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。     

高压真空灭弧室内部电场分布的影响因素

为了解高电压真空灭弧室内部的电场分布情况,建立了真空灭弧室的电场数学模型。应用电场数值分析方法和有限元软件详细计算不同屏蔽罩与触头尺寸对真空灭弧室内部电场分布影响的结果表明,因高电压真空灭弧室开距较大,触头间隙不再是场强集中的区域,在高压真空灭弧室小型化设计过程中,除考虑电极间的绝缘外,更需考虑电极与屏蔽罩之间的绝缘。合理设计屏蔽罩的尺寸、位置和触头的形状可有效改善灭弧室内部的电场分布,提高真空灭弧室的耐压能力,从而为国内72.5kV以上电压等级真空灭弧室的研制提供了理论依据。     

压气式SF6断路器气流场的分析与近区故障开断性能的计算

本文通过对灭弧室气流场模拟,分析了断路器开断过程中气流变化的规律,剖析了电弧电流过零瞬间上游的气压与开断性能的关系,并结合实际模型对燃弧时间及燃弧时差进行了计算。     

真空灭弧室触头含气量与动态真空度

研究了灭弧室内工作表面吸气与放气的动态过程,分析了触头材料的含气量与电弧输入能量对动态真空度的影响,讨论了开发更大电流等级真空断路器对触头材料的要求。     

自能式SF_6断路器在不同气压下的开断过程

对自能式SF_6断路器在不同气压下的开断过程进行了分析,得到了不同气压下操动机构的运动特性、膨胀室的状态参数、灭弧室内的气流场和电弧的动态特性.部分计算结果与试验值进行了比较,二者基本吻合.     

高压真空灭弧室的电场设计的新方法

高压真空灭弧室设计的关键是电场的设计。提出一种高压真空灭弧室电场设计的新方法。根据击穿弱点理论，确定有均压屏蔽罩的高压真空灭弧室结构，然后应用有限元法和最优化理论，推导出真空灭弧室的电场数学模型进行优化。通过求解灭弧室内部的静电场定解问题，优化其内部几何参数，使灭弧室内部电场较均匀，电场强度的峰值出现在“第二辅助间隙”中。优化的参数结构提高了灭弧室的耐压能力。     

高压SF6自能膨胀式断路器及其数值分析技术

介绍高压ＳＦ６自能膨胀式断路器的特点、现状和发展及其电弧熄灭原理。阐述研制ＳＦ６自能膨胀式断路器的现代方法,其中包括电弧的数学模型的建立,在开断过程中灭弧室内的电场和气流场的计算方法,ＢＴＦ、ＳＬＦ和小容性电流开断过程的研究及这种断路器的研究及其现代研究方法的重要性。     

SF6断路器空载开断下液压操动机构与灭弧室联合仿真研究

该文以252kVSF6高压断路器作为研究对象,在全面考虑了影响液压操动机构运动特性的各种因素后,从能量守恒规律出发建立了液压操动机构的动力学数学模型,仿真并研究了液压操动机构的输出压力与速度特性,并以此作为计算灭弧室非定常、可压缩吹弧气体流动的边界条件,对开断过程中灭弧室内的气体流动规律进行了计算机仿真.分析了吹弧气体的运动规律,研究了改变液压操动系统的输出流量对灭弧气体流动特性及对断路器开断特性的影响,从而从机构动力学的角度出发,给出一种能够调节断路器开断特性的方法.     

能量流电弧模型及SF6断路器在短路开断下的应用研究

基于高压SF6断路器开断短路电流时电弧形态与特性是决定开断特性重要因素这一事实，提出并建立一种新型电弧模型——能量流电弧模型。建模中充分考虑在整个开断过程中电流的变化、气流参数的改变对电弧形态的影响及电弧导致高温气体对整个气流场的相互影响。将此模型与气流场求解的N-S方程组相耦合并进行求解，较好地反映了气流场与电弧间相互作用。计算结果证明，该模型可较好反映灭弧室内能量流动、变化及发展规律。     

A utility optimization method of a high voltage vacuum interrupter design

In this paper, a new method of electric field design of high voltage vacuum interrupters is proposed. According to the multi-gap insulation effect and the vulnerable breakdown spots theory, the symmetrical voltage shields are proved to be effective. So the initial model of a high voltage vacuum interrupter is designed. Next with finite element methods and optimization theory, a mathematical model of electric field intensity in interrupters is given. What's more, by optimizing this model with finite element software, a more symmetrical electric field in vacuum interrupters is obtained and its peak value appear as in the second auxiliary gaps (the two gaps between the center floating shield and the symmetrical voltage shields). The result shows that with this method, the vacuum interrupters can withstand higher static breakdown.     

基于抑制起弧原理的中压无弧直流断路器

直流断路器是多端直流输电和直流配电网的关键设备。机械式和混合式直流断路器面临的困难是开断过程中触头间存在燃弧问题。文中讨论了产生电弧的电场强度和电压条件,并通过大量实验统计分析,总结出了抑制起弧所需满足的电场强度和电压条件。设计了抑制起弧的辅助缓冲电路,用以限制开断过程中触头间电压的上升,使其低于由机械开关速度决定的触头间介质绝缘电压,从而实现了直流断路器的无弧开断。通过仿真和低压模拟实验验证了抑制起弧原理和缓冲电路设计的正确性和有效性,并分析了中压无弧直流断路器的可行性。     

SF_6断路器空载开断下液压操动机构与灭弧室联合仿真研究

该文以252kVSF6高压断路器作为研究对象,在全面考虑了影响液压操动机构运动特性的各种因素后,从能量守恒规律出发建立了液压操动机构的动力学数学模型,仿真并研究了液压操动机构的输出压力与速度特性,并以此作为计算灭弧室非定常、可压缩吹弧气体流动的边界条件,对开断过程中灭弧室内的气体流动规律进行了计算机仿真。分析了吹弧气体的运动规律,研究了改变液压操动系统的输出流量对灭弧气体流动特性及对断路器开断特性的影响,从而从机构动力学的角度出发,给出一种能够调节断路器开断特性的方法。     

Studies on effects of metal vapour in an experimental self-blastinterrupter

Low rate of energy transfer in self-blast interrupters results in slow build-up of pressure in the expansion-volume. The arcing continues (for 20 to 30 ms) till the pressure in the arcing chamber is sufficient to flush the arc and the arc-product from the inter-electrode space. To promote the energy transfer and the efficiency of a self-blast interrupter, use of metal-vapour as an energy transport acceleration device has been investigated for the first time on an experimental self-blast interrupter. The results indicate an appreciable rise in rate of energy transfer to the expansion-volume gas in the interrupter. Different energy transfer rates observed during experimentation with the metal-vapours of aluminium, silver and copper confirm the feasibility of using and controlling of such a mechanism in a self-blast interrupter     

SF6断路器空载介质恢复特性数值模拟中的耦合计算方法

SF6高压断路器空载下介质恢复特性的数值模拟取决于液压操动机构的输出动力特性、开断过程中灭弧室内气流场的分布以及电场总分布.传统方法对介质恢复特性的数值模拟是先分别对上述三部分进行数值计算,然后根据三部分的数值计算结果计算介质恢复特性.本文以介质强度的计算为纽带,将三者联系起来,首先建立了对介质恢复特性进行数值模拟的耦合方程,然后在液压机构操动力的驱动下,对每一行程步距通过耦合方程,计算每一步距下的液压操动机构的输出特性、灭弧室内气流场与电场的分布及介质恢复强度,最后求得全行程下的介质强度恢复特性.通过空载开断过电压的校核,证明所求得的介质恢复特性满足对该断路器空载开断能力的要求.     

中频条件下真空灭弧室的纵向磁场仿真

该文研究了中频400～800Hz条件下纵磁真空灭弧室内的磁场特性,利用Ansys Maxwell求解了三维瞬态纵向磁场分布.由计算结果可知:在电流变化的过程中,中心区域纵向磁场的变化明显滞后于其他区域.电流峰值时在触头片开槽交错放置的位置有磁场峰值区域,电流过零时中心区域有明显剩磁.当频率增加时,涡流效应更明显,使纵向磁场的磁感应强度值减弱.对中心点,频率提高导致过零时剩磁增加,磁场滞后相位更明显,影响电弧扩散.增加触头片开槽数可以减弱涡流效应,而增加触头杯座槽旋转角,触头中间平面磁感应强度的最大值近似线性增加.文中通过分析电弧形态和电压等实验结果验证了磁场滞后对真空灭弧室的开断能力的影响.     

弧触头烧蚀程度对灭弧室内短路开断过程多物理场的影响

为研究SF6断路器开断过程中弧触头烧蚀程度对灭弧室内多物理场变化的影响,建立了弧触头接触行程分别减小0、5、10和15Smm下灭弧室内开断过程的多物理场耦合仿真模型,获得了短路电流开断过程中灭弧室内温度、气流和电场分布特性。计算结果表明：开断过程中,弧道最高温度出现在弧根处,其值随弧触头烧蚀程度变化不大;随着弧触头烧蚀程度的加剧,SF6气体最高速度不断减小,吹弧效果减弱;最大场强集中在静弧触头端部或动弧触头弧角处,且随弧触头烧蚀程度加剧而畸变更严重。基于此,根据流注理论的气体击穿判据计算了不同弧触头烧蚀程度下SF6介质恢复特性,发现当弧触头接触行程减小15 mm时,临界击穿电压低于瞬态恢复电压,触头间隙可能再次击穿造成电弧重燃。研究结果可为SF6断路器电寿命退化机理提供理论支撑。     

Determining the breaking capacity of vacuum interrupter chambers according to the failure criterion using a method of nondestructive testing

During research tests of vacuum interrupter chambers (vacuum interrupters, VIs), their breaking capacity is determined by bringing the chamber to a thermal failure, i.e., to a situation in which a VI is already unable to switch a current off and a safety switch of the test bench interrupts the current. Thus, the highest short-circuit current is defined, which can be interrupted by an opening switch with a VI under prescribed standard conditions. This current is characterized by the effective value of its periodic component and the fraction of the aperiodic component in the current curve. However, if in the case of a failure, some elements of the VI (or the chamber as a whole) are destroyed, this will impede analysis of the cause of this failure. This paper describes a test method in which the development of a failure is not allowed, and the risk of a failure is established on the basis of its primary features. It is shown that such features are a considerable burning-arc duration before the first arc-current zero and arc reignitions even at a low transient restoring voltage. It is also established that, for VI chambers with contacts that create an axial magnetic field, the rated breaking current can be determined using the failure criterion, for which the critical value of the electric charge, which is transferred through the vacuum arc before the first current zero, is adopted. This failure criterion makes it possible to reduce the number of tests that are needed for determining the rated breaking current. The calculated data for determining the values of the critical charge and the rated breaking current are presented.     

具有串并联结构的模块化多断口真空断路器静动态电压分布特性

为向基于光控模块的多断口真空断路器的静态、动态绝缘特性设计提供参考,建立三维有限元分析模型,计算126 kV U型布置的三断口真空断路器的静态电位分布和真空灭弧室内部的电场分布。利用110 kV振荡型合成试验回路,进行低电压、小电流三断口串联断路器样机的开断试验,测量三断口的瞬态恢复电压分布。计算和试验结果表明:三断口真空断路器的静态和动态电压分布不均匀,高压端断口的静态分压超过65%,串联样机进行试验时底部可以不安装支架;高压端断口的动态分压(瞬态恢复电压峰值)超过60%,1 000 pF均压电容可以满足低电压、小电流开断均压要求,高电压、大电流开断情况需进一步验证。     

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     

SF_6/N_2混合气体灭弧室中气流特性的计算分析

以能量平衡方程为基础,建立了分析压气式SF_6断路器灭弧室喷口气流场的数学模型,在不同比例的SF_6/N_2混合气体条件下,对上游区(压气缸)气体压力和温度以及喷口喉道内的气流量进行了数值计算,通过改变混合比、基压、喷口直径和下游扩张角等参数进行大量计算,最终达到了混合气体条件下产生及维持与纯SF_6气体接近或相同的SF_6质量流量的目的,以确保所需的灭弧能力,