直流真空电弧分布及其对弧后鞘层影响规律研究

DC circuit breakers are one of the key technologies in DC system network construction. Due to the unique advantages of mechanical DC circuit breaker, it has a good application prospect in the field of DC interrupting. This project takes the arcing process of the mechanical DC circuit breaker as the research object, various advanced diagnostic techniques and methods such as vacuum arc observation and arc radiation spectral analysis will be applied, to explore the law of arc variation and its influence on the recovery process of dielectric strength after arc combined with continuous transition model. Meanwhile, project will focus on the quantitatively calculation of the microscopic particle distribution and energy distribution in the arcing process. Finally, based on these works, efforts will be contributed to studying the vacuum arc distribution and characteristic parameters with different external parameters such as current, magnetic field, etc., which will reveal the influence mechanism of arc distribution on sheath growth and provide experimental and theoretical basis for improving the breaking capacity of the interrupter, promoting the engineering application of the mechanical DC circuit breaker and completing the theory of dielectric strength recovery after the arc.

直流断路器是直流系统构网的关键技术之一，机械式直流断路器的诸多独特优势，使其在直流开断领域有良好的应用前景。本项目以机械式直流断路器燃弧过程为研究对象，采用电弧形态光学观测、电弧辐射光谱分析等多种诊断技术和方法，结合连续过渡模型，对电弧变化规律及其对弧后介质强度恢复过程的影响进行深入研究。定量计算燃弧过程中电弧微观粒子分布及能量分布，研究真空电弧分布及特征参数随不同电流、磁场等外部参数的定量变化规律，揭示电弧分布对弧后鞘层生长的影响机制，为提高灭弧室开断能力、推动机械式直流断路器的工程应用以及完善弧后介质强度恢复理论提供实验和理论依据。

柔性直流输电技术是实现可再生能源发电并网的有效途径，直流断路器是直流系统构网的关键技术之一。机械式直流断路器拥有经济性高、可靠性高、技术成熟以及损耗低等诸多独特优势，使其在直流开断领域有良好的应用前景。由于直流开断燃弧时间短、电流转移速度快，导致电弧能力分布不均匀，弧后介质强度恢复速度慢。本项目深入研究了直流开断过程中电弧能量分布及其影响因素，探索了燃弧过程电弧分布对弧后介质强度恢复速度的影响机制，为机械式直流断路器参数优化设计以及直流开断物理机制研究提供支撑。.本项目以机械式直流断路器开断过程为研究对象，采用电弧形态光学观测、电弧辐射光谱分析等多种诊断技术和方法，建立了基于可拆真空灭弧室、超高速摄像机和光谱仪的真空电弧微观粒子光学测量实验平台，可以实现等离子体、金属蒸气二维空间分布测量，空间分辨率可达到微米，时间分辨率可以达到微秒。.基于直流开断实验平台，完成了直流开断条件下真空电弧观测实验，发现在驱动机构拉弧条件下，存在起始收缩态电弧向扩散态电弧转变的过程。研究了不同电流幅值、起弧电流、机构分闸速度以及磁场强度对起始收缩态电弧持续时间的影响。结果表明，起弧电流越大、电流幅值越大、分闸速度越小，起始收缩态电弧持续时间越长。.建立了中高频电流开断实验平台，实现短燃弧时间、高di/dt条件下的真空电弧开断实验研究。定量计算燃弧过程中电弧微观粒子分布及能量分布，结合连续过渡模型，对电弧变化规律及其对弧后介质强度恢复过程的影响进行深入研究。提出了在电弧不均匀分布条件下弧后初始等离子体计算模型以及考虑金属蒸气电离过程的弧后等离子体衰减模型，揭示了电弧分布对弧后鞘层生长的影响机制，为提高灭弧室开断能力、推动机械式直流断路器的工程应用以及完善弧后介质强度恢复理论提供实验和理论依据。