东南大学仲林林、王逸凡 等：C4F7N气体电弧的辐射输运特性研究

阅读提示：本文约 1700 字

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。东南大学的研究团队以C4F7N气体及其与CO2和N2的混合气体为对象，采用磁流体动力学仿真与光学实验诊断相结合的方式，开展了C4F7N气体电弧辐射输运特性研究，探究了电流大小和混合气体配比对C4F7N电弧形态、温度以及辐射能量的影响，期望进一步为环保型灭弧气体的工程应用奠定理论基础。

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

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。

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

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。

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

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。

作者介绍

仲林林

东南大学至善青年学者，教学科研岗副研究员，博士生导师。2017年毕业于西安交通大学和法国图卢兹第三大学，分别获得电气工程和等离子体工程博士学位，后加入东南大学电气工程学院。现任中国电工技术学会青年工作委员会委员、中国电机工程学会高电压专委会青年学组委员。主要从事高电压与放电等离子体数值模拟，以及人工智能与等离子体仿真、多物理场建模、电力设备智慧运维的交叉研究。近年来，主持国家自然科学基金2项，在国内外学术期刊发表论文40余篇，出版软件开发专著2部；入选2021年江苏省科协青年科技人才托举工程。

主要学术贡献包括：理论证明了不同等离子体组分计算理论的有限等价性；建立了完备的平衡态与非平衡态等离子体物性参数计算模型，自主开发了相应的通用程序包；构建了面向环保气体应用的基础参数开放数据库；提出了面向低温等离子体数值模拟的深度学习计算框架和元学习加速策略；提出了面向电力巡检图像智能处理的目标检测算法、异常检测算法、联邦学习聚合算法和激励机制。

本工作成果发表在2023年第19期《电工技术学报》，论文标题为“C4F7N气体电弧的辐射输运特性研究”。本课题得到国家自然科学基金、江苏省科协青年科技人才托举工程和东南大学“至善青年学者”支持计划（中央高校基本科研业务费）的支持。

引用本文

仲林林, 王逸凡, 顾琦. C4F7N气体电弧的辐射输运特性研究[J]. 电工技术学报, 2023, 38(19): 5316-5329. Zhong Linlin, Wang Yifan, Gu Qi. Study on Radiation Transport Characteristics of C4F7N Gaseous Arc. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(19): 5316-5329.

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