SF6气体因具有优良的绝缘和灭弧性能,广泛用于126kV及以上电压等级的高压断路器中,但是SF6存在温室效应强、液化温度高等问题,因此寻找性能优异的替代介质迫在眉睫。然而,目前尚未发现一种能够完全替代SF6的单一或混合气体,短期内最有效的解决方法是降低其在电力系统中的用量,如使用SF6混合气体。鉴于此,本课题针对具有较大应用潜力的SF6/N2、SF6/CF4放电机理展开研究,通过理论计算和实验测量,分析影响混合气体放电特性的关键因素。提出混合气体断路器击穿判据研究方法,研究SF6/N2、SF6/CF4断路器的空载开断性能,为高寒地区环保型断路器产品的设计与研发提供理论基础。本文主要做了如下几个方面的工作:(1)开展SF6/N2、SF6/CF4放电特性机理研究。计算SF6/N2、SF6/CF4的电离系数、吸附系数等参数,揭示混合气体协同效应产生机理。考虑粒子间的协同作用关系,建立SF6/N2、SF6/CF4放电数学模型,模拟不同电极结构下混合气体的流注放电过程,研究电子与重粒子的电离、电子与电负性气体分子的吸附以及微观粒子的漂移扩散问题,分析电子数密度随时间和空间的变化规律,研究电极结构和混合比对流注发展过程的影响,得到SF6/N2、SF6/CF4的流注发展速度和等离子体通道半径等参数。分析空间电荷对电场的畸变作用,确定产生畸变时放电间隙的电子数密度。(2)SF6/N2、SF6/CF4电晕起始电压、击穿电压的数值计算。在研究SF6/N2、SF6/CF4放电机理基础上,提出考虑电极结构的气体电晕起始电压、击穿电压数值计算方法。以典型电极为例,计算不同压强、混合比下SF6/N2、SF6/CF4的电晕起始电压、击穿电压及等离子通道内电子数密度。开展电晕放电特性实验、击穿特性实验及光谱实验,从宏观和微观两个角度分析计算方法的准确性。根据SF6/N2、SF6/CF4击穿电压数据,得到协同效应系数计算值和实验值,分析本文方法在混合气体协同效应研究中的可行性。(3)SF6/N2、SF6/CF4放电特性的关键影响因素研究。基于大量实验数据分析压强、混合比、电压极性、间隙距离等对SF6/N2、SF6/CF4电晕放电特性和击穿特性的影响。从空间电荷影响放电过程的角度解释气体极性效应形成机理,得到SF6/N2、SF6/CF4极性效应随压强、混合比的变化规律;研究不同条件下SF6/N2、SF6/CF4的协同效应,分析混合气体协同效应的影响因素;研究SF6/N2、SF6/CF4对电场不均匀性的敏感度,探索不同气体敏感度存在差异的原因。(4)SF6/N2、SF6/CF4混合气体断路器介质恢复特性研究。考虑灭弧室内电场分布的不均匀性,结合击穿电压数值计算方法,修正Pedersen模型,提出混合气体断路器击穿判据。建立气流场及电场数学计算模型,结合修正后的击穿判据,计算SF6/N2、SF6/CF4断路器的冷态介质恢复特性,分析混合比、开断速度、灭弧室充气压力对其影响,研究断路器开断过程的重击穿问题。综合液化问题和温室效应问题,提出满足断路器开断要求的最佳混合比、灭弧室充气压力及开断速度方案。