网络试验即是把被试断路器接到下列所需的电网上，人为造成电网短路来进行断路器开断能力的试验。网络试验不需要专门的电源，投资费用较低，试验条件符合断路器实际使用情况，等价性好。要克服这些缺点，应在固定的地点建立固定的网络试验站。由于受电力系统短路容量的限制，网络试验站只能试验开断容量较小的断路器。为了扩大网络试验站的试验容量，常常把网络试验站与合成回路实验室结合在一起，达到开断试验的目的。......
2023-07-02
数值分析高压大容量断路器开断过程
【摘要】：在很长一个时期，高压断路器的设计和研制只能靠定性分析、简单估算、经验和大量的试验研究进行，效率低、周期长、耗资大。要对断路器开断过程进行数值分析，进而建立CAD软件包，必须从研究电弧动态特性和电弧数学模型入手。下面介绍SF6断路器近区故障开断能力数值分析方法和过程。近十几年来，随着SF6断路器单断口电压等级的提高，SF6断路器单断口近区故障开断能力已成为断路器发展过程中最重要的问题之一。
在很长一个时期，高压断路器的设计和研制只能靠定性分析、简单估算、经验和大量的试验研究进行，效率低、周期长、耗资大。研究者们希望找到电弧的动态物理模型，以提高设计效率，节约资金并实现设计的优化。由于SF6气体的开断过程是一个非常复杂的过程，涉及物质的组成和物性变化、可压缩粘性流体的流动、电磁场分布、能量的输运等，因此对过程参数变化的把握是很困难的。数学模型的建立并能够较准确的求解需要依赖大量的、多方面的试验数据和先进的计算方法以及计算机技术等。
电弧模型的建立和求解经历了以下发展阶段：早在20世纪30年代，电弧模型的理论研究已经开始，由于计算技术的局限性，多进行定性研究。70年代时，由原来的简单试验发展到对电弧机理及动态特性的研究。80年代，随着计算机数值计算的快速发展和对电弧理论过程认识的深入，针对不同的断路器和开断条件建立了一系列的二维电弧模型，通过求解非定常或定常流体的二维欧拉方程组来判定断路器的开断极限，研究电流过零后弧隙介质恢复强度。90年代，在以往工作的基础上，对基于欧拉方程组的二维冷气流场和热气流场的介质特性进行分析计算，并对各种开断条件，如对端头故障、近区故障、容性电流、喷口堵塞效应等进行了研究，研究方法一般采用数值模拟和相应的试验研究相结合，解决断路器设计中的实际问题。
近年来各种物理场的数值计算商业软件包发展也很迅速。如用于流场计算的软件PHOENICS。该软件由于在功能与方法上不断进行改进，可以对各种流场进行计算。它具有能实时地以图形方式显示计算结果的特点，并且可以给用户提供实时干预计算过程的能力，另外还可以用适当的图形方式显示出流场中各物理量的分布。由于PHOENICS的这些优点及灭弧室气流场的特点，国外利用该软件进行灭弧室气流场计算的研究已经取得了一定进展，国内也开始了这方面的工作。
随着电压等级和开断容量的不断增大，高压开关产品不断发展，设计研究水平越来越高，国外已经应用CAD和先进的试验测试手段，设计出了一代又一代性能先进、结构小型合理、可靠性高的高压断路器，目前大容量断路器断口容量已经做到了550kV、63kA，自能式断路器断口容量已经做到了420kV、50kA。
实现设计现代化是高压开关发展的必经之路，其优点如下：①改变纯经验设计为实践经验与理论分析、CAD计算相结合的现代化设计，科学依据强，准确性高；②可以大大缩短设计周期；③减少试验费用，并可减少试验的盲目性。要对断路器开断过程进行数值分析，进而建立CAD软件包，必须从研究电弧动态特性和电弧数学模型入手。
我国西安交通大学王其平教授及其研究人员在大量研究的基础上，逐步建立和发展了550kV SF6开关灭弧室设计用CAD软件包，软件包包括以下软件：复杂场域通用剖分、二维气流场、三维电场、操作机构（液压和气动）、机构操动特性与灭弧室气动特性联合模拟计算、开断小电容电流后介质恢复强度的数值分析、端头短路故障开断能力数值分析、近区故障开断能力数值分析等。
下面介绍SF6断路器近区故障开断能力数值分析方法和过程。
对于线路断路器来说，当开断距断路器数千米的较短距离的线路中出现短路故障时，虽然较断路器出口短路（BTF）的开断电流小，但根据实际经验是属于开断困难的故障。
自1960年以来近区故障作为最苛刻的开断条件受到重视并进行着深入的研究。断路器开断近区故障的特性直接与恢复电压三角波的上升陡度有关，早期断路器单元断口电压等级较低，断路器的电压等级越高，则串联断口数就越多，这样使每个断口上所承受恢复电压随着断口数的增加而减小，因此近区故障开断并不是断路器较严重的开断情况。近十几年来，随着SF6断路器单断口电压等级的提高，SF6断路器单断口近区故障开断能力已成为断路器发展过程中最重要的问题之一。
对断路器近区故障开断特性的研究，国内外学者主要围绕着断路器所能承受的恢复电压上升率（RRRV）来进行。断路器对近区故障的开断能力主要体现在断路器的热恢复能力上，即在零后数个微秒内弧隙对RRRV的承受能力，其具体机理如下：在开断大电流时电弧电流过零后弧隙的温度仍很高，弧隙存在一定的电导。在恢复电压作用下，弧隙即有一小弧后电流流过，此时在弧隙中同时进行着两个过程：一方面弧后电流供给能量，弧隙温度有升高的趋势，弧隙电导有增大的趋势；另一方面由于吹弧气流的冷却作用，弧隙将能量传给周围介质，使弧隙温度有下降的趋势，弧隙电导有减小的趋势。如果输入的能量超出导出的能量，弧隙温度将不断上升，最后导致击穿，即所谓的热击穿；如果相反，则最后弧隙转变为不导电的介质，完成了热恢复，此后弧隙进入介质强度恢复阶段。
以下计算了一定条件下弧后电流与断口上承受的RRRV的关系。计算时给定不同的RRRV，计算了弧隙的电弧电流，如果弧后电流逐渐消失，弧隙电导逐渐消失，弧隙温度下降，则认为开断成功，否则认为开断失败。
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2023-06-15
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2023-07-02
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2023-07-02
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