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真空间隙与CO_2气体间隙串联的混合断路器静态特性仿真与试验研究

焦连曜  
【摘要】:随着人们环境保护意识的逐渐加强,减少或禁止温室效应气体的使用成为人们的共识。SF6气体具有优异的电气特性但同时也有严重的温室效应,因此研制一种环保型断路器成为当下研究的热点问题。常见气体中CO_2气体由于其性质稳定且灭弧性能相对较好,作为潜在SF6替代气体受到了广泛关注。若能将真空间隙与CO_2气体间隙串联组成混合断路器,利用真空间隙补偿CO_2气体间隙灭弧性能较差的缺点,增强CO_2气体间隙的开断能力,使混合断路器的开断能力媲美SF6气体断路器,对环保型断路器研制具有重要的研究意义与研究价值。本文针对真空间隙与CO_2气体间隙串联开断时CO_2气体开断能力不足的问题从混合断路器电场分布、CO_2气体气流场特性与CO_2气体绝缘和固有介质恢复特性三个方面开展研究,期望对环保型断路器的研制与结构设计提供经验和借鉴。本文的主要工作内容和成果如下:针对混合断路器的布置方式问题,搭建了真空间隙与CO_2气体间隙串联的混合断路器模型,然后对搭建的混合断路器模型进行电场数值分析。利用子模型技术用空气域的电位进行边界插值,然后对子模型进行仿真分析,以达到提高计算精度的目的,为电场仿真计算提供一种新的仿真思路。仿真结果表明45°斜角布置且气体间隙在上的布置方式最为符合混合断路器分压特性的要求。此外,如在真空间隙并联电容可以调节两间隙的分压比例,防止某一间隙分压过大引起击穿。针对CO_2气体燃弧时间较长的问题,对不同喷口结构的CO_2气体气流场进行仿真分析,发现适当增长喉部长度可以使气体流速在开断过程中较长时间都处于较大值。通过对不同气缸半径的气流场进行了仿真分析,发现增大气缸半径可以增大喷口处的气体流速,气缸半径越大选取的三个观测点的气流最大值就越大。增大气缸半径可以有效增大气流场流速,因此使用CO_2气体作为灭弧介质可以考虑增大气缸半径。针对CO_2气体的绝缘特性和弧后介质恢复特性,对不同气体压力、不同间隙距离下的CO_2气体进行工频耐压和雷电冲击耐压试验。试验结果表明:CO_2气体在气压为0.2MPa、间隙距离为2mm时工频击穿电压为14.2kV,正负极性雷电冲击击穿电压均为35kV左右,当气体气压升高到1.0MPa、间隙距离增大到6mm时工频击穿电压为69kV,正负极性雷电冲击击穿电压均为125kV左右;搭建了用于固有介质恢复强度测试的试验电路,并进行了CO_2气体介质恢复试验。试验结果表明:CO_2气体的固有介质恢复强度较差,气压为0.6MPa、间隙距离为4mm的CO_2气体固有介质恢复强度在弧后10ms时只有22kV,仅提高气压对CO_2气体的介质恢复速度增益有限。CO_2气体较SF6气体介质恢复速度相差甚远,可通过增加气吹作用来提高其介质恢复速度。


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