《电气工程学报》编辑部.docx

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1、第目。20180624收到初稿，20180722收到修改稿（六号宋体,此处为卷第*期电气工程学报Vol.* No.国家自然科学基金（51407120）和辽宁省教育厅一般（2016029）资助项2。* * 年* 月JOURNAL OF ELECTRICAL ENGINEERING脚注，和正文分开）20*DOI：sf6断路器弧前因素对电弧形成过程的影响研究（二号黑体）*洋1（四号仿宋） 110870；（五号）325600）李静1王奥飞1樊小敏2陈 （1.沈阳工业大学电气工程学院沈阳.华仪电气股份乐清摘要（小五，黑体）：本文以实际SF6断路器灭弧室结构为计算模型，采用气体动力学方程，从微观角度出发，

2、考虑粒子间的碰 撞反响，探求液态金属桥断裂后稳态电弧生成前、触头开距为3 mm时，电弧等离子体粒子群的产生、开展及演变规律，分析 研究了不同开断电流导致的金属蒸气含量变化对电弧弧前过程中等离子体微观参数的影响；同时研究了不同电极材料造成的二 次电子发射系数差异对SF6电弧弧前过程的影响。仿真为稳态电弧研究提供基础理论数据，对于高压开关设备的开发研制具有 一定意义。（小五，宋体）关键词（小五，黑体）：SF6断路器；电弧；微观；弧前过程（小五，宋体） 中图分类号（小五，黑体）：TM561（小五，Times New Roman）Study on the Influence of Arc Before

3、 Factors onthe Arc Forming Process of SFe Circuit Breaker（小三,加粗）LI Jing1 WANG Aofei1 FAN Xiaomin2 CHEN Yang1小四，姓大写）（1. Shenyang University of Technology, Shenyang 110870;（五号）2 . Huayi Electric Co. Ltd., Yueqing 325600）Abstract（J、五， 加粗）： An actual SFe circuit breaker chamber is adopted as the model i

4、n this paper. By gas dynamic equations and collisions between charged particles, the generation, development and variation processes of arc plasma at the break of 3 mm are studied from a microscopic view before the breaking of liquid metal bridge and stable arc formation. Effects of the content of m

5、etal vapor produced by high breaking current and secondary electron emission coefficient produced by different electrode materials on the microscopic parameters of arc plasma in arc before process are studied here. This simulation can provide the basic theory data for the steady-state arc research,

6、and has certain significance for the development of high voltage switchgear. （1、五）Key words（小五，力口粗）：SF6 circuit breaker； arc； microscopic； arc before process1引言（一级标题：四号，宋体）（正文：五号，宋体）随着电力需求的持续稳步增 加，电力系统输电等级的提升对高压断路器的开断能 力提出了更高的要求断路器在开断过程中不可避 免地要产生电弧，在稳定电弧形成之前的过程，称为 弧前过程。理论研究说明，弧前过程为电弧等离子体 的开展提供了初始路径，

7、影响了稳态电弧的能量。高 温电弧可分为阴极区、弧柱区和阳极区，其中阴极区 的阴极外表、空间电荷（鞘层）以及电离层（预鞘层）， 是电弧产生存在的基础，也是研究零后电弧重燃过程 的前提条件。其形成是在电弧稳定燃烧前期，即弧 前过程中产生。弧前过程包括金属相电弧和气体相电弧两个阶 段，两个相态参与电弧过程的粒子成分发生了改变。 目前对于弧前过程的物理机理认识尚不完善，对电 弧模型的研究主要集中在稳态电弧模型及弧后过 程。20世纪70年彳弋末，BRAND和KOPAINSKY 开展了标准大气压下SF6电弧等离子体粒子组分的 研究，其中原子的多级电离被忽略，只考虑一级电第*卷第*期电气工程学报离反响。文献

8、5将气压范围拓展到10个大气压， 并将硫原子的二级电离反响纳入模型，计算精度得 到了提高。文献在研究SF6电弧等离子体时，考 虑了铜蒸气的影响，开展了 SF6-Cu混合气体粒子组 分模型。文献7通过仿真得到直流低压空气电弧非 平衡态燃弧过程中触头间隙的微观带电粒子密度、 平均电子能量等各项微观物理量的动态变化规律， 并分析了触头间空气电弧非平衡态燃弧过程及触头 间电压对空气电弧形成过程的影响。而对于SF6电 弧弧前微观动态过程的研究相对较少，研究SF6断 路器电弧的微观动态形成过程及弧前因素的影响， 对深入了解电弧形成机制，丰富完善电器电弧理论, 提出新式灭弧方法意义重大。本文以气体动力学模型

9、为基础，考虑了电子、 正负离子漂移扩散方程、微观粒子的碰撞方程及电 场的泊松方程，基于实际SF6断路器结构，建立了 开距为3 mm时二维对称的SF6断路器的几何模型， 并利用多物理场耦合仿真计算软件COMSOL Multiphysics对上述模型进行求解，分析了大电流开 断条件下SF6断路器弧前过程中的电子密度、电场强 度、平均电子能量及碰撞能量损失分布等各项微观 参数的时变规律，并分析了大开断电流导致的金属 蒸气含量变化及触头材料造成的二次电子发射系数 差异对电弧弧前过程中微观参数的影响。2弧前因素仿真模型灭弧室简化模型（二级标题：五号，黑体）由于整个放电过程具有较好的轴对称性，因此 本文采

10、用的SF6断路器灭弧室二维简化模型的几何 结构如图1所示，主要由触头、触指和喷口组成。 其中触头半径11.5 mm,触指内径11.5 mm,外径 38.5 mm,触头开距3 mm。图1灭弧室简化模型（小五，宋体）1阴极2喷口 3采样截线4SF6 5阳极由于模型具有较好的对称性，因此，仿真模型 采用二维轴对称模型分析。2.1 电弧模型假设条件本文电弧模型基于如下假设条件:开关断开 后，开距固定为3 mm不变；SF6断路器中SF6 气体和金属蒸气均匀分布于触头之间；忽略光电 离过程中产生的倍增电子； 忽略电子、离子的对 流扩散，只考虑其在电场作用下的迁移运动； 假 设电弧对称，采用二维轴对称模型进

11、行计算。2.2 数学模型气体动力学模型对于弧前粒子运动过程采用带碰撞项的Boltzmann 方程描述，即df eg Fc df看+YJ+记= W c（公式均用公式编辑器处理，公式居中，序号右齐）对式进行简化，在速度空间上积分，并代入 电子迁移率计算式，求解电子数密度和电子能量密 度的对数，可得简化方程组为等+=凡-（）4加Q+Q 宣” 丁工=此一（2%4住其中Fe=-ne（jUe-E）-De-Vne式中，几、人为不完全的伽玛函数；尺为电子源；& 为电子能量损耗；%为电子密度；%为平均电子能；4 为电子扩散率;/为电子能迁移率;2为电子能扩散率。 电场模型在电场作用下，微观粒子产生运动，电场计算

12、 采用泊松（Poisson）方程，即E = -VV（）式中，办&为灭弧室气体介电常数；为电场强度; A为体电荷密度。触头间粒子碰撞模型触头间粒子在电场力的作用下，向触头运动与 中性粒子反生碰撞反响，由于SF6气体中的离子种类 众多，本文主要考虑了 SF6气体与电子的碰撞反响、 SF6气体的外表反响、铜蒸气与电子的碰撞反响及铜 蒸气的外表反响。由于离子的运动速度相对电子运动 很慢，积累能量低，离子碰撞产生的电荷倍增在本文 不予考虑。碰撞反响见下表。本文采用的SF6与铜的20*年*月李静等：SF（）断路器弧前因素对电弧形成过程的影响研究碰撞截面数据来源于TRINITI database和SIGLO

13、 database o表SF6气体与电子的空间碰撞反响方程（小五，黑体）序号（六号宋体）方程粘附系数1吸附e + SF6 = SF52吸附e + SFg = SFb3吸附e + SF6 = SF64激发e + SF6 = e + SF6s5伪弹性e + SF6s = e + SFg6激发e + SF6 = e + SF6s7伪弹性e + SF6s = e +SF68激发e + SFs = e + SF6s9伪弹性e + SF6s = e + SF610激发e + SF6 = e + SF6s11伪弹性e + SF6s = e + SF(,12激发e + SF6 = e + SF6s13伪弹性e

14、 + SF6s = e + SF614电离e + SFb = 2e + SFe+76543210x IO16铜蒸气含最为12% -铜蒸气含量为8%铜蒸气含黄为4%铜蒸气含量为0%图2 t= 501ns时的SF6电子密度分布铜蒸气含成为12% 铜蒸气含量为8% 铜蒸气含量为4%铜蒸气含最为0%3仿真结果分析采用上述模型，本文对初始温度293 K,气压 15Torr（lTorr= 133.3 Pa）,触头电压 500 V,初始电 子密度1 X 1013个/nP, Cu+离子密度1 X1013个/n?, 电子迁移率为4Xl（）24/（vms）,初始电子平均能 为4 eV,二次电子发射系数0.2,初始

15、电子平均能 5.8 eV条件下的SF6断路器灭弧室内电弧弧前开展 过程进行了仿真，并分析了开断电流变化导致的金 属蒸气含量差异及触头材料变化造成的二次发射系 数差异对电弧开展过程的影响。3.1金属蒸气含量对电弧形成过程的影响本文仿真计算了触头开距为3 mm时金属蒸气 摩尔含量分别为12%、8%、4%、0%时的SF6混合 铜蒸气的电弧弧前形成过程。图2图4为不同时 刻，不同铜蒸气含量各离子浓度分布图。可以看出, 在t - 501 ns时,铜蒸气的摩尔分数为12%的弧前鞘 层已经形成，由于等离子体已经开展到阴极附近， 阴极电场被大大加强，电子也得以获得巨大的能量, 粒子之间的碰撞概率及有效碰撞系数

16、上升，使得鞘 层中的各种碰撞反响更加剧烈。0 二I1J二：二.二 1.二二二.匚二二.3.二二.图3 ，= 501ns时的CU+分布x 10169 rI8 Z7 , i 6 ；5 - ； 4 1 II3 ；2 10 L-m&1234铜蒸气含量为12% 铜蒸气含量为8%钢蒸气含量为4%铜蒸气含量为0%56789 1C距离/mm图4 / = 501ns时的SF6+分布o-2-4-6-8-10，-12-14铜蒸气含量为12% 铜蒸气含量为8%铜蒸气含最为4% -铜蒸气含景为0%123456789 1C距离/mni图5电场强度分布第*卷第*期128126124122120118116114112110

17、5x 10l7l/m 4.035I 3.02.5I;10152025径向mm(a) 6= 1电气工程学报铜蒸气含最为12%铜蒸气含量为8%铜蒸气含录为4%铜蒸气含量为0%10图6电子平均能分布128126124122120118116114112110051015径向/mm2025(b) b = 0.9128126124122120118116114112110通过比照可以看出，对于不同含量铜蒸气的 SF6电弧，铜蒸气含量越高，鞘层区的电子密度、 各离子密度、电子平均能和电场强度都有一个明显 的提升，其电弧开展也更为迅速。3.2不同电极材料对电弧形成过程的影响图7为不同二次发射系数时1 = 5

18、01 ns的电子密 度分布图，其二次发射系数分别为1、0.9、0.8o从 图中可以看出，二次发射系数对SF6电弧的形成过 程影响很大，二次发射系数为1时，电弧已经开展 到近阴极，鞘层区外的电子数目剧增到达3.9义1017 个/n?；二次发射系数为0.9时，等离子体电弧将要 开展到阴极，弧柱头部电子密度到达5.5义ion个的3； 二次发射系数为0.8时，等离子电弧才开展到两电极 中间的位置，电子密度最大值只有2义1015个加3。x 10,5l/m2.01.81.61.41.21.00.80.60.40.2101520径向/mm(c) 6 = 0.8图7不同二次发射系数时的电子密度分布比照发现，二

19、次发射系数增大时，其电弧开展 通道变得集中一些。这是因为当二次发射系数增大 后，新生电子中二次发射产生的电子占的比例有所 增加，而二次电子的产生依赖于正离子，又因为正 离子运动速度较慢，所以在阴极阳极直线最短的路 径点上的二次发射最强烈，因此电弧开展通道变得 集中，而二次发射系数在0.8时其阳极电场还未反 向，没有形成等离子体。图8为不同二次发射系数时1 = 501 ns的电场强 度分布图，二次发射系数为1时，此时电弧已形成, 近阳极及弧柱区电场强度为0,近阴极电场急剧增 大,到达1.67X 106 v/m；二次发射系数为0.9时， 电场强度相对有所下降，到达7.3Xl()5v/m。由不同二次

20、发射系数时的电子密度，电场强度 分布可以看出二次发射系数增大时，电弧开展速度20*年*月李静等：SF()断路器弧前因素对电弧形成过程的影响研究105V/m0-3-4128126124122120118116114112110-0.6-0.8-1.0-1.2-1.4-1.6128126124122-120118116-11411211010152025径向/mm(b)(5 = 0.9二二 ww=-.5加快，电弧开展通道变得集中。x 106 V/m0-0.2-0.410152025径向/mm(a) b=l00-0.5-1.0-1.5-2.0-2.5-3.0120126124122120118116

21、114112110x 105V/m0.510152025径向/mm(c) 5 = 0.8不同二次发射系数时的电场强度分布EE/三三.54结论为了揭示SF6断路器弧前因素对SF6电弧形成 过程的影响，本文以气体动力学模型为基础，考 虑了电子、正负离子漂移扩散方程、微观粒子的 碰撞方程及电场的泊松方程，基于实际SF6断路器 结构，研究了在触头间距为3mm时不同金属蒸气 含量、电极材料对SF6电弧形成过程的影响，得到 结论如下：(1)铜蒸气含量越高，鞘层区的电子密度，各 离子密度、电子平均能、电场强度都有一个明显的 提升，铜蒸气的混入显著加速了电弧的形成。(2)触头材料二次发射系数的增大会促进等离子

22、体向阴极开展，从而不利于电弧熄灭，同时二次 发射系数还影响电弧的形状。参考文献(五号，黑体)11舒印彪，汤涌，孙华东.电力系统平安稳定标准研究 J.中国电机工程学报，2013, 33(25)： 1-8.SHU Yinbiao, TANG Yong, SUN Huadong. Research on power system security and stability standards J. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(25)： 1-8.2刘晓明.高压SF6断路器电弧动态数学模型及喷口结构 优化设计D.沈阳：沈阳工业大学，2003.LIU Xiaomi

23、ng. Arc dynamic model and nozzle optimization for high voltage SF6 circuit breakerD. Shenyang： Shenyang University of Technology, 2003. 3刘定新，李艳培，荣命哲，等.金属相气相分断电弧 状态转换机理的研究J.低压电器,2005(3)： 3-6.LIU Dingxin, LI Yanpei, RONG Mingzhe, et al. Study on the mechanism of arc transition from metallic phase to g

24、aseous phaseJ. Low Voltage Apparatus, 2005(3)： 3-6. 4 BRAND K P, KOPAINSKY J. Particle densities in a decaying SF6 plasmJ. Applied Physics, 1978, 16(4)： 425-432.5 BARTL J. Thermodynamical properties of the plasma SF6 in the temperature range from 230 to 20 000K and pressures from 0.1 to 1.0 MPaJ. Ac

25、ta Technica CSAV, 1980, 25(1)： 33-49.6J CHERVY B, GLEIZES A, RAZAFINIMANANA M. Thermodynamic properties and transport coefficients in SFo -Cu mixtures attemperatures of 300-30 000 K and pressures of 0. 1-1 MPaJ. Journal of Physics D： Applied Physics, 1994, 27(6)： 1193-1206.7|李静，杨光，曹云东，等.低压断路器触头电弧非平

26、衡态燃弧过程分析J.电器与能效管理技术，2016(15)： 7-12.LI Jing, YANG Guang, CAO Yundong, et al. Analysis of low voltage air switch arc non-equilibrium arcing processfJ. Electrical & Energy Management Technology, 2016(15)： 7-12.非英文的参考文献采用非英文、英文双语形式。 多位作者只列出前三名，后面用“等或et al作者简介：李静，女，1977年生，博，讲师。主要研究方向为电器及 其控制。E-mail： xxxxxxx王奥飞，男，1992年生，硕士研究生。主要研究方向为电机与电器。E-mail： xxxxxxx文章最终的结尾处两栏的文字齐平排版第*卷第*期电气工程学报Vol.* No.*2。* * 年* 月JOURNAL OF ELECTRICAL ENGINEERING*20*