《SF断路器喷口电弧熄灭过程数字模拟》由会员分享，可在线阅读，更多相关《SF断路器喷口电弧熄灭过程数字模拟（10页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、SF6断路器喷口电弧熄灭过程的数字模拟1引言随着计算机性能的提高和计算技术的进步,数值仿真在各个领域得到广泛的应用。喷口电弧的数值模型是仿真技术在断路器研究领域应用的实例， 这也标志着断路器的设计已由经验设计走向科学设计1。进入90年代，国外已成功开发了断路器设计的计算机辅助工程系统(CAE)2，可对断路器的各种开断过程进行数值计算。研究表明，用数值方法模拟断路器开断过程需解决的关键问题是要正确的表述电弧的物理机制。因此在SF6断路器的发展中,对气流中喷口电弧特性的研究有着重大的意义。为了揭示电弧在开断过程中的复杂物理现象,分析气流与电弧间的相互作用,国内外学者提出了众多的电弧数学模型35。这
2、些模型的控制方程中,所强调的是电弧与气流间的相互作用,完全忽略了Lorentz力及电流密度径向分量的影响。针对以上问题,本文建立了一种强调气流、电弧、电磁场三者相互作用的喷口电弧二维磁流体动力学(MHD)数学模型6。与以往电弧模型比较具有以下特点：控制方程同时包括电弧、气流、电磁场三者的相互作用,消除了因忽略Lorentz力和电流密度径向分量引起的物理意义失真； 求解电弧二维电流分布；考虑物理参数随温度变化，体现不同物质间性质差异；采用修正的气体状态方程；为真实反映机构特性与电弧之间的相互作用，进行了灭弧室、压气缸和操动机构联合模拟计算。本文对断路器的全开断过程进行了数值模拟，重点分析了电流过
3、零前上游压力的积聚过程,计算了零后介质恢复过程，并提供了一套断路器灭弧室通用计算分析软件。2喷口电弧二维MHD数学模型圆柱坐标系下电弧及其周围冷气流、电磁场控制方程表述如下质量守恒方程(1)轴向动量守恒方程(2)径向动量守恒方程(3)能量守恒方程鬼(4搂)葬式中扛堆、u葱、v敲、e胖和p寨分别冰为气兔体密茄度、离气流协轴向激速度齐、径惨向速希度、怨内能缺和压需力；伯Fx匆、F利r为兔轴向味与径惠向L停or摄en那tz蜓力；悼为魄SF减6分婶子粘帮性系超数；勉K为忘导热忆率；飞 C粒v为摸定容炎比热借容。虾肠式(剧4)小中,殖源项码Q钉Se息u忠n较ua仔。其翁中S荣e为栗Jo隆ul弓e热宫项,
4、沿un御为净破辐射忍功率咏,u出a为衫吸收威功率姨。旅登另外猪,补泰充修报正气近体状者态方牧程流p演够RT撤(5贪)掉式中沾绿为修逐正系裹数。兽控为了促确定羞动量职方程虏式(照2)私、(际3)康中的微Lo而re叙nt安z力畜项以促及能阀量方梅程式宏(4团)中金的J畏ou走le案热项更,需纯联立细相应清的电密磁场咱方程呀。在筒热等忧离子静体传大热与超流动返问题流中,殿空间窑电荷苦密度版通常输可忽蝴略,木位移火电流摇项与界电流烈密度扎相比向,感消生电耻场与键电场富强度液相比药都很替小。尾另外顾在工它频电驰流情胳况下旬磁场萍随时蔽间变兴化也呢可忽课略。励由此阀得到掘如下斩简化雹形式友的M抖ax抖we
5、谈ll姐方程染及欧粱姆定浓律瑞(6肚)误(7今)岸(8储)京(9淹)并j鞭E扶(1歪0)馅式中怨E虹为电腰场强菜度；近B为缠磁感臂应强前度；责0蝴为真早空导赏磁率苍；j寒为电沈流密逆度；院为荐SF痕6气首体电血导率翅。倡旦因为碎,即贷电场交为无狡旋场舞或有乔势场炕,引策入电圾位趁,使厌得魄(1统1)戴搂由式盾(9粮)得惰电流毒连续首方程僚(1颜2)寒指结合谅式(若10恼)(牢11裳)可瘦得圆脏柱坐宫标系家下电贡弧电阳位方严程疤(1废3)驻占忽略贞jr宇对B争的杜影响肚，则链(1德4)南析Lo饱re勒nt对z力嗽为叨Fr牙庄jx短B吵(1斯5a苦)贺Fx踢j予rB盘杏(1论5b抗)汁变这样阁,上
6、素述式辣(1围)刻(5露)与摔式(半13也)吩(1疮5)慨构成误了完馆整的盯喷口摇电弧桃二维村MH皮D数胖学模夫型。渔采用扔Ta窑yl怜or选-G音al央er影ki总n有里限元蚀法求倡解N摆-S吼方程绿,同肉时采棕用四葛边形短8节室点等极参元佩法求垮解电桌磁场田方程体。塔3崭SF礼6断近路器区CA铜D软误件松窝SF蜘6断幅路器默CA拉D软肺件包国括：怨复杂蓬场域部剖分惊通用税程序资、二跌维轴踏对称元电场苦数值名分析丑程序昨、冷造态气顿流场涂数值太计算腐、操敌作机景构机困械特秋性与耗灭弧斯室流成场特渴性的面联合河模拟践计算贼(全示程模唯拟断希路器雁开断较过程锋)、补切空谈载长摊线(屋开断脱容性料
7、小电如流)森的数刮值计懒算、犁零后喂近区男故障假与端沿子短长路故贝障的消数值吐计算必。谁漂此计建算软谅件不军受计类算区唤域及志边界加形状客影响仆。在字灭弧治室结裙构为货轴对帮称的融前提益下,带可以饱计算蚊任何材实际银尺寸绑下压盾气式浪SF遮6断券路器善灭弧冰室内钉的气纯流场雕,不千需对涝灭弧恳室内讨形状粪作过阳多简刘化。仁使用喘者只弓需按田照所宫提供抢的自查动剖决分软圾件所励要求赤的数怀据输稼入格圾式编对写好押数据缺文件前,程俭序将肥完成眼自动旁剖分艺，这朽样就拿让使档用者沿能方输便地云改变俗灭弧陪室结字构形熄状,泽避免亭了繁袋杂的孩剖分拥工作叨。寸爪在软病件的介开发鼓过程附中，锡注重腾了良朋
8、好界遣面的通设计创。可朝实时乡显示存灭弧夏室内盈温度疤场、顽压力法场、翁密度坊场、泉马赫奥场及兆速度他场的音分布创。为填动态独地分攀析灭瓣弧室朝内流劲场的疫发展施过程社，充好分了袄解各梢变量互间的技关系胳提供供了有裙力工调具。野4抢数据顾结果谦与分罪析秘星本文盯数值屠计算管针对搁图1形所示限的5唐00毅kV贵压气洒式S忠F6疫断路著器进泼行的筹。目粗的是动分析厕该产糠品的践开断责性能灶。喷炮口上忙游的堪压力付积聚逢过程煌对灭爱弧性艰能有毯着重烂要的朵影响偿，因忍此对刑其进歪行了禁重点牙分析闭。计态算条夸件为马：开危断电守流:竖50朝kA水，燃谷弧时袍间:越25斯ms策。各惠图中那温度垦1p跨u
9、为服30浆0K歼,压缺力1霞pu兰为灭贷弧室晨基压垦。糠4.览1挥电弧朱电流泪过零舅前的式物理赌过程桥勉在断渣路器法的开挽断过闹程中择气缸盯和动愁触头猫处于管不断饶运动且的状份态，宇动静谎触头角相互零分离惜,电岁弧被霜逐渐膀拉长羞,计填算场挨域和堪边界龄条件议都要亩不断年变化底。在械这一沈阶段触，一撞方面受机构阿运动吗造成兵气缸贪的压周气作较用产榴生吹梁弧气非流；弃另一环方面蒸，电耻弧热彩效应妨造成黑的喷晋口堵油塞和梳热气浊体回酱流又达引起姨气缸温压力棉上升做，反滋作用喝于电虾弧弧状柱等量离子饲体与无热边趁界区咽。所耽谓热陵边界苦区是柔指包捷围弧砖柱等恒离子糠体的厌非电眠离热浪气体装区。边它的
10、霉分布暗范围薯是从央弧柱汪边缘燕陡峭岂的温棍度下脸降至疑接近梨环境播温度冻的区往域沙7或 。怜热边聚界区亭的变浅化反寒映着伸弧柱理等离除子体适能量激扩散俊的规爪律，裳利用冶电弧替能量促提高读上游召压力次，降斑低操借作功运，是鸡现代举断路危器的拖设计愉技术肾的发键展方风向之朗一。膛框在数嘉值分怜析热败边界舌区、牲弧柱芬等离百子体效、上逗游冷证气流殊间的独相互拘作用穴过程蚕中，闷显示柴了热嚷边界赛区扩奔张雷相持呜收阔缩近床似周剧期振煎荡的扔发展饲规律坦。此4.惠1.换1之热边垂界区厅扩张登阶段月(0甩0宰.8斗ms养)皱碌在该毛阶段核中，扰由于世电弧服能量材的扩屑散以专及主滋喷口连方向辩上静蕉弧触
11、漆头的位堵塞怖，弧吩柱等舌离子忘体周涌围热删边界栋区内英温度次上升盘，热饰边界科区内跑压力影急剧候升高渴并向决上游垃气缸傍扩张宇，形白成强菜烈的嗽回流乌压缩叔气缸匀内气套体。监回流丝气体谜犹如族活塞绩一般姿压缩兼气缸大内气笼体。贷回流束气体缎的速茶度可心达到过0.亩4而0.寺6马着赫，间即5佛5健80暴m/爆s的袋压缩唯速度柳，远撇远大诚于操熟作机涝构的度压缩食速度悉(6饶9研m/查s)蒜，势急必引极起压田气缸坟内气呈体压殖力的冲急剧仍上升炼。同兼时由工于回讯流必傻将引堂起气雷缸内柔冷气拢体与辽热边荷界区批热气顿流的卵充分谋混合猎，提把高了蝶压气汽缸内泽气体腿温度糖，这睁也是厌引起胀气缸天内压
12、腊力上钻升的窝一个框重要痒因素济。图远1、奉图2戴反映拒了上资述热剖边界蜘区的漫变化鲜规律盲。输图1粗热崇边界毯区扩阴张阶辽段灭爬弧室乳内温探度分奴布(篇每条垫等温垄线相闻差1驰0p巨u)姿Fi杨g.乎1吊Th剪e 躲di昂st筝ri籍bu山ti弯on辆 o森f 征te啦mp并er寒at仍ur裁e 伯in镰 i锣nt纪er兵ru宽pt醉er况 a伞t 涝ex匹pa意ns李io停n 清st探ag农e 误of街 t庸he竞rm亏al睁 b萝ou炎nd和ar升y 松re膛gi间on裤图2归热青边界救区扩绘张阶倚段灭腿弧室师内压格力分耀布(倡每条掠等温惜线相甚差0芬.5撞pu碑)危Fi译g.尾2芒Th
13、怜e 柳di黑st污ri术bu技ti情on猫 o会f 氏pr习es值su头re兴 i智n 炊in拆te盲rr萝up烈te坑r 京at梳 e吩xp忆an箭si鸣on燕 s自ta贸ge技 o胁f 筐th游er屯ma催l 悠bo马un镇da纱ry贱 r罗eg辨io菊n歌4.劲1.幼2婶热边波界区转相持导阶段滔(0扮.8珍1胃.4渠ms疼)调隆热边滤界区踢的回窗流一飞方面轻提高键了压胳气缸足内的色密度乖与压私力，宣另一篮方面证由于声气体发的回俩流造项成热挽边界蜜区内辣气体攻密度耐的降忙低，聋减小注热边勤界区踢压力径的上金升趋怒势。钓由于屡热边绵界区永的扩薯张，伴热边的界区汇内温贷度的幕上升盯趋于茅平缓
14、把。当晒密度乏下降罢所引隆起的名压力牌下降勤大于层温度与的影蚀响时音，热勺边界鼻区内穴压力享下降盐，喷彼口通缸道间钩的回狭流消烈失，搞在压逗气缸真迅速文提高盲压力裹的冷果气体着作用晋下，标逐渐标形成芽气流饰的正灾吹。令图3辩、图励4显垫示了零该阶腹段中屿灭弧护室内驼温度奋、压华力的季分布尽规律凑。吃图3耻热位边界出区相大持阶居段灭粗弧室省内温蓬度分潮布(避每条羞等温协线相喂差1呜0p击u)袍Fi帐g.舞3腾Th阿e 龟di勇st烂ri凯bu颠ti只on远 o萍f 成te幅mp稼er圈at漏ur引e 铅in强 i讽nt棒er饱ru小pt绣er乡 a梢t 熔eq角ui壮li表br胖iu欧m 掩st
15、嫩ag赠e 幸of有 t纪he池rm讯al阻 b棕ou傲nd深ar吗y 罪re朗gi弊on至图4润热更边界盐区相曾持阶组段灭役弧室妖内压贝力分说布(念每条腥等温坟线相响差0桃.5昨pu题)般Fi句g.民4道Th换e 章di僚st栽ri横bu泼ti老on召 o摧f 冻pr司es圾su磨re余 i帐n 潜in宴te战rr抖up亩te湿r 衡at扑 e短qu秀il易ib辜ri类um总 s皆ta发ge侧 o惜f 成th泪er缝ma买l 村bo尿un浩da客ry划 r门eg秘io设n织4.鸡1.订3良热边描界区若收缩摩阶段员(1兴.4黄3沟.5服ms误)钳堵 由议于回恢流的备消失闸与气国流正螺吹作兽用的
16、赖加强繁，压妖气缸冬内密陆度较饿高、抓温度盾较低买的气筑体压加缩热决边界以区。净热边厦界区焰收缩贱，气屑流正奏吹，申热边菊界区嚼内密刑度增辩加是塘该阶锋段的跨特点猜，如欲图5村、图隆6所棍示。谁由于香热边啦界区裤密度场的增舟加，土其内卷压力苦下降锡趋势据得到沾阻止刮并逐炎渐上学升，贺使得惰气流皂正吹舱减弱优。捡图5收热宰边界丧区收洒缩阶哲段灭窃弧室障内温奖度分询布(撑每条搏等温磨线相翅差1依0p三u)哥Fi巴g.鼠5乔Th辰e 怠di乒st梨ri裂bu兰ti挂on桌 o规f 罗te南mp掏er俘at纳ur盈e 遮in丸 i衫nt融er祥ru遵pt青er怨 a叛t 盒co饿nd荡en袋sa继ti良on瓜 s免ta且ge瓜 o横f 在th再e
