面向超导电力设备的液氮开断电弧特性研究

Superconducting power technology is the frontier and hotspot of domestic and foreign research. It is the key direction of development of China's "Thirteenth Five-Year Plan" and the United States "Grid 2030". Superconducting power equipment is widely used. The superconducting power devices such as cables, current limiters and transformers have been put into operation. The high-temperature superconducting power equipment adopts liquid nitrogen (LN2) as the cooling and insulating medium. Applicant’s preliminary research results shows that the LN2 medium has a strong ability to break the arc. LN2 has excellent insulation characteristics. The future superconducting power equipment directly uses LN2 breaking current, which makes the equipment environment friendly, compact in structure, and low in on-state losses. LN2 switching is expected to become a promising switching technology. The objective of this project is to obtain the characteristics of LN2 switching arc for superconducting power equipment. Research contents include studying the generation, development, extinction process of LN2 arc; measuring parameters of current zero area of LN2 arc; analyzing the influence of contact materials, contact structures, contact gaps, magnetic fields, applied pressures and other factors on LN2 switching capacity; exploring the dielectric recovery characteristics of LN2 arcs; establishing an LN2 arc model to reveal the influence of key factors on the characteristics of LN2 switching arc. The results of the project are expected to provide basis for the establishment of LN2 arc theory, design of LN2 switches and promote the research and development of the superconducting power technology.

超导电力技术是国内外研究的前沿和热点，是我国“十三五”计划和美国“Grid 2030”计划的重点发展研究方向。超导电力设备应用广泛，电缆、限流器、变压器等超导电力设备已投入运行。高温超导电力设备采用液氮作为冷却、绝缘介质，申请人初步研究结果表明，液氮介质具有较强的开断电弧能力。未来的超导电力设备，直接采用具有优异绝缘特性的液氮开断电流，使设备具有环境友好、结构紧凑、通态损耗低等特点，有望成为一种有前景的开关技术。本项目旨在获得面向超导电力设备的液氮开断电弧特性，研究液氮电弧的产生、发展、熄灭过程及演变规律；测量液氮电弧零区参数；分析触头材料、触头结构、触头间隙、磁场、气压等因素对液氮开断能力的影响规律；探索液氮弧后介质恢复特性，建立液氮电弧模型，揭示关键因素对液氮开断电弧特性的影响规律。项目研究成果可为建立液氮电弧理论提供支撑，为液氮开关的设计提供理论依据，促进超导电力技术的发展。

多种高温超导电力设备已在电力系统中投入运行，并朝着集成化、紧凑型、多功能方向发展。液氮的绝缘能力优异，直接采用液氮开断电流，有望实现多类型超导电力设备紧凑、高效、低碳的系统化应用。本项目系统地研究了液氮中电弧燃烧演变规律及其开断机理。.搭建了液氮电弧电学、光学、流体压力等多维度测量平台，实验研究了液氮中等离子体、气体、液体三相共存状态下电弧燃烧的物理过程，明确了液氮相变和气团发展是电弧冷却的关键因素。分析了横向磁场与灭弧腔体对液氮电弧开断特性的影响，得到了使电弧扩散与气团运动方向一致的磁场方向为最优磁场方向，类似电弧“背后击穿”的现象是磁场中液氮开断电路失败的主要原因。灭弧腔体通过集束气团发展，减少了“背后击穿”现象的发生，设计开发的“磁吹-气吹”一体化液氮开关样机将液氮直流开断能力提升了17倍。.实验研究了液氮电弧弧后介质恢复特性，基于Rabus电路制作了20kV弧后介质恢复测试装置。研究发现存在三种弧后介质耐压分阶段恢复模式，即单阶段对数回归，两阶段对数回归和三阶段线性爬坡模式。通过分析明确了电弧注入能量和气液两相流传热特性是影响弧后介质恢复模式转变的关键因素，促进气液两相分布演化是提升弧后介质耐压恢复速度的可靠手段。.基于实验结果和多相流传热理论，建立了液氮中气液演化电弧模型，分析了电弧燃烧过程中气液两相分布演变过程，获得了气液两相环境对电弧冷却的作用机理，提出液氮相变与气团发展分别在燃弧初期和后期对电弧功率耗散占据主导，气团过度发展是燃弧特性和弧后介质恢复特性劣化为空气介质的主要原因。通过液氮内部压力测试和电弧模型仿真结果对比的方式，验证了所建模型的正确性。.在上述液氮电弧开断特性研究基础上，进一步实验研究了超导限流单元与液氮直流开关组合样机10kA快速限流、开断实验，验证了液氮直流开断技术与超导限流技术组合使用的优势，表明液氮直流开断在超导电力设备集成系统中具有很好的应用前景。.