中压直流开断中弧根转移和栅片切割电弧关键行为的研究

针对中压直流开断所面临的困难，本项目拟从直流开断过程电弧运动的基本特性出发，对决定开断性能的两个关键行为-弧根转移和金属栅片切割电弧进行研究。首先，通过实验观测和理论分析对不同条件下直流开断中弧根形成和转移的过程进行研究，获得弧根形成和转移的内在机理，明确影响弧根转移的关键因素及其影响规律，以解决中压直流开断中弧根快速转移的问题；其次，通过对中压直流开断中铁磁栅片切割直流电弧过程的实验观测，分析内在切割机理，建立栅片切割电弧的非线性数学模型，以解决制约空气电弧仿真技术发展的瓶颈问题，并为灭弧室栅片的设计提供理论依据和方法；最后基于上述两个关键问题的研究，针对典型的中压直流系统5kV,100kA开断，建立整个开断过程考虑多种因素影响的电弧动态模型，仿真分析开断过程电弧的运动特性，并通过参数的优化提出实现弧根快速转移的具体控制策略，以及实现电弧快速有效被栅片切割的具体栅片设计方案。

本项目采用仿真与实验相结合的方法，对影响直流断路器开断特性的两个关键问题开展研究工作。首先，建立了考虑栅片烧蚀金属蒸气的电弧运动及栅片切割数学模型，弥补了已有空气电弧模型的不足，解决了空气电弧分断仿真存在的瓶颈问题。通过对鞘层建模，引入金属蒸气浓度方程和建立金属表面能量平衡，提出了对栅片切割中弧根形成过程的计算方法；通过仿真与实验的对比，分析了栅片烧蚀金属蒸气在栅片切割电弧过程中的影响，表明金属蒸气在电弧切割过程中发挥了重要的作用，特别是影响栅片上弧根的形成过程，进而影响电弧的形态、运动过程和电弧电压等关键参数；进一步提出在中压直流空气断路器的电弧仿真分析中，应当充分考虑栅片烧蚀金属蒸气的影响。 然后，通过对电弧从触头到跑弧道转移过程的研究，分析了触头系统结构设计，触头周围空间设置、灭弧室入口大小、电流大小四种因素对转移过程影响的内在机理。在空气介质直流断路器中，提出了“回”字形气流通道的新型触头系统设计方案，通过分析发现该方案可以利用电弧自身能量形成高速冷气流气吹，加速电弧转移过程；触头系统的气体压力分布会对转移过程产生重要影响，压力过于集中会导致转移困难；在此基础上提出了适用于空气中压直流开断的新型电弧自能式气吹开断技术，并进行了实验验证。最后，通过对中压空气直流断路器灭弧室的建模仿真，结合实验手段，研究了灭弧室入口位置与大小，跑弧道材料以及不同栅片设计对开断特性的影响规律。结果表明，灭弧室入口位于灭弧室中部时，电弧扩展速度将远远高于其位于端部的情况；增大灭弧室入口和增加栅片腹部与平行跑弧道之间的距离，可以加速电弧在灭弧室内的扩展与切割过程。在此基础上，完成了灭弧室的设计方案，并通过实验观测获得了验证。. 项目最后研制了新型大容量空气介质直流断路器的样机，并在直流实验站通过了多次大容量开断试验。项目的研究成果可为中低压直流断路器的设计与研发提供重要的理论依据和方法。