银蒸气不利于电弧的熄灭并阻碍电弧运动;外加磁场作用下触头断开后的一段时间内,电弧在较小范围内做随机运动,是造成烧蚀的主要阶段,增大外加磁场有利于缩短随机运动时间;增设纵向绝缘栅片将提高电弧电压,加快电弧的熄灭。     

浸铜碳材料与电弧相互作用机理

电弧烧蚀已成为制约浸金属碳材料使用寿命的关键因素。为此采用浸铜碳材料与纯铜电极进行电弧烧蚀实验,研究了浸铜碳材料和电弧相互作用过程及机理,分析了分断电弧燃弧过程及浸铜碳材料在其中的作用,并探讨了电弧烧蚀对浸铜碳材料宏观、微观形貌和成分的影响。研究结果表明,浸铜碳材料中的铜相为电弧的引燃及稳定燃弧过程提供高温金属蒸气,且铜相的大小和分布影响电弧弧根的运动特性。电弧对浸铜碳材料作用区按主要反应的不同可分为烧蚀区和热影响区,这主要与电弧烧蚀下材料表面的温度梯度密切相关。随着电弧弧根的移动,浸铜碳材料表面会发生铜液滴溅射现象,引起材料表面铜相的流失、转化与再分布过程。该研究对探索浸铜碳材料的电弧防护措施,延长其使用寿命,具有一定指导意义。     

弓网系统离线电弧在低气压环境下运动特性研究

弓网电弧是影响列车弓网系统稳定受流的重要因素,研究电弧的运动特性对提高弓网系统可靠性和使用寿命以及减少事故的发生具有工程应用价值。川藏铁路处于高海拔地区,气压的降低使得弓网电弧的运动特性与低海拔地区相比有显著差异。为了探明高海拔地区的弓网电弧运动特性,建立二维磁流体动力学模型,对不同气压等级、气流强度、接触线廓形条件下电弧的运动特性进行仿真研究,得到不同条件下电弧的运动发展特征;通过弧根位置–时间曲线对电弧运动进行表征。研究结果表明:随着气压的降低,电弧直径增大,体积也随之增大,相对常压下运动发展更为缓慢;在气流作用下电弧整体温度降低,电弧电压波动频率及波动幅值增大,弧根跳跃更为频繁,气流越强,弧根停滞时间越短,稳定性越差,越容易熄灭;适当采用半径更大的接触线或减小接触线底部的曲率可以有效地加快电弧运动,减少电弧长时驻留的情况,从而减轻电弧对电极的烧蚀。研究结果为高海拔地区的电弧防护提供了理论支撑。     

110kV复合绝缘子棒形并联间隙工频电弧疏导过程的试验研究

绝缘子串加装并联间隙装置后,可以疏导工频续流从而保护绝缘子。并联间隙的导弧性能对于绝缘子串的保护至关重要,因而深入了解电弧在间隙电极上的疏导过程及电弧运动特性非常必要。基于此,该文开展了短路电流大小为500A和15.75kA的燃弧试验研究。试验中使用高速摄像仪记录下了电弧运动过程,通过观察试验拍摄的图片分析了电弧的运动特性。利用之前研究建立的长间隙交流电弧模型,仿真计算了与试验电流大小相同的电弧运动过程。通过对比仿真结果和试验结果可知,对于弧根的运动情况,二者基本一致。虽然在弧柱的运动形态上稍有差异,但弧柱的运动滞后于弧根的情况是一致的。因此,电弧运动仿真模型的精确性较高,可用于分析并联间隙装置的导弧效果。     

高速铁路电分相电弧运动发展规律研究

高速铁路普遍采用锚段关节式电分相结构,动车组带电闯分相时产生的长电弧在弓网物理场中的运动具有随机性。该文在接触网电流分布的基础上,采用链式电弧模型,计及电弧受到的磁场力、热浮力、空气阻力及行车气流作用,得到电弧链的运动轨迹变化,进而发现起弧初相角、起弧位置对电弧运动发展的影响规律。仿真结果表明,磁力对电弧的运动起主导作用,电弧运动受起弧位置影响尤为显著,但受起弧初相角影响不大;当起弧位置居于吊弦正下方时,电弧整体倾向于沿行车方向进行往复运动,当起弧位置位于吊弦前、吊弦后时,电弧呈现明显的下倾、上飘规律。该文研究揭示了电分相电弧会导致异相短路、对车顶短路、烧损承力索3种不同后果的原因。     

特高压输电线路潜供电弧的燃弧特性

为研究潜供电弧的燃弧时间及其运动特性特性,建立了特高压输电线路潜供电弧低压模拟试验平台。该平台由潜供电弧低压模拟试验回路、基于电荷耦合单元图像传感的高速光学成像系统、基于电容分压的潜供电弧电压测量系统、基于Hall效应的潜供电弧电流测量系统等组成。对未补偿、欠补偿、过补偿3种工况下的潜供电弧进行了试验,得到了潜供电弧典型运动图像及其同步电压、电流波形。试验结果表明:潜供电弧阴、阳极弧根运动特性不同,但都具有极性效应;且该运动特性会对电弧电流、电压特性造成影响。阳极弧根跳跃或弧柱短接时,电弧两端电压将出现骤降;新的阴极弧根激发时,潜供电弧电流增大。潜供电弧发展后期,存在2种不同的熄弧情况:一种为稳定燃烧,电流过零自然灭弧;另一种为短暂熄灭,经过数ms的延时,弧道击穿,电弧重燃,此后快速灭弧。加速潜供电弧通道等离子体的去游离过程有助于电弧的快速熄灭。     

小型断路器灭弧室的仿真与实验分析

针对某小型断路器产品的灭弧室,建立了三维电弧仿真模型并进行了动态特性仿真,仿真结果揭示了灭弧室内电弧的运动规律,电弧弧根从动触头到跑弧道的转移,电弧沿跑弧道向栅片运动并被铁质栅片切割的过程。在此过程中,电弧多次出现背后击穿,电弧在跑弧道拐点长时间停滞,使该位置的电极被强烈烧蚀。此现象得到了实验的验证,同时仿真得到的电弧电压和电流与实验结果较为一致。     

考虑器壁侵蚀影响的空气电弧特性仿真研究

考虑电弧的物理参数、电磁及热和辐射现象,应用商用计算流体力学软件Phoen ics对其进行二次开发,建立了低压断路器中空气电弧等离子体的三维磁流体动力学(MHD)数学模型。分析了电弧初始位置对于电弧运动的影响。基于PA6-6产气材料和电弧相互作用的实验数据及混合电弧的传输及热动参数,研究了产气材料对于电弧特性的影响。结果表明,产气材料的存在使得电弧直径收缩,电弧电压升高。     

低压断路器中空气电弧重击穿现象的仿真与实验研究

低压断路器用于接通和分断电路中的电流。当故障电流产生时，动触头和静触头打开，在触头间产生电弧，随后在电磁场和气流场的作用下向灭弧栅片运动。在运动过程中会出现电弧的停滞和后退的重击穿现象，严重降低了断路器的开断性能。该文以磁流体动力学(MHD)为基础建立了三维空气电弧等离子体在外部磁场作用下运动的数学模型，此模型可以预测电弧的重击穿现象，并发现当灭弧室的出口面积为60%时，电弧在3mT磁场的作用下运动时出现了重击穿现象，而当磁场增大到5mT时重击穿现象消失。此外，还发现当磁场为10mT时，在出口面积分别为20%、60%和100% 3种情况下电弧均可以顺利到达栅片，在运动的过程中没有电弧重击穿现象的发生。     

Propagation models for motion processes of long ac arcs on overhead lines

Flashovers due to lightning, pollution and other factors frequently generate long ac arcs along the surfaces of insulator strings on overhead transmission lines; they cause great damage to insulators. Based on the motion characteristics of long ac arcs obtained from experiments, this paper presents the propagation models of the motion processes of long ac arcs, these simulations are important to design suitable parallel arc horns to protect insulator strings. The simulation models include the spatial model, the temporal model of a long ac arc, and the motion simulation models of an arc root and an arc column. The spatial model discretizes a long arc to current elements; the temporal model is proposed to consider the motion mode of a current element; and the motion simulation models of an arc root and an arc column describe the motion processes of an arc root and a column, respectively. At last, numerical simulations and corresponding experiments of long ac arcs along the surfaces of insulator strings of overhead transmission lines are compared. Both of them show a similar motion trend.     

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。     

新型灭弧系统对背后击穿现象的抑制作用

传统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。近年来通过现代测试设备发现了开断电弧在灭弧室内外的多次转移,即背后击穿现象,降低了开断性能。本文介绍了一种应用于限流断路器的新型混合式灭弧系统,进一步对影响开断性能的不同材料、不同窄缝宽度进行试验。实验证明,新型的灭弧系统不仅有效地抑制了背后击穿现象的发生,而且进入灭弧室的电弧始终具有平稳的较高电弧电压,有效地提高了限流断路器的开断性能     

SF_6压气式灭弧室中高频电弧位置测量方法的研究

介绍了一种用来测量高频细长电弧在喷嘴内的位置的光纤系统和用该系统对高频感性小电流电弧特性的初步研究结果。     

低压断路器中空气电弧运动的仿真及实验研究

以磁流体动力学(MHD)为基础建立了三维空气电弧等离子体在外部磁场作用下运动时的数学模型。考虑到阴极和阳极各自的特点,提出了更加合理的电流分布边界条件;采用一种与电弧等离子体自身电导率密切相关的方法确定电弧的弧根位置。利用基于有限容积法的商业软件对上述模型进行求解,并利用高速数字摄像机进行了相关的实验,对仿真结果进行验证,充分证明模型的有效性,揭示了空气电弧在外部磁场作用下,在低压断路器的灭弧室中的运动规律,并指出压力波在灭弧室中的传播和反射是产生这种运动规律的原因。此外,对阴极喷流所形成的双漩涡和电弧等离子体后部的“尾巴”这2种物理现象进行了详细的描述。     

低压断路器灭弧室中磁驱电弧的数学模型

针对低压断路器灭弧室中的磁驱电弧建立了链式电弧数学模型。模型中结合激波理论研究了电弧的运动,并利用控制容积法结合能量平衡方程对电弧的径向温度分布进行了计算。结果表明,应用这一电弧数学模型可以准确的模拟电弧的开断过程,方便地计算电弧的特性参数。     

直流继电器电弧电磁辐射模型初探

研究了直流电磁继电器触头分断时的电流变化规律,分析了直流电磁继电器分断电弧在电流呈线性衰减时所具有的特性,即电弧电导率保持相对稳定。根据该特性可将直流继电器分断电弧辐射等效为直导线天线辐射,并在该基础上建立了直流继电器电弧电磁辐射的数学模型。最后,对电弧电磁辐射模型进行了仿真。仿真结果表明,电路参数、触头材料、观测距离以及辐射波长等均会对电弧电磁辐射产生影响。其中,观测距离对电弧电磁辐射影响最大。     

低压电器中气动斥力的实验研究

气动斥力对于低压电器中动触头斥开后的运动状态起着重要作用,影响其性能。该文针对一个双断点模型,通过测量电弧电流、电压和作用在动导电杆上的力,应用三维有限元方法分析回路中的电动斥力,实验研究了3～6kA预期短路电流有效值,2～6mm触头开距情况下气动斥力的特性,以及产气材料和出气口大小对于气动斥力的影响。结果表明:单位电弧功率产生的气动斥力FB/ui是燃弧时间的减函数,与触头的间距关系较小,而且短路电流峰值在4kA以上时特性较为接近,加入产气材料或增大出气口均会增大气动斥力的数值。