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环保型C_4F_7N/CO_2混合气体断路器开断性能研究

刘鹏飞  
【摘要】:SF_6气体因具有优良的绝缘和灭弧性能,20世纪60年代就被大量应用于电气设备中,但其作为一种强温室效应气体,环保压力较大。为了减少SF_6气体使用量以及排放量,国内外学者开展了许多研究,包括减小设备尺寸、改进气体处理及回收方法、使用SF_6混合气体等,但最有效地手段还是筛选、研制或开发新的替代气体。目前3M公司开发的全氟异丁腈(C_4F_7N)在环保和电气强度等方面表现良好,引起了研究人员的极大兴趣。因其液化温度较高难以在高寒地区应用,所以常与CO_2这一常规气体混合使用。近年来国内外学术科研团队对C_4F_7N/CO_2混合气体的研究多集中于理化特性、绝缘特性以及放电分解特性等方面,针对其应用于断路器所表现的开断性能研究却十分有限。为了更好地评估C_4F_7N/CO_2混合气体的开断性能,本文以一台40.5kV断路器作为样机,开展C_4F_7N/CO_2混合气体断路器短路开断特性仿真以及电弧开断特性的实验研究。主要进行如下几个方面工作:(1)基于流体动力学理论,结合麦克斯韦方程组建立二维磁流体动力学(MHD)数学模型,采用标准k-ε湍流模型考虑电弧湍流作用,根据净辐射系数法建立电弧辐射模型,利用用户自定义函数(UDF)完成物性参数输入、运动速度调用以及特定物理量输出,建立完整的C_4F_7N/CO_2混合气体断路器多物理场仿真模型。开展C_4F_7N/CO_2混合气体断路器开断过程压气特性、气流特性及绝缘特性研究。(2)根据流注理论、pederson击穿判据,建立介质恢复数学模型,结合C_4F_7N/CO_2混合气体断路器电场与气流场计算结果,得到不同气体条件下的C_4F_7N/CO_2混合气体断路器介质恢复特性曲线。综合分析数值计算结果,给出C_4F_7N/CO_2混合气体断路器开断性能最优的配比与充气方案。(3)搭建实验回路对C_4F_7N/CO_2混合气体电弧开断特性进行实验研究。断路器内充入不同压强纯SF_6、不同混合比例的C_4F_7N/CO_2混合气体分别进行断路器开断实验。重点分析比较了SF_6和C_4F_7N/CO_2混合气体的电弧特性;求解出不同气体条件下的电弧散发功率和时间常数。采用MATLAB/Simulink平台建立了短路电流开断仿真电路,进而研究了不同气体条件下对应的弧后电流特性。


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