两类新型环保气体电弧等离子体的辐射输运特性研究

As a widely used insulating and arc quenching medium in high-voltage circuit breakers (HVCB), SF6 is a greenhouse gas with extremely high global warming potential (GWP). Searching eco-friendly SF6 substitutes is therefore an urgent task for China to develop green low-carbon economy. However, most of previous works only paid attention to the insulating performance of SF6 replacements, and there still exist several problems waiting to be solved in the study of arc mechanism, such as the incomplete database for the basic properties especially the radiation transport coefficients of arc plasmas, and the unknown arc characteristics especially the radiation transport characteristics. Considering that radiation is the key energy transport process in arc plasmas, this project will focus on two new eco-friendly arc quenching gases C4F7N and C5F10O. Based on the atomic and molecular spectral data and with the quantum chemical calculation as a supplement, the database of the radiation coefficients including net emission coefficients (NEC) and mean absorption coefficients (MAC) for the arc plasmas of new eco-friendly gases will be established starting from the particle compositions in the arc plasmas, and combining with thermodynamic properties and transport coefficients, the radiation transport in arc magnetofluid will be modelled, and the results obtained by the simulation model and the experimental diagnosis will be compared to validate the radiation calculation. This project studies the radiation transport characteristics in the arc plasmas of new eco-friendly gases and their mixtures from the two levels of micro particle and macro magnetofluid respectively, and will provide the support of theoretical data for the further investigation of the arc interruption performance of new eco-friendly gases.

广泛用于高压开关设备绝缘和灭弧的SF6是一种温室效应极强的气体，寻找环保型SF6替代气体已成为我国发展绿色低碳经济亟待解决的问题。然而，目前大多研究只关注替代气体的绝缘性能，而电弧机理研究方面则存在基础参数尤其是辐射输运系数不完整、电弧特性尤其是辐射输运特性不明晰等问题。考虑到辐射是电弧能量输运的关键过程，本项目以C4F7N和C5F10O两类新型环保气体为对象，以原子和分子光谱数据为基础，以量子化学计算为补充，从电弧微观粒子组分出发，构建以净辐射系数和平均辐射吸收系数为代表的环保型气体电弧辐射输运特性参数数据库，并结合统计热力学参数和动力学输运系数，建立环保型气体电弧磁流体宏观辐射输运模型，最后通过对比仿真模型和实验诊断的结果验证辐射计算的准确性。本项目从微观粒子和宏观磁流体两个层面研究新型环保气体及其混合气体电弧等离子体的辐射输运特性，可为进一步探索环保型气体的灭弧性能提供理论数据支持。

广泛用于高压开关设备绝缘和灭弧的SF6是一种温室效应极强的气体。寻找环保型SF6替代气体已成为我国发展绿色低碳经济亟待解决的问题。然而，目前大多研究只关注替代气体的绝缘性能，而对电弧机理研究较少，且存在基础参数不完整、电弧特性不明晰等问题。因此，本项目以C4F7N和C5F10O两类新型环保气体及其与CO2、N2、O2等混合气体为对象，以原子和分子光谱数据为基础，以量子化学计算为补充，从电弧微观粒子组分出发，建立包括统计热力学参数、动力学输运系数、辐射输运系数在内的环保型气体电弧等离子体基础物性参数计算模型，并构建相应基础数据库。在基础物性参数计算的基础上，建立环保型气体电弧磁流体动力学模型，着重分析辐射对环保型气体电弧等离子体能量输运过程的影响，并设计相关实验进一步验证仿真模型的有效性。取得的主要成果包括：第一，理论证明了质量作用定律和极值化方法在不同等离子体组分计算理论中的有限等价性；第二，提出了基于熵值最大化理论的非平衡态双温等离子体粒子组分计算新方法；第三，建立了以C4F7N和C5F10O为代表的新型环保气体及其混合气体电弧等离子体的物性参数计算模型；第四，建了包括粒子组分、统计热力学参数、动力学输运系数、辐射输运系数在内的新型环保气体电弧等离子体物性参数数据库；第五，提出了基于1维电弧流体模型和Boltzmann方程耦合分析的环保型气体灭弧能力快速评价方法。总体上，本项目从微观粒子和宏观磁流体两个层面研究以C4F7N和C5F10O为代表的新型环保气体及其混合气体电弧等离子体的特性，可为进一步探索环保型气体的灭弧性能提供理论数据支持，推动我国低碳环保型高压开关设备的设计与应用。