中文摘要：

大容量发电机断路器是大型发电机组的重要保护设备，应具有开断高直流分量且延时过零的特大电流和承受很高瞬态恢复电压上升率的能力，而我国尚未掌握该开断技术，对其电弧特性和灭弧机理等关键问题研究处于空白状态。本项目提出外加磁场控制电弧特性和双收缩扩张形绝缘喷口吹弧提高开断能力的思想，来解决大容量自能式SF6发电机断路器的开断问题。基于磁流体动力学方程，建立SF6气体、触头和喷口烧蚀蒸气组成的混合蒸气喷口电弧三维动态数学模型，通过三维数字仿真和试验，研究外磁场和双喷口控制的电弧特性、电弧运动规律和与气流的能量交换、电弧形态与电弧电压、双喷口气流特性及介质恢复特性等问题，得出电弧、磁场、烧蚀蒸气、气流、电路和机械特性相互作用的喷口电弧特性，提出充分利用电弧能量建立灭弧压力，强迫高直流分量衰减及控制电流过零，双喷口气流特性的控制及提高开断能力等方法，为大容量自能式SF6发电机断路器的研发提供理论依据。

结论摘要：

大容量发电机断路器应具有开断高直流分量且延时过零的短路电流和承受高瞬态恢复电压上升率的能力，而我国尚未掌握该开断技术，对其电弧特性和灭弧机理等关键问题研究处于空白状态。本项目提出通过磁场控制电弧特性和双喷口吹弧的思想来提高其开断能力。基于磁流体动力学方程，建立喷口电弧三维动态数学模型，考虑了电弧辐射、湍流、洛伦兹力、电弧旋转运动、电弧的烧蚀和触头机械运动等物理过程。电弧的辐射采用净辐射法；湍流采用k-？模型；电弧旋转为一种链式模型，计算每一小段电弧的运行过程，合成电弧的旋转；采用傅里叶传热方程，计算烧蚀面的能量通量引起材料气化的烧蚀过程；计算了SF6气体、烧蚀蒸气混合下电弧的热力学参数和输运参数。应用商用CFD软件，建立三维电弧及断路器开断过程的仿真平台。通过在模型灭弧室和实际断路器产品上开断电流试验，测量了灭弧室的压力变化过程，修正了电弧模型和仿真平台使之较准确的仿真开断过程灭弧室气流场。设计了200kA/36kV灭弧室结构参数。基于设计的灭弧室结构，研究了磁场作用下喷口电弧动态特性及膨胀室气流场的变化规律。在磁场作用下，电弧做旋转运动，磁场越大，电弧旋转速度越快，电弧温度会越低；电弧的旋转使电弧与冷气体接触，产生更多的能量交换，更有效的利用了电弧能量，膨胀室内气体受热会越均匀，压力会越大。这在一定程度上有利于熄弧。但若磁场过大，会使膨胀室内气体温度上升太高，导致电流过零时膨胀室内吹弧气体温度过高，不利于熄弧。研究含有直流分量的电弧特性，直流分量的存在改变了电弧压力和温度的分布、电弧的热边界区的大小、电流过零时刻的温度和压力分布；改变了弧后10？s内的气流场的特性，临界RRRV降低，使介质恢复强度下降，对热恢复过程不利。燃弧期间电弧电阻为0.005-0.01欧，且随开距增加呈上升趋势；在磁场作用下电弧电阻上升，能有效的增加电弧电阻，加快直流分量衰减。但磁场变大到一定程度，电弧也会引起气流温度上升，使电弧半径增大，电阻有减小的趋势。研究不同上游压力及结构参数下双喷口的气流特性，在25-35度喷口角度下，气流速度较快且存在振荡现象；喷口气流通道顺畅，有利电弧能量的扩散。电弧过零后介质恢复特性随时间的变化规律一致，且喷口角度25度的的略高。研究结果可为大容量自能式SF6 发电机断路器的研发提供理论依据。