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| Plasma：550 kV环保型气体断路器电弧特性及结构优化研究 |
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论文标题：Study on Arc Characteristics and Structural Optimization of a 550 kV Environmentally Friendly Gas Circuit Breaker
论文链接：https://www.mdpi.com/2571-6182/9/2/22
期刊名：Plasma
期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/plasma
一、引言
全球在高压断路器开断性能研究方面已取得显著进展，特别是在环保气体的灭弧特性及断路器结构优化领域。然而，针对550 kV C4F7N混合气体断路器在高压大电流开断工况下的灭弧特性及关键结构参数协同优化问题，仍需进一步深入研究。因此，本研究聚焦于C4F7N混合气体断路器的开断性能，基于气体特性与开断室结构参数开展多参数耦合分析与优化。研究的主要目标是探究关键结构参数对断路器灭弧特性的影响，从而为环保型高压断路器的设计与工程应用提供理论指导和技术支撑。
二、数值模型与仿真方法
基于流体动力学理论，建立了电弧磁流体动力学（MHD）模拟方法。该方法将气态电弧等离子体视为局部热力学平衡条件下的可压缩导电流体。流体动力学的基本控制方程包括动量、质量、能量和组分守恒方程。在MHD模拟中，电磁场、温度场和流场等多个物理场之间存在强耦合；因此，必须通过在方程右侧引入相应的源项来修正原有的控制方程。在UDF程序中，源项通过DEFINE_SOURCE宏接口实现。在高电流电弧条件下，还必须考虑喷嘴烧蚀的影响
三、鼓风机式断路器的结构优化研究
为了研究关键几何参数对喷气式断路器分断性能的影响并获得最佳结构配置，本研究以原始工程样机为参考结构，基于“单变量梯度优化和核心参数协调调节”的原理，对分断室进行了迭代优化。
不同电弧时间下原始中断室结构的温度等值线分布
四、结论
本研究采用3.5%C4F7N/83.5%CO2/13%O2混合气体作为550 kV环保型气体断路器的灭弧介质。基于考虑聚四氟乙烯（PTFE）喷嘴烧蚀效应的磁流体动力学（MHD）模型，对喷气式断路器分断室的关键结构参数进行了系统优化研究。分别在9.9 ms和11.4 ms的电弧持续时间下对优化后的结构进行了灭弧仿真，进一步揭示了分断室结构对断路器分断性能的影响。主要结论总结如下：
（1）分断室的关键结构参数对断路器的分断性能有显著影响。操作杆末端的排气孔、动弧触点的内管直径、喷嘴的下游膨胀角以及湍流槽主要通过抑制热气回流来影响气室的能量积累能力和残余高温电弧后通道。喷嘴喉部直径、固定弧触点直径以及喷嘴喉部直段长度主要通过影响喷嘴内的气体流速、气室的压力积累能力以及电弧散热强度来影响断弧性能。
(2) 在11.4 ms的电弧条件下，方案4在优化结构中表现出最佳的综合断弧性能。其气室峰值压力达到3.452 MPa，是三种优化结构中最高的，表明减小喷嘴喉部直径和延长喷嘴喉部直段长度可以进一步提高气室的能量积累能力。同时，方案4的平均轴向温度Tline和平均电弧芯温Tcore分别降至4014.67 K和5904.4 K，表明高速气流能够更有效地压缩和冷却电弧，从而显著削弱残余高温电弧后通道。在电弧电压特性方面，方案4的熄灭峰值电压达到6972.41 V，G200值进一步降低至0.73072 ms，表明电流过零前电弧电导衰减更快，断路后介质恢复能力显著增强，从而提高了热断路可靠性。与原始结构方案0相比，方案4的熄灭峰值电压提高了约83.3%，G200值降低了约58.4%，表明优化后的方案4能够有效抑制热阻塞效应和残余导电电弧后通道，从而显著提高断路器的热断路性能和断路可靠性。
Tang, N.; Zhao, H.; Sun, D. Study on Arc Characteristics and Structural Optimization of a 550 kV Environmentally Friendly Gas Circuit Breaker.Plasma2026, 9, 22.https://doi.org/10.3390/plasma9020022
期刊介绍
主编：
Andrey Starikovskiy教授
NEQLab, Lewes, DE 19958, USA
Plasma(ISSN 2571-6182, IF 3.1) 创刊于2018年，是一个国际开放获取期刊。期刊致力于为等离子体科学各个领域的研究提供了一个先进的交流平台，涵盖等离子体物理、等离子体化学和空间等离子体等。
2025 Impact Factor：3.1
2025 CiteScore：3.9
Time to First Decision：17.5Days
Acceptance to Publication：3.7 Days
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