液态金属中电弧行为特性和侵蚀机理及短路限流应用的研究

针对中低压直流配电系统短路限流所面临的困难，本项目拟围绕新型液态金属限流技术的关键核心问题，开展镓铟锡液态金属中电弧行为特性和侵蚀机理的研究。首先通过试验观察与理论分析，探讨不同条件下液态金属中电弧的演变发展规律及其影响因素，并定量描述不同因素与电弧电压等放电特性的关系；其次计算分析液态金属中电弧的输运特性和热参数，并基于磁流体动力学理论建立综合考虑液态金属热-流效应和电磁作用的三维电弧数学模型；通过仿真计算获得液态金属的流动参数和热传递过程，从宏观和微观两个角度研究电弧与液态金属、电极和绝缘材料相互作用的内在机理；同时，定量测试不同条件下电极与绝缘材料被侵蚀的程度，并通过弧根斑点运动的观察和热传递过程的理论分析，揭示影响电极和绝缘材料被侵蚀的主要因素；最后基于试验和仿真分析，归纳形成新型液态金属限流器优化设计的理论依据，并提出减少其电极和绝缘材料受侵蚀的具体策略。

当前国内外电网规模不断发展，日益提高的短路容量和短路电流对电网中各种电气设备提出了更为苛刻的要求，在某种程度上已成为制约电网发展的主要问题。为了保证电网安全经济的运行，快速限制短路电流已成为当前研究的热点问题之一。液态金属限流器作为一种自复型限流器，能够利用液态金属的自收缩效应引发的电弧实现快速限流，同时也可与开关电器配合使用以实现短路故障电流的限制和开断。这种限流器具有动作快速、结构简单、限流效率高和自感应自恢复等特点，因此对其研究具有良好的市场前景。. 液态金属中的电弧行为在整个限流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：对液态金属燃弧机理的实验和仿真研究、电弧对导电铜极侵蚀的仿真研究、不同因素对限流特性的影响研究和新型带U型抽板装置的实验研究。首先采用高速摄影仪对液态金属自收缩过程和燃弧过程进行拍摄，首次揭示了其起弧机理，并根据其电弧形态将燃弧过程分为三个阶段。并通过流体仿真软件Fluent对其起弧的内在原因进行了仿真和理论分析，与实验结果吻合良好。实验中发现电弧对导电铜极的侵蚀作用，即正对通流孔的铜极表面在多次实验后出现光滑的半球形凹陷。研究中采用二维稳态电弧模型，揭示了电弧侵蚀的主要原因：在通流孔中燃弧的过程中，高温电弧气流快速喷射至电极表面，使电极表面材料出现熔化和气化蒸发。针对电弧的侵蚀作用，对铜极结构进行了改进，在与电极相对的位置内嵌氮化硼高硬度陶瓷，多次实验后无明显侵蚀痕迹，极大地提高了电极的使用寿命。此外，采用实验方法研究了不同因素如电流上升率、通流孔径和孔长度对弧前时间和电弧电压的影响，获得了影响限流特性的一般规律。针对大预期电流下的限流失败现象，对实验装置进行改进，增加了一定的泄压空间，效果良好。最后，考虑到限流过程中装置内部产生的强大气压，提出和设计了一种带U型抽板的实验装置，通过实验对比，发现该方案能快速提高电弧电压的上升率和限流效率，是一种新型的液态金属限流器结构。. 本项目对液态金属限流过程中的电弧行为和限流特性进行了全面的理论和实验研究，为以后的样机设计和分析提供了充足的依据，并为液态金属限流提供了诸多新思路。