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。     

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。     

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。     

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。     

高压SF6断路器电弧动态模型研究

提出了在二维N-S方程和湍流模型求解基础上的喷口电弧等效电阻网格法，建立了新型电弧动态物理一数学模型，充分考虑了灭弧室内电弧温度、压力等物理因素的影响，气吹对电弧形态的影响以及电弧电流的自适应调整，以反映整个开断过程中电弧的动态变化。并在对高压SR断路器气流场N-S方程和k-ε方程求解研究的基础上，对500kV单断口SF6断路器短路开断情况下，跨音速、可压缩、复杂流路、变边界条件的气流场进行求解，实现了电弧动态变化过程的气动模拟，为进一步研究电弧能量的利用及更有成效地进行高压断路器开断过程的仿真研究奠定基础。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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《高压断路器技术发展动态》文集通过对SF6断路器开断能力、热气流的模拟、触头材料烧蚀状况、电弧能量、模型等的分析研究，介绍了SF6断路器的最新发展动态；通过对真空灭弧室大电流开断的物理过程、纵向磁场作用下大电流真空电弧的磁场控制、绝缘恢复特性、触头材料以及真空断路器其它性能的基础研究，     

考虑电极烧蚀影响的低压断路器电弧运动特性仿真及实验

以磁流体动力学(magnetic hydro-dynamics,MHD)为基础建立了考虑电极烧蚀影响的低压断路器中电弧的数学模型。在传统的质量、动量和能量守恒方程的基础上增加了铜蒸气的浓度方程,考虑电极烧蚀对气体的热动力学特性和传输系数的影响,针对阴极和阳极不同特点分别建立了电弧与阴极和阳极作用的数学模型。利用基于有限容积法的商业软件对上述模型进行求解,得出灭弧室内温度场、浓度场、气流场、电位场的分布情况。仿真结果表明,由于电极附近“双漩涡”的存在,使得Cu蒸气浓度最大的区域位于弧根后方靠近电极的区域;考虑Cu蒸气影响时计算得到的电弧电压为比未考虑Cu蒸气影响时减小12.3%;考虑Cu蒸气影响所得到的电弧平均运动速度比未考虑Cu蒸气影响时减少21.3%。实验结果验证了仿真模型的合理性。     

基于组合Mayr和Cassie电弧模型的弧光接地故障仿真及分析

弧光接地故障在配电网中发生的概率较大,其动态特性对于检测电弧故障起着十分重要的作用。Mayr、Cassie模型是研究电弧接地故障两种经典模型,适用于描述电弧不同的物理特性。文中以电弧电流为变量建立过渡函数,构造了一种Mayr-Cassie组合模型,该模型综合考虑了电弧对流散热和径向传导散热。在PSCAD/EMTP平台上搭建了单相电弧接地故障模型,分析了电弧电压、电流、电阻的动态特征,并进一步将该模型用于10 kV配电网故障分析中,结果表明该模型可准确反映电弧特性。     

直流接触器触头电弧侵蚀特性

触头开断过程中会产生电弧,从而导致触头表面被侵蚀,影响其电接触性能。由于直流供电系统不存在自然过零点,致使直流接触器触头受电弧侵蚀影响比交流接触器更加严重。为了研究电弧对触头的侵蚀作用,基于磁流体动力学理论,考虑电弧与触头之间的能量耦合,建立电弧-触头动态耦合模型,研究了电流等级和分断速度对触头电弧侵蚀特性的影响。仿真结果表明：近阳极区电弧温度高于近阴极区电弧温度;电流等级由20 A提高到30 A时,电弧温度和燃弧时间显著提高,燃弧能量增加75.93%,使得触头侵蚀更加严重;触头分断速度由0.1 m/s增加到0.2 m/s时,电压电流的变化率提高,燃弧时间和熔池体积减小,燃弧能量减少47.83%,电弧对触头的侵蚀作用降低。实验结果与仿真相吻合,验证了仿真模型的正确性。     

低气压下空气间隙电弧对覆冰绝缘子串直流闪络的影响

覆冰绝缘子串在直流闪络过程特别是低气压条件下中易产生空气间隙电弧形成"飘弧"现象,飘弧易桥接覆冰绝缘子串,且空气间隙电弧和冰面电弧具有不同的伏安特性,而传统的覆冰绝缘子串直流闪络模型由冰面电弧和剩余冰层电阻构成,没有考虑空气间隙电弧,在低气压下计算结果与实际情况相差较大。为了解此一现象,首先从理论上分析了飘弧对低气压下覆冰绝缘子串直流闪络电压的影响,建立了考虑和忽略空气间隙电弧的覆冰绝缘子串直流闪络模型,根据理论模型计算了相应的闪络电压,并与试验结果进行了比较分析。试验与理论计算结果表明,飘弧现象随着气压的降低和绝缘子串覆冰及污秽的程度增加而增加,低气压下进行绝缘子串直流闪络建模、预测和特性试验时应考虑空气间隙电弧及其飘弧的影响。     

低压空气电弧动态特性仿真及分析

在计算流体动力学（CFD）商用软件包二次开发的基础上针对低压断路器简化灭弧室,采用磁流体动力学（MHD）理论建立了三维电弧仿真模型.仿真计算结果描述了电弧弧柱收缩、等离了体喷流和电弧形态等相关现象,研究发现磁场、出气口面积的增大可加速电弧运动,但出气口面积到达一定程度后,其大小变化对电弧运动的影响很小,而栅片的存在则对灭弧室气流具有一定阻挡作用.电弧运动的实验结果验证了仿真模型的合理性.     

基于链式的爆炸气流场耦合电弧动态模型

为研究大电场条件下有效熄灭电弧的优良方法,在开放空间下,考虑爆炸产生的冲击波及强烈气流耦合电磁场等因素的影响,基于电弧链式思想和经典激波理论分析电弧在爆炸气流影响下的受力情况,推导出电弧运动速度控制方程。在此基础上,结合能量平衡方程及热交换原理,建立耦合场的电弧模型。通过有限差分法求解模型,分析气流耦合电磁场下电弧熄灭的运动过程和物理特性变化,并得出电弧状态相关参数(温度、电导率等)和熄灭时间的特性。试验结果表明电弧熄灭效果具有工程应用价值。     

用于动态电能质量分析的交流电弧炉的建模与仿真

使用EMTDC软件包能实现一种新的电弧炉模型。与以往基于电弧阻抗的电弧炉模型不同 ,该模型从电弧炉的电弧能量方程出发 ,以电弧半径作为状态变量通过解非线性方程求出电弧半径与电流的关系。考虑到电弧炉冶炼过程中电弧的不稳定性以及频率为 8 8Hz的电压波动对视觉影响最为明显的事实 ,设计一频率范围为 4～ 14Hz的带通高斯白噪声叠加于电弧半径之上 ,并得到电弧电压 -电流的非线性时变特性。随后 ,给出电弧炉负荷的等效电路 ,即用一受加于其上的电流控制的受控电压源等效代替。最后 ,将此电弧炉模型并入一 10kV电网进行仿真。结果表明 ,用该模型仿真得到的电弧炉电弧电压的特性与实测的波形特性完全一致 ;此外 ,通过与传统的电弧炉模型进行比较 ,表明该模型在动态电能质量分析与检测研究中的应用优于传统方法。     

计及线路阻抗与负荷影响的不平衡配电网电压消弧方法

在单相接地故障和接地故障消弧的分析中,通常假设配电网是三相平衡的。已有的消弧方法在对地参数和负载不平衡的配电网单相接地故障时消弧效果不佳。针对上述问题,提出一种计及线路阻抗和配电网参数不平衡的电压消弧方法。分析考虑配电网参数不平衡和线路阻抗的配电网等效模型,推导出精确电压消弧指令值,通过故障前后各注入一次电流计算电压指令值,有源消弧装置调控零序电压至该指令值从而抑制故障点电压、电流为0。为了避免任意注入电流引起故障电流增大,将传统电流消弧作为电压消弧的过渡能有效补偿故障电流。通过和已有考虑线路阻抗电压消弧方法、忽略线路阻抗电压消弧方法对比,仿真结果表明,在不同的不平衡度、故障位置和接地电阻下,所提方法消弧性能最佳。     

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。