高海拔環境下大容量直流空氣斷路器滅弧性能研究

李 靜 易晨曦 彭世東 曹云東 于龍濱

高海拔環境下大容量直流空氣斷路器滅弧性能研究

李 靜1易晨曦1彭世東1曹云東1于龍濱2

（1. 沈陽工業大學特種電機與高壓電器重點實驗室 沈陽 110870 2. 遼寧省電力有限公司電力科學研究院 沈陽 110006）

高原軌道交通和電工產業轉型對起關鍵保護作用的大容量直流空氣斷路器（LC-DCCB）提出了更高要求，但現有產品在高海拔地區的開斷仍存在一定問題。該文以軌道交通用LC-DCCB為研究對象，首先基于磁流體動力學（MHD）理論，考慮湍流效應的影響，對其在高海拔環境下開斷18 kA短路電流進行仿真；然后對電弧形態及滅弧室內溫度場、電磁場、氣流場進行分析，得出高海拔地區空氣電弧開斷困難的主要原因；最后根據仿真與理論分析，考慮采用合理數量和布局的間插式U型柵片改善電弧開斷特性。結果表明：隨著海拔的升高，電弧前期運動速度加快，但斷路器的滅弧性能降低；在高海拔環境下電弧存在嚴重的弧根粘滯和弧根拖尾現象，弧根拖尾畸變空間電場，不利于熄弧；同時，在不同海拔環境下，電弧會產生不同程度的反向運動現象，易導致弧后重燃。該研究深入揭示了高海拔環境下LC-DCCB電弧演變過程及復雜開斷現象背后的物理本質，可為該類產品研發提供理論指導。

高海拔 大容量直流空氣斷路器 弧根拖尾 電弧反向 弧后重燃

0 引言

大容量直流空氣斷路器（Large-Capacity Direct Current air Circuit Breaker, LC-DCCB）滅弧室與大氣連通，抗震能力強，無漏氣風險，作為車載斷路器廣泛應用于城市軌道交通領域[1]。由于城市化進程加快，機車編組增長、功率增加，車載直流空氣斷路器逐步向大電流、大容量方向發展[2]。近年來，我國中西部高海拔城市大力推進城市軌道交通建設，直流空氣斷路器工作環境也轉向高海拔地區。海拔每升高1 km氣壓約下降10 kPa，當直流空氣斷路器在高海拔地區開斷短路電流時，開斷失敗的概率增加，嚴重影響高海拔地區城市軌道交通運行的可靠穩定性。因此，新國標[3]對高海拔開關設備提出了更高要求，高海拔環境下的開斷問題受到研究者的關注，逐漸成為城市軌道交通領域亟待解決的關鍵技術問題。

直流空氣斷路器的開斷過程可通過電弧動態演化過程表征，因此建立電器電弧數值仿真模型，模擬電弧演變過程中相互耦合的多物理場，獲得影響開斷的關鍵因素及調控措施，提升開斷能力，是當前直流空氣斷路器的研究重點[4-5]。國內外學者對直流空氣斷路器滅弧性能進行了大量研究，Huo Jindong等研究了材料產氣作用下斷路器滅弧特性，并考慮了Stefan流的影響，結果表明使用產氣材料可為直流快速開斷提供新的解決思路[6]。彭世東等使用耦合永磁體磁場的磁流體動力學（Magneto-Hydro Dynamics, MHD）模型研究了柵片材料與結構對滅弧性能的影響，發現柵片傾角與材料的優化可以加速電弧開斷過程[7]。趙杰等將磁流體仿真與正交實驗相結合，通過仿真實驗與優化算法，從跑弧道形狀、柵片數量等角度出發對滅弧性能進行優化[8]。Ma Ruiguang等建立大容量直流空氣斷路器三維模型，發現隨著滅弧室寬度增加，燃弧時間增長[9]。楊茜等發現滅弧室內弧根拖尾現象，認為滅弧室內氣流場是導致弧根拖尾的主要原因[10]。Huo Jindong等通過改進的MHD模型，發現了滅弧室內電弧的反向運動現象[11]。本課題組也通過高速攝像機拍攝到了磁吹直流空氣斷路器中弧根躍遷時的雙弧根現象，證明鞘層是引起雙弧根的主要原因，觸頭熔蝕產生的銅蒸氣并不總是對開斷起阻礙作用[12]。但上述研究都是針對0 km海拔環境下的開關電器滅弧性能研究。

高海拔（低氣壓）環境下的分斷電弧過程與 0 km海拔環境不同，由于高海拔環境氣壓低，放電發生時電子碰撞的平均自由程更長，電弧的形成和發展與低海拔存在明顯區別。在航空航天領域，研究者對極低氣壓環境下的表面放電、電暈放電等問題進行了相關研究[13-14]，其中對航空直流開關電器電弧的研究主要集中在電弧侵蝕[15]和磁場調控[16]方面。此外，在其他設備中的低氣壓電弧研究方面，文獻[17-19]研究了高海拔環境下氣體間隙放電特性、擊穿特性和電弧發展規律；文獻[20-21]研究了弓網電弧在高海拔環境下的運動特性和發展規律。在高海拔環境下的開關電器電弧開斷研究方面，研究者對電力系統開關設備[22]、微型空氣斷路器[23]和塑殼斷路器[24]的工作狀態進行了研究，得出海拔環境對開關電器的操作性能、熱電性能、溫升、電接觸壽命等參數的影響規律，并對高海拔用低壓開關設備的工作電壓等參數進行了修正。但上述研究主要涉及高海拔環境微型/小型直流空氣斷路器，且對高海拔環境下開關設備滅弧性能的研究不足。關于LC-DCCB在高海拔環境下的開斷問題和滅弧性能研究目前還未見報道。

為此，本文建立高海拔環境下LC-DCCB瞬態電弧模型，考慮湍流效應的影響，對其在不同海拔環境下短路電流分斷過程中的電弧動態運動特性進行仿真，并分析了弧根粘滯和弧根拖尾現象的成因以及其對滅弧性能的影響，得出高海拔環境下LC-DCCB分斷短路電流困難的根本原因。結合仿真結果與理論分析，考慮采用間插式U型柵片改善電弧特性。該研究可為高海拔用LC-DCCB的設計和改進提供理論依據和參考。

1 仿真模型和邊界條件

本文以城市軌道交通用LC-DCCB為研究對象，根據不同海拔環境下相應空氣介質的物性參數，建立磁流體動力學（MHD）電弧模型，進行高海拔環境下LC-DCCB分斷18 kA（實際產品開斷短路電流參數）短路電流過程的電弧仿真。

1.1 幾何模型

本文所采用的LC-DCCB滅弧室幾何模型如圖1所示，幾何尺寸在圖中標注。其中金屬柵片和跑弧道為銅質材料，絕緣器壁為石英材料。滅弧室內含柵片60個，柵片間距為5 mm。

圖1 滅弧室幾何模型

1.2 基本假設

LC-DCCB分斷短路電流時，電弧首先在觸頭間產生，弧根在觸頭上短暫停留后即在磁吹力的作用下迅速跳躍至跑弧道并向柵片運動。當電弧跳躍至跑弧道后，大電流電弧強烈的熱效應作用在大容量滅弧室內形成湍流[25]，電弧燒蝕產生的金屬蒸氣迅速在滅弧室內擴散。由于滅弧室體積大，金屬蒸氣濃度在整個燃弧期間均較低。柵片切割電弧是空氣斷路器滅弧的關鍵，因此本文主要關注電弧運動及柵片切割電弧過程，不考慮弧前過程與觸頭打開過程。基于此，本文作出如下假設：①電弧弧柱區完全電離，處于局部熱力學平衡狀態；②忽略金屬材料相變過程和滅弧室內金屬蒸氣的影響；③滅弧室內流體流動為湍流且為不可壓縮流動；④電弧等離子體的物性參數視為僅與溫度和壓強相關的函數[26]。

1.3 控制方程

本文以考慮湍流效應的MHD模型為基礎，建立LC-DCCB在不同海拔環境下電弧瞬態數學模型。MHD模型控制方程可以用統一的形式表示為

式中，為電弧等離子體密度，大小與溫度、壓強相關；為時間；為等離子體速度矢量；為場變量；Γ為電弧等離子體對應場的物性參數；S為對應場的源項。式（1）中的變量與參數見表1。表中，和分別為方向和方向的氣體流速；為流體動力粘度；為焓；為熱導率；c為比定壓熱容；為電位；為電導率；為矢量磁位。

表1 式（1）中的變量與參數

Tab.1 Variables and parameters of Equ.(1)

本文采用-湍流模型描述滅弧室內的剪切流輸運，模型包含關于湍流動能和湍流耗散率的兩個輸運方程[27]。

描述湍流動能的輸運方程為

描述湍流耗散率的輸運方程為

由于電弧溫度高，其輻射散熱不可忽略。本文根據文獻[28]采用簡化計算公式描述電弧輻射散熱過程，有

1.4 邊界條件

來自陽極的正離子在電場的加速下運動到陰極被陰極吸收，并在陰極表面產生熱量。隨著陰極被逐漸加熱，更多的電子在陰極發射，將導致陰極冷卻。陰極熱平衡方程為

陰極發射的電子在電場的作用下向陽極加速運動并碰撞產生電子，電子運動到陽極被吸收并在陽極產生熱量。陽極只考慮電子加熱，其熱平衡方程為

本文研究對象為自激吹弧式斷路器，根據文獻[29]的研究，在整個模型計算區域施加均勻分布的20 mT橫向磁場模擬外部磁吹裝置的作用，邊界條件的設置見表2。

表2 邊界條件

Tab.2 Boundary conditions

1.5 主要參數設置

本文根據GB/T 20645—2021《特殊環境條件高原用低壓電器技術要求》相關規定[3]，將海拔0～5 km劃分為5個等級，見表3。

物性參數是求解MHD方程的基礎，不同海拔環境下的空氣物性參數顯著不同，各海拔環境下空氣物性參數使用文獻[26]提供的方法計算得到。

表3 不同海拔環境下大氣壓強和溫度

Tab.3 Air pressure and ambient temperature at different altitudes

為了提高模型收斂性并保證計算精度，模型網格采用三角形網格剖分。根據滅弧室內近壁面湍流特性，在空氣和金屬交界面使用矩形邊界層網格。

2 仿真結果與分析

2.1 不同海拔環境下LC-DCCB的開斷過程

海拔0 km滅弧室內溫度及氣流場分布如圖2所示。圖中滅弧室中線左側為溫度分布，右側為氣流場分布。5 ms時，電弧尚未進入柵片區，弧根由水平跑弧道經過跑弧道彎角，電弧逐漸拉長；7 ms時，電弧即將進入柵片，此時弧根已完全經過跑弧道彎角處，電弧形態呈倒“C”字型；10 ms時，電弧被柵片切割，滅弧室中線處電弧運動速度最快，兩側運動較慢，同時弧根沿水平跑弧道分別向左右兩側運動，弧根后部有高溫氣體殘留；14 ms時，弧根運動速度減慢，出現弧根粘滯現象，有明顯的高溫氣體在弧根后部停留（弧根拖尾）；18 ms時電弧完全進入柵片，柵片利用率達100%，同時電弧中心部分沖出柵片區；22 ms時，電弧弧根通過熱擊穿完成由水平跑弧道向豎直跑弧道上的弧根轉移，此時電弧形態呈多峰狀態，位于滅弧室中線兩側附近電弧發生反向運動，且水平跑弧道上仍然存在弧根產生的高溫氣體；26 ms后電弧溫度快速下降，電弧趨于熄滅。

圖2 海拔0 km滅弧室內溫度及氣流場分布

海拔2～5 km滅弧室內溫度分布如圖3所示。由圖3可知，當弧根在水平跑弧道上運動時，海拔高度對電弧形態影響不大，電弧都是由倒“C”字型演變為多峰狀態；但電弧進入柵片時刻隨著海拔升高而提前，海拔0 km時，電弧在7 ms時刻進入柵片，海拔5 km時，電弧在4.8 ms時刻進入柵片，表明海拔越高，電弧在進入柵片前運動速度越快。這是由于海拔越高，空氣密度越小，動力粘度越小，越有利于電弧運動[30]。

圖3 海拔2～5 km滅弧室內溫度分布

海拔環境對電弧開斷過程的影響在弧根由水平跑弧道轉移至豎直跑弧道后更顯著。圖4為不同海拔高度電弧電流、電弧電壓及電弧功率隨時間變化曲線。由圖4可得，海拔0 km下，23.5 ms時電弧電壓上升至電源電壓，電弧電流和電弧功率下降至0，電弧熄滅。海拔2 km和3 km下，電弧燃弧后期電弧功率下降更為緩慢，在40 ms后電弧熄滅，其燃弧時間長于海拔0 km下電弧的燃弧時間，且在70 ms后發生電弧重燃（電弧電壓由電源電壓陡然下降，電弧電流由0突變）。海拔高度4 km和5 km下，電弧未能成功熄滅，斷路器開斷失敗。這是由于隨著海拔的升高，空氣熱導率下降，不利于電弧能量耗散。根據巴申定理，在一定范圍內，氣壓減小，擊穿電壓下降，電弧重燃的概率增大，同時高海拔環境會削弱空氣介質恢復強度，導致海拔2 km和3 km易發生電弧重燃。海拔4 km和5 km時，電弧行為與海拔0 km相比有顯著不同，因為海拔 5 km的氣壓只有海拔0 km下的一半，且空氣介質物性參數有明顯區別，因此海拔升高，滅弧室熱量耗散能力下降，易于高溫電弧維持燃燒，導致海拔4 km和5 km環境下斷路器難以完成開斷。

圖4 不同海拔高度電弧電流、電弧電壓及電弧功率隨時間變化曲線

圖4中，電弧電流在20 ms左右存在一定程度的上升，對應電弧電壓存在一定程度下降。結合圖3可知，這是弧根由水平跑弧道轉移至豎直跑弧道所致，這種弧根轉移現象導致電弧弧長突然變短，因此電弧電壓下降，電弧電流上升。

根據上述分析，將不同海拔環境下的電弧關鍵行為歸納為表4。由表4可得，隨著海拔高度的增加，電弧進入柵片時刻提前，但燃弧時間反而增加。由于高海拔環境本身不利于電弧能量耗散，加之滅弧室密集的柵片結構限制了電弧輻射散射，斷路器在高海拔環境下開斷時，電弧過早地進入柵片區反而更利于電弧維持高溫燃燒狀態。同時，由于高海拔環境下的氣壓、熱導率、電導率差異，將共同導致高海拔環境下燃弧時間增加。

表4 電弧關鍵行為及其發生時刻

綜上所述，電弧運動過程中會出現弧根粘滯、弧根拖尾和電弧反向現象，這些現象會對不同海拔環境下LC-DCCB的開斷性能產生不同的影響，下文將結合仿真數據對這些現象進行深入分析。

2.2 高海拔環境下電弧運動特殊現象

2.2.1 高海拔環境下弧根粘滯和拖尾現象

本文將斷路器分斷電弧過程中，弧根長時間不運動或運動速度極為緩慢的現象稱為弧根粘滯現象，將弧根運動過程中在所經過區域產生的高溫氣體長時間難以消散的現象稱為弧根拖尾現象。為了更清晰地呈現弧根運動狀態，提取滅弧室左側弧根在水平跑弧道運動時，其與滅弧室中線的距離隨時間的變化如圖5所示，該時間段內弧根處的溫度分布及氣流場分布如圖6所示。

由圖5可知，隨著時間增加，弧根與滅弧室中線距離變化率逐漸減緩，即弧根運動速度逐漸降低。同時高海拔環境下弧根與滅弧室中線距離變化率更快，表明弧根運動速度下降更快。由圖6可得，15 ms左右，弧根僅在水平跑弧道上小范圍運動，發生弧根粘滯現象，且在弧根經過區域，有明顯的高溫氣體聚集在水平跑弧道附近（藍色框線表示高溫氣體聚集區范圍），產生弧根拖尾現象。

圖5 弧根與滅弧室中線距離隨時間變化

圖6 電弧左側弧根溫度及氣流場分布

弧根由滅弧室入口轉移至水平跑弧道要經過跑弧道彎角，導致弧根運動速度減慢，有利于弧根附近高溫氣體的產生。當弧根經過跑弧道彎角后，在氣流場和電磁力的共同作用下，弧根將沿水平跑弧道運動，但高溫氣體不能快速消散，形成圖6所示的高溫氣體聚集區。高溫氣體聚集形成溫度梯度差，溫度梯度差進一步導致區域壓力差，進而形成氣流漩渦。隨著時間的增加，該氣流漩渦不斷擴大，攜帶高溫氣體向跑弧道入口處移動。同時，氣流漩渦會使弧根受到與其運動方向相反的力，產生弧根粘滯現象。

不同海拔環境下弧根在水平跑弧道上運動階段的方向電流密度如圖7所示。可見，海拔越高，同一時刻電弧電流密度越小。這是由于高海拔環境下氣壓低，空氣密度小，且同一溫度下動力粘度小，因此海拔越高，弧柱半徑越大，電流密度越小。由公式=×（為電磁力，為電流密度，為磁通密度）可知，電流密度越小，電磁力越小，越不利于弧根運動，因此海拔5 km弧根粘滯最嚴重。海拔越高，電流密度下降速度越快，弧根運動速度也下降越快。

圖7 左側弧根y方向電流密度

弧根拖尾會畸變空間電場。圖8為弧根轉移至豎直跑弧道前一時刻，不同海拔環境下弧根拖尾處的空間電場分布。海拔0 km時，弧根拖尾對滅弧室電場產生的畸變程度最小；隨著海拔高度增加，弧根拖尾處高溫氣體聚集區范圍擴大，其對電場的畸變程度加大。電場畸變會導致電弧熄滅后，滅弧室入口處電場強度更大，加之滅弧室入口處高溫氣體聚集使該處電導率升高，因此在高海拔環境下滅弧室入口處易發生電弧重燃，這是高海拔環境下斷路器開斷困難的主要原因。

圖8 電弧左側弧根電場分布

2.2.2 高海拔環境下電弧反向現象

高海拔環境對LC-DCCB開斷的影響，不僅表現在弧根處，還表現在弧柱區，即被柵片切割的短弧產生不同程度的反向現象，這同樣影響斷路器的滅弧性能。

圖9a為局部電弧反向時滅弧室內流場速度分布，流速大于0表示氣流方向沿軸向上，流速小于0表示氣流方向沿軸向下。圖9b為柵片間短弧受力分析示意圖。短弧所處位置不同，其產生的自生磁場磁通密度self方向不同，該自生磁場對短弧產生的電磁力記為self，其中位置靠上的短弧受到方向向上的self作用，位置靠下的短弧受到方向向下的self作用[11]。同時，柵片間位置靠下的短弧受到向下的氣流場作用力aif。雖然外部磁場對短弧的作用力ext始終向上，但當aif+self＞ext時，短弧受到的合力方向向下，短弧向下運動，即發生電弧反向現象；當aif+self＜ext時，短弧受到的合力方向向上，短弧則向上運動。

圖9 短弧反向運動機理

由圖3可知，電弧反向現象在海拔2 km和 3 km時最嚴重。下面以海拔2 km為例分析電弧反向現象的成因。海拔2 km滅弧室內溫度分布和氣流場分布如圖10所示。可見，12 ms時刻，水平跑弧道附近形成的氣流漩渦改變了柵片間氣體流速，柵片間短弧在不同流速氣流場作用下形成位置差。隨著氣流漩渦不斷擴大，氣流漩渦中心氣體壓強較低，壓強差使部分柵片間形成反向氣流（如18 ms時刻），此時方向向下的aif開始作用。當某一時刻方向向下的aif+self占主導時，電弧反向現象開始出現。隨后，部分反向電弧在28 ms時刻反向沖出柵片區（如圖10中綠色圈中所示），在氣流場的作用下，反向電弧高溫氣體向跑弧道彎角處移動。高溫氣體在滅弧室入口處累積，78 ms時刻，在畸變電場和高溫氣體的共同作用下，滅弧室入口處發生電弧重燃。

圖10 海拔2 km滅弧室內溫度與氣流場分布

提取海拔0 km、3 km、5 km反向電弧即將沖出柵片區域時方向的自生磁場與外磁場電磁力合力exty+selfy分布以及氣流場分布分別如圖11和圖12所示，圖11中紅色箭頭代表該合力，圖12中白色箭頭代表滅弧室內氣流方向，綠色虛線表示反向氣流場作用范圍（寬度）。由圖11可得，海拔0 km電弧反向沖出柵片時刻，電弧即將熄滅，電弧電流密度小，反向短弧所受合力exty+selfy較小。由圖12可得，海拔3 km時反向氣流場作用范圍最大，海拔5 km時反向氣流場作用范圍最小。海拔5 km電弧所受合力exty+selfy大于海拔3 km的情況，且海拔5 km反向氣流作用范圍小，因此海拔5 km電弧反向運動最輕微，而海拔3 km電弧受大范圍反向氣流場的影響，因此海拔3 km電弧反向運動最嚴重（見圖3）。

圖11 電弧電磁力局部分布

圖12 氣流場局部分布

2.3 滅弧室內氣流場優化：U型柵片的使用

根據2.2節仿真分析可知，高海拔地區電弧反向和弧根拖尾是影響其開斷性能的主要因素，而氣流場的分布是造成上述現象的重要原因。U型柵片的半封閉結構能在空間場內阻止氣流反向，因此，可利用U型柵片優化滅弧室內氣流場分布，改善電弧開斷能力，但柵片U型化會減少近極壓降，不利于電弧拉伸與電弧電壓的提升，這對于采用柵片近極壓降限流開斷的空氣斷路器又是不利的。因此針對本文研究對象，綜合考慮多種影響因素，對間插式U型柵片數量及分布進行了仿真研究，最終發現3組間插式分布的U型柵片滅弧室滅弧性能最佳。3組間插式分布U型柵片滅弧室幾何結構如圖13所示。

圖13 3組間插式U型柵片結構滅弧室

圖14為相同時刻未使用間插式U型柵片（改進前）和使用間插式U型柵片（改進后）的方向氣流場分布，紅色箭頭表示氣流方向。改進前，滅弧室中線兩側會出現沿方向向下的反向氣流；改進后，由于U型柵片的半封閉結構阻斷了反向氣流流通路徑，U型柵片附近區域氣流均沿方向向上流動，未出現反向氣流。通過對柵片結構的改進，滅弧室內氣流場流通路徑得到改善，從而有效地抑制了柵片間反向氣流的出現。

圖14 間插式U型柵片使用前后y方向氣流方向分布

滅弧室內氣流場的改善會影響電弧運動形態。海拔3 km和5 km電弧完全進入柵片時刻，滅弧室溫度及氣流場分布如圖15所示。可以看出，結構改進后，電弧多峰狀態消失，電弧反向現象不再出現，表明間插式U型柵片結構可以抑制電弧反向，從而降低電弧重燃概率。

圖16為間插式U型柵片使用前后電弧電壓隨時間變化曲線。相比于未使用間插式U型柵片的結構，使用間插式U型柵片后，電弧電壓提升速度更快，且開斷均在30 ms前完成。海拔5 km雖發生弧后重燃，但相比于未使用間插式U型柵片的結構電弧不能熄滅的狀態，其滅弧性能已得到了較大改善。

圖15 間插式U型柵片使用前后溫度及氣流場分布

圖16 間插式U型柵片使用前后電弧電壓隨時間變化

3 結論

本文以城市軌道交通用LC-DCCB為研究對象，對其分斷18 kA短路電流進行仿真研究，分析了海拔環境對開斷的影響以及開斷過程中的電弧特殊行為，得出如下結論：

1）在電弧尚未進入柵片前，電弧運動速度隨著海拔升高而加快。由于高海拔環境下氣壓低，熱導率低，介質恢復強度弱，海拔越高電弧熄滅越困難。因此，海拔0 km時短路電流電弧正常熄滅；海拔 2 km和3 km時，電弧熄滅后發生重燃；海拔4 km以上時電弧難以熄滅。

2）LC-DCCB在分斷短路電流時，弧根附近氣流漩渦與電磁力的共同作用導致跑弧道上出現弧根粘滯和弧根拖尾現象。海拔越高，弧根粘滯和弧根拖尾現象越顯著，其對電場造成的畸變越強烈。弧根粘滯和弧根拖尾不利于斷路器分斷短路電流。

3）在氣流場和電磁力的共同作用下，電弧進入柵片后，柵片間部分電弧發生反向運動。海拔3 km時，電弧反向現象最嚴重，并且在海拔2 km和3 km時，高溫氣體反吹會導致滅弧室入口處發生電弧重燃，電弧反向會嚴重影響LC-DCCB高海拔滅弧性能。

4）采用合理數量和分布的間插式U型柵片可以在一定程度上改善滅弧室氣流場分布，抑制電弧反向運動，加快電弧弧壓提升速率，提高LC-DCCB高海拔滅弧性能。

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Study on Interrupting Characteristics of Large Capacity DC Air Circuit Breaker at High Altitude

Li Jing1Yi Chenxi1Peng Shidong1Cao Yundong1Yu Longbin2

（1. Key Lab of Special Electric Machine and High Voltage Apparatus Shenyang University of Technology Shenyang 110870 China 2. Electric Power Research Institute of Liaoning Electric Power Limited Company Shenyang 110006 China）

In Recent years, with the rapid development of urban rail transit at plateau and transformation and booming of the electrotechnical industry in China, it has put higher requirements for large-capacity DC air circuit breaker (LC-DCCB) which plays a significant role in protection. But when the short-circuit current is interrupted in LC-DCCB at plateau, the probability of interrupting failure increase, which is harmful to the urban rail transit sustain its stability and reliability. So how to extinguish the arc in which generated between the contacts when the contacts opening in LC-DCCB at plateau quickly and reliably remains a critical issue to be resolved. This paper established a transient magnetohydrodynamics (MHD) arc model of LC-DCCB at plateau considering the turbulence effect, the dynamic characteristics and the key behavior of the arc during short-circuit current interrupted at different altitudes were studied, and the primary courses of difficulty of arc interruption in LC-DCCB at plateau were concluded. An improved model with interleaved U-shaped splitter plates was proposed combined with theoretical analysis which can improve the interruption performance of LC-DCCB at plateau. This study can provide a theoretical basis for design and improvement of LC-DCCB at plateau.

Through simulation results we can see that different altitudes can cause different environmental parameters and physical properties of air, which effects the arc behavior in LC-DCCB significantly. At 0 km altitude, the arc can extinguish successfully. At 2 km and 3 km altitudes, although the arc extinguish successfully, nevertheless, the arc will re-strike after a few milliseconds. At 4 km and 5 km altitudes, the arc can not extinguish. The physical parameters of air change with the altitude rases, which lead the arc enters the splitter plates in advance. One can found that the arc root viscous and trailing phenomena in LC-DCCB will appear during the full-dynamic arc simulation. When the arc root moves at the horizontal arc runner to a certain point, the movement speed of the arc root will decrease, and then the arc root will stop its moving or even move in reverse direction, while the high temperature gas adjacent to the arc root will cause the electric field distortion at the entrance of the arc chamber. The characteristics of arc root movement are different with altitude raise. Meanwhile, under the joint action of electromagnetic and airflow field, the reverse phenomenon of arc roots on both sides of the center line in the arc chamber will appear, the arc presents multi-peak shape. The reverse phenomenon of the arc between the splitter plates varies with the altitude, which is a key factor leading to the post-arc re-strike. An improved structure with interleaved U-shaped splitter plates in the arc chamber can restrain the arc reverse movement between splitter plates effectively.

Through simulation and analysis in this paper come to the following conclusions: (1) Arc re-strike will occur during LC-DCCB interrupts short-circuit current at plateau, which will lead to the difficulty of interruption. (2) The arc root viscous and trailing phenomena will intensify with the altitude raise. (3) The arc reverse movement in LC-DCCB is a key factor for post-arc re-strike. (4) The interleaved U-shaped splitter plates can restrain the arc reverse movement between splitter plates effectively, which improve the arc extinguishing performance at plateau of LC-DCCB to some extent.

High altitude, large-capacity DC air circuit breaker (LC-DCCB), arc root trailing, arc reverse movement, post-arc re-strike

TM561.1; TM85

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.222072

國家自然科學基金項目（51977132）、遼寧省重大科技專項（2020JH1/ 10100012）和遼寧省教育廳面上項目（LJKZ0126）資助。

2022-11-02

2022-11-28

李 靜 女，1977年生，博士，教授，博士生導師，研究方向為電器電弧理論及高電壓絕緣技術等。E-mail：lijing@sut.edu.cn

彭世東 男，1997年生，博士研究生，研究方向為電弧放電等離子體及直流開斷技術。E-mail：pengshidong@hotmail.com（通信作者）

（編輯 李 冰）