混合式断路器金属蒸气电弧特性及其在超高压大容量开关中的应用

混合式断路器电弧是指真空间隙与SF6间隙串联运行时的电弧，其介质恢复与协同作用特性及其在超高压大容量开关中的应用是当前开关电器领域的前沿课题之一。本研究旨在揭示真空灭弧室与SF6灭弧室串联运行时形成的金属蒸气电弧特性，重点研究击穿机理，零区电弧模型，介质恢复过程，协同作用机理及耐压可靠性增益，结合在超高压大容量开关中的应用，研究串联间隙的同步控制策略和稳定判据。目前超高压大容量开关介质是SF6一统天下，而SF6废气毒性以及泄漏后对环境的危害是人们近年来十分关注的。混合式断路器技术实质是在最大限度减少SF6气体使用量前提下，利用真空开关和SF6开关各自技术特点与优势完成超高压大容量开断。在现代电子操动技术和光电控制技术日趋成熟的条件下，把混合式断路器应用到超高压大容量开关领域已成为可能。研究混合式断路器金属蒸气电弧的特性就是在基础理论方面为这一应用扫清障碍，探索超高压大容量开关新的结构形式。

本项目从介质静态绝缘特性和动态绝缘恢复特性两方面对真空和SF6气体进行了理论分析；运用Ansoft软件对真空灭弧室与SF6灭弧室串联的混合断路器（HCB）静态电场分布进行了计算，对比得出了较为合理的模型结构；基于ATP软件搭建了电磁暂态仿真平台，开发了真空断路器与SF6断路器串联的HCB电弧仿真模型，研究了开断过程中真空电弧和SF6电弧的特性及其相互作用，对比了SF6断路器与HCB的开断容量特性；研制了真空灭弧室与操动机构等电位连接的真空断路器在上而SF6断路器在下的实验样机；实验研究了HCB串联间隙系统在静态条件下的击穿机理，在改变电压波形、电极距离、SF6充气压力的情况下研究串联间隙系统的电压分布特性、击穿耐压特性及击穿电压增益特性；对实验样机进行了短路电流开断测试，研究了真空断路器与SF6断路器间的相互作用关系，得到了其最佳协同动作区间；最后通过大量实验得到了HCB相对于SF6断路器的开断容量增益特性。实验验证了电场分布计算结果，将开断过程真空电弧与SF6电弧的相互作用关系在动态电弧模型仿真与实验两方面进行了较好对应，为HCB技术的进一步研究奠定了理论与实验基础。