電容器組投切用SF6斷路器介質恢復特性數值計算與試驗研究

林 莘 夏亞龍 劉衛東 王飛鳴 徐建源 李志兵

(1.沈陽工業大學電氣工程學院 沈陽 110870 2.清華大學電機系 北京 100084 3.中國電力科學研究院 北京 100192)

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電容器組投切用SF6斷路器介質恢復特性數值計算與試驗研究

林 莘1夏亞龍1劉衛東2王飛鳴1徐建源1李志兵3

(1.沈陽工業大學電氣工程學院 沈陽 110870 2.清華大學電機系 北京 100084 3.中國電力科學研究院 北京 100192)

針對126 kV電容器組專用SF6斷路器介質恢復特性進行數值計算與試驗研究。對斷路器滅弧室電場和氣流場進行數值計算，依據流注理論，得到斷路器觸頭間擊穿電壓曲線；搭建試驗回路對斷路器觸頭間隙動態擊穿特性進行試驗，測量斷路器合閘和分閘過程中的擊穿電壓；結合數值計算與試驗結果，分析不同壓強對斷路器合、分閘過程擊穿電壓的影響，給出高壓SF6斷路器介質恢復特性的變化規律。研究結果表明：對于同樣的觸頭間隙，合閘過程(平均速度4.7 m/s)擊穿電壓大于分閘過程(平均速度9.6 m/s)。

SF6斷路器 氣流場 動態擊穿 介質恢復

0 引言

隨著特高壓電網的快速發展，對特高壓工程無功補償中投切電容器組用SF6斷路器的要求較高，由于投切頻繁，SF6斷路器電氣壽命不足的問題十分突出[1-4]。電容器組SF6斷路器開斷過程恢復電壓高，易發生重擊穿，關合過程涌流幅值大(可達額定電流的十幾倍)、頻率高(可達幾千赫茲)，易造成觸頭嚴重燒損，是制約電容器組SF6斷路器電氣壽命不能大幅提高的主要原因[5-9]。為降低斷路器開斷過程弧后重擊穿幾率，提高電容器組專用SF6斷路器電氣壽命，研究開斷和關合過程介質恢復特性非常重要[10-13]。

SF6斷路器合閘和分閘過程是一個十分復雜的物理、化學過程，是一個多場耦合問題，計算斷路器介質恢復特性曲線是一項非常龐大的任務[11-17]。目前國內外學者利用流體力學計算軟件對斷路器介質恢復特性及其相關理論研究有了很大進步。文獻[18，19]測量了電弧電流過零后弧隙介質強度隨時間的變化特性，同時建立相應的二維非定常電弧數學模型，通過求解數學模型中質量守恒、動量守恒及能量守恒方程組，獲得弧柱內氣流速度分布和溫度分布關于時間的函數特性，得到介質恢復強度特性的理論計算結果。文獻[20，21]開展了SF6斷路器小電流開斷過程研究，建立了非平衡態等離子體電弧數學模型，并將數學模型應用到氣流場計算結果中，采用流注理論擊穿判據計算得到斷路器觸頭間擊穿電壓曲線，同時分析了觸頭燒損對介質恢復特性的影響。

斷路器進行分、合閘操作時，隨著觸頭的運動，一方面，觸頭間不均勻程度的改變引起電場分布發生非線性變化；另一方面，斷路器內氣體流動具有跨音速、可壓縮、有粘性及流路復雜等特點，觸頭間SF6氣體密度分布是一個動態變化過程[22-27]，目前在SF6斷路器觸頭間擊穿電壓的數值計算過程中，電場與氣流場數學模型仍建立在大量假設基礎上，存在較大的近似性，很難保證計算結果的準確度，而開展相應的試驗研究卻很少。為了獲得一條準確度較高的觸頭間擊穿電壓曲線，指導人們進行斷路器的設計與優化，同時為理論研究提供參考依據，中國電力科學研究院、清華大學和沈陽工業大學等多家單位合作，開展了高壓SF6斷路器觸頭間隙動態擊穿特性試驗，得到觸頭間擊穿電壓動態變化曲線。

通過電場與氣流場計算得到斷路器觸頭間隙擊穿電壓數值計算曲線，搭建斷路器觸頭間隙動態擊穿特性試驗回路，測量合閘和分閘過程中觸頭間擊穿電壓值，得到擊穿電壓隨開距變化的分布曲線，結合數值計算與試驗曲線，分析不同壓強對擊穿電壓的影響，給出高壓SF6斷路器介質恢復規律。

1 計算模型

1.1 雙動機構高壓SF6斷路器

圖1為126 kV電容器組SF6斷路器滅弧室結構示意圖。斷路器采用雙動機構，關合過程中，靜主觸頭保持不動，動主觸頭、動弧觸頭、大噴口及小噴口等結構整體向左運動，靜弧觸頭由于撥叉的杠桿轉向向右運動，實現動、靜弧觸頭雙向運動。同理，開斷過程中，靜主觸頭保持不動，動主觸頭、動弧觸頭、大噴口及小噴口等結構整體向右運動，靜弧觸頭向左運動。斷路器弧觸頭間的行程為200 mm，超程為50 mm，圖2給出了斷路器主觸頭間與弧觸頭間相對運動速度與行程曲線。

圖1 滅弧室結構示意圖1—SF6；2—靜主觸頭；3—大噴口；4—動主觸頭；5—壓氣室；6—靜弧觸頭；7—屏蔽罩；8—小噴口；9—動弧觸頭；10—活塞Fig.1 The structure diagram of arc extinguish chamber

圖2 斷路器速度和行程曲線Fig.2 The speed and stroke curve of circuit breaker

斷路器合閘和分閘過程中，隨著觸頭的運動，觸頭間的電場分布和氣流場流動狀況都會發生變化，引起SF6氣體介質強度的變化。目前可通過對觸頭運動過程中氣流場和電場的計算得到不同時刻滅弧室內氣體密度和電場強度分布，運用流注理論預測觸頭間隙的介質恢復強度。文獻[21]給出了SF6氣體的臨界擊穿電壓Ub與觸頭間密度ρ和電場強度E之間的關系

(1)

式中：Ub為臨界擊穿電壓，kV；ρ為觸頭間密度，kg/m3；E為單位電壓1 V下的電場強度，V/mm。

1.2 氣流場數學模型

斷路器滅弧室內SF6氣體流動遵守流體力學基本控制方程，包括質量守恒方程、動量守恒方程及能量守恒方程[28]。

質量守恒方程為

(2)

動量守恒方程為

(3)

式中：u、v、w分別為SF6氣體流速在x、y、z軸方向的分量，m/s；p、f分別為作用在SF6氣體微團上的表面力和體積力，Pa；τ為SF6氣體流動過程中受到的切應力，Pa。斯托格斯給出了牛頓流體中切應力τ與分子粘性系數μ與第二粘性系數λ之間的關系

(4)

能量守恒方程為

(5)

式中：q為單位質量SF6的體積加熱率，W/m3；k為熱導率，W/(m·K)；T為SF6氣體微團的溫度，K；e為 SF6分子流動過程中單位質量上的內能，J/m3。

假設SF6氣體在流動過程中滿足理想氣體狀態方程

P=ρRT

(6)

式中：P為SF6氣體壓強，Pa；R為氣體常數。

1.3 電場數學模型

滅弧室內電場計算，求解區域D內滿足拉氏方程，其數學表達式為[21]

(7)

式中：D為求解區域；S1為一類邊界條件；S2為二類邊界條件；φ為電位，V。電場強度E與電位φ的關系為E=-gradφ，大小為

(8)

2 斷路器介質恢復特性數值計算

2.1 氣流場計算結果

開斷過程中，觸頭分開后，高速流動的SF6氣體使得弧觸頭間形成一個低壓區域，引起弧觸頭間密度下降。當開距為17.7 mm時，觸頭間隙密度最小值下降到最低值24.6 kg/m3(0.7 MPa)、17.41 kg/m3(0.5 MPa)。合閘過程氣吹作用較小，觸頭間隙密度變化不大，一直保持在41.97 kg/m3(0.7 MPa)、29.98 kg/m3(0.5 MPa)附近。圖3為不同壓強下斷路器合閘和分閘過程中觸頭間隙密度最小值隨開距變化曲線。圖4和圖5是壓強分別為0.7 MPa及0.5 MPa，斷路器開距為17.7 mm時密度和壓強分布云圖。

圖3 觸頭間隙密度最小值計算曲線Fig.3 The numerical curve of minimum density between arc contact

圖4 壓強0.7 MPa、開距17.7 mm密度和壓強分布云圖Fig.4 Density and pressure contours when pressure is 0.7 MPa and clearance is 17.7 mm

圖5 壓強0.5 MPa、開距17.7 mm密度和壓強分布云圖Fig.5 Density and pressure contours when pressure is 0.5 MPa and clearance is 17.7 mm

2.2 電場計算結果

電場數值計算時，動弧觸頭和動主觸頭施加第一類邊界條件為：φ1=0V；靜主觸頭、靜弧觸頭及屏蔽罩施加第一類邊界條件為：φ2=1V。圖6為不同開距下滅弧室電場強度分布云圖。當斷路器開距小于15mm時，觸頭間場強最大值下降速度較快，15mm后場強最大值下降速度趨于緩慢。圖7為弧觸頭間場強最大值隨開距的分布曲線。

圖6 不同開距下滅弧室場強分布云圖Fig.6 Electric field strength contours of arc extinguish chamber under different clearances

圖7 觸頭間場強最大值計算曲線Fig.7 The numerical curve of maximum electric field strength between arc contact

2.3 擊穿電壓計算結果

將氣流場計算密度結果與電場計算場強結果帶入式(1)，得到如圖8所示斷路器觸頭間擊穿電壓曲線。分閘過程SF6氣體的高速流動，使得觸頭間密度最小值小于合閘過程，導致同樣的觸頭間隙下，分閘過程擊穿電壓值低于合閘過程。滅弧室壓強降低也使得斷路器觸頭間最小密度下降，引起觸頭間擊穿電壓值降低。

圖8 觸頭間擊穿電壓分布曲線Fig.8 Breakdown voltage curve between contacts

3 斷路器動態擊穿特性的試驗

3.1 試驗回路設計

為獲得斷路器觸頭間動態擊穿電壓曲線，作為判斷斷路器開斷過程弧后是否發生重擊穿以及關合過程關合相角確定和控制的依據，搭建如圖9所示斷路器觸頭間隙動態擊穿特性試驗電路，完成觸頭間擊穿電壓的測量。

圖9 斷路器觸頭間隙動態擊穿特性試驗電路Fig.9 The experimental circuit of dynamic breakdown characteristics of gap between arc contacts

IEC62271-100∶2008中規定額定電壓126kV的電容器組斷路器，瞬態恢復電壓(TRV)的要求為

t=8.7 ms

(9)

因此，試驗過程中，斷路器整個關合和開斷過程中C5的電壓應不低于281 kV，考慮試驗中C5電荷不斷釋放，電壓不斷降低，選擇電壓降低系數為0.8，則C5上的起始電壓應不低于281/0.8=351 kV，電容C5=0.5 μF，C6=200 pF，C7=4 μF。據此，選擇高壓試驗變壓器VT的額定輸出電壓100 kV，構成直流倍壓回路的電容C1、C2、C3、C4的額定工作電壓為200 kV，高壓硅堆VD1、VD2、VD3、VD4的反向耐受電壓為300 kV，高壓電容C5和C6的額定電壓為400 kV。

斷路器關合過程中：

1)隨著斷路器觸頭間隙減小，弧觸頭間SF6介質在C6兩端的電壓下擊穿。

2)擊穿過程產生電弧，使得C6內的電荷迅速釋放，C6兩端電壓快速下降，當C6兩端電壓不足以維持斷路器觸頭間電弧燃弧時，電弧熄滅。

3)熄弧后，C5通過R對C6充電，C5?C6，C5兩端電壓下降較低，C6電壓迅速上升。

4)當C6電壓上升到一定數值時，再次導致觸頭間隙擊穿。

5)上述充電、擊穿、放電、熄弧、再充電過程的重復，形成斷路器關合過程重復擊穿過程。

6)隨著觸頭開距的不斷減小，擊穿電壓減小，直至斷路器完成關合過程。

7)測量觸頭間隙擊穿電壓隨時間的變化，得到斷路器關合過程的觸頭間隙動態擊穿特性。

同理可測得斷路器開斷過程觸頭間隙擊穿電壓隨時間的變化特性。斷路器觸頭間隙動態擊穿特性試驗現場及試驗斷路器如圖10所示。試驗過程中，調整VD1、VD2、VD3和VD4方向，使試驗回路中產生正電壓施加在斷路器靜弧觸頭側為試驗正極性，反之，則為試驗負極性。

圖10 斷路器觸頭間隙動態擊穿特性試驗現場Fig.10 The experimental field of dynamic breakdown characteristics of gap between arc contact

3.2 擊穿特性試驗結果

壓強分別為0.7 MPa及0.5 MPa時，正、負極性各進行12組試驗。圖11a為正極性第1組試驗測量結果，試驗測量結果與分壓比相乘并進行降噪處理，得到降噪后斷路器合閘和分閘過程中行程與擊穿電壓曲線如圖11b所示，圖11c、圖11d分別為斷路器合閘、分閘擊穿過程中行程與擊穿電壓曲線。圖12為負極性第1組試驗行程與擊穿電壓曲線。圖13、圖14分別為壓強0.5 MPa時，斷路器觸頭間行程與擊穿電壓試驗曲線。

圖11 壓強0.7 MPa正極性擊穿電壓與行程試驗曲線Fig.11 Breakdown voltage and stroke curve when pressure is 0.7 MPa under positive polarity

圖12 壓強0.7 MPa負極性行程與擊穿電壓試驗曲線Fig.12 Breakdown voltage and stroke curve when pressure is 0.7 MPa under negative polarity

圖13 壓強0.5 MPa正極性行程與擊穿電壓試驗曲線Fig.13 Breakdown voltage and stroke curve when pressure is 0.5 MPa under positive polarity

圖14 壓強0.5 MPa負極性擊穿電壓與行程試驗曲線Fig.14 Breakdown voltage and stroke curve when pressure is 0.5 MPa under negative polarity

4 結果與分析

4.1 數值計算與試驗結果

圖15和圖16是壓強分別為0.7 MPa和0.5 MPa時弧觸頭間擊穿電壓的數值計算曲線與試驗擬合曲線。開距在15～22 mm時，由于觸頭間隙密度最小值先下降后上升，擊穿電壓數值計算結果也隨之出現先下降后上升的現象。對比數值計算與試驗結果可知，分閘過程擊穿電壓數值計算結果與試驗結果吻合較好，合閘過程數值計算結果整體低于試驗結果。在相同的觸頭開距，開距較小時正、負極性擊穿電壓相差不大，達到一定開距后，正極性擊穿電壓值大于負極性，斷路器滅弧室內SF6氣體表現出“反極性”效應。

圖15 壓強0.7 MPa數值計算與試驗結果Fig.15 The numerical and experimental results when pressure is 0.7 MPa

圖16 壓強0.5 MPa數值計算與試驗結果Fig.16 The numerical and experimental results when pressure is 0.5 MPa

關于計算結果與試驗數據有偏差以及滅弧室內出現“反極性”效應，現有的流注理論不夠完善也不能很好地解釋。研究斷路器合閘和分閘過程SF6氣體動態過程擊穿機理，完善數值計算方法將是下一步工作的重要內容。

圖17為斷路器在開斷過程中介質恢復特性曲線。壓強分別為0.7 MPa和0.5 MPa時，觸頭間擊穿電壓值大于TRV值，擊穿電壓上升率(平均97.8 kV/ms)也高于TRV上升率(32.3 kV/ms)，斷路器具有優良的空載開斷特性。

圖17 開斷過程介質恢復特性曲線1—0.7 MPa正極性試驗擊穿電壓；2—0.7 MPa負極性試驗擊穿電壓；3—0.5 MPa正極性試驗擊穿電壓；4—0.5 MPa負極性試驗擊穿電壓；5—0.7 MPa計算擊穿電壓；6—0.5 MPa計算擊穿電壓；7—TRV。Fig.17 Dielectric recovery curve of breaking process

4.2 合閘和分閘過程對介質恢復特性的影響

針對不同壓強下的試驗結果，分別提取12組試驗測量擊穿點的電壓值及對應開距，采用分段樣條平滑方法對各擊穿點數據進行擬合，得到觸頭間隙擊穿電壓值隨開距動態變化擬合曲線。斷路器開斷過程中，平均速度為9.6 m/s，由氣流場計算結果可知，觸頭剛分不久后，觸頭間SF6氣體密度下降，而關合過程平均速度僅為4.7 m/s，觸頭間SF6氣體密度變化不大。當開距一定時，觸頭間電場分布相差不大，因此，SF6氣體密度以及合、分閘速度的不同使得合閘過程擊穿電壓Uh明顯高于分閘過程擊穿電壓Uf，滅弧室內氣體壓強越大，現象越明顯，圖18、圖19分別為合、分閘過程擊穿電壓試驗結果。當斷路器開距為10 mm時：①P=0.7 MPa、正極性，Uh=256.1 kV，Uf=143.7 kV；②P=0.7 MPa、負極性，Uh=224.9 kV，Uf=133.5 kV；③P=0.5 MPa、正極性，Uh=141.1 kV，Uf=130.8 kV；④P=0.5 MPa、負極性，Uh=173.1 kV，Uf=110.8 kV。

圖18 壓強0.7 MPa擊穿電壓試驗曲線Fig.18 Breakdown voltage curve when pressure is 0.7 MPa

圖19 壓強0.5 MPa擊穿電壓試驗曲線Fig.19 Breakdown voltage curve when pressure is 0.5 MPa

4.3 不同壓強對介質恢復特性的影響

圖20 正極性擊穿電壓試驗曲線Fig.20 Breakdown voltage curve of positive polarity

圖21 負極性擊穿電壓試驗曲線Fig.21 Breakdown voltage curve of negative polarity

斷路器滅弧室壓強由0.5 MPa升高到0.7 MPa時，觸頭間隙SF6氣體介質密度平均值上升12 kg/m3，觸頭間隙擊穿電壓值增大。圖20、圖21為壓強分別0.5 MPa和 0.7 MPa時擊穿電壓隨開距變化曲線。當斷路器開距達到10 mm時，滅弧室壓強從0.5 MPa升高到0.7 MPa，正極性合閘過程擊穿電壓值由141.0 kV上升到271.1 kV，分閘過程由129.6 kV上升到152.3 kV；負極性合閘過程擊穿電壓值由173.1 kV上升到233.5 kV，分閘過程由111.0 kV上升到138.1 kV。

5 結論

針對高壓SF6斷路器介質恢復特性，完成斷路器觸頭間隙動態擊穿電壓的數值計算與試驗測量。結合數值計算與試驗結果，得到高壓SF6斷路器動態介質恢復特性規律。

1)對比數值計算與試驗結果，分閘過程數值計算與試驗結果吻合度較高，合閘過程數值計算結果整體低于試驗結果。研究斷路器合閘和分閘過程SF6氣體動態過程擊穿機理，完善數值計算方法將是下一步工作的重要內容。

2)SF6介質恢復過程中，當斷路器開距較小時，正、負極性擊穿電壓相差不大，達到一定開距后，相同開距下正極性擊穿電壓大于負極性，表現出“反極性”效應。

3)斷路器在相同的開距下，合閘過程(平均速度9.6 m/s)擊穿電壓值大于分閘過程(平均速度4.7 m/s)。工程實踐中，往往認為合閘過程與分閘過程擊穿電壓相差不大，研究結果可為以后斷路器設計與優化及相應試驗工作提供參考。

4)斷路器滅弧室壓強增大，觸頭間的擊穿電壓上升，合閘過程擊穿電壓上升幅度大于分閘過程。當斷路器壓強由0.5 MPa增加到0.7 MPa，開距為10 mm時，正極性合閘過程擊穿電壓上升130.1 kV(92.27%)，分閘過程上升22.7 kV(17.52%)；負極性合閘過程擊穿電壓上升60.4 kV(34.89%)，分閘過程上升27.1 kV(24.41%)。

[1] 劉振亞.中國特高壓交流輸電技術創新[J].電網技術，2013，37(3)：566-574. Liu Zhenya.Innovation of UHVAC transmission technology in China[J].Power System Technology，2013，37(3)：566-574.

[2] 劉振亞.中國電力與能源[M].北京：中國電力出版社，2012.

[3] 榮命哲，楊飛，吳翊，等.直流斷路器電弧研究的新進展[J].電工技術學報，2014，29(1)：1-8. Rong Mingzhe，Yang Fei，Wu Yi，et al.New developments in switching arc research in DC circuit breaker[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2014，29(1)：1-8.

[4] 管瑞良，劉洪武.有源配電網中的斷路器應用研究[J].電力系統保護與控制，2015，43(3)：127-130. Guan Ruiliang，Liu Hongwu.Application study on low voltage circuit breakers used for active electric network[J].Power System Protection and Control，2015，43(3)：127-130.

[5] 林莘.現代高壓電器技術[M].北京：機械工業出版社，2011.

[6] 李鑫濤，林莘，徐建源，等.基于FEM-FCT法的均勻電場下SF6氣體擊穿特性[J].高電壓技術，2014，40(10)：3046-3053. Li Xintao，Lin Xin，Xu Jianyuan，et al.Breakdown characteristics of SF6in uniform electric field using FEM-FCT[J].High Voltage Engineering，2014，40(10)：3046-3053.

[7] 吳翊，榮命哲，王小華，等.觸頭打開過程中低壓空氣電弧等離子體的動態分析[J].電工技術學報，2008，23(5)：12-17. Wu Yi，Rong Mingzhe，Wang Xiaohua，et al.Dynamic analysis of low-voltage air arc plasma during contact opening process[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2008，23(5)：12-17.

[8] Uhm H S，Byeon Y S，Song K B，et al.Analytical investigation of electrical breakdown properties in a nitrogen-SF6mixture gas[J].Physics of Plasmas，2010，17(11)：113510-113510-8.

[9] Bini R，Mahdizadeh N，Seeger M，et al.Measurements and simulation of the dielectric recovery in a SF6circuit breaker[C].17th International Conference on Gas Discharges and Their Applications，Cardiff，2008：113-116.

[10]Wu Yi，Rong Mingzhe，Sun Zhiqiang，et al.Numerical analysis of arc plasma behavior during contact opening process in low-voltage switching device[J].Journal of Physics D：Applied Physics，2007，40(3)：795-802.

[11]榮命哲，楊茜，范春朵.高壓自能式SF6斷路器電弧能量作用過程仿真[J].中國電機工程學報，2004，24(2)：92-97. Rong Mingzhe，Yang Qian，Fan Chunduo.Simulation of the process of arc energy-effect in H.V.auto-expansion SF6circuit breaker[J].Power of the CSEE，2004，24(2)：92-97.

[12]劉衛東，吳俊勇，黃瑜瓏，等.SF6斷路器強電流開斷噴管內壓力測量[J].中國電機工程學報，2010，30(7)：131-136. Liu Weidong，Wu Junyong，Huang Yulong，et al.Pressure measurement in SF6circuit breaker’s nozzle in heavy current interruption[J].Power of the CSEE，2010，30(7)：131-136.

[13]林莘，鐘建英.自能式斷路器滅弧室氣流場計算的一種新思路[J].中國電機工程學報，2003，23(10)：164-168. Lin Xin，Zhong Jianying.A new thought for computation of gas flow field in the arc-quenching chamber of self-blasting circuit breaker[J].Proceeding of the CSEE，2003，23(10)：164-168.

[14]林莘，劉克彬.自能式SF6斷路器在不同氣壓和操作功下滅弧室壓力特性計算[J].電網技術，2007，40(10)：22-25. Lin Xin，Liu Kebin.Puffer characteristic calculation in different initial gas pressure and operating force of self-extinguishing SF6circuit breaker[J].Power System Technology，2007，40(10)：22-25.

[15]馬強，榮命哲，Murphy Anthony B，等.考慮器壁侵蝕影響的低壓斷路器電弧運動特性仿真及實驗[J].電工技術學報，2009，24(12)：74-81. Ma Qiang，Rong Mingzhe，Murphy Anthony B，et al.Simulation and experiment on air arc characteristics in low-voltage circuit breaker considering wall ablation[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2009，24(12)：74-81.

[16]榮命哲，劉定新，李美，等.非平衡態等離子體的仿真研究現狀與新進展[J].電工技術學報，2014，29(6)：271-282. Rong Mingzhe，Liu Dingxin，Li Mei，et al.Research status and new progress on the numerical simulation of non-equilibrium plasmas[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2014，29(6)：271-282.

[17]Isaac L T，Jones G R，Humphries J E，et al.Monitoring particle concentrations produced by arcing in SF6circuit breakers using a chromatic modulation probe[J].IEEE Proceedings Science Measurement and Technology，1999，146(4)：199-204.

[18]Schade E，Regaller K.Dielectric recovery of an axially blown SF6arc after current zero：Part I-experimental investigations[J].IEEE Transactions on Plasma Science，1982，10(3)：141-153.

[19]Regaller K，Egli W， Brand K P.Dielectric recovery of an axially blown SF6arc after current zero：Part Ⅱ-theoretical investigations[J].IEEE Transactions on Plasma Science，1982，10(3)：154-162.

[20]王飛鳴，林莘，徐建源.高壓SF6斷路器非平衡態等離子體電弧的熄弧特性[J].高電壓技術，2014，40(10)：3073-3084. Wang Feiming，Lin Xin，Xu Jianyuan.Extinction characteristics of non-equilibrium plasma arc in high-voltage SF6circuit breaker[J].High Voltage Engineering，2014，40(10)：3073-3084.

[21]林莘，李鑫濤，王飛鳴，等.觸頭燒損對SF6斷路器介質恢復特性的影響[J].高電壓技術，2014，40(10)：3125-3134. Lin Xin，Li Xintao，Wang Feiming，et al.Dielectric recovery characteristics of SF6circuit breaker considering contact burning loss[J].High Voltage Engineering，2014，40(10)：3125-3134.

[22]魏俊梅.800kV SF6高壓斷路器的研究與開發[D].沈陽：沈陽工業大學，2008.

[23]馬強，榮命哲，Murphy Anthony B，等.考慮電機燒蝕影響的低壓斷路器電弧運動特性仿真及實驗[J].中國電機工程學報，2009，29(3)：115-120. Ma Qiang，Rong Mingzhe，Murphy Anthony B，et al.Simulation and experiment research on air arc movement characteristics in low-voltage circuit breaker considering electrodes erosion[J].Power of the CSEE，2009，29(3)：115-120.

[24]Vahid A，Ahmad G，Kaveh N.Three-dimensional simulation of plasma deformation during contact opening in a circuit breaker，including the analysis of kink instability and sausage instability[J].Plasma Science and Technology，2012，14(11)：996-1001.

[25]朱凱，李興文，趙虎，等.高壓氣體斷路器弧后電流特性的實驗研究[J].中國電機工程學報，2014，34(21)：3512-3517. Zhu Kai，Li Xingwen，Zhao Hu，et al.Experimental study on characteristics of post-arc current of high voltage gas circuit breaker[J].Power of the CSEE，2014，34(21)：3512-3517.

[26]方春恩，梁鳴華，龐力，等.斷路器相控開斷短路電流智能控制裝置研究[J].電力系統保護與控制，2012，40(23)：138-144. Fang Chunen，Liang Minghua，Pang Li，et al.Research on intelligent control unit for circuit breakers controlled fault interruption[J].Power System Protection and Control，2012，40(23)：138-144.

[27]杜書平，吳俊芳，趙 敏，等.SF6彈簧操作機構斷路器與重合閘配合問題的淺析[J].電力系統保護與控制，2009，37(19)：122-126. Du Shuping，Wu Junfang，Zhao Min，et al.Analysis of SF6circuit breaker with spring operating mechanism fitting for reclosure[J].Power System Protection and Control，2009，37(19)：122-126.

[28]Anderson John D，Jr.Computational fluid dynamics：the basics with applications[M].New York：R.R.Donnelley & Sons Company，1995.

The Numerical Computation and Experiment Research on Dielectric Recovery Characteristics of SF6Circuit Breaker for Switching Capacitor Bank

LinXin1XiaYalong1LiuWeidong2WangFeiming1XuJianyuan1LiZhibing3

(1.School of Electrical Engineering Shenyang University of Technology Shenyang 110870 China 2.Department of Electrical Engineering Tsinghua University Beijing 100084 China 3.China Electric Power Research Institute Beijing 100192 China)

The dielectric recovery characteristics of the capacitor bank SF6circuit breaker is studied through numerical computation and experiment.The electric field and the flow field of the arc quenching chamber is calculated，and then the breakdown voltage curve between contacts can be obtained based on the stream theory.The experimental circuit is set up for the experiment of gap dynamic breakdown characteristics between arc contacts，and the breakdown voltage is measured during the closing and breaking process of the circuit breaker.The numerical and experimental results are then combined to acquire the dielectric recovery characteristics of the SF6circuit breaker by analyzing the influence of different pressure on the breakdown voltage between contacts.The results show that the breakdown voltage of the closing process (with 4.7 m/s average speed) is greater than that of the breaking process (with 9.6 m/s average speed) for the same contact gap.

SF6circuit breaker，gas flow field，dynamic breakdown，dielectric recovery

國家自然科學基金(51277123、51177104)和國家電網公司科技項目(GY17201200063)資助。

2015-02-05 改稿日期2015-06-20

TM561

林 莘 女，1961年生，教授，博士生導師，研究方向為高壓電器、高電壓與絕緣技術、智能電器。

夏亞龍 男，1989年生，博士研究生，研究方向為高壓電器理論及電工裝備的設計。(通信作者)