铜蒸气对低压空气电弧弧后绝缘击穿特性的影响研究

论文总字数：39375字

摘 要

低压断路器以空气作为绝缘和灭弧介质，在开断短路电流时会产生高温空气电弧。高温电弧烧蚀铜质触头产生铜蒸气，铜蒸气与空气电弧混合，一方面影响电弧等离子体的粒子组分，另一方面影响弧后的绝缘恢复过程。如果绝缘恢复不及时，电弧就可能无法熄灭，进而导致开断失败，造成严重的电网事故。因此，开展低压断路器中电弧弧后绝缘击穿特性研究十分必要。

本文在300—3500 K温度范围内分析了含铜热态空气电弧的平衡态粒子组分，结合主要粒子的碰撞截面数据，使用BOLSIG 求解器求解基于两项展开近似的玻尔兹曼方程，得到了空气和铜混合气体电弧的电子能量分布函数（EEDF）、约化电离系数和约化电子吸附系数，进而求得约化有效电离系数为零时混合气体电弧的约化临界击穿场强，获得了铜蒸气对低压空气电弧弧后绝缘击穿特性的影响。

结果表明，0.1%-1%的铜蒸气污染显著降低了空气的约化临界击穿场强，这是由铜原子较低的电离能引起的；而温度大于1500 K时，10%-50%的铜蒸气污染提高了约化临界击穿场强，这是由高浓度铜降低高能电子浓度以及具有较大电离碰撞截面的和摩尔分数下降引起的。因此在温度高于1500K的情况下，向低压空气电弧中添加铜可以增强弧后介质恢复性能；而在低于1500 K的温度下，向低压空气电弧中添加铜会降低弧后介质恢复性能。

关键词：铜蒸气污染，空气电弧，绝缘击穿特性，玻尔兹曼方程，约化临界击穿场强

Abstract

Air is used as an insulating and arc-extinguishing medium in low-voltage circuit breakers, and it generates high-temperature air arc when breaking short-circuit current. The copper vapor resulting from the ablation of copper contacts in high temperature arc is mixed with the air arc, which affects the particle composition of the arc plasma on the one hand and the insulation recovery process during the post-arc on the other hand. If the insulation is not recovered in time, the arc may not be extinguished, resulting in the break failure and thus serious grid accidents. Therefore, it is necessary to study the post-arc insulation breakdown characteristics of air arc in low-voltage circuit breakers.

In this paper, the equilibrium compositions of hot air arc contaminated with copper vapor is analyzed in the temperature range of 300-3500 K. Combined with the collision cross-section data of the main particles, two-term expansion approximation of the Boltzmann equation is solved by BOLSIG solver to obtain the electron energy distribution function (EEDF), reduced ionization coefficients and reduced electron attachment coefficients. The reduced critical dielectric field strength of hot air with copper is then determined when the effective ionization coefficients equal to zero.

The results show that 0.1%-1% copper vapor contamination significantly reduces the reduced critical electric field strength, which is caused by the low ionization energy of copper atoms. And when the temperature is higher than 1500 K, 10%-50% copper vapor contamination increases the reduced critical electric field strength, which is caused by the decrease of the mole fractions of NO₂ and O₂ with large ionization collision cross section and high concentration of copper which can reduce the concentration of high-energy electrons. Therefore, adding copper to a low-pressure air arc at a temperature higher than 1500 K can enhance dielectric breakdown performance. At temperatures below 1500 K, the addition of copper to the low-pressure air arc reduces dielectric breakdown ability.

KEY WORDS: copper vapor contamination, air arcs, dielectric breakdown characteristics, Boltzmann equation, reduced critical electric field strength

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1. 课题研究背景及意义 1

1.2. 国内外研究现状 3

1.2.1. 气体电弧弧后绝缘击穿特性研究 3

1.2.2. 铜蒸气对弧后绝缘击穿特性的影响研究 4

1.3. 本文主要研究内容 5

第二章 气体电弧弧后绝缘击穿特性计算方法 7

2.1. 气体电弧弧后绝缘击穿特性的常见研究方法 7

2.1.1. 实验分析方法 7

2.1.2. 数值计算方法 7

2.2. 基于玻尔兹曼方程数值求解的气体电弧弧后绝缘击穿特性计算 8

2.2.1. 热态气体电弧弧后绝缘击穿特性研究的特点 8

2.2.2. 热态气体电弧弧后绝缘击穿特性计算流程 8

2.3. BOLSIG 求解器介绍 12

2.4. 本章小结 12

第三章 考虑铜蒸气污染的低压空气电弧弧后绝缘击穿特性计算 14

3.1. 基本模型数据 14

3.1.1. 含铜低压空气电弧的平衡态粒子组分 14

3.1.2. 碰撞截面数据 17

3.2. 基于两项展开近似的玻尔兹曼方程数值求解 20

3.2.1. 玻尔兹曼方程的两项展开近似 20

3.2.2. 电子能量分布函数 24

3.2.3. 流体方程及其系数 25

3.3. 本章小结 27

第四章 考虑铜蒸气污染的低压空气电弧弧后绝缘击穿特性分析 28

4.1. 电子能量分布函数 28

4.1.1. 约化场强的影响 28

4.1.2. 重粒子温度的影响 29

4.1.3. 铜含量的影响 29

4.2. 约化有效电离系数 30

4.2.1. 重粒子温度的影响 31

4.2.2. 铜含量的影响 33

4.3. 约化临界击穿场强 35

4.4. 本章小结 36

第五章 总结 38

5.1. 结论 38

5.2. 不足与展望 39

参考文献 40

致 谢 42

第一章 绪论

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