SF6高压断路器弧后介质绝缘强度恢复机理及控制方法研究

A focus of attention has been taken which different from the idea that only considering on the arc extinguish process in the research of circuit breaker interruption. The successful breaking process of circuit breaker will be extended to the back-arc until the insulating medium fully recovered. Study on the micro particle movement and the heat transfer mechanism of dielectric recovery process, the interaction of flow parameters and medium density recovery, and the dielectric recovery characteristics of SF6 under different interrupter structure and voltage polarity, then the key physical parameters which affect the dielectric recovery speed can be obtained. The controlling relationship that the contact movement, the arc time and some other macro parameters to the microscopic parameters of SF6 gas medium recovery process will be got. The best solution between the structure designs of arc extinguish chamber and the mechanical properties of operating mechanism will be put forward. The permanent magnet motor operating mechanism and the control system will be researched. The best velocity characterizes in two phases of arc extinguishing smoothly and medium strength recovery rapidly will be realized, making sure the successful interruption of circuit breaker. Based on the polarity effect, the arc zero options, the selection scheme of opening and closing phase will be put forward, and the intelligent operation technology of high voltage circuit breaker will be studied. Considering the requirements of SF6 circuit breaker in UHV engineering, the circuit breaker product with the high technical difficulty and advanced international level will be researched through cooperating with the PingGao Company, and the research results will be applied to the new design of circuit breaker. It also can provide a theoretical basis and technical means for the study of SF6 mixed gas circuit breaker.

突破以往对断路器开断研究仅关注电弧熄灭的思路，将断路器成功开断过程扩展到电弧熄灭后，直至弧后绝缘介质完全恢复为止。研究弧后介质恢复过程微观粒子运动与传热机理，气流参数与介质密度恢复的相互作用，不同灭弧室结构、电压极性下SF6气体介质恢复特性，给出影响介质恢复速度的关键物理参数。得到触头运动速度、燃弧时间等宏观参数对气体介质恢复过程微观参数的控制关系，提出灭弧室结构设计和操动机构机械特性之间的最佳配合方案。研究永磁电机操动机构及控制系统，实现断路器电弧顺利熄灭和弧后介质强度快速恢复两个阶段的最佳速度特性，最终达到断路器成功开断。利用极性效应，给出熄弧零点选择方案；提出选相开断和关合方案，研究断路器智能操作技术。结合特高压工程SF6断路器需求，与平高集团合作研究具有国际领先水平、技术难度很高的断路器产品，将课题研究成果应用到断路器设计研发中，为研究SF6混合气体断路器提供理论基础及技术手段。

高压断路器是电力系统中最重要的保护、控制设备。在110kV及以上电压等级的电力系统中，SF6断路器占有绝对主导地位。近年来，电力系统的发展对断路器开断能力提出了更高要求，由于熄弧后弧隙间出现的瞬态恢复电压很高，断路器屡屡发生弧后重击穿而导致开断失败。因此，高压断路器能否开断成功，取决于弧隙是否发生“重燃”，也就是说仅仅电弧熄灭并没有完成电路的开断。项目突破以往对断路器开断研究仅关注电弧熄灭的思路，提出电弧熄灭过程和弧后SF6介质强度恢复过程联合研究的思路，理论分析和实验测试相结合，开展了高压SF6断路器弧后介质绝缘强度恢复机理及控制方法研究，取得了如下主要成果：.1、建立电流零区双温度非平衡态SF6电弧等离子体数学模型，揭示电弧熄灭时刻和SF6介质绝缘强度恢复起始时刻粒子输运与弛豫过程机理，得到电气、气流参数对介质恢复过程微观参数的控制作用。.2、建立高压SF6断路器弧后重击穿数学模型，探索SF6介质绝缘强度恢复过程中各粒子碰撞过程，揭示SF6介质重击穿机理，为评估高压SF6断路器介质恢复特性和判断弧后重击穿现象的发生提供理论依据。.3、建立高压SF6断路器多物理场耦合电弧数学模型，计算得到弧后SF6介质电子密度、电子温度随空间电场变化曲线，提出基于绝缘介质粒子数密度、折合击穿场强、电场不均匀系数的断路器介质恢复特性计算方法，分析不同灭弧室结构和电压极性对SF6介质恢复特性的影响规律。.4、建立高压SF6断路器介质恢复特性试验平台，完成不同充气压强、电压极性、操作速度下断路器介质恢复特性试验研究，得到介质恢复特性试验曲线，分析不同因素对介质恢复特性的作用，提出能够保证弧后介质快速恢复的机械特性控制策略。.项目研究拓展和完善了电器电弧理论，指导研发了常规断路器、特高压工程无功补偿用断路器、直流换流站滤波器组开关等多个电压等级的高压开关设备，成果水平国际领先，相关产品应用于青藏联网等国家重点工程，为我国能源远距离输送战略顺利实施提供了重要保障。