SF6断路器喷口用复合PTFE电气性能的研究

高压SF6断路器喷口用聚四氟乙烯(PTFE)的粒径、填料的种类、粒径和添加量,对复合PTFE介电性能和耐电弧烧蚀性能都有着明显影响。应用正交设计软件设计了多种因素、每种因素不同水平组合的试验方案,研究了添加Al2O3, BN,MoS2的复合PTFE的电气性能受多种因素影响的变化规律。结果表明,添加无机填料能有效提高喷口材料耐电弧烧蚀性能,当填料种类不同时,复合FTFE的电弧烧蚀量依次为:复合MoS2的PTFE烧蚀量>复合Al2O,的PTFE烧蚀量> 复合BN的PTFE烧蚀量:复合PTFE相对介电常数随填料添加量的增加而增大,随温度的升高而减小;介质损耗角正切随填料的增加及温度的升高而增大。应用正交设计软件的分析功能,对电弧烧蚀试验结果进行了分析,得出填料添加量对烧蚀量的影响最为显著,其次为填料粒径,再次为填料粒径和PTFE粒径的交互作用。     

断路器喷口材料PTFE耐烧蚀性能的研究

喷口材料的性能直接影响着断路器的开断特性,为研究喷口材料的耐烧蚀性能,文中设计了一套直流电弧发生装置,可以产生电压、电流、时间、弧长可控的直流电弧,在电弧轴向中充入气流模拟断路器吹弧对聚四氟乙烯(PTFE)的烧蚀,以PTFE材料经受一次电弧烧蚀所损失的质量作为其烧蚀性能的指标。结果表明:稳定燃烧的直流电弧呈现负电阻特性,PTFE的烧蚀量随着电弧电流的增大而增大,随着电弧功率的增加而增大,在电弧中充入气流,电弧燃烧不稳定,并且气流可以明显减少电弧对PTFE的烧蚀量。     

复合聚四氟乙烯耐电弧烧蚀及其介电性能的试验研究

为了提高高压断路器喷口材料的耐电弧烧蚀性能,采用在聚四氟乙烯(PTFE)中添加三氧化二铝或二氧化钛,降低电弧能量对PTFE的烧蚀,同时试验研究复合聚四氟乙烯介电性能的变化规律。研究结果表明:在PTFE中添加无机填料可以明显改善耐电弧烧蚀性能,填料的添加量和粒径是影响复合PTFE电弧烧蚀量的重要因素;复合聚四氟乙烯的相对介电常数和介质损耗角正切随着填料添加量的增加而增大;随着温度的升高,聚四氟乙烯的相对介电常数减小,介质损耗角正切增大。试验结果对于实际应用具有重要的理论指导意义。     

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。     

高压断路器喷口材料的试验研究

在分析高压SF6 断路器开断大电流时 ,电弧对喷口烧蚀机理的基础上 ,进行了喷口材料改性试验研究。得出聚四氟乙烯中加入MoS2 ,BN ,光致蓄光材料 (PL) ,复合聚四氟乙烯的介电性能、光学性能、耐电弧烧蚀性能和线膨胀系数的变化规律。研究结果为提高喷口的耐电弧烧蚀性能、改善喷口材料的介电性能和工艺性提供了理论依据。     

大容量断路器喷口材料烧蚀性能的试验研究

研究了大容量断路器喷口材料的耐烧蚀性能,设计了一套基于恒流源的直流电弧发生装置,该装置可产生电压在0~400 V、电流在0~50 A内稳定燃烧的直流电弧。结果表明:稳定燃烧的直流电弧呈现负电阻特性;当燃弧时间不变时,喷口材料的烧蚀量随着电弧能量的增加而增大。     

基于BN填料的高压开关用灭弧喷口材料性能研究

选用BN作为无机填料对喷口材料进行填充改性,对比分析氮化硼和氧化铝两种填料的改性效果,研究不同填料添加量对喷口材料性能的影响。结果表明:与氧化铝喷口材料相比,氮化硼(BN)喷口材料具有更高的电气强度、热导率及耐电弧烧蚀能力。     

PTFE掺杂浓度对高温CO2气体物性参数的影响

由于SF6气体温室效应显著,CO_2气体作为目前具有潜力环保型SF6替代气体之一,以CO_2气体作为绝缘和灭弧介质的断路器已经得到应用。实际上,喷口材料烧蚀将导致PTFE蒸汽作为杂质影响电弧等离子体的物性参数从而影响断路器的开断性能。为了建立物理模型研究和优化断路器开断性能,必须首先确定电弧等离子体物性参数。因此文中研究了0.6 MPa下温度区间为300～30 000 K时的CO_2-PTFE电弧等离子体物性参数。首先基于最小Gibbs自由能法确定了电弧等弧等离子体粒子组分,其次利用标准热力学公式计算了电弧等离子体热力学参数,最后基于Chapman-Enskog理论计算了电弧等离子体输运系数(电导率、热导率和粘滞系数),讨论了PTFE浓度对物性参数的影响。结果表明:添加PTFE对电弧等离子体物性参数产生影响,其中,对粘滞系数,热导率和低温时电导率影响显著,少量的PTFE(少于25%)对电弧等离子体电导率影响很小。     

中频下正弦曲面触头真空电弧特性研究

随着多电/全电飞机技术的发展,交流中频(360～800Hz)供电体制成为航电系统的主要发展方向,对新型小体积、轻重量、大开断容量开关的需求更加迫切。真空开关凭借自身的开断原理和结构特点,具备应用于航空领域的优势。提出一种新型触头结构——正弦曲面触头真空灭弧室,研究新型触头在中频下的真空电弧特性,对比分析了同等触头直径(41mm)和材料的正弦曲面触头和平板触头在小开距下的真空电弧形态的演变过程、电弧电压特性、燃弧能量、开断性能、阳极烧蚀程度及电弧生成物凝结能力,得到燃弧能量与电流幅值和频率的关系,以及燃弧能量对开断能力的影响规律。结果表明,在开断中频真空电弧时,正弦曲面触头的燃弧能量低,电弧电压噪声小、峰值低,阳极触头表面烧蚀程度轻,开断能力和电弧生成物凝结能力更强,具有很强的应用潜力。     

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。     

百千安冲击电弧作用下纳米Al_2O_3掺杂对钨铜电极耐烧蚀性能的影响

电极材料的耐烧蚀性能是影响间隙类开关性能和使用寿命的关键因素之一。为探究掺杂纳米级非金属颗粒的电极材料在强冲击电流的工程应用场合下是否拥有更强的耐烧蚀性能,搭建冲击大电流放电实验平台,选择钨铜合金和掺杂了纳米级Al_2O_3颗粒的钨铜复合材料为研究对象,在峰值电流超过100kA、峰值功率0.54GW的强冲击电流下开展电极烧蚀实验研究。通过对比烧蚀前后电极的质量变化、烧蚀点微观形貌和表面粗糙度,发现纳米级Al_2O_3的添加使得钨铜合金在强冲击放电下拥有更强的耐烧蚀性能。结合电极烧蚀机理和电弧运动规律,分析得到了钨铜复合材料的耐烧蚀性能优于钨铜合金的原因:Al_2O_3的添加减小了钨铜合金以固相和液相形式溅射的质量,并且使阴极电弧的分布更加分散,从而降低了质量损失和表面粗糙度。     

PTFE蒸气对电弧特性影响的数值分析

在喷口电弧动态数学模型中 ,考虑了喷口烧蚀产生的PTFE蒸气的作用。应用有限元方法模拟了SF6 自能膨胀式断路器开断短路电流的过程。通过与不考虑PTFE蒸气影响的开断过程的模拟结果相比较 ,得到了PTFE蒸气对喷口电弧特性影响的结果。表明 :PTFE蒸气使喷口电弧的压力明显增高 ;使电流较高时的电弧温度降低 ;使电弧电流过零时的弧区温度升高 ;在电弧电流下降时 ,电弧的温度下降速度变慢 ;使电弧的半径增大。     

C4F7O-CO2混合气体自由燃弧电弧特性实验研究

C_4F_7N-CO_2混合气体有可能替代SF_6作为绝缘和灭弧介质,研究其燃弧特性具有重要意义。文中通过棒-棒电极下的自由燃弧实验,研究了CO_2、体积分数40%C_4F_7N-60%CO_2以及SF_6几种气体的电弧特性。实验中测量了电弧电压、电流、零区特性以及光谱分布等众多参量,基于Mayr电弧模型分析了电弧能量累积和耗散过程,结合Abel逆变换和玻耳兹曼斜率法得到电弧径向温度分布。实验发现:CO_2气体电弧稳定性极差,燃弧期间电弧电压高于SF_6电弧且多次剧烈波动,加入C_4F_7N后,电弧稳定性得到改善,电弧电压降低;加入C_4F_7N后,自由燃弧期间其电弧能量累积量减小,电流过零前的能量耗散系数降低;电流峰值时刻CO_2、40%C_4F_7N-60%CO_2以及SF_6几种气体电弧弧芯温度分别为20 000、18 900、14 900 K,电弧直径分别为13、17、23 mm,C_4F_7N对降低CO_2电弧弧芯温度有明显作用。     

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。     

基于半经验模型的熔断器燃弧过程计算与分析

为研究其燃弧特性,建立了电弧燃烧半经验数学模型。首先通过ANSYS有限元软件对熔断器弧前时间进行计算;并对电弧燃烧的物理过程分析和简化,建立了熔体烧蚀、石英砂烧蚀、电弧与石英砂换热、电弧电压以及外电路模型;然后通过Matlab求解计算,将计算得到的电流和电压曲线与实验得到的曲线进行拟合,确定电弧相关物性参数,引入燃弧过程中电导率随温度变化的曲线;最后以该模型为依据,某型额定1 200 V/1 250 A熔断器为研究对象,分析了电弧燃弧过程以及熔体的结构尺寸对弧压峰值和过零时间的影响规律。仿真和实验结果表明:随着宽带宽度和节距长度的增加,熔体的弧压峰值增加,过零时间减短;熔体总长保持在固定值时,改变断口数和节距长度对燃弧特性影响甚微。熔体的弧压峰值应控制在额定电压的3倍以内,过零时间取安全保护裕度内。     

小型断路器分断电弧的试验研究及其结构优化

针对某型号小型断路器(MCB)产品的灭弧室,采用电流振荡回路,试验观察了电弧的运动情况。通过观测电弧的运动以及电弧电压特性,结合电弧的烧蚀情况,分析了栅片形状、跑弧道、出气孔等对产品灭弧能力的影响。通过缩短上跑弧道、栅片后加带孔绝缘挡板和改变栅片固定件等方法,缩短了电弧的停滞时间、转移时间、燃弧时间、增大了栅片切割程度,提高了电弧电压,改善了MCB的分断性能。     

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。     

SF_6断路器开断特性的数值仿真方法

笔者在LTE和LCE假设的条件下,以质量、动量和能量3个守恒方程以及电流连续方程为基础构建了SF6断路器开断过程中大电流燃弧阶段的电弧数学模型。电弧的欧姆热效应在电流场计算的基础上,通过在能量方程中加入源项来反映。文中对辐射模型以及湍流模型进行了讨论。喷口烧蚀效应通过增加独立的PTFE蒸汽质量守恒方程来考虑,从而构成了考虑喷口烧蚀效应的完备的控制方程组。这一控制方程组构成了SF6断路器开断过程大电流阶段的计算机仿真的基本数学模型,从而为"气体断路器数字化设计方法及仿真平台"的建立打下了基础。     

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。     

基于半经验模型的高压限流熔断器电弧特性的计算与分析

高压限流熔断器的电弧特性决定了其分断过电压和分断能力。为研究这一电弧特性,在分析燃弧过程物理原理的基础上,建立了半经验式的限流熔断器电弧模型。模型考虑了熔体烧蚀、电弧通道截面积扩展、电弧电场强度、电弧极区电压降及电弧融合等必要的物理过程,对每个过程的计算主要采用经验公式。通过多次短路分断试验对模型进行检验,结果表明计算和试验具有较好的一致性。以XRNT1-12/200-50型高压限流熔断器为例,应用该模型对不同结构参数下的电弧特性进行了计算分析,讨论了过电压和燃弧能量随参数变化的规律,给出了使过电压和燃弧能量都能满足要求的设计方法。