SF6断路器灭弧室内电弧特性参数间的相互关系研究

严 旭 姜 旭 朱 凯 路媛婧

（西安西电开关电气有限公司，西安 710077）

0 引言

SF6具有优良的绝缘特性和灭弧性能，在高压断路器中得到了广泛的应用。目前，在110kV及以上电压等级电力系统中，高压SF6断路器占绝对主导地位[1]。由于SF6断路器灭弧室结构复杂，很难直接观测到产品级SF6断路器的内部物理场分布，因此，仿真成为解决这一问题相对可取且较优的方法。

高压SF6断路器的开断会产生电弧，电弧特性的分析能够为研究断路器的开断提供有效的参考和指导。国内外研究者基于磁流体动力学（magneto hydro dynamics, MHD）电弧模型开展了大量相关的研究工作，通过仿真电弧的电磁场、速度场、温度场[2-3]分布及电弧和激波的相互作用[4-5]等来分析电弧的基本特性。法国图卢兹第三大学Gleizes教授课题组长期致力于高压气体断路器中的电弧物性参数基础研究[6-9]。英国利物浦大学Fang教授课题组开创性地研究了SF6电弧磁流体动力学建模方法[10-12]。我国西安交通大学的李兴文教授、荣命哲教授，以及沈阳工业大学的林莘教授团队等也都建立实验系统，为研究SF6电弧特性等方面做了大量的研究工作[13-17]。

SF6断路器灭弧室内电弧特性参数较多，相互之间存在依赖和作用关系，如何更好地理解电弧的特性，研究电弧特性参数间的关系显得尤为关键。为此，基于已有研究，本文通过建立252kV压气式SF6断路器结构模型，对断路器开断期间，灭弧室内电弧温度、气压、密度、电位等特性参数间的相互关系进行研究，为更加直观地理解灭弧室内气流场的分布、分析电弧特性参数间的作用规律提供参考。

1 仿真模型及边界条件

SF6断路器灭弧室通常呈轴对称的特征，仿真过程中，通过建立二维轴对称模型来对应灭弧室的三维结构。经过简化后建立的252kV压气式SF6断路器灭弧室结构如图1所示，仿真的电弧模型参见文献[18-19]。其中，在距离喷口区域较远的边界处设置有两个压力出口，一方面用于模拟腔体的初始充气压力，另一方面防止压力出口距电弧太近而对喷口区域气流场的仿真结果造成影响。腔体初始充气压力为绝对压力0.6MPa，初始温度为300K。压力出口和轴线外的边界设置为固体壁面边界。仿真中，在图1中空心金属触头内部区域引入“透明触头”，设置该区域气体的电导率与触头金属的电导率相同，气体的其他物性参数保持不变，这样有利于二维轴对称模型下电弧弧根的控制。在透明触头侧设置电流通量边界，其值由仿真短路电流、燃弧时间及触头侧截面大小决定；在实心触头侧设置为标量电位边界0。分析电弧特性参数间关系时，选取图1中喷口区域为重点观察区，开断短路电流取交流有效值31.5kA，燃弧时间取6.8ms，此刻断路器动触头刚脱离喷口喉部区域，气流场状态更复杂且更具代表性。

图1 252kV压气式SF6断路器灭弧室结构

2 仿真结果及分析

2.1 气体压力分布

图2所示为气体压力与温度的等高线对比及沿轴线的变化对比曲线。由图2（a）和图2（b）可以看出，在电弧存在的区域，气体的压力较高，并且电弧的温度越高，该区域气体的压力也越高。激波的存在使得该区域气体的压力下降，电弧的半径增大，电弧的温度降低。

图2 气体压力与温度的等高线及沿轴线的变化

2.2 气体密度分布

图3所示为气体密度与温度的等高线对比及沿轴线的变化对比曲线。对于SF6气体，温度超过5 000K时，气体的密度随气压呈正增长的趋势变化，随温度呈负增长的趋势变化。即：气压越高，气体密度越大；温度越高，气体密度越小。由图3（a）和图3（b）可以看出，在电弧存在的区域，电弧的温度达上万开，远远高于电弧区域以外的气体温度，因此在电弧区域内，气体的密度很低。由于电弧温度沿着轴线的变化量较小，气体的密度分布受到压力的影响较大，因此，气体沿轴线的密度分布与压力分布的变化趋势相近。

图3 气体密度与温度的等高线及沿轴线的变化

2.3 气体速度分布

图4所示为气体速度与温度的等高线对比及沿轴线的变化对比曲线。由图4（a）和图4（b）可以看出，气流场的速度分布与电弧的温度分布相反。气体的流动一方面将冷气体带入电弧，另一方面将电弧的热气体带走。两者的最终效果都是达到冷却电弧的目的，并且气流的速度越高，其对电弧的冷却作用越强，电弧的温度也越低，反之电弧的温度则越高。在激波存在的区域，气体的流速非常快，达超音速，这也是造成该区域电弧温度下降到很低的一个原因。

图4 气体速度与温度的等高线及沿轴线的变化

2.4 电弧电位分布

图5所示为电弧电位与温度的等高线对比及沿轴线的变化对比曲线。由图5（a）和图5（b）可以看出，电位线在电弧弧柱区域内近似呈平行分布，电位线分布密集的区域，电弧的温度较高；相反，电位线分布稀疏的区域，电弧的温度较低。通过电位沿轴线的分布不难发现，在电弧中心轴线上，电位近似成线性规律变化。当电极间通过电弧导通电流时，电弧电压与电流的乘积是电弧能量的根本来源；而在电弧能量的耗散过程中，气体的流动吹弧是电弧冷却的一个重要原因，由此可见，如何协调好电弧能量的注入和能量的耗散是解决开断问题的关键。

图5 电弧电位与温度的等高线及沿轴线的变化

3 结论

本文基于二维轴对称电弧MHD仿真，通过建立252kV压气式SF6断路器结构模型，对断路器开断期间，灭弧室内电弧温度、气压、密度、电位等特性参数间的相互关系进行了研究和分析，得到以下结论：

1）开断过程中，电弧的存在会增加气流场的复杂性，电弧特性参数间存在着相互依赖和相互作用的关系；气体压力、密度和温度与电弧的状态密切相关，电弧电位与气体速度直接影响着电弧能量的注入和能量的耗散。

2）在电弧存在的区域，气体的压力较高，气体的密度较小；电位线分布密集的区域，电弧的温度较高；速度的分布与电弧的温度分布相反。激波会引起气体压力下降，电弧半径增大，电弧温度降低；在激波存在的区域，气体的流速可达超音速。

3）气流场及电弧的仿真能够直观地反映出灭弧室内物理量分布及电弧特性参数间的对应关系，能够为深入理解电弧特性、更有效地分析灭弧室的开断特性提供参考和方法。