（电机与电器专业论文）252kv自能式sf6断路器开断性能计算与分析.pdf

沈旧t 业夫学硕士学位论文 t h e i n t e r r u p t i n gc a p a b i l i t yc o m p u t a t i o n a n d a n a l y s e s o f2 5 2 k v s e l f - e x t i n g u i s h i n gt y p e s f 6c i r c u i tb r e a k e r a b s t r a c t i nt h i s p a p e r ，a s s o c i a t e dw i t ht h ek e yp r o b l e mo f2 5 2 k vs e l f - e x t i n g u i s h i n gs f 6h i g h v o l t a g ec i r c u i tb r e a k e rw h i c hi su s e di np i n g d i n g s h a n ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e l so fs t a t i c e l e c t r i c a lf i e l da n do n e - d i m e n s i o n e da n dt w o d i m e n s i o n e dg a sf l o wf i e l dd u r i n gt h eo v e r a l l b r e a k i n gp r o c e s s i o na r cc h a m b e ro fc i r c u i tb r e a k e ra r ed e v e l o p e d s oi t i s v e r yp r a c t i c a li n e n g i n e e r i n g i n t e g r a t e dt h er e q u i r e m e mo fd e v e l o p i n gt h es e l f - e x t i n g u i s h i n gt y p es f 6 c i r c u i tb r e a k e r ， t h i s p a p e rp e r f o r m e d t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n dn u m e r i c a l a n a l y s i s o nt h em e c h a n i c p e r f o r m a n c e ，e l e c t r i ca n dg a s f l o wf i e l d sd i s t r i b u t i o no f t h ec i r c u i tb r e a k e r ，a n dp r o v i d e da t h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ed e v e l o p m e n to f t h e s e l f - e x t i n g u i s h i n gt y p es f 6 c i r c u i tb r e a k e r a tf i r s t , t h ee l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i o ni nt h ec h a m b e ro f t h eb r e a k e rw a sc a l c u l a t e dw i t ht h e h e l p o fa n s y s p r o g r a m ，a n dt h e nt h ei n n e rs t r u c t u r e a n dp o r c e l a i no ft h ec l u u n b e rw a s o p t i m i z e da c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t e dr e s u l t sa n dv e r i f i e dt h r o u g ht e s t s d u r i n gt h ec a l c u l a t i o n o f g a s - f i o w f i e l d ，a i m e d a t c o n c r e t es t r u c t u r e m o d e ls t u d i e d ，a m a t h e m a t i c a l m o d e l t b rg a s _ f l o w f i e l dw a sw o r k e do u tw i t hf o r t r a na n dp h o e n i c sl a n g u a g e w i t ht h i s p r o g r m n ， c a l c u l a t e dt h eg a sf l o wp r o p e r t i e si nt h ec h a m b e rd u r i n gt h es h o r t - c u r r e n ti n t e r r u p t i o n t h e f e a z et h a tg a sp r e s s u r e ，s p e e da n dd e n s i t yi ng a s f l o wf i e l dd i s t r i b u t ew i t ht i m ea n ds p a c e a n df i n a l l y t h el a wo fg a sf l o wi nc h a m b e ru n d e rs m a l l - c u r r e n tc o n d i t i o nw a sg o t t h e s t r u c t u r e p a r a m e t e r s w e r ec h a n g e dt o a n a l y z e t h ei m q u e n c eo ft h e c h a n g e o fs t r u c t u r e p a r a m e t e r so ng a sf l o wf e a t u r eu n d e rs m a l l - c u r r e n tc o n d i t i o n t h el o a dp e r f o r m a n c e so ft h ec i r c u i tb r e a k e ra r ea n a l y z e d t h et h e o r yo ft h ee x p a n s i o n v o l u m ep r e s s u r er i s ei s p r e d i c t e d a n a l y z i n gt h ev a r i a t i o no ft h en o z z l ea l ep a r a n a e t e r sa t c u r r e n tz e r o ，i na d d i t i o n ，a n a l y z i n gt h eb r e a k i n gp r o p e r t yo ft h es t u d i e dc i r c u i tb r e a k e ro nt h e 一2 一 沈阳工业大学硕，l 学佗论文 b a s i so ft h et h e o r y i tp r o v e st h a tt h ea r ce n e r g yc a nb eu s e dt oh e l pb u i l dt h ep r e s s u r eo ft h e e x p a n s i o nc h a m b e r a n d e x t i n g u i s h i n g t h ea r ci no r d e rt ol e s s e nt h ed r i v e n e n e r g y k e yw o r d s ：s f 6 c i r c u i tb r e a k e r , a r c c h a m b e r , e l e c t r i cf i e l d ，g a sf l o wf i e l d ；i n t e r r u p t i o n p e r f o r m a n c e 一3 - 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导1 - 进行的研究：i ： 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文巾特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：日期：汕o f ；、j d 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存沦 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 繇之超，导师魏日期：姗s 。j 、憎 沈阳工业大学顶仁学位论殳 1 绪论 1 1 高压s f 6 断路器的背景与发展 高压s r o 断路器的发展经历着巨大的变革，大致可分为四个阶段： 双压力式( 6 0 年代) 一单压式( 7 0 年代) 一单断口高电压大电流( 8 0 年代) 一自 能吹弧式( 9 0 年代) 。 自从二十世纪4 0 年代，出现了有关s 卜、6 气体作为灭弧介质的一些专利以后，s n ，气 体的优异的绝缘性能变越来越受到人们的重视，s f 。气体在灭弧室中的应用也越来越普 遍。随之，高压s f 。断路器的发展在不断地改进中，更加趋于成熟和完善。 1 9 4 7 年美国开始工业产生s f ：气体，并于1 9 5 3 年首先用于开关设备，用于断路崧， 在原理上与常充气断路器相同。开断时，随着气流从高压区流向低压区而熄弧，故将这 种断路器称作双压力式f j j 。 双压力式结构复杂且产量低，紧接的研究工作放在提高容量和取消压缩机 ：，经过 研究，人们利用开断过程中压缩气体的方式，取消了压缩机，从而出现了单压式断路 器。 现在所运行的s f o 断路器主要用单压式灭弧方式，单压式的灭弧特点是利用开断过 程中压缩s 民气体来熄弧，故开断能力强，但由操动机构提供压缩功，要求机构操作功 火，加重了大机构的负担。一般采用操作功大的液压操动机构。单压式研究主要放在电 流的设计和优化压缩气体的容积上，目标是增大开断电流和提高单断口电压上。在这 罩，单压式在灭弧结构上呈现两种不同形式，一为定开距，另一为变丌距。定开距具有 丌断电流大的优势，而变开距则有断口电压高的优势【2 l 。 单压式在绝缘结构上有落地罐式和支柱式两种，这两种形式都有很大的发展。丌断 电流从2 0 k a 增大至6 3 k a ，断口电压从最开始的7 2 k v 提高至3 6 0 k v ，4 2 0 k v 即目前最多 的5 5 0 k v 川。 到了8 0 年代后期，人们利用分析和诊断技术，研究气流场和灭弧结构，提出种 新式的灭弧原理，即自能灭弧原理。自能式s f 6 断路器不需要很大的操动机构提供操作 功，这就是大大简化了结构，减少了操作功。目前，这种原理应用于较低电压和中小容 沈阳工业人学硕 一学位论文 量。如a 1 3 b 公司按此原理做到1 7 0 k v ，4 0 k a 等级，但这种技术f j j 现就有许多公司研制， 使得自能吹弧原理取得更大的发展【4 】。 1 2 白能式s r 断路器的发展 压气式断路器开断性能优良，绝缘强度高，在高压电力系统中得至u 广泛应用。最近 发展包括丌发出的3 6 3 k v 和4 2 0 k v 单断l j 压气式断路器。这种断路器的性能是基于压 气缸压缩气体的大驱动能力、特殊形状的喷口以及s f 6 气体的特性为进一步提高这种断 路器的性能。为了达到这个目的，采用气动操作机构或液压操作机构。前种机构需要配 置辅助设备如空气压缩机，虽然价格便宜，但还是受到冷落。后种机构以其维修量小节 省劳动力而得到用户的青睐。超高压断路器采用液压操作机构顺理成章，但对于7 2 k v 一 2 0 4 k v 的高压断路器，这种机构未免显得太昂贵。除液压操作机构外，弹簧机构也配用 于断路器，对于小操作力的断路器来讲比较液压操作机构经济实用。如果能够大幅度的 降低气压式断路器的操作能力，就可以采用弹簧机构代替液压操作机构，从而制造出价 格比较低的断路器。 自能灭弧式断路器采用热膨胀气缸代替机械式压气缸，大幅度降低了所需操作力。 膨胀气缸利用电弧的热作用提高气体压力并将其储存，在电流零点将压缩气体吹向电 弧。同油断路器相似，热膨胀式断路器的丌断性能很大程度上受制于开断电流的大小， 并且在小电流开断是存在l 瞄界电流区，不能实现成功开断( 电弧加热能量低) 。 自能式灭弧原理就是最大限度的利用电弧自身的能量，加热膨胀室中的s f 67 i 体， 提高膨胀室中s f 6 气体的压力，在喷口中形成高速气流与电弧发生强烈的能量交换，当 电流过零时，达到熄弧的目的。因此自能灭弧原理是对电器电弧理论研究的突破和发 展，这样做有两个好处：一是因为不用操作机构压缩气体，故大大减轻了机构的负担， 可不用大容量的液压操动机构，而用低能量操作功的弹簧机构；二：是可简化灭弧式结 构，减少断路器的尺寸。 现在新的自能式s f 6 断路器多用热膨胀加助吹和热膨胀加气压式的方法灭弧。这样 做，均提高了灭弧性能和断路器性能。有效的解决了开断大电流和小电流的矛盾。新型 断路器与压气断路器灭弧式结构有很大的不同，体现了高压断路器技术的进步【5 6 1 ”。 沈阳工业大学硕。l 学位论文 自能式s r 断路器的研制成功，不仅人人减少了断路器的外形尺、j ，简化了产品结 构，而目也提高了产品的可靠性，特别是减少了气体密封长度和零件数有利于可靠性的 提高。 1 3 研究灭弧室内参数变化的重要性 自能式断路器存研制的过程中是非常困难的，灭弧室体积的大小的丌断过程r r | 的参 数影响很大，而灭弧室参数的变化，尤其是气体压力的变化对断路器的燃弧时间和燃弧 区间有很大的影响，对于自能式s f 6 断路器来说，灭弧室体积较大，电弧加热气体，7i 压不足够高，进而1 i 足以熄灭电弧；体积较小时，短燃弧时间熄弧性能较强，但跃燃9 时熄弧能力较弱 8 】o 因此，对灭弧室参数进行计算，合理的设计灭弧室体积，对自能式 s r 断路器的研制具有重要的参考意义。 为解决s f 6 断路器对近区故障的开断能力，必须提高热气体的排出效率和吹弧气体 的压力。因此，开发具有高压大容量开断能力的灭弧室，必须使压力室产生强大的气吹 来冷却电弧，提高灭弧室开断能力方法有：一是增大操作力，增加气体压力；另一种为 改进灭弧室尺寸和喷口结构，取得最佳吹弧效果。但是增加操作力将影响断口机械可靠 性，要限制在最小值。因此应重点改善灭弧室结构尺寸对压力特性的影响。 为了更好的进行灭弧室的优化设计，我们最应该了解的就是其中的各个部分物理最 的参数变化，只有弄清楚，才能合理的改善灭弧室结构尺寸。 从使用的观点看，对各类断路器的机械特性有一些共同的要求。例如：( 1 ) 保证 额定的开断能力和闭合能力；( 2 ) 动作可靠；( 3 ) 机械寿命长；( 4 ) 动作时间短； ( 5 ) 触头的熔焊小；( 6 ) 冲击振动小【9 j 。 各类断路器由于采用的灭弧原理不同，结构形式各有特点，要在某种程度上达到上 述要求，各自应采取不同的结构措施。其中，一个既是共同的又是极其重要的方面，就 是对断路器操动机构所提供的分闸速度的研究，因为它对断路器机械特性影响很大。如 果断路器操动机构提供给触头的分闸速度不合理，会使断路器的触头发生熔焊，发生冲 击振动等系列危害断路器机械性能的动作，严重降低了断路器的机械寿命：有的甚至 会发生分闸失败，断路器爆炸的严重事故，对人身安全构成极大的威胁，给国家财j “。造 成了巨大的浪费。 沈阳工业大学硕卜学位论史 据统计，在断路器的各种工作故障中，机械故障居首位。在国外，有的高达8 0 ； 在困| j i i ，机械故障所占的比例也很高，而且1 i 少电气故障也是机械故障造成的。其巾， 由丁| 操动机构的机械故障引发的断路器故障占大多数，对电力系统的安全运行构成极大 的威胁。操动机构引发的机械故障中，就有相当部分足因为操动机构没有给断路器本 体提供合理的分闸速度而导致的。如果，我们在设计断路器前，泔其操动机构的速度特 性( 尤其是分闸速度特性) 进行正确的合理的计算并将它与灭弧系统的灭弧能力结合起 来综合考虑，就会对断路器的设计提供可靠的依据，进而减少由于断路器的操动机构提 供分闸速度不合理而造成的机械故障，大大提高断路器工作的可靠性，为电力系统的安 全运行提供了更为可靠的保证。 从上述分析，我们可以看出，断路器操动机构的速度特性对其机械特性的影响很 大，因此，对操动机构速度特性的计算是极其重要的。 交流电流的开断是电流过零前的电弧熄灭和过零后的绝缘恢复过程，其熄弧条件 是，交流电流过零时，弧隙中实际介质恢复强度时时高于实际的恢复电压，两者是相互 关联的连续的过程，而这一过程体现在灭弧室的动作上是连续运动过程。过程中变化对 象是时间和行程，因而速度成为最恰当的特征值。从机构动力学方面看，速度决定了一 定运动质量所具有的动能和动量，速度的变化反映出作用力和阻尼力的变化，这些都是 断路器操作的基本参数，也是影响断路器灭弧性能的重要因素；而反过来灭弧室内气体 压力参数有反过来制约速度的变化。从电弧能量平衡方程式来看，当电弧释出的能量大 于其向周围介质散出的能量时，电弧趋于炽烈；当电弧释出的能量等于其向周围介质散 出的能量时，电弧将稳定燃烧；当电弧释出的能量小于其向周围介质散出的能量时，电 弧将趋于熄灭，因此，速度，压力特性直接影响断路器灭弧能力的强弱。 通过对断路器操动机构分闸速度和灭弧室气体压力的计算，就可以获得断路器触头 的分闸速度特性，进而得到触头的分闸速度曲线与灭弧室压力特性曲线。从曲线中，我 们可以获得断路器的许多参数。例如：分闸速度、灭弧室内压力、温度、质量流失率等 重要参数，它对于衡量高压断路器熄弧时，介质恢复强度和弧隙间所承受的恢复电压起 到决定性作用，这是因为高压断路器的燃弧时问约为半个周波到一个周波之间。同时， 它也决定了最后分闸到底反弹的情况。如果分闸速度过高，分闸到底时，触头的反弹将 沈阳工业大学硕士学位沦文 极为严重，这就会使触头严重熔焊，而对于白能式断路器灭弧室，压力特性的作，月尤为 突出，它对弹簧机构的影响更为明显，压力过高，弹簧机构推升i 动，触头的分闸速度不 理想，甚至出现回退现象，压力过低，保证1 i 了对电弧的气吹效果，达不到熄弧的日 的。两者都赢接影响断路器的开断性能。使断路器的机械寿命和电寿命降低，严重危害 电力系统的安全稳定性。均有可能开断失败，导致断路器损坏或爆炸，对电力系统造成 影响，其直接经济损失和间接经济损失很大。 从上面的分析，可以看出，自能式s f 6 断路器灭弧室气压特性决定了触头的速度特 性，而触头的速度特性对于高压断路器的机械特性和灭弧室气压特性都有着很大的影 响。触头的速度特性与灭弧室的气压特性合理与否，直接关系着高压断路器的丌断盹能 和整个电力系统的稳定性和可靠性。因而，对灭弧室的气压特性和操动机构速度特性的 计算是十分重要的，其计算和分析结果对断路器操动机构结构的合理设计以及各零部件 的选择有着重要的理论参考价值。 1 4 研究灭弧室二维轴对称气流场的重要意义 前丽所讲的主要是针对自能式s f 6 断路器灭弧室内一维场的计算，其作用意义都相 当巨大但是我们要了解灭弧室内某个点的速度，压力，温度这对一维场来讲都是很难 实现的。例如，灭弧室内喷口尺寸的变化对开断性能的影响就无法精确的表述出来。所 以我们就要深入研究灭弧室二维轴对称气流场的相关特性，而且一维场计算的结果可以 作为二维轴对称气流场的边界条件，其意义非常重大。 从世界范围来看，自能式s f 6 断路器代表当今的断路器发展方向，其优良的性能使 它必将在高压开关领域代替压气式s f 6 断路器。并且，在我国高压丌关行业中，新产品 的研制开发都是仿制、试验改进或合作引进等方式进行，这在断路器的发展初期对行业 起了积极的推动作用，但在断路器飞速发展的今天却严重阻碍了我国丌关事业的发展， 使开关的生产需要依赖国外的程度。另外由于进行断路器开断性能实验是需要解决系 列技术问题，但是一些现象仍是试验无法模拟的。例如，在自能式s f 6 断路器开断过程 巾起关键作用的是气流与电弧间的相互影响，电弧的热影响及对喷口的堵塞作用决定了 膨胀室内的压力特性，但是电弧能量的利用问题一直是一个无法解决的问题，冈此在对 自能式s f 6 断路器的开发中对电弧的特性、膨胀室的压力特性及气流场的分布情况进行 沈阳t _ q k 大学硕上学位论文 研究是十分重要的，它不仅能为开关的设计提影e 理论依据，减少盲目性，= 市省实验费 用，而且能够推动我国开关事业的飞速发展。 灭弧室内气流场的计算是与计算流体力学分不开的。计算流体力学的发展是伴随着 计算机的发展而前进的，后者是构成前者的基础。只有计算机的速度、内存和外围设备 达到一定程度适才会有计算流体力学的新发展。所以近年来，随着计算机技术的发展， 出现了很多专门用于计算流体力学计算的软件包。根据国外的一些研究结果，可以利用 一些计算流体力学的专用软件包进行自能式灭弧室气流场模拟汁算。最早的是 r l u t t r e 用来模拟一个l k a 的直流电弧；然后是c l a s s e n 等将一个简化的两区域的 电弧模型植入c f d 软件模拟大电流燃弧：近j l 年来，方大庆等人在国外也再这一方而 做了很多工作1 1o 】。但是从国内的研究结果来看，大都还是采用自编程的方式。自编程的 方式虽然能解决很多灭弧室气流场的问题，但是它在数学模型的建立上与处理者的角度 和方式不同而使得计算结果有所差异，同是在计算过程中，往往为了顺利计算，需要人 工的参与才能得到计算结果。例如国内某高校虽然开发出种压气式气流场软件，但是 他的通用性不强，并且使用起来不是很方便。另一方面，尽管利用自能式灭弧原理可以 减少驱动能量的要求，但是有关临界电流的问题还没有使其在高压上的应用成为可能。 在1 0 0 k v 以卜的高压断路器还是以压气为主。目前国内外灭弧室的开发以成为热点， 特别是在2 2 0 k v 等级的开发是一个普遍关注的问题。但是，要做好这些必须做好扎实 的理论研究工作，自能式灭弧室研究的核心是电弧能量利用的优化问题，而许多厂家山 r 对自能式灭弧原理理解不深，灭弧室结构有设计和制造上的缺陷，导致试验的不顺 利。所以需要有个完善的、系统的方法来对灭弧室气流场进行研究，对其开断性能进 行分析，为自能式断路器的开发研制打下坚实的基础。 1 5 本课题国内外发展状况 在八十年代，随着电子计算机技术和数值计算技术的发展阻及人们对灭弧室内气流 场认识的深入，空间二维电弧微分模型引入了灭弧室内气流场的计算，通过求解由非定 常二维质量守衡方程、动量守衡方程和能量守衡方程所组成的微分方程组，计算电流过 零后介质温度随时间的变化来判断断路器的极限开断电流，研究弧后介质恢复特性。这 一时期的主要代表人物有k r a g a l l e r e i ，r r m i c h e l l 1 玑1 ，j f z h a n g ，m t c 沈阳工业人学硕l 学位论文 f a n g l l 3 1 ，l o w k e 【h 1 等。由一维模型进步到二维模型，并由更精确的微分方程组替代以前 的积分方程，使火弧室内气流特性的研究向前大大发展了一步。这类模型存在一些 题：第一，这些电弧数学模型在建模时多是以结构较为简单的定开距双压式断路器为研 究刈象，但足存电力系统的实际应用中是以单压式压气式断路器为主流，因此这些模型 的应用受到了限制；第二，这些电弧模型在求解过程中往往先求出没有电弧时的冷气流 一维气压特性分布，再假定电弧等离子区和周围冷气流区在轴向有相同的分布，在这皋 础j 二对电弧控制方程进行求解。这种处理方法，忽视了电弧对整个流场的影响，更不能 分析在半波大电流燃弧期问出现的热回流与热阻塞现象；第三，这些模型多是刺欧拉方 程组进行求解，电弧散热方式为对流与辐射，没有考虑热传导与气体的粘性，这在大电 流期间可进行计算。但在电弧电流接近零时，如果不考虑热传导就会有较大误差。 进入九十年代以来，在以往研究的基础之上，随着对灭弧室内电弧的理论研究和实 验研究的进一步深入，主要是对电弧温度、热辐射等电弧特性研究的深入，为电弧数学 模型的进一步发展奠定了技术基础。同时，工程实践也要求灭弧室中的电弧数学模型能 够描述真实断路器中具有复杂边界的气流特性。因此，真正意义上的二二维模型l l s l 1 6 1 ”1 成为灭弧室内气流场数值模拟的主流。这些电弧模型对断路器在整个丌断过程中灭弧室 内复杂的气体流动和物性变化能够较为精确的模拟，使电弧数学模型的实用程度又提高 了步。 在我国，王其平教授于6 0 年代首先在其著作中介绍了电弧数学模型研究思想。进 入八十年代初，王其平教授与其合作者通过实验对s r 电弧动态特性进行了研究，建立 了描述电弧的数学物理模型，并进行了灭弧室全场域气流场的数值计算。在他指导下， 胡万平通过实验对双喷1 ：3 电弧气流场和电弧热边界区【1 8 】 19 】进行研究，提示了喷口电弧的 气流特性；黄建华在分析了一维气流特性后，提出了一种简化的积分电弧模型，用来计 算电弧热开断一陆i 2 0 l ；张交锁和徐建源相继提出了电弧的微分积分模型口”和二维动态 模型1 2 2 1 ，并分别针对开距不变的灭弧室，在电弧过零前和过零后s f 6 气体中介质恢复过 程进行了一定的计算：刘贬芳进一步提出了适用于变开距的二维数学模型，并对s f s 加： 混合气体的灭弧特性和机理进行了分析【2 3 j ；海涛、牟京卫、李小滨等利用有限元法对灭 弧室内二维气流场进行了数值计算 2 4 1 ”。楼家法教授级高工对s f 6 灭弧室主没计和模拟 沈n t 业人学硕1 学位论文 提出了将操作秽l 构机城特性与灭弧室气流特性进行联合模拟计算的创新观点口m 马志赢教 授在国内最早从事电弧间隙剩余电流的研究，对交流电弧电流零区现象进行了深入的分 析 2 9 】，并进行了操作机构机械特性与灭弧室气流特性的联合模拟计算。李摈则提出厂 磁流体的数学模型i ，在计算中考虑湍流及磁场对电弧的影响，能较全面地揭示丌断过 程中电弧参数及流场参数随时问的变化关系。 在国内，应用数值计算法对灭弧室电场计算的研究也比较多。象海涛、士其平的 s f 6 断路器灭弧室内电场的数值分析；赖小红的瓷柱式s f 6 断路器灭弧室的电场计算； 王尔智、佟立柱应用有限元法对s f 6 断路器罐体端部的三维场进行了计算；车俊禄采用 模拟电荷法对三相母线筒中支撑绝缘子附近电场的计算。 国内从事介质恢复特性研究的主要以王其平和他的博士生为代表的一批工作者。存 完善电弧的数学模型、电弧和气流场的相互作用、弧后介质恢复等方面做了大量的：i 二 作，并取得了一定的成果。目前，关于零后介质恢复的研究分为两个阶段，即热恢复阶 段和电恢复阶段，电恢复阶段又分为电恢复阶段前期和电恢复阶段后期。热恢复阶段用 能量平衡原理来描述，电恢复阶段用流注理论来描述。电恢复阶段前期由于介质成分非 常复杂，没有找到合适的理论来计算。 综上所述，在断路器灭弧室电场数值计算中，目前国内外应用广泛的是有限元法、 特别是对二维场的分析与计算。它的特点是能够适应复杂的边界条件、局部的精度高。 但有限元对于求解无限场域的电场问题时，需要人为设置部分边界条件，这就会对计算 造成误差，这也是有限元法计算一直未解决的问题。 在介质恢复特性的研究中，目前国外的研究表明，在小电流开断过程中，用流柱理 论计算的介质强度恢复和试验结果基本吻合。而大电流开断过程中的介质恢复都足从试 验中得到的，根据流柱理论得到的计算方法尚待进一步完善。主要是缺乏断路器开端过 程中弧隙内介质的温度、密度、压力等试验数据，使计算结果的检验受到限制。而国内 的介质恢复研究大多是理论探讨，在试验研究方面的所做的的工作很少。 1 6 本课题研究的内容 本课题针对上述问题，将利用专门用来进行电场和流场计算的软件a n s y s 和 p h o e n i c s 结合部分自编程序对2 5 2 k v 大容量的白能式断路器灭弧窜电场和气流场进 沈刚d i k 大学颂士学位论文 行数值模拟计算。a n s y s 和p h o e n l c s 应用比较“泛，可以进行各种各样的场域计 算。它能实时的以图形形式显示计算结果，并且给用户提供实时干预计算过程的能力， 还可以用适当的图形方式显示f _ _ | 各类物理量的分布，能对画面进行缩放，可以交互改变 视点位置等优点。但是由于灭弧室流场的复杂性和特殊性，奉为提出了在p h o e n i c s 下采用自编程的方式来进行开发研究，这种利用流体力学软件和自编程相结合的方式在 国内i 流场计算的研究还属于初级阶段，所以这种比较新颖的见解可以对本文的研究打 下很好的基础。本课题为配合平顶山天鹰集团公司正在研制开发的2 5 2 k v 自能式s f 6 断 路器而对其在开断过程中灭弧室内气流场进行计算和分析的。 本文将要进行以下研究工作： ( 1 ) 建立自能式灭弧室膨胀室的电弧加热s f 6 气体压力特性数学模型，主要大电流燃 弧期间灭弧室气压特性参数，并可作为二维流场计算的初始条件。 ( 2 ) 对膨胀室室不同体积、动触杆上不同的开孔位置、喷口上游区长度及喷口南 径、喉部长度进行定量计算，并对灭弧室结构进行设计。 ( 3 ) 学习a n s y s 软件，编制求解泊松场的有限元法程序，对灭弧室的电场进行计算 分析。 ( 4 ) v i s u a lf o r t r a n 和p h o e n i c s 软件的开发和利用。 ( 5 ) 二维数学模型的建立及其处理。数学模型的建立和处理不是一件非常容易的工 作，需要具有多学科的专门知识和丰富豹经验。通过综合、全面分析之后，才能得到符 合实际的、正确的模型。本课题利用p h o e n i c s 软件主要是用来解决电弧守恒方程 的，但是对他进行气流场的计算时，还需要对数学模型的再处理。 ( 6 ) 在p h o e n i c s 软件的基础上用f o r t r a n 语言编制程序。该计算程序需要能计 算断路器的空载、负载开断过程中灭弧室气流场中的参数、喷口的电弧参数。 ( 7 ) 对灭弧室的空载、负载开断过程中的灭弧室中的气流特性进行分析。以计算断 路器开断能力为目标，分析电弧丌断过程中触头间隙的能量变化，得到气压、温度的时 间、空间的分布；计算并分析灭弧室压力、膨胀室体积、喷口喉部赢径的变化对断路 开断性能的影响，从而得到对s f 6 自能式断路器设计的一些有用的结论，以减少设计过 程的盲同性。 沈m t 业大学硕士学位论文 ( 8 ) 将，4 i 课题计算结果应用到2 5 2 k v 自能式s f 6 断路器的实际设计中，并在困家离& 电器试验检测中心通过了，试验结果证明了计算结果的准确性。 沈阳1 业大学坝 ：学位论文 2 灭弧室内压力特性计算 在灭弧室系统中，灭弧室内气体都是变质量系统，变质量系统的热力学第定律表 达式为： a q + h a m = 世+ 矿 ( 2 1 ) 式中：49 屯弧传递给系统的热量微7 i ，单位为j ； z h4 矿_ 系统与外部气体质量交换而带给系统的能量之和，单位为j ； 4e - - 该系统储存能微元，单位为j ； 4h 亥系统对外做功微元，单位为j 。 将上式以变化率的形式整理得： + a = + 尸d ( 2 2 ) 在本次设计中可以写成 d q d t + p a v = g r t + m c 。d r a t ( 2 3 ) 式中：争气体质量流量，单位为k g 一； 灭弧室活塞面积，单位为m 2 ； p 触头运动速度，单位为m s 。 从式( 2 , 3 ) ，我们可以看出，只要求解出温度对时间的一阶微分方程，掌握温度 的变化值，然后利用理想气体状态方程就可以得到气压的变化值。 但是，对于灭弧室内温度变化的求解，式( 2 3 ) 中还有许多问题需要解决( 其中电 弧能量和流量的计算最为关键) ： 1 ) 如何定量地把握电弧能量的作用( 在本次设计中电弧能量这一参数将对计算结果有 着重大的影响) ； 沈阳工业大学硕士学位论文 2 ) 电弧能量系数的选取； 3 ) 气体流量如何计算； 4 ) 电弧对气体流量的影响是如何的； 对于上述这些问题的具体解决方法，将存后文中结合自能式s f 6 断路器结构进行详 细地分析与计算。 2 1 建立压力特性的数学模型 本文以2 5 2 k v ，3 1 5 k a 自能式s f 6 断路器为研究对象分析其灭弧压力特性。 图2 1 自能式s r 断路器结构示意图 1 活塞2 辅助动触头3 动触头4 喷口 5 静触头6 屏蔽罩7 辅助静触头8 灭弧室内孔 参照图2 1 ，图中给出自能式s f 6 断路器结构示意图。主要参数有：断路器开距 1 6 8 m m ，静触头直径2 5 m m ，动触头直径为2 7 m m ，缸体直径11 6 m m ，平均分闸速度 6 7 7 o m s ( 平均分闸速度即去掉全行程前1 0 及后1 0 而取中间过程对时间的平均速 度) 。 并且起初是状念参数为灭弧室绝对充气压力0 5 m p a ，温度为2 9 3 k ，时间驳0 点。动触头从闭合状态到打开状态足一个连续变化的过程。在每一时刻，灭弧室内每一 点的压力、温度和密度都是不同的，为了简单明了地分析问题，本文做了以下假设： ( 1 ) 气体的摩尔数不变。 ( 2 ) 热能都能均匀的分配给气体。 ( 3 ) 由于开断过程非常迅速，与气缸壁来不及进行热交换，所以可把此过程看成绝热 过程。 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 4 ) 为了更好地说明问题，将灭弧室内气体容积分成三部分。图2 1 中1 为热膨胀气 缸( 上游区) ；2 为外界气体( f 游区) ；3 为动弧触头内部气体( 下游区) 。1 、2 、3 部分“i 体均按理想气体考虑，忽略各部分摩擦，每部分气体状态参数分布，可作为集中 参数来处理。 ( 5 ) s f 6 气体的定容比热由下式计算0 1 】： c v ( r ) = 8 5 5 4 + 0 1 2 t 一2 5 8 1 0 6 t 。2( 2 4 ) 2 1 1 触头超程运动部分 这里将灭弧室和触头系统运动分为三个过程，每一过程由于动静触头所处位置不同 以及喷口打开与否，差异较大。同时我们将整个电弧分为三部分：电弧上游部分，喉道 部分，电弧下游部分。由于行程的改变，在后两个过程中电弧能量的计算也有很大的差 异。下面我们将进行详细的分析。 第一运动过程是从触头在闭合位置到动静触头拉开，为动触头超行程阶段。 灭弧室变化：此时动触头并未完全脱离静触头，喷口还未打开，1 、2 、3 三部分仍 然是三个孤立系统，它们之间没有任何质量和能量的交换。 因此，第1 部分是一个封闭的热力学系统，利用热力学第一定律：状态方程式确定 了气体处于某一状态下三个状态参数p ，p ，t 之间的关系，如果气体状态发生变 化，两种状态之间参数又符合什么关系? 根据能量守恒和转换定律，当对系统作功时， 系统能量的增加等于所作的功，当向系统传递热量时，系统能量的增加等于传递的热 量，设对系统做功矿，同时又向系统传递热量q ，则系统能量的增量等于两者之和。 a e = + q 也可写为： q = 战+ p 酬 在灭弧室系统中，灭弧室内气体都是变质量系统，变质量系统的热力学第定律表 达式为： 沈阳t 业大学顺七学位沦文 a q + h a m = a e + 在本次设计中根据式( 2 3 ) 对于第1 部分气体，其数学方程式可写为： c 一，鲁确爿v 亟d t = p 彳v c ，嘲 ( 2 5 ) 式中：c ，。| 部分气体比热容，单位为j k g k ； m ，为气体质量，单位为k g ； z 为1 部分气体温度，单位为k ； p ，为1 部分气体压强，单位为p a 。 由于假设压气室气体为理想气体，根据理想气体状态方程 p v = 脚t 可推导出灭弧室气体压强： p = ( 夕二) ( ) 掰丁 ( 2 6 ) f 2 7 1 对于第2 、3 部分气体，假定为理想大容量气体，由于第l 部分气体未向其泄漏， 凼此第l 部分气体参数变化对其影响较小，可以不考虑。第2 、3 部分的气体状态依然 为初始参数。 2 1 2 电弧堵塞加热气体部分 第二个运动过程是从动弧触头离开静弧触头，到静弧触头处于喷口喉部将要拉出 时，这一过程是电弧堵塞，加热膨胀室阶段。 此时静触头位于喷口截而最小处，由于触头分开产生电弧，但喷口还未打开。放 电弧能量不断输入压气室内，压力随之上升，并且加热灭弧室气体使温度升高。 电弧能量变化：此时，电弧能量及电弧半径随着短路电流所处的相位角的改变而 1 i 断的变化，同时在这一过程中电弧只产生i 游电弧部分，当行程在4 7 m m 到6 1 n m l 沈阳t 业大学硕士学位论史 ( 静触头进入喉道的入口坐标) 之间时，电弧全属于上游电弧部分，当行程在6 1 r a m 到7 4 2 m m ( 静触头退出喉道的出口毕标) 之间时，电弧有1 4 m m 属于上游电弧部分。 气体流量变化：i 部分气体既与动弧触头内部又与下游区有能量和质量的交换，其 e 体泄漏面积是随电弧半径的改变而变化。这时，灭弧室1 部分与下游区2 部分既有 电弧能量交换又有质量交换，又有与3 部分的气体质量交换。 自能式s f 6 断路器在设计中，喷口喉部面积更有利于电弧堵塞，自能式的意义主要 体现在于第二阶段。 同样根据式( 2 3 ) ，对灭弧室1 部分的能量平衡方程可写为： c v l m l 鲁“i ，r t i 印加+ 署 誓- ( p 一+ 警钒r 驰砌。 ( 2 8 ) 式中：g 。，灭弧室中1 部分流向3 部分的气体质量流量，单位为k g m 3 。 对灭弧室3 部分的能量平衡方程可写为： c v 37 e 1 3 鲁+ g 3 渺，一鲁坩汹 里一塑+ 钆奶一g ，。r ，3 ) c 。 (29)dtd t 1 1。1 ”。”、7 式中：g ，。灭弧室中3 部分流向外界的气体质量流量，单位为k g m 3 。 2 1 - 3 气体吹弧部分 第三个运动过程是动弧触头离开喷口至完全断开状态下。 灭弧室变化：此时，喷口已经完全打开，压气室内压力继续上升，在压差的作用 下，气流在喷口中形成高速流动，与电弧发生强烈的能量交换，在电弧电流过零时终于 将电弧熄灭。 沈阳上业人学硕j 学位论立 电弧能量变化：这时电弧越拉越长，但电弧与火弧室l 部分的能量交换的几何长度 相对稳定，而与下游区气体能量交换的份额越来越大，电弧能量人部分散失到外界去。 我们将考虑电弧喉道部分的影响，其能量系数的选取也会与上一过程有所不i 司。 气体流量变化：在这骱段中，1 部分气体与动触头内部3 及喷门外部2 都有质量 交换。 同样，对灭弧室1 部分的能量平衡方程可写为： c 一，罢帆q 坩艄训v + 警 鲁却p + 警t - g 1 3 r t i - g n r t i ) c 扣。( 2 1 0 ) 式中：g 。：灭弧室中1 部分流向2 部分的气体质量流量，单位为k g m 3 。 对灭弧室2 部分的能量平衡方程可写为： c 一：鲁+ g 2 渺：= 五警坩嘏 里：m 塑+ g 。1 2 r t l g 2 。r t 2 j c ，2 肌2 ( 2 1 1 1 ) dtd t 1” 式中：g ，。灭弧室中2 部分流向外界的气体质量流量，单位为k g m 3 。 灭弧室3 部分的能量平衡方程与上一过程灭弧室3 部分的能量平衡方程相同。 目前，在所建立的数学模型中只有电弧功率和气体质量流量尚属未知，下面将进行 详细的介绍。 2 2 电弧计算方程 2 2 1 电压梯度的选取 在大部分燃弧时问内，弧柱区处在游离状态。根据有关资料可以认为弧区内部温度 均匀。考虑到气压与喷口直径对电压梯度的影响可以取s f s 气流中的e 为： e = 3 2 3 2 ( 1 。0 3 ) + p “5 】 ( 2 1 2 ) 沈阳工业大学颤十学位砭殳 式中：d 喷口直径，单位为m ； p e 下游压力差，单位为p a 。 2 2 2 电弧直径的选取 计算过程中考虑到了弧柱面积随电流的变化。由_ 丁_ - 是气流吹弧，冈而可以忽略弧柱 热惯性所造成的直径随电流变化的延迟。在确定峰值电流所对应的最大电弧直径时，参 考一些资料，可以将电弧直径分为两部分。在本文巾，在电弧电流角度 k ，r + 3 0 a k j r 一3 0 时电弧电流因为喷口直径的影响比较大，电弧直径r 。应写为： r = 0 4 5 ( 1 0 2 6 d ) 1 0 “2 ih0 5 9 2 ( 2 1 3 ) 式中：，。屯弧电流，单位为a 。 其它情况时，电弧直径由于受到压力差的影响比较大，而喷口直径的影响比较小， 所以电弧直径可取为： r 。= 0 4 5 1 0 2 劬o 1 8 1 h 05 9 2 ( 2 1 4 ) 2 2 3 电弧功率汁算 从文献可以知道，通过弧隙的放电为阻尼形式的，为了准确把握弧能，将电流取为 衰减变化的形式，亦即： i ( t ) = ，。e “s i n ( c o t + 妒)( 2 1 5 ) 衰减时间常数口随电流峰值。而变化，参考试验波形，可取 瑾：生r ，r ：三至 1 0 0国 则电弧功率方程可以表示为 沈阳工业大