SF6斷路器滅弧室內(nèi)電弧特性參數(shù)間的相互關(guān)系研究

嚴(yán) 旭 姜 旭 朱 凱 路媛婧

（西安西電開關(guān)電氣有限公司，西安 710077）

0 引言

SF6具有優(yōu)良的絕緣特性和滅弧性能，在高壓斷路器中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，在110kV及以上電壓等級(jí)電力系統(tǒng)中，高壓SF6斷路器占絕對(duì)主導(dǎo)地位[1]。由于SF6斷路器滅弧室結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難直接觀測(cè)到產(chǎn)品級(jí)SF6斷路器的內(nèi)部物理場分布，因此，仿真成為解決這一問題相對(duì)可取且較優(yōu)的方法。

高壓SF6斷路器的開斷會(huì)產(chǎn)生電弧，電弧特性的分析能夠?yàn)檠芯繑嗦菲鞯拈_斷提供有效的參考和指導(dǎo)。國內(nèi)外研究者基于磁流體動(dòng)力學(xué)（magneto hydro dynamics, MHD）電弧模型開展了大量相關(guān)的研究工作，通過仿真電弧的電磁場、速度場、溫度場[2-3]分布及電弧和激波的相互作用[4-5]等來分析電弧的基本特性。法國圖盧茲第三大學(xué)Gleizes教授課題組長期致力于高壓氣體斷路器中的電弧物性參數(shù)基礎(chǔ)研究[6-9]。英國利物浦大學(xué)Fang教授課題組開創(chuàng)性地研究了SF6電弧磁流體動(dòng)力學(xué)建模方法[10-12]。我國西安交通大學(xué)的李興文教授、榮命哲教授，以及沈陽工業(yè)大學(xué)的林莘教授團(tuán)隊(duì)等也都建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，為研究SF6電弧特性等方面做了大量的研究工作[13-17]。

SF6斷路器滅弧室內(nèi)電弧特性參數(shù)較多，相互之間存在依賴和作用關(guān)系，如何更好地理解電弧的特性，研究電弧特性參數(shù)間的關(guān)系顯得尤為關(guān)鍵。為此，基于已有研究，本文通過建立252kV壓氣式SF6斷路器結(jié)構(gòu)模型，對(duì)斷路器開斷期間，滅弧室內(nèi)電弧溫度、氣壓、密度、電位等特性參數(shù)間的相互關(guān)系進(jìn)行研究，為更加直觀地理解滅弧室內(nèi)氣流場的分布、分析電弧特性參數(shù)間的作用規(guī)律提供參考。

1 仿真模型及邊界條件

SF6斷路器滅弧室通常呈軸對(duì)稱的特征，仿真過程中，通過建立二維軸對(duì)稱模型來對(duì)應(yīng)滅弧室的三維結(jié)構(gòu)。經(jīng)過簡化后建立的252kV壓氣式SF6斷路器滅弧室結(jié)構(gòu)如圖1所示，仿真的電弧模型參見文獻(xiàn)[18-19]。其中，在距離噴口區(qū)域較遠(yuǎn)的邊界處設(shè)置有兩個(gè)壓力出口，一方面用于模擬腔體的初始充氣壓力，另一方面防止壓力出口距電弧太近而對(duì)噴口區(qū)域氣流場的仿真結(jié)果造成影響。腔體初始充氣壓力為絕對(duì)壓力0.6MPa，初始溫度為300K。壓力出口和軸線外的邊界設(shè)置為固體壁面邊界。仿真中，在圖1中空心金屬觸頭內(nèi)部區(qū)域引入“透明觸頭”，設(shè)置該區(qū)域氣體的電導(dǎo)率與觸頭金屬的電導(dǎo)率相同，氣體的其他物性參數(shù)保持不變，這樣有利于二維軸對(duì)稱模型下電弧弧根的控制。在透明觸頭側(cè)設(shè)置電流通量邊界，其值由仿真短路電流、燃弧時(shí)間及觸頭側(cè)截面大小決定；在實(shí)心觸頭側(cè)設(shè)置為標(biāo)量電位邊界0。分析電弧特性參數(shù)間關(guān)系時(shí)，選取圖1中噴口區(qū)域?yàn)橹攸c(diǎn)觀察區(qū)，開斷短路電流取交流有效值31.5kA，燃弧時(shí)間取6.8ms，此刻斷路器動(dòng)觸頭剛脫離噴口喉部區(qū)域，氣流場狀態(tài)更復(fù)雜且更具代表性。

圖1 252kV壓氣式SF6斷路器滅弧室結(jié)構(gòu)

2 仿真結(jié)果及分析

2.1 氣體壓力分布

圖2所示為氣體壓力與溫度的等高線對(duì)比及沿軸線的變化對(duì)比曲線。由圖2（a）和圖2（b）可以看出，在電弧存在的區(qū)域，氣體的壓力較高，并且電弧的溫度越高，該區(qū)域氣體的壓力也越高。激波的存在使得該區(qū)域氣體的壓力下降，電弧的半徑增大，電弧的溫度降低。

圖2 氣體壓力與溫度的等高線及沿軸線的變化

2.2 氣體密度分布

圖3所示為氣體密度與溫度的等高線對(duì)比及沿軸線的變化對(duì)比曲線。對(duì)于SF6氣體，溫度超過5 000K時(shí)，氣體的密度隨氣壓呈正增長的趨勢(shì)變化，隨溫度呈負(fù)增長的趨勢(shì)變化。即：氣壓越高，氣體密度越大；溫度越高，氣體密度越小。由圖3（a）和圖3（b）可以看出，在電弧存在的區(qū)域，電弧的溫度達(dá)上萬開，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電弧區(qū)域以外的氣體溫度，因此在電弧區(qū)域內(nèi)，氣體的密度很低。由于電弧溫度沿著軸線的變化量較小，氣體的密度分布受到壓力的影響較大，因此，氣體沿軸線的密度分布與壓力分布的變化趨勢(shì)相近。

圖3 氣體密度與溫度的等高線及沿軸線的變化

2.3 氣體速度分布

圖4所示為氣體速度與溫度的等高線對(duì)比及沿軸線的變化對(duì)比曲線。由圖4（a）和圖4（b）可以看出，氣流場的速度分布與電弧的溫度分布相反。氣體的流動(dòng)一方面將冷氣體帶入電弧，另一方面將電弧的熱氣體帶走。兩者的最終效果都是達(dá)到冷卻電弧的目的，并且氣流的速度越高，其對(duì)電弧的冷卻作用越強(qiáng)，電弧的溫度也越低，反之電弧的溫度則越高。在激波存在的區(qū)域，氣體的流速非常快，達(dá)超音速，這也是造成該區(qū)域電弧溫度下降到很低的一個(gè)原因。

圖4 氣體速度與溫度的等高線及沿軸線的變化

2.4 電弧電位分布

圖5所示為電弧電位與溫度的等高線對(duì)比及沿軸線的變化對(duì)比曲線。由圖5（a）和圖5（b）可以看出，電位線在電弧弧柱區(qū)域內(nèi)近似呈平行分布，電位線分布密集的區(qū)域，電弧的溫度較高；相反，電位線分布稀疏的區(qū)域，電弧的溫度較低。通過電位沿軸線的分布不難發(fā)現(xiàn)，在電弧中心軸線上，電位近似成線性規(guī)律變化。當(dāng)電極間通過電弧導(dǎo)通電流時(shí)，電弧電壓與電流的乘積是電弧能量的根本來源；而在電弧能量的耗散過程中，氣體的流動(dòng)吹弧是電弧冷卻的一個(gè)重要原因，由此可見，如何協(xié)調(diào)好電弧能量的注入和能量的耗散是解決開斷問題的關(guān)鍵。

圖5 電弧電位與溫度的等高線及沿軸線的變化

3 結(jié)論

本文基于二維軸對(duì)稱電弧MHD仿真，通過建立252kV壓氣式SF6斷路器結(jié)構(gòu)模型，對(duì)斷路器開斷期間，滅弧室內(nèi)電弧溫度、氣壓、密度、電位等特性參數(shù)間的相互關(guān)系進(jìn)行了研究和分析，得到以下結(jié)論：

1）開斷過程中，電弧的存在會(huì)增加氣流場的復(fù)雜性，電弧特性參數(shù)間存在著相互依賴和相互作用的關(guān)系；氣體壓力、密度和溫度與電弧的狀態(tài)密切相關(guān)，電弧電位與氣體速度直接影響著電弧能量的注入和能量的耗散。

2）在電弧存在的區(qū)域，氣體的壓力較高，氣體的密度較小；電位線分布密集的區(qū)域，電弧的溫度較高；速度的分布與電弧的溫度分布相反。激波會(huì)引起氣體壓力下降，電弧半徑增大，電弧溫度降低；在激波存在的區(qū)域，氣體的流速可達(dá)超音速。

3）氣流場及電弧的仿真能夠直觀地反映出滅弧室內(nèi)物理量分布及電弧特性參數(shù)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，能夠?yàn)樯钊肜斫怆娀√匦浴⒏行У胤治鰷缁∈业拈_斷特性提供參考和方法。