（电机与电器专业论文）高压sf6断路器气流场与电场并行求解技术的研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 特性计算过程中电场和气流场需要分别剖分、分别计算而使单元节点位置很难一一对 应的缺点，编制了集前处理建模、网格剖分及加密、并行计算、数据耦合、图形后处 理为一体的程序。 关键词：气流场电场并行计算介质恢复特性 沈阳工业大学硕 学位论文 i n v e s t i g a t i o no nt h et e c h n o l o g yo fp a r a l l e lc o u p l ec o m p u t a t i o n o ff l o wf i e l da n de l e c t r i cf i e l di nh i g hv o l t a g es f 6c i r c u i tb r e a k e r a b s t r a c t t h ec a l c u l a t i o no fd i e l e c t r i cr e c o v e r yc h a r a c t e r i s t i c o fh i 曲v o l t a g ec i r c u i tb r e a k e r f f r v c b ) i nt h ei l l t e l 删n gc o u r s ei sa i ii m p o r t a n tp a r tf o r t h ei n v e s t i g a t i o no ft h e i n t e r r u p t i n gc h a r a c t e r i s t i co ft t v c b t h er e s e a r c ho nt h ed i e l e c t r i cr e c o v e r yc h a r a c t e r i s t i c o fh v c bi sac o m p l e xp r o c e s s i n gi n c l u d i n gm u l t i - p h y s i cf i e l dc o u p l e da c t i o r l i nw h i c h t h ee l e c t r i cf i e l da n dt h ef l o wf i e l dd u r i n gt h ei n t e r r u p t i n gc o u r s ei st h ec a r d i n a l i n f l u e n c i n gf a c t o r t h e r e f o r e ，i nt h i st h e s i st h ei n v e s t i g a t i o no nd i e l e c t r i cr e c o v e r y c h a r a c t e r i s t i ch a sb e e ns t u d i e do nt h eb a s eo f t h e s et w of i e l d s i no r d e rt op r e c i s e l yc a l c u l a t et h ed i e l e c t r i cr e c o v e r yc h a r a c t e r i s t i c ，t h em e t h o do f p a r a l l e lc a l c u l a t i o no ff l o wf i e l da n de l e c t r i cf i e l da r ep r o p o s e d a tf i r s t ，b e c a u s eo ft h e c o m p l i c a t e ds t r u c t u r ea n dm u l t i - d i e l e c t r i cm e d i u mo fh v c b ，t h es u b r e g i o nm e s h i n g m e t h o di sp r e s e n t e d ，w h i c hi st h ep r e p a r a t i o nf o rt h ep a r a l l e lc a l c u l a t i o n b a s e do nt h e s u b - r e g i o nm e s h i n gm e t h o dt h ee l e m e n t sc a l lb eg e n e r a t e d m o r e o v e r , t h eu n i f o r m e l e m e n t si n f o r m a t i o ni nt h ec a l c u l a t i o nr e g i o no ff l o wf i e l da n de l e c t r i cf i e l dc a l lb e e f f e c t i v e l yo b t a i n e d a tt h es a m et i m e ，a tt h er e g i o nw i t ht h es e v e r ev a r i a t i o no ff l o wf i e l d a n de l e c t r i cf i e l d ，t h ee l e m e n t sa r ed e n s i f i e d o nt h eb a s i so f t h ea b o v ea n a l y s i s ，t h ec o u p l e c o m p u t a t i o no fe l e c t r i cf i e l da n df l o wf i e l dh a sb e e np a r a l l e lc a l c u l a t e d ，a n dt h es o l v i n g t e c h n i q u eh a sb e e ns t u d i e d f u r t h e r m o r e ，t h ed i s t r i b u t i o no nf l o wf i e l dv e l o c i t yv e c t o r , m a c h ，d e n s i t y , p r e s s u r e ，a n dt h ed i s t r i b u t i o no fe q u a lp o t e n t i a le l e c t r i cf i e l da r ef i g u r e do u t a c c o r d i n g l y , t h ep a r a m e t e ro fg a sf l o wa n de l e c t r i cf i e l dd u r i n gi n t e r r u p t i n gc o u r s eh a s b e e na n a l y z e d i nc o m p u t i n gt h ed i e l e c t r i cr e c o v e r yc h a r a c t e r i s t i co fh v c bd u r i n gt h ei n t e r r u p t i n g c o u r s e ，t h en u m e r i c a lr e s u l t so fp a r a l l e lc o u p l ec a l c u l a t i o no nf l o wf i e l da n de l e c t r i cf i e l d h a sb e e np e r f o r m e d a n dt h ec o m p a r i s o na n a l y s i so nd i f f e r e n ts t r u c t u r eo fn o z z l eh a sb e e n 1 沈阳t 业大学硕 ：学位论文 i n v e s t i g a t e de m p h a t i c a l l y f r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t sw e r ec o m p a r e d ，i tc a nb ed r a w nt h a t f o rs m a l lo p e n i n gs t r o k e t h es 帆l c t u r eo ft h en o z z l ea l m o s th a sl e s si n f l u e n c eo nt h ev a l u e o ft h ed i e l e c t r i cr e c o v e r yc h a r a c t e r i s t i c ，a n dt h ec u r v eo fd i e l e c t r i cr e c o v e r yc h a r a c t e r i s t i c w a sn e a r l ym a t c ht o g e t h e ri nd i f f e r e n tc a s e s h o w e v e r , w i t ht h ei n c r e a s eo ft h eo p e n i n g s t r o k e ，t h ed i e l e c t r i cr e c o v e r yc h a r a c t e r i s t i cv a l u eo ft h ec i r c u i tb r e a k e rw i t hm u l t i s t a g e c o n v e r g e n t - d i v e r g e n tn o z z l ei sh i g h e rt h a nt h a to ft h en o n e s t a g ec o n v e r g e n t - d i v e r g e n t n o z z l e a tt h es a n l et i m e ，t h el o c a t i o n so ft h em a x i m u mo fe l e c t r i cf i e l ds t r e n g t ha n dt h e m i n i m u mo fd i e l e c t r i cr e c o v e r yv o l t a g ed u r i n gt h ei n t e r r u p t i n gc o u r s eh a v eb e e nt r a c e di n t h i st h e s i s d u r i n gt h ew h o l ei n t e r r u p t i n gc o u r s e ，i ns m a l lo p e n i n gs t r o k e ，t h em a x i m u m e l e c t r i cf i e l ds t r e n g t ho nt h eh e a do fs t a t i o n a r ya r c i n gc o n t a c t ，w i t ht h eo p e n i n go ft h e c o n t a c t s ，t h ep o i n tm o v i n gt o w a r d st h eh e a d o ft h em o v a b l ea r c i n gc o n t a c t ，w h i c h a p p r o a c h e st h en o z z l e ，e s p e c i a l l yt h eo p e n i n gs t r o k ei so v e r3 0 d u r i n gt h ei n t e r r u p t i n g c o u r s e ，t h es t a t i o nw i t ht h em i n i m u mo fd i e l e c t r i cr e c o v e r yv o l t a g ew a sa l w a y so c c u r r e d o nt h eh e a do fs t a t i o n a r ya r c i n gc o n t a c t s ow h e nd e s i g n i n gt h ec i r c u i tb r e a k e r , t h er e g i o n s e a l t h es t a t i o n a r ya r c i n gc o n t a c ta n dm o v a b l ec o n t a c tm u s tb et a k e nm o r ea t t e n t i o n t h ec a l c u l a t i o nr e g i o no ff l o wf i e l da n de l e c t r i cf i e l di sd i f f e r e n t ，a n dt h ei n i t i a l c o n d i t i o na n db o u n d a r yc o n d i t i o na r ea l s od i f f e r e n t ，i nc o m p u t i n g , f o ro v e r c o m i n gt h e d i s a d v a n t a g e so f t h et r a d i t i o n a lm e t h o d ，t h a ti st h em e s h i n gg r i di nt h et w of i e l di sd i f f e r e n t a n dh a r dt oe n s u r e dt ob eu n i f o r m e d ，t h ep a r a l l e lc a l c u l a t i o nm e t h o di sp r o p o s e da n dt h e d y n a m i cs i m u l a t i o ni nt h ec o u r s eo fi n t e r r u p t i n gh a sb e e nr e a l i z e di nt h i st h e s i s t h e p r o g r a mc o m b i n i n gt h ep r e p r o c e s s i n gm o d e l i n g ，鲥dm e s h i n g ，p a r a l l e lc o m p u t i n g ，d a t a c o u p l i n ga n dc a l c u l a t i o np o s tp r o c e s s i n gh a sb e e na c h i e v e d k e yw o r d s ：f l o wf i e l d e l e c t r i cf i e l d p a r a l l e lc a l c u l a t i o n d i e l e c t r i cr e c o v e r y c h a r a c t e r i s t i c 4 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：日期：州、3 t 。 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。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) x 伤? 弓 导师签名：壹至垒日期：! 三：兰： 沈阳t 业大学倒h 学位论文 1 绪论 1 1 课题研究的背景与意义 据世界能源组织估计，1 9 9 5 2 0 2 0 年问，世界电力翻一番，由3 0 0 0 g w 增加到 6 5 0 0 g w 。1 9 9 7 年欧洲高中压开关市场估计为3 3 8 6 亿美元。其中高压开关设备占 4 8 8 。在国内，中国输配电市场容量为5 0 0 亿元，其中高压开关约为1 0 0 亿元，占 1 5 。2 0 0 2 年底全国发电机总容量已达3 5 3 亿k w ，预计到2 0 0 5 年全国发电装机 总容量将达到4 3 亿k w ，按照该发展计划，我国需要每年实增发电装机2 5 0 0 万k w 。 按照上述发展趋势，高压开关需求旺盛，在高压开关领域，7 2 ，5 k w 5 5 0 k w 高压断路 器中s f 6 断路器占绝对优势，2 0 0 2 年所占百分比为9 6 【2 】。 在电力系统中，高压断路器是最为重要的一类电气设备，是发电厂和变电站高压 配电装置中不可缺少的元件，在高电压电力系统中起着十分重要的作用。高压断路器 主要用于开断、关合及承载运行线路的正常电流，也能在规定时间内承载、关合及开 断规定的异常电流，如过载电流和短路电流 3 , 4 1 。当设备发生故障时用它来快速切除 故障点，保证电网的正常运行，起着保护作用。如果它们一旦在运行中发生故障或在 故障时不能f 确的动作，将会造成严重的后果，小则引起一个地区的停电，给人们的 社会生活造成不便；大则导致电网瓦解、系统崩溃，给国家的经济建设和政治生活带 来不可弥补的重大损失。因此，高压断路器及其运行可靠性直接关系到整个电力系统 的安全运行和供电质量，在电力系统中起着十分重要的作用。 高压断路器的发展水平代表了一个国家电力工业输变电设备的发展水平，它的开 发与制造水平对电力系统安全运行和电力工业的发展有着重要的依存关系。因此，许 多国家都在这方面进行了大量的理论和试验研究。随着我国电力工业的迅猛发展，装 机容量的成倍增加，“西电东送”、“北电南送”及全国干线的形成，发展特高压等级 电力系统已是大势所趋。 我们国家在大力发展自己的高压电器产品这一方面，在不断的引进国外的先进装 备和大量的先进技术基础上现在已经能够独立设计和制造一些中高压的开关设备 1 5 、7 1 。为了加快我国电力事业的发展，进行特高压s f 6 断路器的理论基础研究同样是 十分必要的。 沈阳工业人学硕士学位论文 断路器成功开断的必要条件是弧隙间的介质恢复强度要大于电压恢复强度。由于 介质恢复过程是一个十分复杂的过程，它同整个开断过程中的物理、化学、结构参数 的变化是密切相关的。国内外的研究结果表明，断路器的介质恢复特性主要决定于断 路器开断过程中的电场和气流场的变化和发展。其问题的核心所在就是整个开断过程 中电场和气流场的计算模型的建立和求解。采用有效的方法对于开断过程中具有复杂 结构、多重介质的电场和包含有激波、湍流等复杂物理现象的可压缩、有粘性、变边 界条件的气流场的精确求解的研究是我们现在所十分关心的问题，求解过程的准确性 是我们所追求的最终目的1 8 】。 1 2 高压s f 6 断路器的国内外发展现状 由于s f 6 气体具有优异的灭弧和绝缘性能，同时它化学性能稳定且无毒性。可以 说，s f 6 的使用，引起高中压开关及其设备的一场大革命。几十年的实践证明，s f 6 气体具有优异的灭弧和绝缘性能，无可争议，目前仍没有另一种介质可以与之相比。 1 9 4 7 年美国开始工业产生s f 6 气体，并于1 9 5 3 年首先用于开关设备、用于断路器， s f 6 断路器在原理上与平常充气断路器相同。 高压丌关设备是s f 6 气体主要的使用场合。根据i e c l l 6 3 4 ( 1 9 9 5 0 4 ) 号技术提 供的资料，全世界s f 6 气体的年产量介于5 0 0 0 。8 0 0 0 t 之间，其中2 0 0 0 4 0 0 0 t 用于高压 电器及设备。就是说，高压电器及设备占了约一半s f e 气体量。我国在高压开关及其 他方面的s f 6 用量每年约为6 0 0 8 0 0 t 。生产1 1 0 5 0 0 k vs f 6 断路器及g i s 设备用量气 体最多。我国已能制造s f 6 气体，并能满足高压开关设备的需求量。 s f 6 断路器的发展从高压1 1 0k v 、2 4 5k v 和8 0 0k v 直到特高压1 1 0 0k v 。经历了 双压式( 6 0 年代) 一单压式( 7 0 年代) 一热膨胀式( 8 0 年代) 一二次技术智能化( 9 0 年代) 的过程。双压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 机上，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。单压式( 压气式) 目前已用到5 5 0k v 及l l o ok v 级；热膨胀式原理 方兴未艾，现已做到1 1 0 2 4 5k v 级，f 向4 2 0 k v 努力 8 】；二次智能化集微电子技术、 传感技术、计算机技术等于一体，实现开关智能控制和保护，变“定期维护”为“状 态维护”。 现在所运行的s f 6 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 沈阳工业大学硕上学位论文 过程中压缩s f 6 气体来熄弧，故开断能力强。单压式断路器在灭弧结构上呈现两种不 同形式，一种为压气式定开距灭弧室结构，另一为压气式变开距单向吹弧灭弧室结构。 定丌距灭弧室结构具有开断电流大的优势，而变开距灭弧室结构则有断口电压高的优 势【9 1 。 单压式断路器的外型结构可分为落地罐式断路器和绝缘子支柱式断路器两种，这 两种形式都有很大的发展。开断电流从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 及目前最高的5 5 0 k v 。 传统的压气式断路器由操动机构提供灭弧所需的能量，零件承受巨大的作用力， 成为这种断路器损坏的一个重要原因。因而，如今高压断路器的最新进展，是利用电 弧本身的能量熄灭电弧，即自能式高压断路器。其基本思想是设计一个由电弧建立灭 弧压力的压气室。这样对于大电流来说，操动机构仅提供驱使导电杆运动所需的能量。 而对小电流来说，则由第二个压气室提供所需的压缩气体。因为断路器的操动机构不 需要很大的能量，故可采用低操作功的弹簧机构。在国外，a l s t o r m 公司经过5 年的研究已开发了第二代热膨胀式断路器。第一代产品是通过减小灭弧所需能量而达 到减少操作功的效果。利用灭弧室内一定体积的气体在电弧的作用下产生热膨胀效 应，获得开断大电流所需的灭弧能量，作为助吹的压气只用来开断规定容量3 0 以下 的电流，这就减少了压缩功以及操作机构提供的操作功。第二代产品更加完善了热膨 胀效应，即进一步减小了操作功，又改善了断路器开断容性电流特性。 近年来，随着计算机性能的不断提高和计算技术的进步，数值仿真技术在高压断 路器的研究领域得到广泛的应用【1o 。像以电弧数学模型为核心的数值计算分析方法 作为一种研究方法和手段其优点主要体现在两个方面：一方面通过建立数学模型的数 值计算，辅之以必要的实验验证来分析某一种断路器设计方案，避免了大量昂贵的实 验研究的费用，从而使断路器设计研制费用大大降低，同时利用计算机仿真可以缩短 计算时间，还可得到不同结构设计下的对比分析：另一方面，以建立适当的数学模型 为基础，用数值分析的方法可以了解某种断路器产品的性能。计算机模拟仿真对断路 器开断特性的研究有最广阔的前景，为产品设计提供更好的帮助。 在实际应用中，自从我们国家引进s f 6 断路器以来，各生产厂家对消化国外产品 技术作了大量的工作，实现了引进产品的国产化，但至今各厂家基本上仍停留在仿制 沈阳工业大学硕士学位论文 的水平上，对达到我国自主设计的水平与国外尚有很大的差距。 1 2 1 高压s f 6 断路器电场分析与研究的发展状况 随着断路器电压等级的不断提高，断路器的绝缘问题成为制约断路器发展的一个 重要的问题。高压断路器作为电力系统的重要装备，必须具有高的可靠性，以防止高 压开关事故的发生。据国家电网公司不完全统计，2 0 0 3 年1 1 0 月份国网公司系统共 发生高压开关事故2 3 台次，其中拒分事故3 次，绝缘1 1 次，误动4 次，载流3 次， 外力及其他2 次。绝缘事故最多，占事故总数的1 7 4 【l2 1 。所以对于高压断路器进 行其电场分析并找出其绝缘薄弱环节可以为高压开关的绝缘设计提供可靠的理论依 据，具有一定的现实意义。 断路器绝缘能力的强弱是与断路器灭弧室内部电场的分布紧密相关的，电介质的 介电能力对断路器灭弧室内的电场分布起着十分重要的作用。s f 6 气体具有优异的灭 弧和绝缘性能，同时它的化学性能稳定和无毒性，并且s f 6 气体具有良好的电负性。 在均匀电场中s f 6 气体的击穿电压约是空气的三倍，在常温常压下s f 6 的击穿电压为 e p = 8 8 5 0 0 k v m ，空气的击穿电压为e p = 2 4 4 0 0 k v m 1 3 1 。s f 6 气体以其良好的物理、 化学性能和电气性能被广泛应用于高压断路器当中。 s f 6 断路器灭弧室内的电场基本属于轴对称电场。s f 6 断路器灭弧室内的主要部 件为动主触头、动弧触头及支座，静主触头、静弧触头及支座，绝缘喷口。为使几部 分结构作用下的电场分布尽可能均匀，除动、静弧触头的端部形状采用有利电场均匀 分布的弧状设计外，在动、静触头支座，动、静主触头侧面均需要采用能有力保证电 场分布均匀的屏蔽罩【1 4 】。 对于电场问题，在高压设备的绝缘设计、放电现象的分析研究、静电感应量的预 测、集尘器与电子透镜的分析计算和设计等方面，电场数值计算方法都已成为不可缺 少的重要工具。不仅如此，它甚至给某些领域的产品设计和分析计算带来了很大的变 革。例如，在使用s f 6 气体绝缘的领域，如果没有电场计算，几乎任何分析计算都不 能进行，而且决定其大小和形状的绝缘设计的大部分工作都是通过电场计算来进行的 【1 5 1 。 电场计算是求解麦克斯韦方程组所规定的电磁场问题的一个方面，但以静电现 象、放电现象、绝缘设计为开端，它已逐渐成为所有与电磁场有关的各学科进行科学 沈阳工业大学硕七学位论文 研究的基础技术【1 6 1 。 早期中电场的求解，主要靠经验。7 0 年代以来，经过学者们的努力，对于电磁 场数值计算的研究取得了突飞猛进的发展。在电场计算的研究方法上，主要有：有限 差分法( f d m ) 、有限元法( f e m ) 、模拟电荷法( c s m ) 1 17 】、边界元法( b e m ) 【l l 】 等，这些方法对于不同场域的电场计算问题有其各自的适用性和应用特点： 1 有限差分法适用于边界形状简单并且有规律的封闭场域的求解，而且同其他算 法相比之下工作简单，也可得到较高的求解精度，但对于包含多重介质复杂结构问题 的求解，有限差分方法就受到了一定的限制。 2 模拟电荷法在求解区域为开域场时，表现出其良好的优越性，它对于无限远边 界的处理具有相当高的求解精度。但对于多重介质问题的处理则存在一定的局限性 【1 7 1 。 3 有限元法在处理齐次边界条件时包括不同介质交界面的边界条件，表现出较大 的优越性。所以在求解包括多种介质的场或轴对称场时采用有限元法较好。 4 边界元法是近些年发展起来的一种求解场域问题的方法。其理论基础是等效原 理。边界元法中的场源为等效源，位于场域的边界上。它剖分的对象为边界线或场域 的边界厦。边界元法是一种降维处理的方法，可以在满足一定精度的基础上极大的减 少计算的工作量。僵边乔元法的一个棘手问题是奇异积分的处理，这问题成为边界 元方法实施过程中的瓶颈问题。 目前，有限元方法已成为求解大型复杂场域问题最有力的计算方法之一，它的优 点是显而易见的：有限元将整个系统离散为有限个单元，并将整个系统的方程转换成 一组线性联立方程组，从而可以用多种方法进行求解。边界条件不进入单个有限元的 方程，而是在得到整体代数方程后再引入边界条件。这样，内部和边界上的单元都能 够采用相同的场变量模型。而且，当边界条件改变时，内部场变量模型不需要改变。 有限元法不需要适用于整个计算区域的插值函数，而只需要对每个单元采用各自的插 值函数。这样就使其对复杂形状的物体也有很好的适用性。在处理无限远问题时如果 计算区域取的足够大的话，其求解精度可以满足要求，现在已有数种大型软件包以 f e m 方法求解各种场域问题。但有限元方法也有其不足之处，对于复杂问题的分析， 所耗费的计算资源是相当惊人的。 沈阳工业大学硕十学位论文 近年来关于数值求解方法有一些新的表现，首先是对现行方法的改进、多种方法 的组合，扬长避短、相互补充。例如，模拟电荷有限元法、有限元边界元法、边界 元模拟电荷法等等。另外还出现了半解析数值方法f 1 9 l ，例如仿照非线性科学中的“计 算协同学”的方法，把数值计算方法和解析方法结合进行电磁场的求解。首先进行数 值计算，从数值计算的结果和图形中，获取启示，再用解析方法予以证明，然后用数 值分析检验解析的推论，如此循环、步步深入。目前已得到较快发展的。广义多极技 术属半解析数值方法：边界元法的降维求解实际也包含了解析数值方法的思想内容。 另外，9 0 年代小波分析引入电磁场数值分析，出现了小波伽辽会法等，为时变电磁 场的求解开辟了新的思路。 1 2 2 高压s f 6 断路器气流场分析与研究的发展状况 气体运动规律的基础是：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。再加上 反映应力张量和速度变形张童之间关系的本构方程和热力学基本方程就构成了描述 流体状态的完整的方程组。 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( c f d ) 是随 着计算技术和宇航飞行器技术的发展而在逐渐发展、完善的一门学科 2 0 】。二维非定常 可压缩理想流体力学计算方法的研究始予五十年代中期，由于二维流体中的流动图像 极其复杂，很难构造出一种普遍适用的格式。在六十年代，c f d 得到较快发展，出 现百花齐放的局面，提出了许多计算格式 l a x w e n d r o f f 格式、r i c h t m y e r 格式、f l i c 格式等。七十年代采用时间相关法在计算流体力学中取得了较大的成功，可以进行可 压缩e u l e r 方程组和n s 方程组的数值计算研究，进行飞行器超声速、高超声速粘流 绕流等问题求解仁n 。以上格式虽经改进，但对简单问题，初始方波方程罢+ c 孚：0 d t1 0 x 控制下的平移不能给出令人满意的结果，得到的解不是产生坦化，就是产生偏振。八 十年代以来，发展了高分辨率的差分格式，形成了第二代差分格式。这些格式的应用 使得超声速高超声速和跨声速流场的计算有了很大的改进。高精度、高分辨率的差分 格式( 如t 、巾格式阱 、e n o 格式、n n d 格式、c s c m 方法等) 可以较好的模拟包 括激波、湍流等现象的非光涝场。近年来，采用合适网格生成技术和有效的计算方法， 可求解非定常可压缩n - s 方程组，模拟跨声速、超声速的流场形态。 计算流体力学的发展伴随着计算机的发展而前进，后者是构成前者的基础。只有 沈阳工业夫学硕 。学位论文 计算机的速度、内存和外围设备达到一定程度才会有计算流体力学的新发展。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的计算软件包。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灭弧室气流场模拟计算。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 弧室内气流场的计算闯题，但是它在数学模型的建立上由于处理者的角度和方式不同 而使得计算结果有所差异，同时在计算过程中，往往为了顺利计算，需要人工的参与 才能得到计算结果。 对于断路器气流场求解，目前采用的方法有控制体积法( c o n t r o lv o l u m e m e t h o d ) 、流体网格法( f l u i di nc e l l ) 、有限元方法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 1 2 3 1 等。 1 2 3 国内外对高压$ f 6 断路器介质恢复特性研究的思路 对于一些电器设备，当其工作时可能产生多种物理场共同作用，如在密集型母线 槽内的磁场和温度场的相互作用 2 4 1 ，所以在研究电器设备时，对于多场的共同作用的 研究十分重要。 在国际上，已经有不少的学者对多种场的相互作用进行了研究并取得了一定的成 果【2 5 】，如对脉冲加载装置内部的电磁场耦合作用的研究等【2 6 】，在国内，大量的学者 也正在进行这方面的工作。 由于断路器的开断过程是一个热、气、电和磁的综合过程，涉及到电学、磁学、 流体动力学、机构动力学、等离子物理、传热学、数字模拟等跨学科的理论与知识， 情况极其复杂。加之在不同的开关电器中，各种开断条件又各不相同，所以到目前为 止，在理论研究方面虽然作了大量的研究，但需要探索的知识仍很多。 断路器能否被开断主要取决于其介质恢复过程是否始终大于它的电压恢复过程 【2 7 1 。高压断路器的开断过程涉及到多种物理场的共同作用。其中气流场和电场对介质 恢复特性值有直接影响，所以对介质恢复特性研究的主要问题就是对气流场和电场的 研究。 在对气流场和电场进行数值计算时，两种场的求解区域是不同的，对于气流场的 计算，它的求解区域是s f 6 气体通道；而对于电场，它的计算区域除了s f 6 介质外还 包括喷口、外绝缘瓷套、空气层。两种场值计算时的各自计算区域的示意图如图1 1 所示。 沈阳工业大学硕士学位论文 图1 1 气流场和电场计算区域示意图 1 气流场计算区域2 、电场计算区域 由于计算区域的不同，以往对介质恢复特性计算时的计算思路为两种场的数值求 解分别进行。在计算气流场时，将气流场的计算区域进行剖分，数值求解后得到气流 场剖分单元表征气流场特性的数值解；计算电场时，由于它同气流场的计算区域是不 同的，这就要求对计算区域进行重新剖分然后进行电场的数值求解得到电场剖分单元 表征电场特性的数值解。然后将气流场和电场的计算结果在介质恢复特性计算区域内 的节点上进行插值并计算介质恢复电压值，从而得到介质恢复特性曲线。其计算步骤 如图1 2 所示 图1 2 传统方法计算介质恢复特性步骤示意图 沈阳工业大学硕士学位论文 1 3 本论文的主要工作 针对以往电场和气流场求解的分散性，本论文的主要工作是在系统、深入学习气 流场理论和电场理论的基础上，以5 0 0 k v 单断口s f 6 断路器实际产品为模型，提出气 流场和电场并行求解技术，在一定程度上克服了以往对介质恢复特性计算时气流场和 电场的单元不能一一对应的缺点，增加了介质恢复特性计算的准确性。 介质恢复特性主要取决于断路器整个开断过程中的气流场和电场的共同作用，主 要工作可归纳为如下几个方面。 1 在阅读大量国内外参考文献的基础上，归纳总结国内外s f 6 断路器研究的主要 内容、现状及发展状况。针对s f 6 断路器灭弧室内部结构复杂多重介质的特点并考虑 到场域计算结果的精度要求，提出了子区域剖分方法。子区域剖分方法为气流场、电 场网格的一致剖分提供了前提。 2 以子区域剖分方法为基础采用网格统一生成技术，保证了气流场、电场计算区 域网格的一致。 3 应用生成的网格对气流场、电场进行了并行求解的计算。s f 6 断路器气流场是 一跨音速、有源、有粘、可压缩、变边界、流路复杂的气流场求解问题，并且在断路 器的开断过程中将产生激波、湍流等复杂的物理现象。电场的计算时考虑了断路器内 部复杂结构和多重介质的影响并采用了无限远单元，减小截断误差。 4 对开断过程中的介质恢复特性进行了研究，并重点对比分析了不同喷口结构对 介质恢复特性的影响。由于目前在对断路器介质恢复特性的研究上，电场求解与气流 场求解的分离性，使得对于介质恢复特性的研究不够准确，对真正产品的模拟缺少实 际意义。本文对断路器整个开断过程的电场和气流场进行并行计算，在前处理过程中 应用子区域割分技术和网格加密技术，得到了整个开断过程的介质恢复特性曲线。形 成一种可以准确描述断路器内部复杂场域的新的求解方法。应用此方法对不同喷口结 构断路器的介质恢复特性进行了计算并将得到的结果进行了对比分析。 5 对开断过程中电场强度最大值的位置和介质恢复电压最小值的位置进行了动 态追踪。在以往对介质恢复特性的研究中，往往只注重介质恢复特性值的计算而忽略 了介质恢复电压最小值的位置，本文中在得到介质恢复特性值的同时，对介质恢复电 压最小值的位鼍进行了追踪。 一9 沈阳_ 业人学硕l ：学位论文 本文提出的以子区域剖分方法为前提而进行的气流场和电场的并行求解方法对 介质恢复特性计算的实现过程如图1 3 图1 3 本文提出的并行计算方法实现的基本步骤 本课题的主要工作是高压断路器内部的气流场和电场的并行求解的研究，其关键 问题是如何实现两场的网格的一致。在应用a n s y s 为工作平台进行研究的过程中， 应用a p d l 宏命令语言编写了程序，实现了气流场和电场的并行计算、消除了两场计 算时网格之间的差异性，以此为依据计算出的介质恢复特性更加准确。 概括说明本课题的难点如下： 1 本课题涉及的电场数值求解是对于结构复杂、具有多重介质断路器内部的电场 的求解，另外电场计算是无限远开域场问题的求解。这些都给计算过程带来了一定的 难度。 2 断路器的气流场是跨音速、可压缩、有粘性、有源、具有复杂流路的变边界条 件的流场问题，在整个断路器开断过程中，存在激波、湍流等复杂的物理现象，另外。 在断路器触头打开的整个过程中，气流场的初始条件和边界条件是不断变化的，在气 体动力学中属于非常复杂的求解问题。 3 a n s y s 软件的二次开发。a p d l 命令语言的编写实现子区域划分、并行计算 程序将是一个求解问题的难点。 4 对于动态开断过程的研究。以往对于断路器灭弧室内电场和气流场分布的研究 很多都是研究它的静态时的场域的分布情况，动态的过程不同于静态的过程，它将复 杂得多，由于边界条件、初始条件的不断变化，增加了求解的难度。 沈阳工业大学硕士学位论文 5 电场强度最大值和介质恢复电压最小值的位置在整个开断过程中的动态追踪。 在开断过程中，由于初始条件和边界条件的不断变化，在灭弧室内电场和气流场都发 生了剧烈的变化，电场强度最大值和介质恢复电压最小值的位置变化也是一个动态变 化的过程。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 高压s f 6 断路器气流场与电场数值计算模型 2 1 栩述 有限元方法是现在应用的较多的一种数值计算方法，可以广泛应用于各种具有复 杂边晃、多重介质的场域问题的计算，有限元技术经过了几十年的发展，在单元生成 技术、材料模式、数值算法、求解器等各个方面有了极大的发展，加上硬件的突飞猛 进，使得模拟计算效率更高，处理大规模的问题更为得心应手。 2 2 数学模型 我们对于断路器的开断性能的分析和研究时要综合考虑气流场和电场共同作用 的影响。气流场对断路器的介质恢复特性值影响重大，而且断路器的气流场由于其内 部结构的复杂性，所以气体的流路比一般流体力学中的流路复杂，加之电弧的存在以 及随着开断过程的初始条件和边界条件的改变，使得其流场的数值计算的难度增加了 许多。 本文所计算的高压s f 6 断路器为5 0 0 k v 单断口高压s f 6 断路器，其具体结构图如 图2 1 所示。 图2 1 断路器结构简图 1 静弧触头2 静主触头3 、9 屏蔽罩4 喷e l5s f 66 动弧触头7 辅助喷口8 动主触头 2 2 。1 气流场数值计算数学模型 对于气流场的数学模型，常用的模型有欧拉方程组和n s 方程组。 ( 1 ) 无粘气流场的欧拉方程组。对无粘流体或在有粘流体远离物面处，流体的粘 沈阳- 丁业大学硕士学位论文 性作用很小，可以忽略不计，于是可以认为在此处流体的粘性为零，若是进一步不考 虑单位质量上的向量力，于是便得到无粘性流体的基本方程组，其微分形式为： 望+ o p w + 塑+ 坐：0( 2 1 、 拼 o rr 塑+ o ( p w 2 + p ) + 塑竺+ 型；0( 2 2 ) o t o z o rr 塑+ o p w _ _ 些u 十o ( p u 2 + p ) + 丛：o( 2 3 ) o to zo rr o p e + o p w ( e + p i p ) + o p u ( e + p i p ) + 型鱼翌丝；鳢十螋+ 盟+ o p = p g t 其中，表示轴向坐标 p 为气体密度，单位为k g m 3 p 为气体压力，单位为p a w 为气体轴向速度，单位为m s “为气体径向速度，单位为m s q 为考虑电弧能量，单位为j e 为单位质量的总内能，单位为j p z - w 2 + “2 弘再聒4 。丁 y 为比热比 k ：h 盟旦l 堡旦 l吁只j ，一1p r = 艘口6 芦为修正系数 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 ，8 ) 沈阳t 业大学硕士学位论文 r 6 为s f 6 气体常数 ( 2 ) 有粘气流场的n s 方程组。对于实际问题，任何流体都是有粘的，这粘性不 仅给物体以阻力，而且会改变一些位流的边界条件，如果顺流物体的仰角太大或者根 本不是顺流问题，那粘性的作用就更大了。 对于有粘流体，应采用二维可压缩n a v i e r - s t o k e s 方程组，其各方程如下 质量守恒方程 害+ 罢+ 娑+ 卫= 0 ( 2 9 ) a舐加 y 、 轴向动量守