环境友好SF6替代气体电弧与喷口相互作用研究

The strong greenhouse effect and high liquefaction temperature are the two serious environmental problems in the applications of SF6 gas in high-voltage circuit breakers. Although some important progresses have been made in the utilization of SF6’s substitutes for the circuit breakers recently, the knowledges of the complex physical process of the interaction between various gases and nozzle are still finite, limiting the further improvements of the interruption capabilities. This project aims to investigate the interruption performance of three potential SF6 substitutes, including SF6-CF4, CO2 and CO2-O2. Special attentions are paid to the application of advanced diagnostics technique for the transient micro-parameters and processes. Aimed at the energy dissipation mechanism, dielectric recovery characteristics during the post arc and their effective control method for various gases, more attentions are paid on the exploration of the microscopic physical mechanisms in the arc chamber, including the interaction process between the arc and nozzle materials, the formation and evolution of turbulent flow, and their influences on arc-quenching performance. Finally, in order to improve the breaking capacity of the new type high-voltage gas circuit breakers, a systematical and in-depth study will be carried out on the arc characteristic and its key effect factors and control mechanism for various gases. The prospective achievements could promote the development of the arc theory, and provide supports and references for the research and development of the next generation new type high voltage switchgear.

SF6在高压断路器中使用面临温室效应和液化温度高两个重要的环境问题，近期在SF6替代气体应用方面有重要进展，但对不同性质气体电弧与喷口相互作用下灭弧室内复杂物理过程的认识仍有限，制约了开断容量的进一步提升。本项目重点针对SF6-CF4、CO2及CO2-O2三种可行性较高的替代气体，特别注重应用精密等离子体诊断技术来定量分析电弧中的微观、瞬态参数和物理过程，围绕喷口控制下不同气体电弧的能量耗散机制和弧后介质恢复特性及其有效调控方法这一核心，重点探索不同气体电弧对喷口材料的烧蚀作用、电弧中湍流的形成和演变过程及其对开断特性的影响等微观物理机制；瞄准如何有效提升新型高压气体断路器开断容量，来系统和深入地研究环境友好SF6替代气体电弧与喷口相互作用下灭弧室中气流场分布和演变过程及不同控制因素的影响规律。研究有助于推动电器电弧理论的发展，为我国掌握下一代新型高压开关的核心技术提供理论依据。

SF6在高压断路器中使用面临温室效应和液化温度高两个重要的环境问题，近期在SF6替代气体应用方面有重要进展，但对不同性质气体电弧与喷口相互作用下灭弧室内复杂物理过程的认识仍有限，制约了开断容量的进一步提升。本项目重点针对SF6-CF4、CO2及CO2-O2三种可行性较高的替代气体，研究了其灭弧特性。.主要研究内容包括以下四个部分：(1)理论计算了CO2及其混合气体的物性参数，考虑离子动力学影响的临界击穿计算方法；(2)建立了SF6-CF4、CO2及其混合气体的磁流体动力学模型；(3)开展了SF6-CF4、CO2及其混合气体的电弧开断实验；(4)将研究成果应用于带高耦电抗器的SF6开断装置研究。.研究了CO2及其混合气体电弧等离子体在不同温度、不同气压下的等离子体组分，热力学属性及输运特性等，为CO2及其混合气体电弧特性数值仿真提供了必要的输入参数；基于计算获得的上述物性参数，针对一台典型的252kV压气式断路器，建立了SF6-CF4、CO2及其混合气体的磁流体动力学模型；研制了可拆式模型灭弧室，在振荡回路条件下，应用光谱等精密诊断技术，利用麦也尔电弧模型可以计算得到不同恢复电压变化率RRRV和零前不同电流变化率di/dt对S6-CF4、CO2及其混合气体弧后电流的影响；应用上述研究成果，研究了带高耦电抗器的SF6开断装置中的电弧行为，重点分析了其均流/限流特性。.研究有助于推动电器电弧理论的发展，为我国掌握下一代新型高压开关的核心技术提供理论依据，并获得了初步的工程应用。