高压直流大电流开断中瞬变电弧放电特性及其与电流转移特性配合关系的研究

Multi-terminal and high voltage electricity transmission system becomes the trend of electrical grid structure development at home and abroad due to its high performance. However, the lack of high voltage DC breaking technique makes this system a hard challenge to supply the electrical power reliably, continuously and flexibly. To solve this problem, this project will develop research on coordination of fast transient arc discharge and current transfer characteristics under high voltage and high current condition. Firstly, the influence factors on the fast transient arc instablility in high voltage DC breaking will be analyzed and their affections will be discussed in details. The threshold value of the arc instability will also be quantitatively determined. Secondly, spectrum methods will be used to measure the key parameters of main particles in fast transient non-equilibrium arc extinction instant.According to the experimental results, the relationships between the particles, the post-arc current and dielectric-recovery characteristics will be deduced from both the micro and macro degree. The key influence factors on fast transient arc non-equilibrium will also be explored. At the same time, a 3D turbulance dynamic and non-equilibrium model of fast transient arc will be built, which is used to look for fast transient arc instability, thermal conduction and energy exchanging mechanism. Finally, based on the experiment and simulation results, the match relationship of fast transient arc discharge and current transfer characteristics under different DC breaking topology will be revealed. With the research of this project, the basis of high voltage and high current DC breaking theory will be concluded.

多端直流输电系统以其优越的性能成为了国内外电网结构发展的方向。然而，高压直流开断技术的缺乏使得其供电的可靠性、灵活性和连续性面临着极大的挑战。本项目拟开展高电压直流大电流开断中瞬变电弧放电与电流转移特性配合关系的研究，旨在解决其关键的共性问题。首先探讨高压直流开断中瞬变电弧不稳定性的影响规律并定量描述其阈值条件。其次，光谱测试直流开断瞬变电弧主要微观粒子非平衡态下的关键参数，从宏观和微观两个角度分析其与零后残余电流和介质恢复特性之间的关系，探求不同介质中瞬变电弧非平衡态特性的主要影响规律；并建立直流开断瞬变电弧的非平衡态数学模型，仿真研究其不稳定性、耦合传热及能量交换的内在作用机理。最后基于实验和仿真分析结果，研究不同高电压直流开断拓扑条件下瞬变电弧特性与电流转移特性之间的配合关系，形成一套适合于高压直流大电流开断的理论依据。

近年来，可再生能源的开发利用已成为世界范围内能源结构转型的必然选择。多端直流输电系统以其优越的性能成为了国内外电网结构发展的方向。然而，高压直流开断技术的缺乏使得其供电的可靠性、灵活性和连续性面临着极大的挑战，世界范围内高压直流断路器技术性能和成本仍然严重制约着高压直流电网的发展和大规模推广，已成为能源结构转型的重大需求。.本项目针对高电压直流大电流开断中瞬变电弧放电与电流转移特性配合关系开展研究。首先研究了针对不同气体介质和开断条件研究了瞬变电弧不稳定性的影响规律，发现了电弧不稳定燃烧的气吹速度阈值难以确定、气压阈值约3个大气压，SF6具有最为显著的不稳定性，SF6/CO2、SF6/N2分别在SF6超过5%、30%情况下不稳定燃烧。.其次通过汤逊散射等方法获得了电流过零后电弧的介质恢复特性，发现了增加压力是提高介质恢复特性的重要方法，而气吹速度对介质恢复提升有限，另外优化触头打开过程与电流转移特性的匹配关系也是提高介质恢复的有效手段。为解决电弧物性参数缺乏的瓶颈问题，本项目提出了基于计算化学手段获取复杂气体介质物性参数的方案，所获得的最新物性参数数据已在5所研究机构使用，1篇论文获英国物理学会高引论文奖。进而通过仿真结合实验发现了瞬变非平衡态电弧内部微观粒子的对流、扩散、反应与宏观流体输运的相互作用关系，既完善了现有电弧非平衡态理论，开发的电弧仿真软件也应用于LS产电集团、南方电网公司等企业，能够在未来大大缩短断路器的研发周期、降低生产成本。.在上述理论研究的基础上，通过研究不同高电压直流开断拓扑条件下瞬变电弧特性与电流转移特性之间的配合关系，提出了电流转移、抑制和耗能一体化的阻尼式高压直流开断新思路，满足高压直流电网对断路器技术性能和经济成本的双重指标要求，研制了基于磁耦合转移模块的10kV直流断路器产品，在国家高压电器产品质量监督检验中心通过了全套型式试验并应用于广东电网。