SF6断路器开断过程中灭弧室内动态温度场的测量与特性研究

Breaking capability is the most important performance of high voltage circuit breakers. The breaking capability of SF6 circuit breaker is closely related to gas flow field, arc and their interactions. The existing researches are mostly focus on simulation model and calculation. However, all the simulation models and arithmetic have some extent assumption and uncertainty, and at the same time, there is short of test data to verify, the reliability of the simulation still should be improved. This project plan to establish an interrupter performance test platform of SF6 circuit breaker, and carry out the research on the measurement method and test results of temperature distribution of arc and inside the interrupter during on-load breaking operation. To explore the temperature distribution of arc and inside the interrupter and their variation law under different breaking current, different preset pressure, different operating velocity, and different nozzle shape. To investigate the relation between the dielectric strength recovery characteristics and the post arc temperature of the dielectric, and the characterization method of dielectric strength by the temperature of the dielectric. At the same time, the simulation model and arithmetic of the gas flow field during breaking operation of SF6 circuit breaker will be researched, and the test and simulation method will be improved through the mutual verification between test and simulation. This research will establish a foundation of research method to enhance the breaking capability of SF6 circuit breaker.

开断性能是高压断路器最重要的性能指标。对于SF6断路器来说开断性能与气流场和电弧及其相互作用密切相关。现有的研究中大部分关注于仿真模型和计算。然而仿真模型和算法中均存在一定的假设和不确定性，同时又缺乏实测数据进行验证，仿真结果的可靠性仍需提高。本项目拟建立SF6断路器灭弧室性能测试平台，并开展有载开断过程中电弧温度、灭弧室内温度分布的测量方法和测量结果的实验研究。探究不同开断电流、不同预充压力、不同操作速度、不同喷管形状下电弧温度和灭弧室内温度分布及其在开断过程中的变化规律，探究SF6灭弧室弧后介质强度恢复特性和介质温度的对应关系，以及通过介质温度表征弧后介质强度恢复特性的方法。同时，开展SF6开断过程中气流场的仿真建模和计算分析的研究，通过与实验结果的相互校验，对实验和仿真方法进行完善和提高。为进一步提高SF6断路器的开断性能在研究方法上奠定基础。

高压断路器是电网中控制和保护的执行元件，对电力系统安全、可靠、稳定运行至关重要。电力系统的发展对断路器性能不断提出新的要求，对断路器技术研究也提出众多的新的问题和挑战，更高电压等级，更大开断电流，更小体积，以及可靠性、环保等等。对灭弧室开断过程中的内动态温度场的测量与特性研究，对于深入认识灭弧室特性、指导仿真具有十分重要的意义。SF6断路器操作过程中，灭弧室处于高速机械运动和冲击、高温、高电压、强电流、强干扰、高压力和密闭的状态，给灭弧室温度测试验研究带来了非常大的困难。导致目前的温度测研究的工作十分有限，严重限制了对灭弧室电弧特性的认识、限制了仿真研究的深入，也限制了灭弧室设计技术的发展，深入开展开断过程中灭弧室内动态温度场的测量与特性研究具有非常重要的理论和实际意义。在本项目中，提出透明喷口法对SF6高压断路器大电流断路时的电弧平均温度分布进行了测量。应用双线法测量了断路器中的电弧温度，并用高速摄影机拍摄了断路器中的电弧形状，平均温度的测量误差为3.2%。提出光纤矩阵法对SF6高压断路器大电流断路时的电弧径向温度分布进行了测量，应用特制的光纤和改进的喷口，测量了电弧在短电流断路过程中喷口的上游、喉部和下游的温度分布。喷口上游、喉部和下游的中心电弧温度从15000K到27000K不等，径向温度的测量误差为6.3%。提出了钨丝-红外测量法，通过标定试验确定试验系统的稳定性、响应速度，响应时间在200us以内，试验系统误差约为10%。对开断5-15kA短路电流时，膨胀室、喷口下游内的气体温度进行了测量。同时还对灭弧室内的膨胀室、压气缸、喷口上游、喉部和下游的压力进行了测量，与温度测量结果进行补充解释，探究了温度与压力之间的特性关系。最后开展了展SF6开断过程中气流场的仿真建模和计算分析的研究，对比了仿真与试验结果，并通过试验结果对仿真进行了优化，为进一步提高SF6断路器的开断性能在研究方法上奠定基础。