东南大学研究者在C4F7N气体电弧的辐射输运特性研究上取得新成果

研究背景

寻找环境友好型SF6替代气体、降低温室气体排放量，是我国发展绿色低碳化经济、实现双碳目标面临的重要问题。C4F7N是一种潜在的SF6替代气体，其绝缘强度是SF6的2倍左右，而温室效应潜在值不足SF6的十分之一。目前，C4F7N气体的应用主要集中在绝缘领域，对其灭弧性能的研究尚不充分，仍处于探索阶段。优秀的灭弧介质应能够快速冷却电弧，而辐射作为电弧能量输运的主要方式，在灭弧过程中起着关键作用。

论文所解决的问题及意义

本文建立了耦合净辐射模型的气体电弧二维磁流体动力学模型，分析了触头运动过程中C4F7N电弧的辐射输运特性，探究了电流大小和混合气体配比对电弧形态、温度和辐射能量的影响。

进一步地，搭建电弧光学诊断实验平台，分别利用高速相机和光谱仪捕获电弧形态和采集电弧光谱信息，验证了仿真模型的有效性。相关结果揭示了C4F7N电弧在不同电流大小和混合气体配比条件下的辐射输运特性，能够为环保型灭弧气体的工程应用提供理论支持。

论文方法及创新点

断路器在开断短路电流过程中，灭弧室内会形成由气流场、温度场、电磁场共同作用的复杂系统。为了有效描述该系统，本文建立了耦合流体方程和电磁场方程的气体电弧二维磁流体动力学模型。

由于电弧辐射过程非常复杂，不仅包含线状谱和连续谱辐射，而且其频率覆盖从远红外到超紫外的频谱范围，精确描述电弧辐射过程十分困难。为此，本文采用净辐射模型描述电弧的辐射输运过程，并基于光谱辐射理论计算了辐射模型的关键参数—净辐射系数。

图1 各C4F7N混合气体电弧净辐射系数随温度的变化曲线

图2 100 A条件下各C4F7N混合气体二维电弧暂态温度云图

图3 不同电流条件下C4F7N-CO2(1:1)气体电弧核心区域暂态辐射能量云图

图4 100A条件下各C4F7N混合气体电弧原点处辐射能量变化曲线

图5 环保型气体电弧实验平台示意图

图6 50 A时C4F7N-N2(1:1)电弧形态

基于建立的磁流体动力学模型，本文分析了触头运动过程中C4F7N电弧的辐射输运特性，探究了电流大小和混合气体配比对电弧形态、温度和辐射能量的影响。 同时，本文还搭建了环保型气体电弧实验平台，对C4F7N及其混合气体电弧开展辐射输运特性实验研究，分别利用高速相机和光谱仪捕获电弧形态和采集电弧光谱信息，验证了仿真模型的有效性。

结论

随着触头移动，C4F7N-N2和C4F7N-CO2混合气体电弧半径不断增大，电弧形态呈葫芦状。相同电流条件下，灭弧气体含量越高，电弧温度分布范围越小，电弧逐渐收缩。相同混合配比条件下，电弧温度和体积随电流增大而增大，且C4F7N混合气体电弧最高温度低于SF6-N2电弧。

在相同电流条件下，C4F7N-N2电弧辐射能量受混合配比影响较小，而C4F7N-CO2电弧辐射能量随C4F7N含量增多而增大。在相同混合配比条件下，C4F7N-N2和C4F7N-CO2混合气体电弧辐射能量随着电流增加而增大。