SF6及不同单一常规气体电弧仿真研究

1 引言

SF6作为一种优良的灭弧介质，被广泛应用于灭弧设备中。它的物理和化学性质稳定，气 体密度和分子半径较大，并且具有强电负性。即便在低温条件下，SF6气体同样具有高导热性， 然而，SF6作为一种温室气体，具有很高的 GWP 值，大约是 CO2的 23900 倍，将产生非常严 重的温室效应，并且不容易降解，在大气中会被长时间保存下来。液化温度为-62℃，沸点为 -63.8℃，均高于空气、氮气的值，这表明难以在高寒地区适用。 对于替代气体的相关研究工作可分为试验与仿真，试验研究仅能给出宏观开断电流、击 穿场强等物理量，试验成本高，而且对于其背后的物理机理很难给出解释；采用合适的电弧 模型，对电弧发生过程及表征电弧能量参数进行仿真研究是对试验研究的重要补充，基于此， 建立适合的电弧模型，研究电弧特性，以给出不同灭弧介质电弧的特征参数及影响因素，是 SF6替代气体研究的重要方法。

氩气电弧燃烧稳定，热量集中，温度较高，多用于电弧焊接，但灭弧性能较差，很少用 作灭弧介质；空气作为最常见的气体介质，在高压输电线路中广泛使用；氮气容易获取，无 温室效应，绝缘性能较强，并且与 SF6 气体存在协同效应，使混合气体的性能大大增强。通 过将 SF6 电弧的仿真结果与这三种气体相对比，可以比较出灭弧性能较强气体与灭弧性能较 差气体之间的电弧特性差异。

2 几何模型及初始条件

北京中惠普针对简化 SF6断路器喷口结构建立几何模型，论文的所有电弧模型基于如下假设条件，电极间距为 50mm，并保持不变。在喷口内气体是均匀分布的，假设电弧是对称的，处于局部热力学平衡条件下。初始条件设置：初始温度 T=293.15K，阳极侧加 50A 的电流，将阴极接地。依据 Kosuke Murai 等人所做的喷口充气实 验结果，其充气速率为 100L/min，所以本模型气体的初始流速设置为 1.768m/s，喷口内压强 设置为 0.1MPa。几何模型如图 1 所示。网格自动剖分后，包含 10950 个域单元，658 边界单 元，18 顶点单元，最小单元质量为 0.5228，平均单元质量为 0.9023。针对不同的区域，采用 不同的网格尺寸，对于气体区域，采用流体动力学条件进行剖分，最大网格尺寸为 0.7mm， 最小网格尺寸为 0.02mm。喷口边界的网格尺寸较大。

3 不同气体介质的电弧仿真研究

3.1 SF6电弧特性仿真研究
SF6气体的电弧形成时间较长，并且不容易达到稳态。当 t=0.1ms 时，只 有微弱的电弧产生。在 2ms 左右时，电弧先在阳极侧相接触，并在电场的作用下继续向阴极 发展。当 t=8ms 左右时，电弧基本达到稳定。SF6电弧在喷口出气口附近的热气流效应较弱。 SF6电弧弧芯半径极细。造成上述原因是由于 SF6电弧在温度在 2000-3000K 时出现导热尖峰， 恒压热容数值较大，此时弧柱的热导率较低，弧柱外围区域的热导率较高，使得电弧边界区 域的温度较低，温度下降较快[2]。对比氮气与空气电弧，SF6电弧具有很高的电导率，但由于 SF6具有电负性，造成弧柱外围区域的电导率极小，而弧柱中心区域的电导率很高，因此造成 SF6电弧半径很细。SF6气体的分子摩尔质量以及气体的密度较大，造成喷口内气流流动紊乱， 产生一定的湍流效应。

3.2 氩气电弧特性仿真研究
在初始时刻，阴极先起弧，同时发现在阴极附近存在强烈的电场作用，使 由阴极尖端放电产生的放电通道继续向中心发展。当 t=20 μ s 时，阳极开始起弧。在 t=80 μ s 左右，阴阳极所形成的电弧通道相连接，由于存在指向弧柱方向的电场，使得电弧在电场的 作用下继续向弧柱发展。当 t=0.85ms 时，阳极附近的电弧在电场的作用下形成了一个高温区 域，同时，当 t=1ms 时，电弧在弧柱相接触。当 t=3.5ms 时，电弧基本达到稳定。氩气电弧的 高温区域范围较大，几乎没有低温区域，在阳极附近与弧柱的中心位置的温度较高，其他位 置温度趋于一致。

3.3 氮气电弧特性仿真研究
中惠普氮气发生器氮气在高温时才表现出良好的导热性能，恒压热容和导热系数出现最值，因此灭弧性能 不佳，相对灭弧性能为 0.01。恒压热容较大，为 1.038J/（Kg.k），对电弧有较好的冷却作用， 在特殊条件下可以替代 SF6气体作为灭弧介质。

4 结论

本文以磁流体模型为基础，耦合电场方程并考虑到气体传热条件，基于简化了的断路器 喷口结构，对 SF6、Ar、N2、空气进行电弧仿真研究。仿真研究后结论如下：
（1）电弧产生的初始阶段由于尖端存在，产生尖端放电，所以喷口边缘处先产生放电现象， 并且在径向电场力的作用下，电弧的高温区向两侧发展，而后，电场的方向发生改变，电弧 中的粒子受此时电场力的作用，向弧柱集中，出现本文的仿真结果。
（2）对比电弧的发展过程，SF6 电弧形成速度较慢，而且不容易达到稳态，电弧半径小；N2 与空气电弧发展过程相类似，存在明显的温度梯度，弧柱区与电弧外围区的温度相差较大， 高温区较细，低温区较宽；氩气电弧发展较快，而且电弧温度分布均匀，电弧高温区半径在 这四种气体电弧中最大。