Abstract ：

当真空开关开断较大电流时，强烈的电弧能量使得阳极喷溅出大量金属蒸气，并出现明显的烧蚀现象。剧烈的阳极活动可能降低电流过零时刻的极间介质恢复强度，出现电弧重燃。横向磁场触头通过驱动电弧运动使电弧能量较为均匀地分布在触头表面，避免过度烧蚀而导致开断失败。因此，阳极活动以及真空电弧的运动特性对电弧能否成功开断有重要影响。本文通过实验研究以及建模仿真方法，对横向磁场作用下真空电弧的运动特性以及阳极活动进行研究。 首先，开展了横磁触头间真空电弧运动特性的实验研究。提出将横磁触头间典型燃弧过程分为起始扩展阶段、电弧运动阶段、电弧停滞阶段、向扩散态转变阶段以及扩散态阶段。在此基础上，获得了实验电流对燃弧各阶段持续时间和电弧运动状态转变条件的影响规律以及燃弧期间电弧电压-电流曲线发展规律。对运动阶段的研究表明，电弧进入运动阶段的瞬时弧压和运动阶段前累计的电弧能量随电流增加有增大趋势，而运动所需的最小电流随电流增加呈现先增大后减小的规律。研究得到了电弧运动特性的变化规律，除横向磁场分量对电弧运动产生影响，纵向磁场分量会延缓电弧向运动阶段的转变，同时运动前的扩展区域及电弧形态也会影响运动阶段特性。此外，对触头烧蚀情况的影响因素进行实验研究，结合烧蚀后的触头表面微观形貌、燃弧期间的喷溅情况以及燃弧能量，总结了触头熔化烧蚀情况随触头材料以及触头直径的变化规律。 其次，对燃弧期间的电弧运动以及阳极热变化的数值计算方法进行研究，考虑了大电流集聚弧的特点以及横向磁场对电弧的作用，建立了瞬态电弧运动模型以及阳极传热过程模型。利用“焓-多孔性”方法计算电弧与阳极区域之间的传热过程，通过用户自定义函数建立程序与软件之间的动态链接，判断电弧的运动，并且实现阳极传热过程与电弧运动之间的交互。通过该模型探索了燃弧期间电弧运动的发展规律，得到了阳极区域温度以及熔化情况的时空分布，研究了熔池运动、金属蒸气以及触头材料对电弧运动速度以及阳极区域热变化情况的影响规律。结果表明过多的金属蒸气会对电弧的运动产生“阻碍”作用，而熔池的运动会加速电弧的运动同时降低阳极的熔化深度，并且阳极材料的改变对电弧的运动以及阳极的热变化有明显影响。 随后，开展了电弧运动过程中阳极自由表面形变的数值模拟，考虑质量守恒、能量守恒、动量守恒以及横向磁场作用下电弧运动的基础上，采用流体体积函数描述阳极表面形貌。模型中涉及到电弧与阳极的传热、熔池内熔体的运动、触头自由表面形变以及三者之间相互耦合的复杂物理过程，需要考虑气、液、固三相共存问题，对电弧运动及阳极动态行为进行分析。研究了不同热流密度条件下阳极表面形貌的变化规律，得到了追踪阳极形变后的电弧运动特性以及阳极区域温度和熔化情况的时空分布。为研究电弧与触头间的相互作用，尤其是电弧对阳极的熔化烧蚀提供了更完善的模型。 最后，从等离子体的角度对横向磁场作用下真空电弧的运动特性进行研究，建立了暂态磁流体动力学仿真模型，采用流体力学的方法描述大电流真空电弧的行为。模型中采用流体方程、麦克斯韦方程以及广义欧姆定律描述电弧等离子体的内能、速度、压强、电导率、密度以及温度等参数之间的函数关系。研究获得了等离子体参数，包括等离子体压强、等离子体温度、离子速度、电流密度、阳极压降以及传入阳极的热流密度等在横向磁场作用下随时间的变化规律，通过等离子体的形态变化分析了电弧的运动特性。 本文的模型计算结果与实验结果以及已有的研究对比分析后，结果较为一致，验证了仿真模型的合理性。本文的工作有助于深入了解横磁结构下真空电弧的运动特性以及电弧与阳极之间相互作用的物理过程，对于横磁触头间电弧理论的发展以及横磁触头的优化有重要意义。

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仿真 横向磁场 阳极活动 运动特性 真空电弧

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Abstract ：

随着微纳卫星技术的不断发展，其在引力波探测、军事侦察、商业通信等领域展现出巨大的应用价值。微型电推进系统具备高比冲、微元冲量或微推力输出的特点，能够满足微纳卫星组网、星座等任务对姿轨控精密调控的需求，将大大提高微纳卫星执行复杂空间任务的能力。毛细管型脉冲等离子体推力器能够在较低功率水平下实现较高的总体效率，是具有良好发展前景的微型电推进系统，在近年来受到广泛关注。然而目前研究工作多针对推力器的工程应用展开，缺乏推力器放电参数、结构参数及工质选取对输出特性参数的规律与机制探索，也欠缺对推力器工作过程和总体效率的系统分析。因此，本文立足于毛细管推力器工作过程，对不同参数下放电特性、烧蚀特性、推力特性及羽流特性展开研究，对推力器设计及参数优化方法具有重要意义。 本文设计了毛细管推力器原理样机，建立了真空实验平台模拟推力器运行环境。搭建电学参数诊断系统，获得推力器典型放电电压和放电电流波形，计算等效弧道阻抗和沉积能量。利用微量天平测量并计算了推力器平均单次烧蚀质量。搭建光学诊断系统，获得推力器等离子体羽流光辐射图像和羽流形貌时空演化规律；采集不同条件下推力器羽流发射光谱，估算等离子体羽流电子温度和密度。设计并搭建基于挠性枢轴的扭摆型微冲量测量台架对推力器输出元冲量进行测量，微冲量测量系统最小分辨力可达0.5μNs。研制基于印制电路板的静电梳标定系统，获得了平坦的静电力输出曲线，当梳齿插入深度在5mm至16mm范围内变化时，静电力变化不超过±5%，能够有效降低测量系统标定误差。标定系统可输出稳态静电力10μN至4mN，等效冲量1μNs至1.6mNs，可满足微冲量测量系统宽范围在线标定需求。 本文对推力器放电和烧蚀特性展开系统研究，实验研究放电回路参数（包括不同放电电压、主电容容值、相同能量下不同电容与电压配合）、毛细管腔体结构（包括腔体长度、内径）、不同工质材料（聚四氟乙烯、超聚乙烯、聚甲醛）对推力器放电波形、等离子体等效弧道阻抗、沉积能量、能量沉积效率、平均单次烧蚀质量的影响规律。实验结果表明，当减小主电容电压、增大主电容容值时，均可以提高等离子体弧道等效电阻，提高弧道沉积能量和能量沉积效率。增大毛细管内径或减小腔体长度均会使弧道等效阻抗不断减小，沉积能量效率降低，不利于推力器总体效率的提高。单次平均烧蚀质量与放电能量正相关，并随腔体内径的增大而显著下降。对于三种工质而言，其相变起始温度影响主要工作过程，聚甲醛工质相变起始温度最低，在较低电弧温度下即可产生烧蚀，但由于超聚乙烯平均分子质量较小，在相同放电能量下，采用超聚乙烯工质时，推力器单次平均烧蚀质量最小。建立动力学烧蚀模型，对典型壁面温度和等离子体参数条件下的烧蚀规律进行分析。 在此基础上，利用微冲量测量系统，测量不同条件下毛细管型推力器输出元冲量，并计算获得比冲和总体效率参数。结果表明，提高单次放电能量，可以显著增大毛细管推力器元冲量和烧蚀质量，比冲和效率参数呈现出先增大后饱和的趋势。推力器输出元冲量、比冲和效率参数均随毛细管腔体内径的增加而减小；增大腔体长度可以提高推力器平均单次烧蚀质量并提高元冲量，但效率和比冲参数难以持续提升。建立磁流体动力学仿真模型对推力器工作过程进行仿真。推力器放电过程中，腔体内部等离子体温度受焦耳热功率影响较大，腔体内等离子体压强变化明显滞后于放电电流波形。在毛细管腔体内，等离子体速度在靠近出口处迅速获得提升。推力器总体效率受能量转移效率和等离子体加速效率的共同制约。增大毛细管腔体内径，长度以及放电能量可以改善放电腔体内等离子体的加速效率。 最后，研究毛细管型推力器等离子体羽流特性，获得不同条件对推力器羽流宏观图像羽流发散角的影响规律及推力器羽流动态演变特性，获得等离子体羽流参数的演变规律。提出基于光电二极管阵列与带通滤光片的飞行时间法对等离子体羽流宏观速度进行测量。在等离子体羽流起始阶段，端部呈现湍流特征，随着放电能量的沉积，等离子体羽流逐渐向层流过渡。获得推力器羽流发射光谱，发现在羽流喷射前期主要为一价电离的粒子对应谱线，后期为中性原子对应谱线。实验结果表明，随着放电能量的增加，推力器羽流等离子体温度和密度不断增加，第一等离子体团速度先增加后减小，第二等离子体团速度趋于平稳。腔体内径增大，减弱了等离子体热膨胀加速效果，使得羽流起始时刻滞后时间增长。毛细管内径1mm时，等离子体密度显著大于其它内径尺寸。随着毛细管腔体长度增大，推力器等离子体密度变化趋缓，但等离子体等效速度不断下降。

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等离子体推力器 等离子体羽流 放电特性 毛细管放电 推力特性

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Abstract ：

随着真空断路器向高电压等级发展，开断能力成为制约真空断路器应用的关键因素。在大电流真空电弧燃弧过程中，阳极表面能量输运与熔坑形成过程及弧后金属蒸气耐压特性对真空断路器的开断能力起着决定性的作用。针对大电流真空电弧阳极熔蚀过程与弧后耐压特性，现有的研究主要是基于电弧等离子体理论模型计算电弧对阳极的传热过程，而对阳极表面能量输运与熔坑形成过程及其对弧后耐压特性的影响研究还比较欠缺。本文的研究目标是采用理论与实验方法研究大电流真空电弧阳极熔蚀过程与弧后耐压特性，为真空断路器开断能力的提升提供理论依据与技术支撑。 针对真空电弧对阳极表面的能量、动量输运过程，考虑了阴极表面的电流密度不均匀分布，建立了真空电弧弧柱区的磁流体动力学仿真模型和阳极鞘层区的Particle-in-cell（PIC）粒子仿真模型，并基于此模型仿真分析了不同燃弧条件下的等离子体输运过程。研究结果表明，在大电流燃弧过程中，是否考虑阴极表面电流密度的不均匀分布会对仿真结果造成较大的影响。此外，根据阳极鞘层的仿真结果，在大电流情况下，阳极鞘层对粒子的加速作用非常显著，造成阳极表面处的离子平均速度比弧柱区高40%左右。这种离子速度的升高会显著地提高注入阳极表面的热流并加剧电弧对阳极表面的冲击作用，进而影响阳极的传热与流动过程。阳极表面能量、动量输运过程的相关研究结果为后续阳极传热与熔坑形成过程研究提供了边界条件。 在阳极表面输运过程仿真结果的基础上，建立了阳极传热与熔坑形成过程仿真模型。模型中不仅考虑了电弧等离子体对阳极表面的传热过程及阳极金属材料的相变过程，还采用Level-set方法考虑了电弧等离子体与阳极界面处的液态金属自由表面流动，解决了以往模型仅能针对固定阳极区域进行仿真的问题。研究中仿真分析了燃弧过程中阳极区域演化过程，提出了电弧热流与压力作用下的阳极熔坑形成机理，并分析了阳极熔坑过程对弧后过程的影响。在大电流燃弧过程中，阳极表面会发生熔化，同时液态金属在电弧压力作用下会沿阳极径向流动并导致阳极熔坑的形成。此外，阳极表面灼热的液态金属流动会将热量带到阳极外侧区域，并导致阳极表面的最高温度不出现在阳极中心处。根据弧后阳极液态金属凝固过程的仿真结果，燃弧过程结束后，阳极表面的凝固时间可达2.5~4ms。这说明，弧后较长时间内，阳极表面局部仍处在熔化状态，因此，液态金属可能在弧后强电场的作用下形成凸起并造成局部电场的集中。 基于阳极传热与熔坑形成过程仿真结果，考虑了电子碰撞电离、激发及离子轰击壁面产生二次电子等物理过程，采用粒子模拟与蒙特卡罗方法（Particle in Cell-Monte Carlo Collision，PIC-MCC）建立了弧后金属蒸气耐压特性的仿真模型。研究结果首先给出了一次击穿过程中的粒子演化过程，并得到击穿发生所需时间一般为微秒量级。此外，根据不同条件下的仿真结果，给出了不同铜金属蒸气密度下耐压强度的最小值，及对应的电极表面温度约2000K。对于铜基触头材料，为了确保成功开断，电流过零时刻的阳极表面温度不应高于2000K，对应的临界阳极峰值热流密度约为8×108W/m2。此外，本文还将仿真结果和Burm公式进行了对比，验证了计算模型的正确性。同时，仿真模型补充了现有金属蒸气击穿理论未考虑激发、弹性碰撞及二次电子发射系数随入射离子能量变化导致的不足。采用仿真模型可以预测弧后耐压强度，并为预测真空断路器的开断能力打下基础。 为了进一步认识真空电弧阳极过程并验证仿真结果，采用高速摄影和光谱分析对真空电弧燃弧过程中的电弧形态、阳极形貌、液态金属流动过程及等离子体发射光谱谱线强度分布等进行了实验观测，并对燃弧后的触头进行了形貌与金相分析。实验结果不仅验证了仿真模型的正确性，还通过阴极、阳极采用不同材料时的电弧发射光谱谱线强度分布给出了阳极状况对电弧特性的影响情况，解决了之前实验中无法区分阴极、阳极材料谱线的问题。研究结果表明，当电弧处于扩散态时，电极附近处的相对谱线强度明显高于弧柱区。而随着电流的升高，当电弧进入集聚态时，电极附近与弧柱中的谱线强度差异明显变小。这种相对谱线强度的变化对应着离子、蒸气密度的变化。此外，随着电流的增大和电弧的收缩，弧柱区等离子体的电离度也随之升高。对于铜及铜铬阳极触头，当电弧进入集聚态时，由于阳极表面发生了熔化、蒸发并产生了阳极射流，因此可以观测到阳极材料的谱线。同时，阳极熔化与蒸发对电弧特性有显著的影响，会改变粒子密度分布、电离度等电弧特性。根据金相与能谱分析的结果，燃弧后阳极中心处的铜元素占比小于距阳极边缘1/3处，这说明阳极表面的液态金属流动改变了合金组分的分布。实验中得到的熔坑尺寸、熔化层金属组分及金相结构等结果很好地验证了本文建立的仿真模型。

Keyword ：

发射光谱 耐压特性 阳极传热 阳极熔蚀 真空电弧

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Abstract ：

以CO2及其混合气体作为绝缘和灭弧介质的高压断路器已开始试运行，但实现设备小型化与大容量开断、使其可应用于更高的电压等级仍然是亟待解决的问题。系统完整地掌握CO2及其与C5-PFK等混合气体的物性参数，弧后击穿特性等重要的基础数据，并以此为基础建立混合气体电弧的磁流体动力学(Magnetohydrodynamics，MHD)仿真模型有助于加深对其电弧物理的认识，以及对电弧特性的有效控制，从而为CO2和C5-PFK混合气体断路器的产品研发提供重要理论基础和技术指导。 基于此，本文首先建立了纯CO2的局部热力学平衡态(LTE)物性参数模型，计算得到了压力范围0.1-0.8MPa、温度范围300-30000K的纯CO2的等离子体组分、热力学性质和输运系数，明确了物性参数随气体压力的变化规律，分析了德拜长度中离子项对物性参数的影响，加深了对CO2电弧等离子体内部的微观变化的认识，为CO2电弧仿真提供了有力的数据支持。 其次，对高绝缘性物质的C5-PFK和电负性气体O2对CO2物性参数的影响开展了研究，分析了不同CO2混合气体物性参数与等离子体温度、混合比例和气体压力的定量关系。重点比较了C5-PFK与CO2的混合气体与SF6的各物性参数的异同，从微观层面上分析新型环保气体作为灭弧介质的可能性。此外，还考虑了触头烧蚀等产生的金属铜蒸汽对CO2-O2混合气体各物性参数的影响规律。 随后，建立了热态CO2-C5-PFK等混合气体弧后电击穿模型，通过求解二阶近似玻尔兹曼方程，得到混合等离子体体系的电子能量分布函数，进而计算出折合电离和吸附反应系数，探索了热态混合气体的弧后电击穿特性，获得了弧后电击穿特性与温度、压力和混合比例之间的定量关系。结果表明，铜蒸汽的加入显著降低了1500 K以上温度范围内CO2的临界击穿场强，且加入O2和C5-PFK可有效提高热态CO2混合气体的电击穿强度。而低比例的C5-PFK可在1500 K以下增强CO2的绝缘强度，为评估和预测高压开关设备中弧后气体电击穿特性提供完备的数据基础。 最后，在实验研究和磁流体动力学仿真方面，本文首先搭建了实验平台，测量了纯CO2和CO2-C5-PFK混合气体自由燃弧状态的电弧电压以及电弧图像。为验证本文计算的物性参数的有效性，将结算结果作为输入参数建立了不同气体自由燃弧的磁流体动力学仿真模型，其结果与实验结果比照，获得了较好的一致性。然后基于126 kV压气式断路器模型，建立小电流衰减过程仿真模型。探索分析电流从1 kA衰减到零的过程中，灭弧室内电弧的演变过程，用以仿真断路器中电流过零前的电弧行为。结果表明，在CO2中加入C5-PFK等气体，可以降低其电流过零前的电弧温度，减小电弧半径，在一定程度上，有利于提高CO2的灭弧特性。 本文获取的CO2和C5-PFK混合气体物性参数和建立的电弧MHD模型丰富和发展了高压气体开断电弧理论，并为新一代环境友好高压气体断路器的工程研制和优化提供了重要基础。

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C5-PFK CO2 SF6 替代气体 电弧特性 临界击穿场强 物性参数

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Abstract ：

随着直流配电系统的发展,低压直流空气电弧开断和故障电弧检测成为低压电器领域的研究热点之一.综述了国内外近期在直流电弧磁流体动力学仿真、直流电弧对电极的烧蚀作用、直流故障电弧检测、基于栅片电压测量的电弧开断特性试验等方面的研究进展,为相关产品的研发提供一定的参考.

Keyword ：

磁流体动力学仿真 低压电器 直流电弧开断 直流故障电弧检测 直流配电

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Abstract ：

作为电力系统的控制与保护设备，高压SF6断路器的一个主要功能是开断短路电流，开断过程中弧触头间会产生电弧，短路电流能否成功被开断与SF6电弧的特性紧密相关。由于电弧热量极高，其运动过程中不可避免地要对弧触头造成烧蚀。烧蚀产生的铜蒸气与SF6混合后形成SF6-Cu电弧，其特性与纯SF6电弧相比有明显差异。然而，目前SF6-Cu电弧的研究存在基础数据不全、相关机理尤其是粒子输运机理的研究尚不透彻等问题，难以准确预测触头烧蚀对高压断路器开断性能的影响。为了完善SF6-Cu电弧的基础数据库，进一步揭示粒子输运过程的微观机理，本文围绕SF6-Cu电弧粒子输运特性与磁流体行为开展研究。首先建立了粒子组分、统计热力学性质、动力学输运系数、辐射输运系数、绝缘击穿特性等微观参数计算模型，同时与文献中的理论估算和实验测量值对比，验证模型的有效性，最后以物性参数为输入数据进行SF6-Cu电弧磁流体动力学仿真研究，并将仿真获得的电弧特性与实验诊断的结果进行对比。 粒子组分描述电弧等离子体的化学组成及其含量，是研究电弧微观特性的基础。在局域热力学平衡的假设下，本文基于Gibbs自由能最小化原理建立了考虑非气态成分的SF6-Cu电弧粒子组分计算模型，并在Debye-Hückel修正的基础上，根据标准热力学函数的定义计算了SF6-Cu电弧的质量密度、比焓、定压比热等统计热力学参数。研究发现：铜在低温区间主要以固体或液态CuF2的形式存在，其相变时会造成比焓和比热的突变；电子数密度随铜浓度增加而增大；Debye-Hückel效应随压力的增大而增强，并使得电弧密度降低、比焓升高，而对比热的影响则随温度的变化而变化，从而使得电弧等离子体传导和耗散热量的能力受压力和温度影响。 在Chapman-Enskog理论的指导下，本文使用类Lennard-Jones唯象势、极化势、库伦势等作用势描述中性粒子之间、带电粒子之间、中性粒子与离子、电子与中性粒子之间的4种相互碰撞作用并获得碰撞积分，以此为基础分别计算了SF6-Cu电弧的电导率、粘性系数、热导率以及由浓度梯度、温度梯度、压力梯度和电场驱动导致的4种混合扩散系数。研究表明：SF6-Cu电弧等离子体的电导率在5000–16000 K温度段随铜含量的增加而增大，但在16000–30000 K温度段则随铜浓度的增加而减小；粘性系数的峰值随铜浓度的增加而出现明显降低。 辐射是光量子的集合，描述辐射过程的光子输运方程也是粒子输运方程的一种形式。本文以SF6-Cu电弧为对象建立了两种辐射输运模型：净辐射模型和P-1辐射模型，并在原子和分子光谱辐射研究的基础上，分别计算了这两种模型的关键参数：净辐射系数和平均吸收系数。研究发现：低温时，共振谱线是净辐射系数的主要成分，而高温时则由非共振谱线占据主导；净辐射系数的大小随电弧半径的增大而下降，随铜含量的增加而上升，并随压力的增大而向低温方向移动；铜含量对波段4（149.9–299.8 nm）和波段5（299.8–3000 nm）的Planck平均吸收系数的影响较为明显。 为了更好地理解铜蒸气对SF6电弧绝缘击穿特性的影响，本文从描述电子输运过程的Boltzmann方程出发，通过对方程的二阶近似求解，依次获得了不同条件下SF6-Cu电弧的电子能量分布函数、约化电离系数、约化电子吸附系数以及约化临界击穿场强。研究表明：非气态粒子的相变会造成电子能量分布函数阶跃式的变化，从而使得临界击穿场强出现断崖式下降；铜显著增强了SF6电弧弧后过程的电离能力，但对电子吸附过程的影响很弱；当温度低于2800 K时，有效电离系数随铜浓度的增加而增大，因此临界击穿场强相应减小，但当温度高于2800 K时，临界击穿场强的值出现了上升。 最后，本文利用前面获得的微观物性参数，通过Navier-Stokes流体方程组、Maxwell电磁场方程组和铜蒸气守恒方程的耦合求解，建立了考虑弧触头烧蚀的SF6-Cu电弧磁流体动力学模型，模拟了断路器开断短路电流过程中电弧等离子体的瞬态过程，获得了灭弧室内的温度、铜蒸气浓度等场变量的分布情况，分析了弧触头烧蚀对电弧温度的影响，并与实验诊断获得的灭弧室内的压力、温度、电弧电压、铜浓度定性分布等进行了对比研究。研究显示，SF6-Cu电弧与纯SF6电弧相比，弧柱中心靠近实心触头表面的温度更低，且弧柱半径更小。这主要是因为铜比氟和硫这样的非金属元素的谱线辐射强度更高、辐射系数更大，因而对电弧的冷却作用也更加明显。

Keyword ：

SF6-Cu电弧 磁流体动力学 动力学输运 辐射输运 绝缘击穿

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Abstract ：

SF6气体以其优异的绝缘和灭弧性能在高压断路器内得到了广泛使用。但是，SF6气体具有很强的温室效应，寻找温室效应小并且在绝缘和灭弧能力方面能够全部或者部分替代SF6的气体介质刻不容缓。综合考虑电气性能、环保要求以及经济因素，应用CO2作为SF6的替代气体已经成为了一个重要的研究方向。 为了对CO2替代SF6作为高压断路器的绝缘与灭弧介质进行理论研究，本文对40.5kV自能膨胀式CO2断路器的空载开断特性进行了仿真计算，建立了CO2电弧磁流体动力学仿真模型，并且通过对一个可拆卸灭弧室进行了CO2自由燃烧电弧仿真验证了电弧模型的正确性。 以LW35 40.5(G)/T2500(3150) 31.5型40.5kV自能膨胀式断路器为研究对象，建立了断路器的空载气流场仿真模型，利用商业流体力学软件Ansys Fluent对断路器的空载气流场进行了仿真研究。分析了不同开距下灭弧室内CO2气体的速度场、压力场和密度场分布，讨论了灭弧室内CO2气体的吹弧作用。 利用商业有限元软件Ansoft Maxwell建立了CO2断路器的电场仿真模型，对不同开距下灭弧室内的电场进行仿真，分析了不同开距下灭弧室内的电位线与电场强度分布。之后，根据空载气流场与电场仿真结果，利用流注理论计算得到了CO2断路器的空载介质恢复强度，并对其变化规律进行了分析。计算结果表明，100%开距下的CO2断路器的空载介质恢复强度为119.2kV。 综合考虑CO2电弧等离子体中的气流场、热场和电磁场的复杂的耦合关系，同时根据灭弧室的结构特点，建立了CO2电弧的二维轴对称磁流体动力学模型。电弧模型中能量方程的辐射项应用净辐射系数法对进行计算，CO2电弧的湍流利用标准二阶 湍流模型进行计算。电弧模型的求解利用Ansys Fluent作为计算平台，并对其进行二次开发，以满足电弧求解的需要。 根据建立的CO2电弧模型对一可拆卸灭弧室内的CO2自由燃烧电弧进行了仿真。仿真结果表明，CO2气体压力一定时，随着电流的增大，电弧的温度增加、电弧半径增大、电弧电压增大；电流大小一定时，随着CO2气体压力的增大，电弧的半径增大、电弧电压增大、电弧的温度降低。与文献中的仿真与实验结果进行对比验证了本文建立的CO2电弧模型的正确性，可以用于断路器有载开断过程的仿真。

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CO2 磁流体动力学 电弧 高压断路器 介质恢复特性

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Abstract ：

近年来，大容量中压直流供电系统在我国民用和国防领域得到了越来越广泛的应用，由此产生了对大容量中压直流开断产品的巨大需求。特别是空气介质直流断路器，因为其原理相对简单，可靠性高，是目前中压直流供电系统中广泛采用的关键设备。但是，我国关于空气中压直流开断技术的研究还处于起步阶段，相关的产品目前主要依赖进口，严重制约了我国工业和国防领域某些重大装备及关键设施的发展。本文通过理论和实验研究相结合的手段对大容量空气直流开断的关键技术展开研究，为研制具有成本低、短时耐受能力高、分断能力强、可靠性高等特点的新型大容量直流断路器提供核心理论支撑。 本文首先提出了一种可变转轴的、具有电动力补偿的新型触头系统，有效提高了直流断路器的短时耐受能力。利用三维有限元方法针对该触头系统的电动力和稳态温升进行了数值计算，获得了关键参数对电动力和稳态温升的影响规律。结果表明，电流大小、合闸推杆作用点位置是影响电动力的主要因素，通过增加散热片、改进导电回路结构，增大触头预压力等减小热源和增加散热的方法可以有效改善触头系统的稳态温升。同时，利用多体动力学软件模拟了触头系统的机械运动过程，获得了触头系统的分合闸特性参数。 本文建立了考虑湍流效应的空气电弧磁流体动力学仿真模型，提高了大容量空气电弧仿真的精度。通过对简化灭弧室内电弧运动特性的研究，阐明了湍流效应对电弧能量的输运作用：湍流效应下，电弧高温区域分布范围更广，但弧柱中心温度更低；湍流引起的涡粘滞效应降低了弧柱中心的流场速度，使灭弧室内气流场的分布更加均匀。与层流电弧模型下的结果相比，考虑湍流效应计算得到电弧形态、电弧运动过程和电弧电压特性均与实验结果更为接近。将考虑湍流的电弧模型应用在直流断路器中电弧的仿真中时，也获得了相比层流电弧模型与实验更为吻合的结果。 电弧在灭弧系统中的运动规律对直流断路器的开断性能起到重要作用，本文采用考虑湍流的空气电弧模型，结合直流断路器灭弧系统的设计要求，研究了跑弧道在灭弧室入口处的拐角大小、跑弧区域宽度和进气口设计对电弧运动特性的影响规律。并从气流场分布和压力波传播的角度对获得的结果进行了解释，为空气中压直流断路器灭弧系统的设计提供了理论支撑。结果表明：选取合适的跑弧道拐角曲率半径，可以减小压力波的反射，形成有利于电弧运动的气流场，从而减小电弧在灭弧室入口的停滞现象；跑弧区域宽度对电弧运动特性的影响具有两面性，较宽的跑弧区域使电弧在初始阶段的运动速度较慢，但能减小灭弧室入口处的压力差，加速电弧在灭弧室内的扩展和运动。封闭的进气口可以加快电弧的初始运动速度，但会在弧柱背后形成低压区域，阻碍电弧在灭弧室内的运动。 本文研制了大容量中压直流断路器的原理样机，通过实验研究的手段获得了灭弧室结构、关键尺寸参数和电流大小对断路器开断特性的影响规律，可以为优化断路器的开断性能提供指导。通过对比研究矩形灭弧室和V形灭弧室的开断性能，发现V形灭弧室内更容易发生背后转移，降低了电弧开断的可靠性，矩形灭弧室为优选方案。通过研究跑弧区域宽度、灭弧室宽度对电弧转移和运动过程的影响发现，增大跑弧区域宽度有利于缩短电弧的转移时间，提高分断速度；而在电弧能量一定的前提下，减小灭弧室宽度能够降低发生背后转移的可能性，有利于电弧电压的快速建立，从而提高断路器的开断性能。研究了电流大小对直流断路器开断性能的影响，指出了直流断路器中存在的小电流开断难题，并设计了简单易用的小电流磁吹灭弧系统，获得了小电流开断条件下开断时间与电流大小的关系，为解决直流断路器小电流开断难题提供了一种可行方案。 最后，根据本文的研究成果，对设计的大容量直流断路器原理样机进行改进和优化，并在德国权威检测机构柏林IPH实验室顺利通过了4kV/70kA容量等级的开断试验，验证了本文所研究的大容量直流开断技术的有效性。

Keyword ：

直流开断电动力补偿空气电弧仿真电弧运动特性小电流开断

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Abstract ：

随着电力工业的发展和系统容量的增加，对系统中起到控制和保护作用的高压断路器产品提出了更高的需求。仿真与实验手段的运用，在高压断路器的设计和发展中起到了重要作用，然而在物性参数运用、湍流模型改进、电击穿特性评估、阀运动分析和仿真结果验证等方面尚且不够完善，同时，重要实验参数的测量也是目前研究的难点之一。本文基于此，对高压SF6断路器两种典型灭弧室结构下，冷、热态气流场特性进行了深入的研究。 物性参数是仿真计算的数据基础，受到计算机技术及参数计算的限制，已有的仿真多采用理想气体属性或改进的理想气体属性模型进行计算，计算结果往往存在一定的偏差。为此，本文建立了真实气体模型，通过对软件进行二次开发，将SF6气体实际属性导入到了控制方程组中，对简单喷口及压气式断路器结构下的冷态气流场特性进行了仿真研究，说明了真实气体模型的实用性。触头及活塞的运动采用了滑移动网格技术，在实现网格滑移、更新的同时，解决了交错网格间物理量的耦合及对应关系，为热态气流场的计算提供了参考。 高压SF6断路器短路开断过程中，有关燃弧特性的研究较多，而电流零区湍流强度的影响，以及弧后恢复电压作用下电击穿特性的分析却相对较少。本文运用真实气体模型首先对压气式结构下的燃弧过程进行了研究，为零区及弧后的分析提供了前提；随后通过改变标准K-epsilon湍流模型中的模型参数C1e，对比了湍流强弱对零区气流场的影响；最后耦合弧后气流场分布及临界击穿场强计算数据，利用电场强度Ea与临界击穿场强Ecr的比值，预测了弧后电击穿的发生情况及电击穿发生时的击穿区域。通过燃弧、零区及弧后特性的研究和分析，为系统地研究高压SF6断路器的开断特性提供了方法。 严重的喷口烧蚀作用和复杂的阀运动是高压断路器自能式结构区别于压气式结构仿真计算的两个重要特性。针对气流场作用下，关键阀无法连续运动的问题，本文建立了阀的连续运动模型，并提出了阀的运动判据，通过结合真实气体模型及喷口烧蚀模型，仿真研究了高压SF6断路器自能式结构下，热态气流场的特性规律。对比分析了预期短路电流与喷口烧蚀作用对阀的运动及动作时刻的影响，为进一步的优化阀结构提供了基础。研究表明，在本文的燃弧情况下，考虑喷口烧蚀或增大预期短路电流，单向阀与回气阀的动作时刻会提前。 重要实验参数的获取有利于准确地分析断路器开断过程中的物理过程，同时实验数据是仿真结果的有力支撑。本文通过样机实验，在测量电弧电压、电弧电流、电弧图像等参数的同时，重点测得了弧后电流及运动喷口监测点处气体压力、电弧光谱这三个参数，并分析了各实验参数与充气压力、预期短路电流间的变化关系。通过实验与相同结构、条件下仿真结果的对比和分析，一定程度上验证了磁流体动力学仿真模型的合理性。 本文的研究工作对于进一步掌握高压SF6断路器开断过程中的气流场特性，以及研究相关产品的优化设计就有一定的理论意义和应用价值。

Keyword ：

高压SF6断路器气流场特性真实气体模型阀运动仿真实验

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Abstract ：

低压限流断路器在配电系统中发挥着不可替代的控制和保护功能，选择性保护配合性能正逐渐成为产品竞争的重要指标。本文面向选择性保护的新要求，开展了低压限流断路器优化设计的相关研究。断路器的开断能力和限流性能对配电系统的选择性保护水平有重要影响。本文结合电弧特性的磁流体动力学仿真和实验，研究了出气口结构、金属蒸汽、引弧板结构等因素对限流性能的影响。结果表明：中间前出气口和全部封闭后出气口结构下，电弧运动速度最高，但与两边前出气口结构相比会增加电弧背后击穿的概率；金属蒸汽的存在可显著降低电弧中心温度，减小电弧运动速度，其中Fe蒸汽的影响最大，Cu蒸汽的影响最小；引弧板上的U型槽位置和尺寸对低压限流断路器的性能有显著影响。具有选择性保护功能的塑壳断路器用拍合式磁脱扣器弹簧参数设计是新一代产品研发中的一个重要问题。本文结合电磁系统特性的三维有限元分析和机械系统运动特性的多体动力学仿真，提出了一种优化设计方法，不仅满足了通过旋钮来改变弹簧的初始长度从而实现选择性保护的磁脱扣器弹簧参数设计的要求，而且也应用于同一壳架、不同额定电流的系列化塑壳断路器用脱扣器研发。缩短脱扣器动作时间可有效提高低压断路器限流性能。本文阐明了新型带永久磁铁的螺管式磁脱扣器产生电流极性影响的主要来源，提出采用具有凸台结构的动铁芯来抑制电流极性影响的方法，实现了“磁路隔离”；并提出了增大吸合保持力的磁脱扣器优化设计方案，相关实验结果也验证了仿真计算结果的正确性和提出方法的有效性。在带永久磁铁的螺管式磁脱扣器、并联限流电阻型的选择性保护微型断路器开断特性研究方面，建立了SMCB开断过程的数学模型和求解方法，仿真分析了短路电流、合闸相角、限流电阻等不同因素对开断过程的影响，给出了SMCB两端电压、流过主回路和辅助回路的电流、回路总电流、气隙和作用在磁脱扣器动铁芯上的电磁力随时间变化的计算结果，仿真方法和计算结果也得到了相关实验结果的验证。本文的研究工作进一步丰富了低压电器理论，并为新型、高性能低压限流断路器的研发提供了相关的优化设计方法和技术借鉴。

Keyword ：

限流断路器电弧脱扣器选择性保护

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