关键词：高压；SF6断路器；电弧；气流；作用
现如今，高压电在社会生产的应用越来越广泛，为了满足生产需求，，高压线路越来越多。而断路器在保障高压电力系统中发挥了十分重要的作用。SF6断路器作为一种无油化开关设备，具有阻塞效应好、电气寿命长、绝缘水平高、密封性能好等多个优点，成为高压断路器中应用最广泛的一种断路器。为了能够进一步提高SF6断路器的性能，确保其稳定运行，就必须要保证其额定短路电流开断能力一直处于最佳状态，而要保证这一点，研究断路器电弧与气流的相互作用是关键。但是由于在实际运行中，高压SF6断路器的开断进程中所涉及到的相关参数很难获取，因此无法从实践中获得真实研究数据。为此需要借助一定的仿真技术来研究SF6断路器的介质恢复特性以及其最佳的开断性能参数。
一、高压SF6断路器的工作原理分析
高压SF6断路器在电力系统中的主要功能是起到控制、保护和灭弧作用。当系统正常运行时，SF6断路器起到接通和切断负荷电流的作用；当系统出现故障时，SF6断路器起到切断故障设备或线路，以免故障继续扩大。高压SF6断路器的工作原理是利用SF6气体的优异性能将断路器触头分开的瞬间产生的电弧消灭，从而保证线路顺利断开，切断电流。
可以说，高压SF6断路器的实际工作状态就处于开断的切换过程中，不是开，就是断。无论是处于开的状态，还是断的状态，都是相对较为稳定的状态。只有开断的瞬间处于不稳定的动态变化状态，此时也是最考验高压SF6断路器性能的时候。因为在开断的瞬间，线路会出现强大的电弧，而高压SF6断路器需要喷出灭弧气流消灭电弧来完成开断动作，此时电弧与气流就会产生相互作用，其相互作用的最后结果决定了高压SF6断路器的开断动作是否顺利完成。
从微观角度看，高压SF6断路器开断瞬间所形成的电弧是一个粒子团，其中包含了大量的电离和消电离，且两者还会产生很多物理变化和化学变化。因此可以说，电弧燃烧的过程也是大量游离和消游离不断扩散或复合的过程。而高压SF6断路器所喷出的灭弧气流，从微观上来讲，也是一个跨音速粒子流，这个粒子流同样十分复杂，具有有源、有粘、可压的特点，且会在粒子流中产生激波和湍流。因此在高压SF6断路器的开断进程中，电弧和气流的相互作用会形成一个十分复杂的变化过程，在此过程中会涉及到大量的粒子重组和变化，还会涉及到电磁场分布、能量运输、可压流体的流动等多方面内容，不但有物流变化过程，还有化学变化过程，会同时受到多种作用的影响。因此，在实际的研究工作中，捕获高压SF6断路器开断进程中由于电弧和气流相互作用而产生的各种气流参数或变化数据是很难实现的，只能通过仿真来研究其开断性能和两者相互作用产生的影响。
二、电弧热堵塞的作用分析
在高压SF6断路器的开断过程中，保证电弧快速散逸是技术的关键。但是结合高压SF6断路器在实践中的使用情况，发现高压SF6断路器往往会在喷口区域形成电弧热堵塞。这是因为在SF6断路器开断的瞬间，会产生大量的电弧，同时喷口会喷出灭弧气流。但是在此过程中，因为大电流燃弧的作用，喷口内部往往还会存在一定的电弧，这些电弧会对气流造成机械般的热堵塞。对此，有学者认为电弧热堵塞会使高温电弧能量聚集，导致气温变高，会在很大程度上影响到电弧的快速散逸，从而无法达到灭弧效果，也在一定程度上影响了介质恢复特性。而在本文的研究中则认为，电弧堵塞并不一定全是坏事，从电弧动态变化的仿真结果可以得知，只要合理利用电弧能量，在一定程度上可以促使SF6断路器的性能提升。
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当电弧产生热堵塞后，喷口内部的电弧就无法再正常顺利的散逸，这就会使得气流的流量也随之减少，导致热气流呈现出回流现象，从而使得喷口内部的温度急剧上升，喷口与触头都有可能被烧蚀。这样一来，喷口上游容积增大，可以继续容纳一些附加气体，导致上游压力增大，反而会促使气体压力增大，从而可以在一定程度上增强灭弧室气吹的作用。之后，在触头和气吹的继续作用下，喷口的电弧热堵塞现象就得到了缓解，上游的热气流会被吹向下游，但是因为气流本身具有一定的粘性，因此会在下游出现旋涡。喷口电弧热堵塞时的速度矢量分布图可见图1。
注：行程145mm时
图1 喷口电弧热堵塞时速度矢量分布图
三、不同时期电弧与气流的相互作用分析
通过上述对电弧热堵塞的分析可以得知，电弧热堵塞导致喷口上游气体密度变化并非全是弊端，只要能够掌握电弧和气流在不同时期的相互作用，合理的利用这些电弧能量，就能够在很大程度上促使高压SF6断路器开断能力的提升。
1、高压SF6断路器开断初期阶段
在开断初期，开断电流值会逐渐增大，电弧能量也会开始逐渐聚集，并积累在喷口上游室内，导致气流温度不断增大，喷口的压力也在不断增大。直到行程达到145mm时，喷口内的电弧全部被堵塞，此时喷口的压力呈现最大值，气体的密度也在增加。但是喷口内部因为有电弧，所有喷口喉部的有效气流量与气流流动面积都会有所减少，而上游的气流在被加热后因为回流作用又会再次回到压气室，导致气流反流，喷口下游的气流明显会降低。也就是说，当电弧把喷口全部堵塞的瞬间，反而会增强高压SF6气体的喷出压力，更有利于灭弧，保证高压SF6断路器顺利开断。
2、高压SF6断路器开断大电流阶段
当行程超过145mm时，电弧能量依然在不断的聚集，所形成的热区域也在不断扩大。然而因为热堵塞，热气流并不能很快散开，电弧能量在喷口的上游区域大幅度聚集，对喷口或触头造成烧蚀，从而导致粒子流和吹弧气流的混合气流无法得到有效散逸，使得喷口区域电弧堵塞。
3、高压SF6断路器开断后期阶段
当喷口被电弧全部堵塞后，动触头依然在不断外移，运动行程也在增大，气流通道会逐渐通畅，高速吹弧气流增大，吹弧效果提升。此时电弧能量逐渐散开，电弧燃烧也逐渐减少，电弧动态变化呈现出平缓趋势，喷口的高速吹弧气流可以直接作用在电弧上。接着，随着动触头的运动，开断进程的继续，圆台状的电弧逐渐被拉为细长形状，电弧的热区域范围逐渐变小。由于对应时刻的开断电流也由电流峰值逐渐降低，因此，有利于电弧的熄灭。同时，在开断进程中，喷口对热气流的输运起着至关重要的开断进程中，开断后期，形成强烈的双向吹弧，最终达到灭弧效果，完成SF6断路器开断。
四、结束语
高压SF6断路器作为高压电力系统的一个重要保护设备，在保护高压系统稳定安全运行的过程中发挥积极作用。为了能够更好的提升高压SF6断路器的性能，需要不断的总结其在实践中存在的问题，并通过仿真分析其工作过程中的具体状态，有效利用电弧与气流相互作用中产生的电弧能量和电弧堵塞效应，控制气流流动，增强灭弧效果，提高介质恢复能力，从而提升高压SF6断路器的开断性能。
参考文献
[1]徐冲. 基于COMSOL Multiphysics的高压SF_6断路器电弧与气流相互作用研究[D]. 沈阳工业大学, 2013.
[2]冷雪, 刘莉, 刘晓明,等. 高压SF6断路器不同开断条件下混沌特性分析[J]. 电气工程学报, 2015, 10(11):27-32.
[3]刘晓明, 冷雪, 曹云东,等. 550kV SF_6断路器气流与电弧相互作用混沌研究[J]. 电工技术学报, 2012(6):46-52.
[4]韩颖. 高压SF_6断路器动态电弧混沌现象研究[D]. 沈阳工业大学, 2014.
论文作者:朱鹰
论文发表刊物:《科技中国》2017年7期
论文发表时间:2017/10/11
标签：电弧论文; 断路器论文; 气流论文; 高压论文; 喷口论文; 相互作用论文; 能量论文; 《科技中国》2017年7期论文;