多种气体绝缘式开关柜内部故障电弧热流效应及光谱强度分布特征的研究

本项目拟围绕高低压开关柜安全防护设计的关键核心问题，开展多种气体绝缘介质条件下内部故障燃弧热流效应和光强分布特征的研究。首先通过实验测试与理论分析，探讨不同条件下开关柜内部燃弧热流参数的演变发展规律及其主要影响因素，并定量描述不同因素对气体压力上升特性、温度、流速影响规律的解析关系。其次光谱测试多种绝缘气体和电极材料条件下电弧的微观粒子组分，揭示弧光强度的光谱分布规律并提取内部燃弧的光学特征，为快速有效地识别开关柜内部故障燃弧提供理论依据。同时，计算混合介质下电弧的输运特性和热力学参数，建立电磁力和电极蒸发效应相结合的开关柜内部故障电弧三维磁流体动力学模型，通过仿真计算从宏观和微观两个角度掌握电弧燃烧对气体绝缘介质热流参数瞬态变化的影响机制。最后基于实验和仿真分析，归纳形成高低压开关柜，特别是新型混合式气体绝缘开关柜内部故障燃弧的理论体系和安全防护设计所需的重要依据。

密封型电力开关设备广泛应用于电力系统输配电系统中，因而开关设备的可靠性和安全性在某种程度上成为制约电网发展的主要问题。然而，开关设备材料绝缘老化、机械磨损和误操作易造成内部短路，进而形成故障电弧。开关柜一旦发生内部故障电弧，将伴随产生大量灼热气体，引起柜内压力、温度迅速上升，导致装置的机械部件、建筑物的墙壁承受极大的应力。不仅会造成操作人员的伤亡和设备的严重损坏，对人们的生命和财产安全构成了巨大威胁。因此，在开关设备的规划设计阶段研究内部故障电弧引起的热效应和压力效应，建立故障电弧的有效评估预测方法具有非常重大的意义。. 故障燃弧中的电弧特性行为在整个燃烧过程中具有极其重要的作用，因此对其进行研究是很有必要的。本项目主要研究内容包括：不同条件下密闭开关柜内故障电弧热流参数的演变发展规律及其主要影响因素的研究，含有金属蒸汽的电弧输运特性和热力学参数的计算、金属电极烧蚀对内部电弧光谱强度和温度影响的实验分析、金属电极烧蚀对故障电弧特性的仿真研究。首先，采用实验方法研究了不同金属烧蚀条件下，开关柜内部故障电弧的压力上升、电弧电压和电弧辐射的变化过程，重点分析了不同电极材料下辐射在电弧能量中所占比重的暂态变化过程。同时，从故障电弧的能量平衡角度揭示了不同金属电极对热传递系数的影响规律。此外，比较了不同气体绝缘介质对故障电弧压力上升和电弧能量的影响。建立了电弧等离子体的微观理论模型，利用国际上发布的最新数据成果，计算获得了不同温度和压力范围的电弧等离子体热力学和输运参数。基于光谱发射测试方法，研究了不同电极材料对内部故障电弧光谱强度和电弧温度的影响。通过流体仿真软件Fluent，建立了考虑电极烧蚀的开关柜内部故障电弧二维模型，研究和分析了燃弧过程中的温度和流场分布变化，与实验结果吻合良好。通过实验，验证仿真模型的可靠性，为密封型开关设备的设计及内部燃弧故障的预测评估提供理论基础与实验依据。. 本项目对密闭开关柜内故障燃弧过程中的电弧行为和内部特性进行了全面的理论和实验研究，为以后的开关柜样机设计和分析提供了充足的依据，并为故障电弧的内部特性评估提供了诸多新思路。