计算弧后介质恢复特性方法优化

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：假设零后的介质恢复为自由恢复，不考虑电路参数的影响，令计算模型中的源项为零。最终得到如下结果：以上是SF6断路器灭弧室近区故障开断能力数值计算过程。这样，断路器端子短路故障开断能力可以用弧后介质恢复强度来表示。

电流过零前，气缸和动触头处于不断运动状态，动、静触头相互分离，电弧被逐渐拉长，计算场域和边界条件都要不断变化。在这一阶段，机构运动造成气缸的压力作用产生吹弧气流，同时电弧热效应造成的喷口阻塞和热气体回流又引起气缸压力上升，反作用于机构。因此机构操动特性和灭弧室气缸特性之间存在相互作用，计算需要考虑这种耦合过程进行联合模拟计算。

在电流零后介质恢复阶段，由于所考虑的弧后过程只有电流零后的几百微秒，因而可以认为在这段时间内触头位置不变，取电流过零时的场域为弧后计算场域，以电流过零时的灭弧室状态作为初始条件。假设零后的介质恢复为自由恢复，不考虑电路参数的影响，令计算模型中的源项为零。

按流注理论，整个弧隙的介质强度按介质最薄弱的一点（E/ρ最大的一点）计算，具体计算方法如下：

气体击穿判据为

（E/ρ）＞（E/ρ）^*

电场计算中，假定触头间电位差为100V，由于Laplace场是线性场，所以电场强度与假定电位成正比，这样假定当（E/ρ）＞（E/ρ）^*时的电位差为U_b（V），则有

式中 U_b——引起气体击穿的临界电压，亦即弧隙介质所能承受的极限电压。

单位体积的粒子个数N与气体密度有如下关系：

式中 R_SF6——SF₆的分子量，R_SF6=146.07；

R₀——阿佛伽得罗常数，R₀=6.02×10²³；

ρ——气体密度，单位是kg/m³。

最终得到如下结果：

以上是SF₆断路器灭弧室近区故障开断能力数值计算过程。高压断路器开断正如前面所述对其进行分析研究具有典型意义。另外，小容量电流开断和端子短路故障开断因其具有一定的难度，因而也受到了极大关注。

当断路器开断空载架空线或空载电缆时，断路器中流过的是数值不过数百安的小电流。在开断小电流时极易熄弧，当电弧熄灭时触头开距尚短，而此时恢复电压又极高，因此极易引起电弧重燃，就可能产生危险的过电压。小电容性电流开断已成为超高压断路器最苛刻的开断条件之一，受到人们高度重视。

高压SF₆断路器的额定开断电流一般为几十千安，数百安的电容性电流大约只有额定开断电流的百分之一，开断如此小的电流，灭弧室内气流状况受电弧影响较小。这样，小电容性电流开断过程就可以用无载开断过程来近似。

在无载开断过程中，随着触头的分离，触头间电场分布和气流流动状况都会发生变化，引起介质强度的变化。可以通过对触头分离过程中的电场和气流场的计算得到不同时刻灭弧室内电场分布和气体密度分布，然后用流柱理论预测触头间隙的介质恢复强度。

数值计算的过程与前面所述近区故障开断基本一样，但由于可以用无载开断过程来近似，那么就可以不用考虑电弧的作用。整个理论分析比前述要简单得多。

端子短路故障（Breaker Terminal Fault，BTF）指短路发生在断路器出线端的故障。这种故障的短路电流是各种故障条件下最大的，因而是断路器开断的最苛刻条件之一。然而，比起近区故障（SLF），它的恢复电压幅值虽高但初始上升率不高，因此开断失败主要是电击穿所致。电路开断成功与否取决于弧后介质恢复强度与瞬态恢复电压之间的竞争。这样，断路器端子短路故障开断能力可以用弧后介质恢复强度来表示。

电弧的弧后过程大体上分两个阶段，热恢复阶段和电恢复阶段（又称介质恢复阶段），电弧在经历了热恢复阶段以后，弧柱温度继续下降，弧柱电导也随之急剧下降，以至于接近绝缘状态，电路供给弧隙的能量小到可以忽略的程度，加在弧隙两端的恢复电压继续上升，这时决定电弧重燃与否的决定因素不再是能量平衡而是气体击穿。按照流柱理论，影响击穿的主要因素为灭弧室电场分布和气体密度分布。熄弧之后，灭弧室内残余热气体密度较低，使得气体击穿强度较冷气体低得多。另外，由于电极效应以及PTFE喷口的存在，灭弧室电场分布也不均匀，对弧隙介质强度也有影响。气体击穿可以采用流注理论提供的判据进行预测。

对端子故障过程进行理论分析与前述近区故障开断分析基本一样。

计算弧后介质恢复特性方法优化

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