输电等级真空断路器真空电弧阳极斑点形成规律

中国政府已庄严承诺应对全球气候变化控制温室气体排放，然而具有强温室效应的SF6气体目前在输电等级电力开关设备中广泛使用，因此发展环境友好型输电等级真空断路器，限制SF6气体的使用，成为当前电力开关领域的研究热点问题。真空断路器大电流开断的临界电流值与真空电弧的阳极斑点现象有密切的关系。目前在3.6kV～40.5kV的中压配电等级真空断路器领域，真空电弧阳极斑点的研究已经非常深入。然而真空断路器向72.5kV及以上的输电等级的发展中，还缺乏系统地针对大开距、大触头直径和纵向磁场条件下的大电流真空电弧阳极斑点现象相关研究。而输电等级真空断路器更易于产生真空电弧阳极斑点，显著降低成功开断的可能性。本项目的研究目标是在统一的实验条件下，系统地得到输电等级真空断路器大电流真空电弧阳极斑点的形成规律及纵向磁场对阳极斑点形成的影响。研究成果可为开发大容量输电等级真空断路器提供理论依据和技术支撑。

大电流真空电弧阳极斑点的出现，意味着真空开断极限到来。真空开断极限电流与真空电弧阳极斑点现象有着密切的联系。过去有关真空电弧阳极斑点研究存在一定的局限性，主要表现为研究条件不够系统和统一，研究结果集中在3.6～40.5 kV的中压领域，未曾涉及72.5 kV及以上输电等级领域（触头直径≥60mm、触头开距≥40 mm）。本项目在统一的实验条件下，系统地得到了输电等级真空断路器大电流真空电弧阳极斑点形成规律及纵向磁场对阳极斑点形成的影响。首先，实验发现阳极斑点临界电流随触头立体角的增加而线性递增，阳极斑点临界电流与统一触头立体角和外施纵向磁场之间满足二元函数关系I=1.68(D/l)+0.11B+6.32，避免阳极斑点形成所需的单位电流下临界纵向磁场系数随触头直径呈幂函数形式衰减，满足关系式B/I = 5516.4 D^-1.63，该结果可为真空灭弧室的小型化提供理论依据；其次，采用分裂阳极-杯状纵磁阴极触头系统实验获得了阳极斑点电流密度为31.9 -37.7 A/mm^2，这为阳极斑点理论提供了一个重要的物理参数，还获得了均匀纵向磁场中电流峰值时刻阳极中心区域电流密度与电弧电流和纵向磁感应强度之间的关系为J = (2.20 I + 0.069 I^2)B^-0.22，该结果有助于确定避免阳极斑点形成所需的纵向磁场；第三，实验和仿真研究了集聚态真空电弧对阳极表面烧蚀过程以及弧后击穿过程，获得了阳极表面烧蚀熔化层分布特性和弧后最低击穿电压对应的弧后阴极（燃弧阳极）表面温度为2030 K。最后，在上述实验结果基础上提出了输电等级真空断路器真空电弧阳极斑点的形成机理和物理模型，并利用所得到的阳极斑点形成规律指导了126 kV输电等级真空断路器产品的设计和开发，使其成功地通过型式试验考核。本项目研究成果为开发大容量输电等级真空断路器提供了理论依据和技术支撑。