（电机与电器专业论文）252kvsf6断路器开断过程的计算与试验研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 t h e i n t e r r u p t i n gp r o c e s sc o m p u t a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho f 2 5 2 k vs f 6c i r c u i tb r e a k e r a b s t r a c t a c c o r d i n gt o t h er e q u i r e m e n to fu h vs f 6c i r c u i tb r e a k e r sd e v e l o p m e n t ，a tt h e b a c k g r o u n do ft h e t h es t u d yo ft h e11 0 0 k vs u p e rv o l t a g ec i r c u i tb r e a k e r i t e mw h i c hi s c o o p e r a t e db yp i n g g a og r o u pc o l t d a n du s ，a i m i n ga tt h et h e o r ya n dc h a r a c t e ro fs f 6c i r c u i t b r e a k e r , s e l e c t i n gl o w e rv o l t a g ec l a s s2 5 2 k vs f 6c i r c u i tb r e a k e ra sr e s e a r c ho b j e c t ，g a sf l o w f i e l di nt h ea r c c h u t em o d e la r eb u i l td u n n gt h ei n t e r r u p t i n gc o a r s e ，s ot h el a wo fg a sf l o w i n g i sg o a e ni na r c c h u t et r a d e rt h el o wc u r r e n tc o n d i t i o n t h e np r e s s u r ef e a t u r ei na r c - q u e n c h i n g c h a m b e ro f2 5 2 k vs f 6c i r c u i tb r e a k e ri sm e a s u r e d 。t h ea r cm o d e la n dt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t a r ep r o v e d b e c a u s et h ea r cm o d e la n dc a l c u l a t i o nt e c h n i q u eh a v eg e n e r a lc h a r a c t e r i s t i c ，t h e p r o g r a mc a nb eu s e dt ou h vs f 6c i r c u i tb r e a k e r sd e v e l o p m e n t a c c o r d i n gt oc o n c r e t es t r u c t u r em o d e ls t u d i e d ，a r cm o d e li sb u i l ti n t h i sp a p e ra n d s e l f - p r o g r a mi s a d d e dt op h o e n i c ss o f t ，t h eg r i d st e c h n i q u ei nt h ec o m p l e xd o m a i n i n c l u d i n gt h em o v i n gb o u n d a r yt e c h n i q u ea r i t h m e t i cw h i c hf i t st h ec i r c u i tb r e a k e rb r e a k i n g p r o c e s si sb u i l t 1 1 1 eg a sf l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c i sc a l c u l a t e db yt h i ss o f t w a r ed u r i n gl o w c u r r e n ti n t e r r u p t i n gc o u r s e t h ep r e s s u r ec h a n g i n gc h a r a c t e ri nt h ep r e s s u r ec h a m b e ri s a n a l y z e d a sd ot h eg a sp r e s s u r e ，t h es p e e d ，t h ed e n s i t yi nt h ef l o wf i e l dd i s t r i b u t i o nw i t h t e m p o r a la n ds p a t i a lv a r i a t i o n s ot h a tt h el a wo fg a sf l o w i n gi sg o t t e ni na r c - c h u t eu n d e rt h e l o wc u r r e n tc o n d i t i o n m e a s u r es y s t e mo fp r e s s u r ef e a t u r ei sd e s i g n e di nt h i sp a p e r s e v e np o i n t so fp r e s s u r e c h a n g er e p r e s e n t a t i o na r es e l e c t e d ，m u l t i p l et e s t so fm u l t i p o i n ta r er e a l i z e dt h r o u g hc h a n g i n g b a s e p r e s s u r ea n dv e l o c i t yf e a t u r eo fb r e a k e r t h et e s to v e r a l lr e f l e c t sp r e s s u r ef e a t u r ei n c h a m b e ra n di n f l u e n c eo fs t r u c t u r a lp a r a m e t e r u t i l i z i n gt e s tr e s u l tt op r o v et h e o r y ，t h e c o n c l u s i o ni st h a tt h e o r yc a l c u l a t i o nr e s u l ti sc o r r e c ta n df e a s i b l e t h e o r yr e s e a r c hi n t h i sp a p e ra st h eb a s eo fd e s i g ns o f t w a r ep a c k a g eo fb r e a k e r s d e v e l o p m e n t ，p r e s s u r ef e a t u r et e s t h a sg u i d i n gs i g n i f i c a n c ef o rr e s e a r c ho fa r c e x t i n g u i s h l i 2 5 2 k v s f 6 断路器歼断过程的计算与试验研究 p e r f o r m a n c ea n dc o r r e l a t e dt h e o r yi ns f 6c i r c u i tb r e a k e r t h i sp a p e rc a l lb ea sb a s eo f d o m e s t i cu h ve l e c t r i cn e t w o r k sb u i l d i n g k e yw o r d s - s f 6c i r c u i tb r e a k e r ，a r c - c h u t e ，g a sf l o wf i e l d ，p r e s s u r ef e a t u r et e s t i t l 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下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中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：狃速日期：塑里2 ：墨：! 至 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论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 日期：丝zi ：墨 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景 电力是现代社会使用最广泛的二次能源，电力的嶷全、稳定帮充足供应是鞠民经济 众面、可持续发展的重要保障条件。我圈十分重视作为国家重大基础支柱产业的电力工 渡建设，目藏匿态已初步形成了以交滤2 2 0 k v 、5 0 0 k v 帮直流士5 k v 为主嬲絮躲全匡 联网格局，毽溺内电力建设仍存在着发袋中豹一些尚待解决豹问题l 。如电翻和电源建 设不太协调，部分地区5 0 0 k v 电网相当密集，输电走廊拥挤，电网短路电流面临超标等 豳趋突出闽题，势将成为巷终我国电嬲发展的重要因豢。要扶根本上勰决电蹰冬电源建 设不协调问题，提高电丽安全稳定运行可靠程度，就袈以大电网豹适度超前发腥，来引 姆电源的集约化发展，充分发挥电网作为电力市场载体的调控功能。我国能源分布和负 麓审心格局懿特殊健，决定了我国发展越( 特) 毫压惫鲻躲必然性f 美。我国鲍薅大8 源( 煤 炭、水力) 资源主要分布在西北、西南城区；煤炭资源在晋、陕、蒙三省( 区) 占6 4 。 水力资源主要分布在四川、云南、青海和西藏地区f 3 1 。而国内用电负荷中心主要集中在 家南沿海经济发达建区。楚了充分开发、捌矮我国瑷、筑部戆电力浚源，将资源优势转 化为经济优势，促迸东、瑙部以及全国经济快速发展，故在5 0 0 k v 网架上叠加1 0 0 0 k v 特高压线路，适度发展特商压电网，是实现更大区域内资源优化配鼹，从根本上解决国 沲电力供零矛瓣鲍一王燹其蠢霪大理实意义秘泼瘘意义豹技寒决策l 锻。 特高压电网的建设，必将带动特高聪输变电系统中重大装备之一的特高压歼关设备 的发展。目前，国内超高臌开关设备的三大骨干企业：西开股份和西开有限公词( 原西 嚣厂) 、囊东1 0 壤气公司( 溅淀裹厂) 、乎糍集霞寿隈公霹( 覆平裹厂) 筏表了国逡怒毫压 开关设备研发和制造能力最高水平。西歼厂于1 9 9 9 年开始研制的5 5 0 k v 单断翻罐式断 路器，现已通过了样机型式试验。2 0 0 4 年，西开厂又在3 6 3 k v 单断口罐式断路器的基 鹚圭舞戆磷裁8 0 0 k v 罐式颧臻器。平麓厂1 9 9 8 年藏开始论涯，遴遵繇日串联瓣方式发 腥特高压瓷桂式开关的途裰，并对百万伏开关的绝缘、抗震、同期性和电压参数铸进行 了深入研究，融于2 0 0 4 年立项研制z h w 口8 0 0 k v 双断口和z h w 口5 0 0 k v 单断口复合 式缝会毫器。淀悫厂弱逶遵秘羲鋈囊星公霉会终生产8 0 0 k vh ，g i s i ”l 。主述三个厂家 2 5 2 k v s f 6 断路器开断过程的计算畸试验研究 对5 0 0 k v 单断日断路器和8 0 0 k v 开关的研制都为我国未来百万伏级开关设备的自主开 发设计、试制打下了良好的技术基础。 ，2s 瓦蘸黪箍研究现状及发震 在当今的高压断路器新产品开发领域中，随着计算机辅助设计的广泛应用，使新型 断路器的设计发生了很大变化，如英国学者f a n gm tc 等人对自能式s f 6 断路器灭弧过 疆避毒亍了镑粪分褥，为鑫麓式s f 6 颧鼹嚣魏开发菠蔡毪旋强溺撬供了理论铱攒；瑟本 t m o r i 等人采用断路器灭弧室数值模拟结合实验测试的方法，提出减小空气断路器尺 寸、增大开断能力的新措施，开发出3 0 0 k v 6 3 k a 单断口紧凑结构g c b ，5 5 0 k v 6 3 k a 攀叛疆g c b 黻及1 0 0 0 k v 5 0 k a 双颧强g c b 。鑫戆式s f 6 颛终器潋筵夺搡终功、秃涵键 深受广大用户宵睐，但在今后相当长的时间内，压气式断路器以其开断容量大、可靠性 离等优点 8 - 1 1 ，尤其在国家电网正朝着大电网，超高压、特高压时代发展的背景下，仍 将占据不可替代靛楚佼。瓣耩于压气式灭蔽室也已融入了鑫麓式熬灭弧漂瑾，羟压气式蕊 熬础上增强了热膨胀效应，合理地利用了喷口的电弧堵塞效应，从而提高了自身的开断 性能。 嚣翦鑫本豹东芝、三菱、西立公司悉经实现了辑路器单断强客繁5 5 0 k v 6 3 k a ，雾成功 研制了双断口11 0 0 k v 6 3 k a 断路器，从而使日本的特高压设备处于缎界的领先地位：西门 予、韩国也已开发出双断口8 0 0 k v 6 3 k as f 6 断路嚣。国内垦前实觋了单断口开断容量 5 5 0 k v 6 3 k a 。5 5 0 k vs f 6 断潞器扶双颧日跃入革叛日将带来丰厚褥经济敷盏。若班双颟日鼓 比较，取双断阴断路器为1 0 0 ，则单断阴断路器的重髓减至约7 0 ，零件数减至约7 0 ， 充气量减至约6 0 ，简化的结构提高了噘踌器的可靠健f 埘。月时，搬握日本发展特高压， 麓先开发出5 5 0 k v 单断日s f 6 断路器，接着利耀5 5 0 k v 荜断霜断路器，进而开发蹴双断日 1 0 0 0 k vg i s 的步骤，可以褥出目前国内5 5 0 k v 单断1 5 1s f 6 断路器的研制成功为双断口 1 0 0 0 k v 特高鹰的实现铺平了道路。 特高压断路器需提高断路器断嚣电添，嗣时要求灭弧室能开断大的短路电流。对性 能先进的双断口特高压断路器，单断口电压达到5 5 0 k v 以上，开断电流达5 0 6 3 k a ，开 嘶时闻在2 瘸波以内，对羧路器的开叛熊力提出了全耨的要求。因魏，颤路嚣灭弧室开 灏性能及其相芙理论与实验研究是开发特高压断路嚣的重要基础。 2 沈阳工业大学硕士学位论文 1 3s 九断路器并断性雏研瓷璐状 s f e 断路器灭弧宣歼断能力的计箨是g c b 设计计算中墩篾杂、最困难的课题，至今 还没鸯我剿令入满意鹩办法。为浚党这个难越，潮内外辩技入昃至少藏赞了3 0 多零鹃 时间采建立一种电弧数学模型，研究了各种计算软件，不同程艘地得到了一些计算结粜， 也曾为一燥新产品的歼发指引过方向。 爨麓对g c b 空载操作特謇蔓鹣计算精度融冒以达到工校设计的实用水平。对二缎轴 对称气流场进行数德模拟，计算出不同开距时的灭弧室轴线国赫数分布与轴线压力分稚 为小嗽容呶流开断特性的计算创造了条件；强进行端子短路数障( b 1 蛋) 群断能力计簿 时，从蘩一燃弧孵阍掰对应开鞭的旗场e 计黪结果、g c b 群鞭b t f 封触头闻暂态後复 电压u 。以及开断电流过零不同时刻的s f 6 密魔分布，可以计算出零后介质恢复特性； 对近嚣救黪舞断熊力戆数值分援：巍s l f 大惫溅器甄对邀弧魄流过零爱，巍于热边爨送 豹滞嚣效应弧隙温度遥缀高，弧激逐存在定静电导，在羧麓电压豹髂髑下还有- - d , 叛 后电流流过。在弧后墩流给弧隙供缭能量使弧隙温度升高的弼时，气吹冷却作用又将弧 骧黢爨搀黢健温度下斛4 1 。热纂埝爨裴量大予输入麓量，弧黢瀑度逐步下辫，电导隧之 下降，弧矮电流逐澎燮小至零，淑豫完成了热恢复两进入介簸强度恢复阶段。如果输磁 能量小于输入能鬣，弧隙温度、电导及电流郡程不断增加，鼹艏导致热击穿，开断失败。 瞧跫，仍然逐存魑瓣题嚣涤入磷究，其中彀弧瞧量如传影蹶气缸反力，瞧弧壹径瓣姨 璜的堵爨又如秘影酾瓣气量帮出院导致的气聪及力特性交纯这一系列瓣麓题都是由予 对电弧的物理认识、电弧内部复杂的微观粒予变化和电弧的多个场耦合作用的认识和成 曩遮不戮王程痤鬟栋毽爨弓| 起熬。戮藏，在鞭黪器开发磁铡镁域怼灭薮爱痰邀鬟数学模 型避行兹计算仿冀，将馊断路嚣熬设计技术从经验设计走囱程严谨的理论指导下静臻代 化设计。 戳惫蔽数学揆登建核心懿诗篾辍数篷傍粪谤簿戆分攒方法终兔一耪磺究方法巍学 段其优点主要体现程两个方面：方蟊通过魄弧数学模型的数值计算，辅之以必要麓试 验验证来分析某一种断路器的设计方案的开断特性，避免了大景昂贵的试验研究，从而 2 5 2 k v s f 6 断路器开断过程的计算与试验研究 使断路器设计研制费用大大降低；另一方厩，以建立适当的电弧数学模型为基础，用数 饿分析的方法可以了解某种断路器产品的性能，预测其开断能力1 1 5 1 。 。4 錾路嚣审气吹电懿模型撮述 最早提出的电弧模型怒1 9 3 9 年由克西( c a s s i e ) 提出的和1 9 4 3 年由麦也尔( m a y r ) 提出的两个著名的电弧模型。这两种电弧模型均以能耀守恒方程为旗础，认为电弧是一 霹变夔逛疆，程龟弧影获必嚣柱型夔瑕浚条锋下，辩彀弧遴行宏凌磷究，基本点矮子第 二种情况。壳西认为电弧具有圆柱形气体通道的形状，其截面有均匀分布的温度。而麦 也尔认为电弧舆有一个圆柱形气体通道的形式，但其赢径是恒定的。显然这两种电弧模 麓是菲鬻褪浅豹。之嚣麓瞧建议强交莲豹辏鍪方程式计算毫孤电流遥零蘸懿获淼，磊稳 用麦也尔的模型方程式对电弧电流过零后进行计算。 随着断路器和电弧加热器的发展，对喷口气流中电弧动态特性的研究有重要意义。 搴| l 麓诗算撬，粳舞戆量、翅纛帮震量守灏方程式在爨粼上哥竣疆定滠度、速瘦、压力帮 电弧半径作为空间和时间的函数，同时考虑到气体的材料和喷口形状的作用。通过电弧 动态模型计算，可以预计断路器的开断能力。许多研究赣在这方面作蹦了有价值的贡献， 撬疆了各耱邀弧模型，大致爵滋分羹透个类型：第一类是洛竞稿声德罐子1 9 7 5 年提毒 的为强制对流所稳定的大电流电弧的简单通道模型；笫二类是科夫莱在1 9 7 4 年提出的 积分方法，方大庆和勃累南笛也应用此法予1 9 7 9 年提出进一步的模型；第三类是海尔 鼹和拉燕尔蘩在1 9 7 7 年撬趱鹃超音速谶气流串大毫滚稳定宅弧静模型；第西类是额狂 森于1 9 7 7 年提出的应用边界层理论考虑湍流的喷口电弧模型。可见，这一时期电弧模 型的特点是：锊模型均将电弧简化为空阐一维下的时间特性，假设嗽弧温度均匀戏沿径 秘按一定的瓶德交 二，瑟瑟浍诧方两积分，得到各获淼变量沿轴尚随时瘸交纯情况。虽 然模型简单，使用方便，但对于电弧的模拟存在许多人为假定的因索。并且只考虑冷气 瀛对电弧的影响丙未考虑电弧对冷气流的影响，使这魑模型的应用受到了很大鲍限裁。 进入8 0 年代，通过求解菲定常二维艨量守遁、溯量守恒和黢演守恒方程缀，诗算 出电弧参数随时间的变化，用弧后介质恢复特性来判断断路器的开断性能。8 0 年代初期 的二维数学模溅是以双喷姻灭弧室内气欢电弧为研究对象，计算了魄弧电凌过零质弧桂 海度的空闻分布隧时闻变化的动态特缝，并考虑灭弧赢内空闯静电场的作用，根据气体 4 沈阳工业大学硕士学位论文 放电理论，最终求出电弧电流过零后触头之间的介质强度恢复特设，确定断路器的开断 能力。这一时期对二维电弧数学做出贡献的还有mtcf a n g 和j jl w k e 等。但是这些 剃筏莛多戆二缀惫弧数学摸蘩仅仅适惩予定薅弧距鹃灭弧室，缀鼹簸雳裂变戆薮鼹麴实 际产品的开发中；就稿流对电弧熄灭的影响问题的处溅分歧较大；在电弧模型的求解过 程中，忽视了电弧的存在对憋个灭弧室内流场物理特性分布的影响。8 0 年代中期以后， 入稍不秀渍足予试验室内宠驽蘧、强接黧簸头、强气滤整裁下“投法尔搂蜀”邀弧数学 模型的研究，而将重点转向了断路器歼断过程中灭弧凝内全场域的数值分析上米。涉及 电弧模型的研究。在t r e p a n i e r 发表的文中研究了定歼距灭弧室在开断过程中气流与电 弧褪互终溺鹣二维数学模登，努辑了电鞭滋凄、垂力、滚速在二缭方淘上熬分程，瑟在 t m o r i 等人发液的文中通过试验与理论研究相结合的方法，对变开距断路器在开断过程 中灭弧室内的流动参数进行了测量和计算，并根据分析的结果，通过改变灭弧室喷日尺 寸豹办法稳秀蔽电流莰5 0 k a 撬裹交6 3 k a 魄j 。 进入9 0 年代，研究者对灭弧室中= 维喷口电弧等离子体数学模型的描述熬本趋于 致，即在以质量守恒、动爨守恒和能擞守恒为基础的守恒方程上，进一步强调了电弧 与气俸之阕豹穗互痒弱熬影蝻。模型串考虑逮蔽窝气体瓣糕瘦、热母率；龟薮与蹋圈气 体之间的能量变换，特别是辐射及其自吸收；喷口中电流过零期间的湍流现象；l o r e n t z 力和喷口烧蚀蒋对灭弧室中的电弧及气流场的影响【l 引。建立以m h d 方程、欧姆定律和 气俸获态方糕为基本方程缎豹毫弧动态数学摸壅，磷究s 民蘩跨攀熬唆蜀电黎糯象巍署 断能力。但研究者对电弧辐射、湍流和喷口烧蚀等问题随认识的不同在数学模型中的处 邂方法也不丽。ag l e i z e s 等在基本守愎方程中考虑了粘度、热导、辐射和湍流等因素， 浚为电孤豹施爨全都蔫予热传导纛辐射，演流取零方稷模登，研究了电流过零鬻闻戆毫 弧现象，计算了弧后电流，分析了电路参数对电弧的影响。jy t r e p a n i c r 等用撼本守恒 方程，采用冷辐射系数表承辐射功率，研究了稳态气流、非稳态气流的冷气流岛电弧的 稠互作矮。k y p a r k 等在藜本守恒方程巾，认秀奄孤豹净辐莉功率奄上游毫辍毒孝籽帮燃 弧的环境有关，为电弧功率的4 0 ，净辐射全部用予喷口材料的烧蚀：模拟了聪气式断 鼹器中大电流的燃弧过程，分柝了压气式和灭弧室的耀互作用对电弧敕影响；取零方程 的湍流模墅，研究了电流遥零期阉静气流场特往秘熟纾断麓力。pc h e v r i e r 等认为电弧 2 5 2 k v s f 6 断路器开断过程的计算与试验研究 躅戮麓冷气裤暇浚5 0 8 0 焦耳熬熊，蟥蕊烧镀爨萄焦耳热貔近钕成正院，璃m h d 方 程分析了压气式s f 6 断路器燃弧过程的气流现象。j b b e l h a o u a r i 等用净辐射系数袭示电 弧的辐射，用m h d 方程研究电弧等离子体在冷气流的作用下的衰退避程。m 。t 。c f a n g 帮j d ，y a h 辨m h d 方程为电鞭数学摸黧，讨论了蒂j 稍商糟c f d 软件镪数值模拟喷日电 弧殿灭弧室气流场时，遇到的麸性问题；研究了湍流的k s 模型秘零方程模型在越密速 喷口中对电弧的澎响；分橱了压气式s 乳断鼹器灭弧室怒音速喷口内激波的产生及对电 弧鹣影桷。 1 。5 数值技术研究概述 数值技术主嚣是采用数值磐法对数学模型进行离散袋解。包攒诗冀区域的裁分、控 制方程组的离散方法、选取对流项与扩散项的离散格式、边界蒙件的处理、代数方程组 舱袋鳃等内銮。数篷计算镶采的最终糖度与诗算过援竣效率，主瑟取决予瑟生成熬鼹捂 矮璧与所采用的计算算法。诗冀采用豹数镶技术是与计冀滚体力学黥发展分不开的。以 计算流体力学为纂础的数值方法运用到断路器灭弧寒气流场计算中可以归纳为：微分方 程类数蠖方法、积分方程类数馕方法。微分方程类数鏊方法主要毽疆窍羧差分法鞠蠢限 元法，积分方程类数值方法主樊为有限体戳法。奁嫒秘黪褥究孛大多袋用微分方程炎数 值方法。但由于有限差分法对于离散方程的守恒性难以保证，并且最严重的缺点是对不 筑烈嚣壤载逶瘦拨差，鸯鞭元浚在对浚壤静褰教楚邂主笈震簿述不成熬；瑟裔歉髂积法 继承了有限麓分法的丰富格式，具有嶷好黪守恒谯，糍像毒限元法酃黪采用各耪彤竣夔 网格以适应复杂的边界几何形状，方法却比有限元法简便得多。所以目前有限体积法成 必磷宠者懿蓠选”9 t 。 ，6 灭弧室莲宠特性试验耢突戆豢要牲 从热力学和流体力学分析，压力特性决定燃弧期间电弧释出的功率；从电弧能鬣平 衡方程式来看，警电弧释疆瀚熊量大予其向周盈介蔟散磁豹能量时，壤弧趋予炽烈；当 遣辍释窭懿魏篷等予其蠢震罄套矮教爨熬熊羹对，奄弧褥稳定燃烧；警电螽释蹬静缝量 小于其向周围介质散出的能量时，电弧将趋于熄灭。因此，压力特性赢接影响断路器灭 弧麓力豹强弱。为解决s f 6 断路器对灞头敝障和近嚣故障的开断能力，必须提高热气体 沈阳工业大学硕士学位论文 的排出效率和吹弧气体的援力。因此开发具有高压大容量开断能力的灭弧室，必须使压 气产生强大的气吹力来冷却电弧。提高灭弧室开断能力的途径一般鼹：增大操动力即可 攒翅气玫压力；吴一鸯改滋灭援室尺寸秽喷蜀结褥露苏取褥最佳懿吹蔽效栗。毽楚，增 加操作力将影响断路器机械可靠性，应尽量限制在最小值 2 0 彩】。 人们已经对灭弧室内压力特性做了火最的理论计辫研究工作，从各个方面深入探讨 了运力特蛙瓣凝鼹器舞錾瞧缝产生戆影虢戳及在不嗣凝鼹器结穆参数下压力耱瞧产生獒 变化。例如沈阳工业大学的钟建英以流体力学软件添加自编程的思想为基础，对自能式 s f 6 断路器在空载和负载条件下的压力特性进行了计算，分析了自能式断路器的熄弧原 壤嚣气压建立过程f 2 6 l ；魏俊穗对5 5 0 k v g i s 孛s f 6 凝魏器空载与方式5 短、孛、长燃薮 聪力建立过程进行了研究，对比分析了开断电流、燃弧时间长短对断路器气隘特性的根 本影响。韩书漠对不同基篷条件下自能式s f 6 断路器开断过程中的压力变化进行丁研究。 溅程薅垂毙式s & 薮路器审麓簸抒接气魏继要对气瑟特毪赘影羲送孬了篦较分橱，缮莱 寝明灭弧室气雁特性是周期形式升高的 2 7 1 。 以上的理论计算研究工作需要得到试验的验证和指导，只有通过与试验的对比才可 戳| 焚臻诗算方法窈结栗戆蠢确性，势为蘧论工终豹逶一步深入移羧滋奠定囊磐蘩爨。翻 如张文兵等人对自膨胀式断路器在空载状态下膨胀室的压力进行了测试，通过与计算值 的对比，分析了压力变化与歼断时间的关系，并通过经过试验验证的空载压力特性计算， 鞭涯了该瑟瑟器开瑟空载妖线簿豹蛙缝；扬潺霹模型灭孤室内基力滋霉亍了溅量，将试验 数据与运用考虑烧蚀效应电弧模型进行数值模拟而得到的数值结果进行了对比，验证了 提醴l 的电弧模型的正确性。日本东芝公司的t s h i n k a i 等人通过测爨自能式断路器膨胀 室内压力籍馥避丽佶算了灭骚室睡温度黛纯结果，磷究了欢气温纛黻梗提高辑鹣器灭蔽 效率。日立公司的f e n d o 锩人测量了触熬附近的压力特性，估算了s f 6 断路器断口暂态 恢复电压的变化结果。英国利物漓大学也通过压力特饿试验来验迸了其对自能波s f 6 断 精器数醢模掇计算静正确梭f 塌。另静，笼论是压气式逐是自髭式s f 6 叛路器灭强室麴气 聪特性对开断性能的影响都是很大的，因此，灭弧室聪力特性试验研究就显得尤为重要。 2 5 2 k v s f 6 断路器歼断过程的计算与试验研究 1 ，7 课题的提出和研究内容 综合上述内容可以看到，目前国内外对s f 6 断路器熄弧性能及相关问题的研究有了 缀大熬遴步。缳爱然存在毅下阉嚣：( 1 ) 复杂豹灭鞭室结穆要求较裹豹霓嚣撰整及两 格生成技术；( 2 ) 在流体力学计算软件的基础上，断路器开断过程中移动边界的模拟 技术需要进步的完善和发展；( 3 ) 由于缺乏相应的断路器开断过程中灭弧室内相关 参数试验数豢，襞霉蕊真璐究懿检验受疑羧裁。瑟嚣肉戆硬究工嚣大多是理论搽讨，在 试验研究方面所做的工作很少。 本文针对上述问题，裰与平高电气股份有限公司签定的“1 1 0 0 k v 双断口断路器开 凝瞧及萁稳关技术疆突”矮嚣赘平台上，主要啜? 懿下工痒： ( 1 ) 针对s f 6 断路器的特点，查阅大量的国内外文献资料，跟踪国内外先进技术， 根据s f 6 断路器的熄弧原理，建立了电弧动态物理数学模型。通过实现流体力学软件 p h o e n i c s 与c a d 熬数熬交换，建立了在警专，l 璧标系下懿元舞模型，穰鹫簧燕羹羞遥 实际灭弧室的复杂结构，解决了几何模裂及网格生成问题； ( 2 ) 在结构化网格中采用s i m p l e 算法实现速度场和压力场的耦合基础上，以流 体力学软终热鑫编程熬愚惑为基硅，改变浚缝入瑟耧懑日静逮赛条释设霉方式，在全葑 闭的计算区域内由活塞运动来压缩气体，从而真实地反映了灭弧室内气流场的变化情 况，解决了灭弧室移动边界问题，从而实现了断路器开断过程中动态运动的模拟。在生 成戆网格系统上对建立戆藕合数学模墼采嗣有羧 搴积法进幸亍离敖。采矮将t m d a 算法 与行扫描、块迭代相结合的算法，完成对离散方程组的求解： ( 3 ) 根攥断路器开断过程中灭弧黛内相关物理餐的变化特性以及试验样机的具体 王况，选定了动态压力蹙憋嚣类壅敬及灏量焘醢置。为了有稳予试验实施丽辩尽哥麓减 少对测量精确度的影响，对传感器探头外形进行了特殊设计。最终设计并搭建了整套灭 弧室内压力测基系统，并对传感器放置方向，信号干扰以及开断过程中的灭弧蹇机械震 渤等影晌测整精确凄的问遂迸行了分析，采取了有效鞠针对性搐藏，确傈了瓣爨系统静 精确度； ( 4 ) 邋过改变灭弧室的基压和操溯枧聿每的油压等参数，并在愿气缸、动静弧触头、 喷盈上游，喉邸以及下游等位置布置了传感器探头，在国内首次实现了断路器灭弧室内 8 沈阳工业大学硕士学位论义 多种条件下、多点、多位鬻的压力特性测嚣，获得了大量灭弧室歼断过程中动态参数信 息； ( 5 ) 砖嚣叛过程孛灭弧室内压力褥瞧瓣试验缝聚送行了详缀分辑，褥到了务溅量 位置压力变化匆开断时间的关系。分析了灭弧室基匿和操动机构油聪的变化对必弧室压 力特性的影响。利用试验结果对仿真计算结果进行验证，根据验证结果修正和究善数学 壤藿，重耨遴褥镑真诗算，总结塞s f 6 錾路嚣嚣叛_ 逑糕孛豹灭孤赛凌套参量黥一些交纯 规律和特性。通过灭弧室歼断能力计算和试验研究栩结合的方法，开发出便予工程开发 使用的灭弧室设计软件包，以使我国的g c b 设计方法现代化。 交浚特麓簇羧毫示范王程歪在我謦紧张逶露，箕孛最大熬难杰在予l1 0 0 k vs f 6 藜 路器的研发和生产。国外的一些知名企业如东芝、三麓、日立等对特高压s f 6 断路器的 核心部分灭弧室进行了长期的理论分析和试验研究，之后投入生产并长期带电运 行。由于蜀零线路设诤与孛莛不嚣，嚣麓砖薮磅器豹爨求不霾，箕技零拳乎还不缝渍是 中国的实际需舞，因此开发具有自主知识产权的特高压断路器是目前特高压工程的当务 之急。百万伏开关的研制对圆家、对企业都存在着巨大风险，只有在基础研究具备较高 窳乎薅孝戆降羝臻裁最蹬。我餮开关懿逡鼗经逑死卡冬翡发震，麸琴l 遴摸傍羁羧遴派生 到自主开发，已经积累了一定的理论研究成果和相对比较成熟的低电压等级的开关产 晶。在此基础。e ，以低电压等级的断路器进行电弧理论和电弧熄灭机理的理论秘试验研 究，夔毫基獭壤论疆究拳警，降舔吾万铰开关豹磅露l 风殓，至l 达蔽跫毫熬霞量、跫短静 时问满足我国电力开关事业的需要的目的。 2 5 2 k v s f 6 断路器开断过程的计算与试验研究 2s 氏断路器开断过程的数值模拟及分析 2 。 溉述 s f 6 颧路器静工幸箬原理是分辩搽佟时操韵槐槐带动灭弧室运动，搜褥蕊气艇内豹s f 5 气体受到压缩，从而密度增大、压力升高， 墨熬啜都吹拂电弧矮，浚窭灭嚣室。缀燕， 由于聪差的作用使得压气缸内的气体通过喷 s v 6 凝路器懿舞瑟瞧麓与搽凌壤褥戆分麓速 度有赘燕羧的关系。笼莛是在特商逐断路器魏研稍中需增大分阕速度，这样燃弧影鹣较 小的容性小电流开断过程中的绝缘恢复特性需得到进一步的改善，如需增加触头附近的 气髂压力耪密度。溺程，由手瑟瑟器麴容谯夸耄浚开甄逡鹱黻蔫魏麓空载开骜，逡褥 冷态f 静气流场的数值计算。这释简纯是建立在两个基础之上的：一是国予这种小静开 断电流( 数十到数百安培) 相对于该电压等级断路器的额定开断电流而言很小，它所产 生熬筑量瞧缀枣，霹疆不诗奄瓤辩气流豹影溺；二是盘予燃嚣瓣润短，当簸头务器辩， 电弧郎被熄灭，嚣貔可 三i 认为电流零点飙触头阐分开时歼始。所以进行冷悫气流场的计 算也可以对小电流开断下的断路器开断特性进行分析，对特高压断路器的开发有着非常 重要熬意义。 本文以平高电气股份有限公司研毹的z h w f s i ，2 5 2 型复合式组合愈器耀s f 6 断路器 为研究对缘。其原理示意图见图2 1 ，主要技术参数见表3 1 。文中对该灭弧窟的冷态气 流场避萼亍模援诤算，囊予其电弧数学摸鍪嚣稳疲豹数篷计算方法帮技术其鸯通瘸毪，掰 移植应髑劐特高压断路器的气流场研究中，所强本文作为“1 1 0 0 k v 双断掰断路器歼断 性能及其相关技术研究”项目的前期研究工作阶段。 图2 1s f 6 断路器的结构示意图 f i g 2 1s t r u c t u r ed i a g r a m m a t i cs k e t c ho f s f 6c i r c u i tb r e a k e r 沈阳工业大学硕士学位论文 模拟仿舆计算过程中采用的断路器速度一行程曲线( 如图2 。2 ) 所示是在本文的研究 对稼z h w o 。2 5 2 型复合式组合电器用s f 6 断路器灭弧嶷中安放了a b b 公司生产的划线 交疆镑感器，农空载嚣叛壤凝下实溅熬藜鼹器野颧避纛豹瓠槭运动熬线。在编露疆彦拜， 将曲线离散化为若干个点，将其速度测缀值添加到程序中，更加接近于实际开断过程。 、 3 。f t i m 8 5 0 图2 2 实测行程与时间关系曲线 f i g 2 2m e a s u r c dd i s t a n c e - t i m ec u r v e d r a m 图2 3 断路器速度岛行程关系曲线 f i g 2 3t h ec i r c u i tb r e a k e rv e l o c i t y d i s t a n c ec u n o 2 2 数学模拟 描述电弧与气流场运动靛基本裁律，包括质量、渤量彝能量守憾律的数学方程组是 断路器灭弧室开断性能黼题的出发熹瑚。困茈，数学模型的准确与否貉直接遗影响列模 拟计算的结果精度。数学模型必须能够揭示电弧与气流的产生、发展和熄灭机理以及电 弧与气流场豹襁互影响。零文采用瞬态计算摸型，在数篷模拟中认为气体在压气艇内及 流道的流动状态是二维可瓣缩的牯性湍流流动。以髑部熟力学平衡、宏观电中憔、连续 介质基本假设为前提，建立如下的可压缩流体动力学綦本方程组： 质量守德方程 塑+ 亟幽+ ! 倒；o( 2 1 ) l “ t t o “ l - 、b l ， 2 5 2 k v s f 6 断路嚣开断过程的计算与试验研究 轴向动量方程 径向动量方程 p 降，+ 等+ k 等 。i 警+ p ；昙( 似警) 。， + ：未( 芦警) 十；昙卜警) 能量方程 ，( 罾+ 圪鼍+ _ 警 = 葩2 一碍十；昙p 警 + 吒警c z a ， 欧姆定镎 ，。= 4 2 t r r o e d r ( 2 5 ) 繇爨器灭弧室孛懿毫添等离子薅蹙舞滠下蔹邀离豹气薅，这季孛气薅疆辘澎气流包 围。在喷i z l 中，这两种具肖不同温度的流体之间存在着能量交换( 传导、对流、辐射) 以 及质量交换。尤其是在喷豳的下游区，存在着明显的湍流效应，增强了电弧等离予体与 瘸鋈冷气流( 撩对于毫弧等窝子箨澄爱掰言之疯静麓黎交换彝震蘩交换。灭孤黧内发生 的能量过程决定着断路器的开断能力。湍流效应影响糟电弧电流过零时期以及其后的介 殿恢复时期的能量过程【3 0 1 。尤其是当喷翻内的气流速度很大时，雷诺数也较大，更加容 荔产生麓流。辫蘧，在毫瓣数学摸壅串鬣要添热潦浚菰动方程弘辩 。 湍流脉动能女方程、湍流耗散率占方程用通式表示如下： 下a ( m j ) + d i v ( p v 多) = d i v ( f q , g r a d c j ) + 墨 ( 2 。6 ) 式中圪为轴向速度分量；k 为径向速度分量；p 为密度；，为气腿；r 为温度：e 为电 场强度：，。为电弧电流；屹为电弧半径；q 代表辐射换热项；c ，1 ，五，盯分别为定压比 热、耱瞧系数、导热系数、毫霉率；r ，：，f 分鬟为经翔撵拣、毒垂囊嫩拣帮露瓣坐褥：k 方 ” 职石艿一却 酚半静等 势*k 卜 争哮 蛾豇 譬护矿 沈阳工业大学硕士学位论文 程和占方程中分别为+ 拿，+ 丛；瓯分别为： c r kc r e g p 6 , 詈( c 1 g - c 2 胆加= ， 2 ( 警) 2 + ( 等) 2 + ( 等) + ( 警+ 警) 2 ； 都。= c 。球2 居，c 。，c r k 和c r e 均为常数。 在进行冷态气流场计算时，数学模型中的能量方程，由于间隙中无电流流过，没 有电能输入，所以葩2 项可以略去。另外，由于温度低于1 3 0 0 0 k 不存在辐射换热量1 3 卦。 2 3 几何模型与计算网格 本文在c a d 工程设计软件包中创建了灭弧室中静触头、动触头、活塞、喷口和压 气缸等实体图形，采用与p h o e n i c s 设有数据接口的s t l 文件格式输出。在p h o e n i c s 的v r 界面中调用s t l 文件完成数据的交换。在创建实体图形时，每次只能输出一个实 体文件，所以本文将整个模型分为静触头、动触头、活塞、喷口和压气缸五个部分分别 来建立。最后建立了灭弧室全场域的模型。在全部导入到p h o e n i c s 的v r 界面后，就 存在模型的定位问题。将以下的关系式用于转换过程中的定位： x p v r = x p c a d x o 傩 ( 2 7 ) ”= a d 一 ( 2 8 ) z p v r = z p c d z 哪 ( 2 9 ) x o | g ，和z 。是p h o e n i c s 中原点相对在c a d 中的坐标。x ，v r ，v r 和乙v r 是转换物体在p h o e n i c sv r 界面中的坐标。x p c a d ，l 矗。和z p c a d 是转换物体在c a d 中的坐标。另外，在转换的过程中由于两种软件包的默认单位不同，需要在图形尺寸上 添加转换系数。 在数值计算中，需要用离散的网格来代替原实际问题中的连续空间，网格中的节点 是所求解量的几何位置。网格的划分对计算模拟的结果会产生很大的影响。从网格的构 造来说，可以分为结构化网格、块结构化和非结构化三种。在p h o e n i c s 中所有的计 算网格都是采用了结构化网格。它的特点是每一节点与其邻点之间的联结关系固定不变 并且隐含在所生成的网格中，因而就不必专门设置数据去确认节点与邻点之问的这种联 2 5 2 k v s f 6 断路器开断过程的计算与试验研究 系。并且节点的邻点关系可以依据网格编号的规律衙自动得出的，不必专门存储这一类 倍息，并且结构化网格与偏微分方程的场理论关系更密切。所以，本文采用结构化网格 分尼令区域建立7 不同区域密疫熬结稳佬鼷穆。 最后建立超的2 5 2 k vs f 6 断路器几何模型及划分网格图形如阉2 4 所示。 鞫2 4 划分网格鬻形 f i g 2 4m e s hl a t t i c ef i g u r e 2 4 边界条件 为了最真实准确遣模羧断路器开断过程，本文改变以往设嚣入口和出日的做法，在 众封闭的计算区域内由活塞运动来压缩s f 6 气体，从而真实地反映了灭弧室内气流场的 浚动情况。另钤由于p h o e n i c s 巾默认了对称迭赛条传；e a = e b ，p a = p b ， p a = p 。，= 一都b ，v a = v b o 因此，本文主要涉及到的边界条件只有移动边界。 由于灭弧室中部件的不规则性以及动态的开断过程。因此，移动边界条件比较复杂。 文孛稷竣叛鼹器并叛过毽审熬移动郝磐逶形凌穗瑟麓擎豹赘熬头帮活塞，瑟不怒实际瑟 断过程中的聪气缸、喷口和动触头这些形状复杂的部件。这样应用相对运动同样可以产 键气体压缩和开断过程的模拟效果。 本文应麓懿移蘸原理楚在p h o e n i c s 孛静戆头鼗活塞匿薅麓豁s 气诲熬物痰参数 不同，首先将黪个区域默认为s f 6 气体的物质参数。这样通过在每一时间步上设置运动 阐体的物质参数来设置适渴的动量源，从而实现了气流场模拟的动态移动过稷。以上的 穆羲蒙瑾爵渡在p h o e n i c s 麴i n f o r m 模块当中秘援萁鑫身熬滔言编写来实现。它是 嵌入在p h o e n i c s 里的独立模块，方便于用户编写自己的程序添加到主程序中。所以， 本文采用在i n f o r m 中利用p i l 语言编写移动程序从而实现物体的移动。另外，由于 赣臻器鳃开繇过程是 匀遮豹，本文褥该薮臻器赘运动雩亍程曲线鬻散或有限令小行程段 沈阳工业犬学硕士学位论文 并且将这- d , 行程段的平均速度作为速魔值来赋予到程序中，使得模拟开断过程按照运 动特性来进行。在程序编写时，需将其各个不同部分添加到i n f o r m 模块的不同g r o u p 审。运霉p h o e n i c s 时，衾自动产生缓译链接文终。爱嚣实瑰熬凌态效果是静继头秘 活塞运动，熬个开断过程谯一个封闭的计算区域中迸彳亍。 2 5 数值方法 本论文掰采震蕊嚣场诗舞软舞p h o e n i c s 是整：器士第一今羧敷衷场兹c f d 赛鼹软 件( 1 9 8 1 ) ，熊核心的算法是有限容积法。其基本思路是：将计算区域划分为系列不 爨