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。     

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。     

短路电流直流分量对断路器电弧长度、压气室压力、喷口气体质量流的影响研究

随着电网容量的不断增大,电力系统短路电流直流分量的时间常数有很大可能大于其标准时间常数45 ms。目前非对称短路电流直流分量对断路器燃弧阶段关键参数的影响规律尚无研究。因此,文中研究目标是获得短路电流直流分量对断路器燃弧阶段关键参数的影响规律。基于高压断路器内部结构建立电弧物理焓流仿真模型,分别研究气体断路器开断对称电流和非对称电流时,燃弧阶段的关键电弧参数如电弧长度、压气室压力、喷口处气体质量流等参数的变化规律。研究结果显示:相同燃弧时间条件下,相比于对称短路电流,非对称短路电流开断时,电弧长度变化不大,而燃弧过程中压气室压力、气体质量流略有增加。而在相同分闸时刻条件下,相比于对称短路电流,非对称短路电流开断时的燃弧时间有可能更长,导致电弧长度、压气室压力、喷口气体质量流数倍增长。然而,无论是在相同燃弧时间条件下,还是在相同分闸时刻条件下,上述关键电弧参数的变化使气体断路器的KEMA黑盒电弧模型计算得到的断路器开断能力的变化明显小于短路电流直流分量的增长所要求断路器需达到的开断能力量级。研究结果解释了断路器开断高直流分量的短路电流时,开断易于失败的原因,并可为提升高压断路器非对称短路电流开断能力提供理论依据。     

喷口参数对SF_6灭弧性能的影响

本文阐明十种不同喷口的试验研究成果。喷口入口和出口气压分别为4个和1个大气压。测得了350安和1000安,400微秒方波脉冲电流下的介质恢复强度。对数据进行分析的目的,是想明确恢复强度或电流开断能力与喷口参数的关系。分析表明,恢复强度对9°～15°之间的喷口扩张角并不敏感,但园筒形喷口,会显著地降低电弧开断能力。当出口截面Ac与喉道截面At之比增大时,则低恢复电压VR下的恢复时间将减小,当Ac/At之比等于2时,高恢复电压下的恢复时间t_R将减少到一最低值,因为此时喷口的扩张正好与电弧的扩散相配合。气流入口处电极到喷口喉道的电弧长度l_u的最佳值约为喷口喉道有效直径的1/2。l_U增大时,最终的介质强度将显著升高,但如l_U大于最佳值,则气流入口处的能量趋于积骤,使恢复时间延长。如气流出口处的电弧长度非常小时,则电弧能量的输入就小,如非常大,则在加上恢复电压V_R时,弧柱的电位梯度将会下降。无论是大或是小,弧道的恢复都是极迅速的。     

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。     

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。     

高压SF6自能膨胀式断路器无载开断过程中灭弧室内气流场的数值分析

本文以质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律为基础,数值分析了ＳＦ６自能膨胀式断路器无载开断过程中灭弧室内的气流场。气流场的变化分为三个阶段。在第一阶段中,膨胀室内气体压力、密度增加,为下一阶段吹弧做好准备。在第二阶段中,动静弧触头之间的区域形成滞止区,气流场在空心动弧触头及导电杆内达到超音速流,这些有利于电弧的熄灭。在第三阶段中,主喷口扩张区与喉部之间存在超音速流,影响介质恢复强度;在静弧触头     

SF6断路器灭弧室内短路电流开断过程仿真研究

SF₆断路器灭弧室为封闭式结构,难以直接观测到开断过程灭弧室内各物理场的变化情况,为此建立灭弧室内开断过程的电-热-流体多物理场耦合仿真模型,研究开断过程中各物理场的变化规律。研究发现：当电流在开距较小时过零易导致电弧重燃,电弧的熄灭必须具备足够的吹弧气流速度与介质恢复强度;在开断30 kA短路电流时,电弧最高温度约18 000 K,熄弧后弧隙温度迅速降低到3 000 K以下;压气缸内气体压力随触头运动逐渐增大,最大可达1.0 MPa;吹弧气体速度随喷口的打开逐渐增大,最大速度为253 m/s,冷态气体会带走大量电弧能量并不断压缩电弧半径,为电流过零创造有利的熄弧条件;弧隙最大电场强度随间隙距离与电压变化,一般出现在静弧触头端部与动弧触头弧角处。研究结果可为SF₆断路器短路开断过程与机理分析提供理论支撑。     

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。     

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。     

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。     

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.     

小开距下直流真空断路器介质恢复试验及分析

介绍了一种能在小开距下分断高上升率短路电流的方法,并就其真空介质恢复特性展开试验研究。设计了等效真空介质恢复试验方案,从燃弧能量与零电压恢复时间两方面对真空介质恢复过程进行分析,得到直流真空断路器短路分断控制方法的设计依据。研制了额定1 000V/800A直流真空断路器试验样机,可在小于1ms内成功分断上升率约为20A/μs的短路电流,并将电流峰值限制在8kA以内。试验结果证明了所提出的小开距下分断高上升率短路电流的方法有效、可行。     

The irreversibility of dielectric strength of vacuum interruptersafter short-circuit current interruption

The irreversibility of dielectric strength of commercial vacuum interrupters after a large number of consecutive short-circuit current interruptions is investigated in order to find out how dielectric performance of a vacuum interrupter degrades during its service life. Breakdown voltage data were measured in appropriate experiments in which the types of tested interrupters and arcing conditions were varied. It was found that for interrupters with poor contact material the dielectric strength can deteriorate severely, falling below limits required by standards. It is concluded that the most important for the irreversible decrease in the dielectric strength is the contact material, i.e. its erosion properties. It appears that contacts with axial magnetic field are less susceptible to irreversible changes in dielectric strength after short-circuit current interruption than contacts with transverse magnetic field     

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。     

相控真空断路器的最佳燃弧区间研究

最佳燃弧区间的确定是相控真空断路器应用于短路电流开断时必须解决的问题之一。针对真空断路器弧后介质强度恢复过程的2个主要阶段:鞘层发展阶段和金属蒸气衰减阶段,分别建立了数学模型,提出了采用特征参数来表征它在2个不同阶段的开断能力。仿真分析了燃弧时间对这些特征参数即开断能力的影响,从而得到了最佳燃弧区间。通过对比10 kV和35 kV系统用真空断路器最佳燃弧区间的试验研究结果,证明了仿真分析的有效性。     

Effect of puffer volume and operating force on dielectric recovery performance in thermal puffer-type gas circuit breaker

In order to investigate the influence of puffer volume V/sub P/ and operating force to dielectric performance of GCB at current interruption, we calculated the prospective dielectric withstand voltage V/sub W/ between arcing contacts. The withstand voltage was calculated by the electric field strength appeared on arcing contacts and the allowable electric field strength E/sub W//sup */ of hot gas due to thermal puffer action. We could clarify that large initial puffer volume V/sub P/ can increase withstand voltage V/sub W/ at current breaking point and also that an optimum point exists in operating force F. For example, it was found that in case of the operating force of 1000 kgf, the puffer volume V/sub P/ of 1.2 liter would be best choice in the interrupting condition of i=50 kA and arcing time of 1.35 cycle.