SF6高压电器多次重燃非平衡态电弧发展与熄灭过程的机理研究

To the multi-reigniting arc processes caused by switching compensation device、closing no-load line、switching disconnectors and the small current arc of short circuit current interrupting zero zone, the research on transient high frequent non-equilibrium arc plasma in SF6 gas with high pressure is carried out. Based on the Dynamics theory, the non-elastic collision model between the electronics and the particles in different steps and the super elastic collision model between the particles in excited states are build up, the characteristic time of arc plasma transiting from non-equilibrium state to equilibrium state - the relaxation time is get. From the perspective of collision term between particles, the transport coefficients：conductance coefficient、thermal conductivity coefficient、viscosity coefficient、diffusion coefficient are get. With spectral diagnostic methods, the development process of non-equilibrium arc plasma in SF6 gas with high pressure are analyzed. The mathematical models of non-equilibrium SF6 arc in the development and the extinguishment processes are build up. Through the study of macroscopic parameters and microscopic parameters, the preliminary intelligent controlling method of arc is derived, satisfying the requirements of selective operation in smart grid and improving the operation reliability of high voltage electric apparatus.

针对高压电器需完成的补偿设备投切、空载线路的开合以及隔离开关的分合闸操作等任务时产生的多次重燃电弧过程，以及短路开断时零区小电流电弧，开展高气压SF6气体中暂态、高频、非平衡态等离子体电弧研究。以动力论的方法为基础，建立不同阶次下的电子与粒子间的非弹性碰撞模型和电子与处于激发状态粒子间的超弹性碰撞模型，获得高气压SF6 电弧等离子体非平衡态向平衡态过渡的特征时间-驰豫时间。从等离子体内各粒子之间的碰撞项出发，确定各输运过程的输运系数：电导系数、热导系数、粘滞系数、扩散系数等。应用光谱分析方法，实验研究高气压SF6电弧等离子体的非平衡发展过程。建立高气压SF6气体中电弧产生和熄灭过程非平衡态电弧数学模型，通过对微观参数和宏观参数的相关性研究，初步提出对电弧的智能控制方法，满足智能电网选择性开断操作要求，提高高压电器操作可靠性。

近年来，我国电力系统电压等级和输电容量不断提升，高压开关设备开断工况越来越复杂。高压SF6断路器完成特高压工程无功补偿设备投切、空载线路关合、电流零区开断以及隔离开关操作引起的多次重击穿等过程中，由于触头间弧隙上电流相对较小，产生的电弧等离子体往往处于非平衡态。非平衡态等离子体中重粒子、电子在温度和数密度上存在很大的差异，表现在宏观特性上就是化学成分、组分含量、压强、温度等宏观参数与平衡态等离子体相差较大。以往关于等离子体电弧的研究都是基于热力学平衡态假设的基础上，不能准确描述电弧内在机理和动态过程，开展非平衡态等离子体电弧特性机理研究迫在眉睫。.项目组通过建立热力学非平衡态双温度电弧等离子体数学模型，得到电弧等离子体组份密度和驰豫、输运及热力学参数。通过对不同外界条件下非平衡态电弧介质击穿过程进行光谱测量，确定电子温度及密度，建立了非平衡态电弧微观与宏观参数的相互关系。建立非平衡态等离子体电弧多物理场耦合计算模型，模拟气流作用下等离子体电弧参数的动态变化，得到不同阶段电弧等离子体的压强、温度、密度、输运和热力学参数分布，分析不同阶段电弧动态特性、压气特性、气流特性、热力学特性和输运特性。提出基于双温度电离平衡方程的介质恢复数学模型，分析小电流短燃弧和短路大电流开断介质恢复特性。开展SF6小电流电弧开断试验研究，结合理论研究成果，提出电器电弧有效控制策略。.本项目突破以往稳态大电流平衡态电弧理论研究，对过零区小电弧、感性和容性小电流电弧这一类非平衡态等离子体电弧进行了深入研究，提出了超特高压开关设备操作过程等离子体电弧的智能控制方法，形成了一套高压开关设备绝缘结构设计及操作过电压抑制关键技术。为1100kV SF6断路器和气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）的设计和生产、高压开关设备在超特高压变电站中的应用、特高压工程用电容器组和滤波器组专用断路器等特殊用途开关设备的研发奠定了理论基础。