基于SF6稳态分解产物的断路器电寿命评估机理的研究

Contacts erosion due to high temperature SF6 arc is the dominant factor limiting the electrical endurance of SF6 circuit breaker and thus the key point to evaluate the electrical endurance of SF6 circuit breaker is to reveal the mechanisms of arc-contact interaction. To resolve the difficulties in the electrical endurance of SF6 circuit breaker, a novel electrical endurance evaluation method through the stable decomposition products of SF6 arc is proposed based on the mechanisms of arc-contact interaction. First, a two-temperature model considering contacts erosion is established to study the key influences of contacts erosion. The mechanisms of arc-contact interaction and the relation between arc-contact interaction and the electrical endurance of SF6 circuit breaker are found by the two-temperature model combined with experiment. Then, a zero-dimensional chemical kinetics model is proposed to study the evolution of SF6 stable decomposition products. The relation between the stable decomposition products of SF6 arc and arc-contact interaction is revealed by the chemical kinetics model combined with experiment. Finally, the relation between the stable decomposition products of SF6 arc and the electrical endurance of SF6 circuit breaker is obtained, which provides a novel method to evaluate the electrical endurance of SF6 circuit breaker.

SF6电弧对触头的烧蚀作用是影响SF6断路器电寿命的主要因素，揭示SF6电弧和触头相互作用的机理，并获得SF6电弧稳态分解产物与触头烧蚀之间的关系是SF6断路器电寿命评估的关键基础问题。针对SF6断路器电寿命评估所面临的困难，本项目从SF6电弧与触头的作用机理出发，提出一种采用SF6电弧稳态分解产物评估断路器电寿命的方法。首先，建立考虑触头烧蚀的SF6电弧双温度模型，结合实验，研究影响触头烧蚀的关键因素，揭示SF6电弧与触头的作用机理，阐释触头烧蚀和断路器电寿命间的内在联系；其次，建立SF6电弧熄灭后的0维化学动力学模型，结合实验，研究SF6电弧稳态分解产物的演化规律，阐释SF6电弧稳态分解产物和触头烧蚀的内在联系；最后，获得SF6电弧稳态分解产物和断路器电寿命的内在关系，为断路器电寿命评估提供一种全新的思路。

触头烧蚀是影响断路器电寿命的关键因素，本项目通过研究SF6电弧燃弧过程触头烧蚀机理和熄弧后SF6稳态分解产物的演化规律，并辅助光谱仪和色谱仪测试手段，探索触头烧蚀量跟SF6断路器电寿命的对应关系和SF6稳态分解产物跟触头烧蚀量的内在联系，从而提出根据SF6稳态分解产物评估SF6断路器电寿命的新方法。首先，建立双温度SF6-Cu金属蒸汽电弧等离子体物性参数计算模型，获得统计热物理属性（包括：密度、比热、比焓、比熵、声速等）、输运系数（包括：电导率、热导率、粘性系数）、混合扩散系数等电弧等离子体双温模型所须的基础数据。建立高压SF6断路器开断过程的动态电弧模型，研究灭弧室内电弧的运动特性、铜蒸气浓度分布情况。采用高速摄影仪测量SF6电弧运动特性，采用光谱仪测量金属蒸汽的发射光谱强度获得SF6电弧温度特性验证SF6电弧2维双温度模型的可靠性，并揭示SF6电弧和触头之间物质能量交换机理，定量阐释触头烧蚀跟断路器电寿命之间的关系。其次，全面获取SF6电弧熄灭后等离子体中相关粒子、化学反应和化学反应率，建立SF6电弧熄弧后0维化学动力学模型，对SF6电弧熄弧后灭弧室温度、压力和稳态分解产物的时间演化规律进行定量计算分析。采用压力传感器测量SF6电弧熄灭后压力变化特性，采用光谱仪测量金属蒸汽的发射光谱强度获得SF6熄灭后温度变化特性，采用色谱仪测量SF6熄灭后稳态分解产物（SO2、SOF2、SO2F2和H2S等）的演化规律，从而验证SF6电弧熄弧后0维化学动力学模型的可靠性，并研究不同触头烧蚀情况下SF6稳态分解产物（SO2、SOF2、SO2F2和H2S等）的演化规律，定量阐释SF6稳态分解产物跟触头烧蚀之间的关系。 最后，揭示SF6稳态分解产物跟SF6断路器电寿命之间的内在联系，为根据SF6稳态分解产物评估断路器电寿命奠定理论基础。