断路器开断过程零区电弧微观行为的诊断分析与机理研究

During the interruption of circuit breaker, the arc behavior during the current zero (CZ) period is one of the crucial factors influencing the interruption performance. However, due to the difficulties in test method and numerical model, the mechanism of arc behavior during the CZ remains unclear. Based on this, from the perspectives of both diagnosis and mechanism investigation, the arc behaviors in various gas media during the CZ are to be studied fundamentally. First, a diagnosis method coupling the Thomson scattering and Shack-Hatmann wavefront sensor is to be established to obtain the microscopic particle behaviors during CZ entirely and accurately. Second, based on the experimental data, a new CZ arc model considering the microscopic transportation is to be established; then the microscopic behavior influenced by convection, diffusion and chemical reactions is to be investigated in detail; the interaction between the microscopic and macroscopic behaviors is to be further understood. Finally, by combing the diagnosis, simulation and dielectric test, the criterion for the dielectric recovery is to be established and the optimization for the interruption performance is to be proposed. This investigation can further develop the theory for the arc plasma during CZ, and provide the instruction for the development of circuit breaker with high interruption performance.

断路器开断过程中零区电弧行为是决定断路器开断成功与否的关键因素之一，但由于其实验测试与数值建模的双重困难，零区电弧行为的内在机理仍未明确。针对该问题，本项目拟从诊断分析和机理研究两个层面，从微观的、根本的角度研究多种介质零区电弧等离子体的行为。首先，提出并建立汤逊激光散射法与Shack-Hatmann波前法相结合的光学诊断分析方法，全面准确地获得零区电弧微观粒子时空演变规律的数据；其次，以测量数据为支撑，建立考虑微观粒子输运过程的新型零区电弧数值模型，重点剖析粒子的对流、扩散与化学反应三种因素对零区电弧微观行为的作用机理，并进一步掌握零区电弧微观行为与宏观表象之间的相互作用方式。在此基础上将诊断分析、理论建模与仿真、耐压测试实验相结合，构建断路器介质恢复特性的评价准则并提出提升开断能力的优化设计方法。研究可完善、丰富和发展零区电弧理论，并为高性能断路器研发提供科学的理论依据。

近年来，顺应电力系统的发展趋势，断路器不断向着环保化、智能化以及小型化方向发展，其应用场合也从交流系统向直流系统拓展。断路器开断过程中零区电弧行为是决定断路器开断成功与否的关键因素之一，但由于其实验测试与数值建模的双重困难，零区电弧行为的内在机理仍未明确，难以为断路器开断性能的优化设计提供有效指导。针对该问题，本项目针对诊断分析和机理研究两个层面，从微观角度研究了多种介质零区电弧等离子体的行为。.首先，针对零区电弧衰减迅速、光谱信号弱等特性，建立了相应的汤逊散射方法，获得了不同气体及流速情况下的电子衰减特性。几种常见开断介质的电子衰减速率排序为：SF6>>CO2>N2≈空气，该趋势与气体开断能力一致。此外，基于干涉法获得了零区电弧内部电子密度及中性粒子密度空间分布。上述数据能够为零区电弧的理论研究提供依据。.其次，提出了基于键能计算的反应路径识别方法和基于能级分析的粒子相互作用势模型，解决了零区电弧建模时内部粒子种类、反应率系数等基础数据匮乏的问题，实现了任意种类气体电弧的计算，相关论文连续两年获英国物理学会前1%高引论文奖，在公开网站累计下载达400余次。此外，提出了磁流体方程与粒子输运方程相结合的计算方法，将反应热和非平衡基础参数作为核心耦合变量进行自适应更新，解决了大时空梯度下粒子和能量非平衡输运的磁流体动力学计算难题，计算结果被电弧诊断测试结果验证，基于该模型开发的电弧仿真软件已推广至南方电网公司、常熟开关厂、华为集团、韩国LS产电集团等多个企业。.在诊断分析与数值建模的基础上，研究了不同情况下的电弧非平衡特性，发现了电弧内部的化学反应路径与化学反应进程是影响零区衰减过程中电弧行为的决定性因素，美国能源部Early Career Award获得者Trelles教授在论文中指出：“研究工作说明了化学非平衡在电弧衰减中的重要意义”。.项目执行期间共发表SCI论文11篇，其中第一作者论文6篇，通讯作者论文3篇，出版专著1部，申请发明专利1项。