大电流真空电弧光辐射与微观粒子输运特性研究

In order to limit the use of SF6 in power switchgear, the development of vacuum switches from medium voltage to high voltage has become a research hotspot in the field of power switchgears. The high current breaking capacity of the vacuum circuit breaker is closely related to the phenomenon of the anode spot in the vacuum arc. A lot of investigations on the factors of vacuum arc anode spot, the critical current of anode spot and anode spot temperature have been conducted. However, a quantitative relationship between a macro arc shape and micro particles transportation cannot be obtained due to lack of systematic experimental data of micro particles. The objective of this project is to establish the relationship between physical arc phenomena and micro particles transportation by a systematic plasma diagnosis and numerical simulation. The physical process of arc mode conversion process, the temperature distribution of different components’ spectral signals, mass transfer and energy transportation near the anode region, the radiation intensity information can be got by a systematic plasma diagnostic method. Thus, the relationship to be established can offer a quantitative interpretation for vacuum arc breaking process. The research results can provide theoretical basis and technical support for the development of large capacity and high voltage vacuum circuit breaker.

为限制强温室效应气体SF6在电力开关设备中的使用量，将真空开关由中压配电等级向高电压等级发展成为当前国际电力开关领域的研究热点。真空断路器大电流开断能力的极限与真空电弧的阳极斑点现象密切相关。现有高电压等级真空断路器电弧阳极斑点研究主要集中在阳极斑点临界电流及其影响因素、阳极斑点温度等宏观参量，缺乏微观粒子的系统实验数据，所以诸多阳极斑点理论无法相互定量协调。本项目的研究目标是采用系统性的等离子体诊断方法，研究电弧模式转换过程中的温度分布、不同组分的光谱信号、质量迁移和能量运输等近阳极区的物理过程，通过辐射光强等信息建立宏观电弧现象与微观粒子输运之间关系，定量解释真空电弧开断过程中所观察到的物理现象。研究成果可为开发大容量高电压等级真空断路器提供理论依据和技术支撑。

真空断路器大电流开断能力的极限与真空电弧的阳极斑点现象密切相关。现有高电压等级真空断路器电弧阳极斑点研究主要集中在阳极斑点临界电流及其影响因素、阳极斑点温度等宏观参量，缺乏微观粒子的系统实验数据，所以诸多阳极斑点理论无法相互定量协调。本项目的研究目标是采用系统性的等离子体诊断方法，研究电弧模式转换过程中的温度分布、不同组分的光谱信号、微观粒子输运等物理过程，通过辐射光强等信息建立宏观电弧现象与微观粒子输运之间关系，定量解释真空电弧开断过程中所观察到的物理现象。本项目所获得的研究成果包括：1. 利用发射光谱和吸收光谱的光学诊断方法，获得了燃弧期真空电弧中微观粒子（包含基态原子、激发态原子、激发态离子）在电极间的轴向分布规律，测量了金属蒸气（即基态原子）的绝对值密度，然后基于实验结果解释了真空电弧中阳极活动的内在机制。研究结果表明，阳极附近的金属蒸气，在扩散态真空电弧中主要通过离子溅射机制产生，而在阳极斑点真空电弧中，阳极附近金属蒸气主要通过阳极熔池的蒸发机制产生。2. 基于燃弧期的诊断结果，利用激光诱导荧光的光学诊断方法对真空电弧零区进行了研究，获得了高分辨率的金属蒸气绝对密度二维空间分布及其演化规律，并进一步分析了电弧模式对于零区金属蒸气扩散过程的影响。研究结果表明在扩散态电弧的零点时刻，金属蒸气源已经消失，电极间金属蒸气分布较为均匀。而在阳极斑点真空电弧的零点时刻，阳极熔池仍然在剧烈的蒸发金属蒸气。3. 建立真空电弧碰撞辐射模型，获得各微观粒子光辐射特性，进而获得宏观光辐射特性与微观粒子输运特性的关系。在可见光波段内，二价离子谱线的出现可作为判断电弧进入阳极斑点模式的判据。本项目的研究内容将有助于进一步深入认识真空放电机理，研究成果可为开发大容量高电压等级真空断路器提供理论依据和技术支撑。