一种SF₆断路器弧后热气体电击穿发生概率的评估方法

专利名称：一种SF₆ 断路器弧后热气体电击穿发生概率的评估方法
技术领域：
本发明涉及电力电子领域，具体涉及一种评估SF6断路器弧后热气体电击穿发生概率的方法。
背景技术：
六氟化硫(SF6)气体由于具有优良的绝缘和灭弧性能，已被广泛应用于高压气体断路器(GCB)中。在SF6断路器大容量、小型化的发展过程中，一个突出的问题就是如何通过灭弧室的优化设计及其与操作机构的匹配，来提高弧后介质恢复强度、降低重燃概率。 近年来，国内外对SF6开关电弧的磁流体动力学(MHD)仿真做了大量工作，为高压断路器设计与优化提供了一种非常有效的方法。另一方面，为进一步研究零点附近的电弧特性，特别针对其电击穿特性，一些学者对折合临界击穿场强(E/N)ra的理论计算进行了研究。尽管评估高压断路器弧后介质电击穿特性对于产品的优化设计和性能提高的非常重要，但目前还没有SF6断路器弧后热气体电击穿特性的有效评估方法或手段。

发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种评估SF6断路器弧后热气体电击穿发生概率的方法。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是—种评估SF6断路器弧后热气体电击穿特性的方法，其特征在于按照下述步骤进行(I)通过求解Boltzmann方程,得到电子能量分布函数(EEDF),进而确定不同温度和压强下SF6气体的临界击穿场强Era。(2)通过SF6电弧的MHD仿真分析，确定弧后灭弧室内压强和温度分布。(3)比较灭弧室内各点处由恢复电压引起的场强Ea与相应温度和压强下SF6的Era，可确定灭弧室内各点发生电击穿的概率。步骤(I)中为提高计算精确度，SF6气体的临界击穿场强Era由其相应压强下的折合临界击穿场强(E/N) cr确定，电弧MHD仿真分析采用真实气体模型。该方法对于是否采用聚四氟乙烯(PTFE)喷口材料的SF6断路器的弧后电击穿特性评估均适用，为SF6高压断路器弧后电击穿特性的评估提供了一种有效的方法。


图I是SF6气体折合临界击穿场强(E/N)ra的计算流程图；图2是SF6高压断路器弧后电击穿概率评估流程；图3是计算得到的不同气压下SF6气体(E/N)ra随温度的变化；图4是由(E/N) cr确定的相应气压下SF6气体E。，随温度的变化；
图5是灭弧室内燃弧过程中的温度分布；图6是弧后80 μ s灭弧室内压力和温度分布；图7是弧后80 μ s灭弧室内Ε。,和Ea的等值线；图8是弧后80 μ s灭弧室内Ea/Era的等值线。
具体实施例方式下面将结合附图对本发明的实施过程进行说明。本发明对SF6断路器弧后热气体电击穿特性评估的步骤如下(I)通过求解Boltzmann方程,得到电子能量分布函数(EEDF),进而确定不同温度 和压强下SF6气体的临界击穿场强Era。图I为SF6气体折合临界击穿场强(E/N)ra的计算流程图，现详述如下采用电子在6维相空间的分布函数在速度空间的两项近似来求解Boltzmann方程。由等离子体动力学理论可知，电子在6维相空间的分布函数f (r, V, t)满足Boltzmann方程^ +--E^J = Cjfi(12)
dtme式中，V为电子速度，e为电子电荷量，1 为电子质量，E为电场，Vv为速度梯度运算符，C为与f有关的碰撞项。首先在球坐标系内将分布函数做Legendre多项式展开f (V，cos Θ，z，t) =f0 (V，z, t) +f\ (V，z, t) cos θ(13)式中，&为f的各向同性部分，为各向异性扰动，θ为电子速度方向与电场方向的夹角。此外，f满足下面归一化条件JJJ fei3v - 4龙j"。fQv2dv - ne(14)式中，116为电子数密度。将式(2)代入式(I),分别乘以Legendre多项式(I或cos Θ ),并对cos Θ积分得到两个一阶偏微分方程+二 C0(I.)
Cl 3 & 3 5￡· ! 0— + γε· — — Εγει/1 — = -NamYSl11 fx(16) dt dz ds式中，Y = (2e/me)1/2，电子能量ε = (v/Y )2，Ctl为影响&的碰撞项，。m为总碰撞截
面，~ = ΣΧλ·σλ , Xk为目标组分的摩尔分数，σ k为碰撞k的碰撞截面。
k釆用分离变量法将上述两个方程合并，可以得到一个f的对流-扩散连续方程-^{Wf-1)^-)=8(17)
3εδε其中，W = -γε2σ -
权利要求
1.一种评估SF6断路器弧后热气体电击穿发生概率的方法，其特征在于，按照下述步骤进行 (1)确定不同温度和压强下SF6气体的临界击穿场强Era； (2)通过建立SF6电弧的磁流体动力学(MHD)仿真分析，确定弧后灭弧室内压强和温度分布； (3)比较灭弧室内各点处由恢复电压引起的场强Ea与相应温度和压强下SF6的Era，确定灭弧室内各点发生电击穿的概率大小Ea/Era。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述步骤(I)具体为 (1-1)求解电子在6维相空间的分布函数f Cr, V, t) 采用电子在6维相空间的分布函数在速度空间的两项近似来求解Boltzmann方程，电子在6维相空间的分布函数f Cr, V, t)满足Boltzmann方程
3.根据权利要求I或2所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)具体为 采用二维轴对称电弧模型来进行MHD仿真，控制方程如下
全文摘要
本发明提出一种评估SF6断路器弧后热气体电击穿发生概率的方法，其特征在于按照下述步骤进行1)通过求解Boltzmann方程，得到电子能量分布函数(EEDF)，进而确定不同温度和压强下SF6气体的临界击穿场强Ecr；2)通过SF6电弧的MHD仿真分析，确定弧后灭弧室内压强和温度分布；3)比较灭弧室内各点处由恢复电压引起的场强Ea与相应温度和压强下SF6的Ecr，可评估灭弧室内各点发生电击穿的概率。该方法对于是否采用聚四氟乙烯(PTFE)喷口材料的SF6断路器的弧后电击穿特性评估均适用，为SF6高压断路器弧后电击穿特性的评估提供了一种有效的方法。
文档编号G06F19/00GK102789548SQ201210243060
公开日2012年11月21日 申请日期2012年7月13日 优先权日2012年7月13日
发明者姜旭, 李兴文, 贾申利, 赵虎 申请人:西安交通大学