高压断路器动态电弧微观形成机理及抑弧调控措施研究

The further researches on the arc developing process from generation to extinguish are the premise to effectively control the arc behavior. The further study on the arcing cause and the effect factors show that exploring the dynamic generation process of the arc and the variation of microscopic parameters in this process are the base for stable researches of the arc. And controlling the key factors which have a deep influnce on stable arc is the effective method to improve the breaking ability. From the view of dynamic generating process of the arc in time and space domain, exploring arc generating elements and arc quenching ways by theoretical and experimental studies are the fundamentals of this project. Based on the processes of gas breakdown between contacts after liquid metal bridge disrupting and before stable arc generation and origination, a microscopic mathematical model for dynamic generating process of the arc is founded. The model is sovled to acquire the space-time variation law of the microscopic particles in non-equilibrium, non-linear, time-varying which will provide the base data for the stable arc research and variations of space charge, electron emission before arc, sheath variation, electron avalanche development and ions recombination also studied here to explore the law of microscopic parameters influcing on arc generating, developing. Therfore, the regulations and control measures of arc quenching can be proposed from the point of microscopic views and develope the arc theory in apparatus and improve the independent design level of the CB in our nation.

电弧产生至熄灭过程的深入研究是对其进行有效控制的前题。电弧产生的前因及影响电弧生成因素的深入探索，以及高压断路器前期研究表明，探求电弧动态形成过程及其中微观参数变化，是稳态电弧模型研究的基础，对其过程中影响稳态电弧形成的关键因素调控，是提升开断能力的有效途径。通过理论和实验，在电弧动态形成过程的时间和空间上展开研究，探求电弧生成要素和抑制电弧产生的途径是本课题根本所在。本课题拟从液态金属桥断裂后稳态电弧生成前带电粒子群的产生、发展及演变为基础，建立用于动态电弧形成过程研究的微观数学模型，求取在这一非平衡态、非线性、时变过程中微观粒子时空变化规律，探求空间粒子、电子发射、鞘层演变、电子崩发展、离子碰撞重组等时间与空间变化形态，提供用于稳态电弧研究的初始数据，进而探究微观参数对电弧发生、发展的影响规律，实现从微观上提出抑制电弧产生和发展的调控措施，补充电弧理论，提高我国自主设计。

开断能力是制约断路器发展的瓶颈，电弧是影响开断的关键，对电弧产生至熄灭过程的深入研究是对其进行有效控制的前题。电弧的形成过程为其发展提供了初始路径，决定了稳态电弧的能量，了解电弧形成机理，采用一定的手段干预，可抑制其中的电离条件，降低稳态电弧的能量，基于此本项目开展了对高压断路器不同灭弧介质形成过程即弧前过程的研究。包括：建立求解与弧前过程相对应的小尺度、短时间的微观数学模型；研究不同灭弧介质动态电弧形成过程及表征弧前能量微观参数；研究宏观参数变化对微观电弧形成过程的影响；搭建实验平台，研制电弧发生装置，实验分析电弧形态，机械分断速度等对弧前过程的影响。本项目通过所建非平衡态微观电弧模型，对SF6、真空、空气、SF6混合气体及SF6掺杂金属蒸气的弧前过程进行了仿真研究，并以空气介质为例进行了实验分析，仿真分析了不同灭弧介质，从阴极表面电子发射到极间碰撞电离形成鞘层的过程，同时定量计算了鞘层区空间电荷密度、鞘层边缘粒子能量、电弧温度及开断电压、电流、电子迁移率、气体压力、初始电子密度、触头材料、触头分断速度对不同介质弧前过程的影响，并与试验结果对比分析。仿真与试验结果表明：近阴极区的鞘层是电弧能量提升的主要源泉，鞘层边缘碰撞电离率最大；电子与离子运动速度差异是形成鞘层空间电荷区的主要原因，空间电荷畸变了电场，促进了电子碰撞电离，阻碍了阳极对电子吸收，加剧了电弧通道的形成；γ过程是电弧通道形成的重要过程，它为二次电子崩的产生提供了电子，但离子碰撞加剧将减弱γ过程，这有助于阻止弧前通道的形成；阴极鞘层区以正电荷为主，弧柱区正负粒子密度大致相等，且由中心向两侧逐渐减弱；径向电场强度差异是冷态电弧等离子体产生收缩的主要原因；开断电流等级的升高，使电子数密度产生轴向收缩。本项目对弧前过程的研究从微观角度解释了电弧能量产生的根源，补充了电器电弧理论，为提高电器产品开断能力进行了新的尝试。