（电机与电器专业论文）激波和湍流对sf6断路器介质恢复特性影响的研究.pdf

婆塑三些盔堂堡主塑! 垒茎 i i l v e s 姆n i o no f 舭d i e l e c 仃i cs t f e n 咖r e c o v e 巧p r o p e 啊i ns f 6 c i r c u i t b f e a l 【e rc o n s i d e r i n g 廿碡砌u 锄c eo fs h a k ew a v ea i l dt u r b u l e n t f 1 0 w b s t r a c t 硼砖髑r l yd c c a d 船o f 也i sc c n n y ，t b e r ei sa ni n c r 曲s m gd 愀i o p m 哪tf 0 rt h ee l e c 廿i c a l p o w 职s y s t e 札a n d t h c 州s y s l e m 砌融t h c 掣e a l c h a l l g 嚣i i i 咖v o l 协g cs f 6 c 艟i l i t b i 瑚k e rh 鹤b 咖。蚰s i d e 栅勰t h ei l i l p 【理t a me l e c 仃i c a lc q l l i p i n e n t t h ei m 豫s t i g a t i o no fi l s k e yt e c h n o l o 鲥v e f ss 州e r a l 毋埘e c t s ，鲫c h 鹊e l t r c 衄a g n c t i c ，h e 啦锄dm b a n i c a l 丘d d s f c 哪o ni tt oh a v et h 删c a lg m d y 裥lh a v ef e a l i s t i cs i g i l i 6 啪c cf o ri n 口s i n gt h ed e s i g n l e v do f 刚t c hi n d l l s 时 1 ki n v c s i 堙a l i o f 血跚咖c h 嬲捌s t i ci sv e f yi m p o n a 呲i nd e v e l o p m e ma n d d e s i 乒o f h i 曲v o l t a g ec i r c l l i tb f e a k e 幅f l 、，i 】唱t h e 删m e f i c 面p f o b l 锄诵t hc o m p i 饮g a s f l o wa n ds p a 吐m ep r o c e s s i n gs ) m 栅锄o l l s l y ，t h ea n a l y s i s t b en o w 矗e l do f 咖疵 蛐i s 岫肛眦妇i n v e s t i g a l i l l g l h c 幽湖晒i l g c k 嘣舾确c t h e 劢eo f s f 6 c i r c i | i tb r e a l 【髓i s 血o u g h t 豁t h ck e m e lo fa q l 埘尬h i l 唱c h a m b e f k 髓u o f 迅c o n t r o l l i n g 蜘t g a s 舶w 删d i n g l h c 蛐删h t h i s t h e 暾l h e 2 5 2 k vs f 6c i i c i l i t b i 钱i l 【盯i s 诅k e n 勰也ei n v 髂t i g a l i o n 蜘岈e c lt h e 硼u 翱懦so ng 私f l o wa l l dd i e l e c 妇 曲嘟瞳g m 托c 0 e r y 珥d l 删e s w h i c ha 坞u s c db yc b 脚l g i n gm e 柚酉eo fd e v a l i 咖，t h e m i n e 璐i a n dt b cc o n t o i 盯o fa 加z z l eo fs f 6c i 豫血h e a l 【h a v eb 嘲i 删e s 虹g a t e d a c c o r d i n g 幻t h et h r yo fs h o c kw a v ea n dl h er e 蜥o nk 怕嘲mn o wv d o c i t y ( m h m 加1 b 娌 a n dr a 虹oo fs t i o na r e ai nl 删n d z 盔e t i 艟i n n 咖懈c o n t r o l l i n ge 任b c to n 晷塔 n o w 缸md i e l c c t r i c s t r e g t h v 钮yp o 】脚e s ，w h i c h a 托咖s e d b y 1 0 c a l “c m w 盯g 伽i 碰v e r g 翎c c 竹胤 z 盈ea n d t w o - 舯棚矿c m i 幻呱z z i e ，h a v eb o e ni n v e s t i g a t e d f o r6 r s t 劬e a i l dt h ed i e l e c 仃i c 髓陀n g l h 坨 嘲r y 珥d p c m e so fd i f f e f e m 呦a n d d j m 朗画o no f a 劢eh a v eb e e n 咖p 砒t h e 地s i l l ts b w 恪t h 越t h e 删t 0 啊o f a i cn o 冽e d i 觇舾地m 甜i 【a b l yo nd j e l 伍c 蜘g m 托c a 唧p r 0 哪d l 埘n gt h ch 磺她珥冶s s m o s to f t h e 觚d n o w 溅砌瞄嘶n o w 瞰黜洳妇es i i l l 僦b 啪 l v e d d i 粥删l s e dc l 朗r l yl l pt on o wb a u 辩o fi 忸a ( h 砌d yc c 旺i p l e x i 锣p l o l ，e f 哆i nt h i s t h 鼯奴谢。峭伽r b i i l e n tn o wm o d e i sa i l d 盈kc o n l o i 暑b a _ v eb 嘲c h 0 俄札i nm m 吲d c a l l i 澈波和湍流对s f 6 断路器介质恢复特性影响的研究 s m 硼a ：t i o nt o 锄i a l y z et h ei n n u 黜目c e so nc o n t l l i l l gd f e c to ng 鹤日o wa n dd i e l t r i c 蜘g m 栅v e r yp f o p e 币e s ，w ：l l i c ：ha 托c a l l s e db yn l f b l l l e n tf l o 、v ，丹o mm a c m “e w p o i n lt h c s i n t s s h o w t h 舡t h e g 勰n o w i s p f 删舔l 锄妇n o w i n f k 劢e c 0 咖缸dn l 州e n t f l o w i n r a g d yn o 恐l e m o u r ；t h el o c a l “m r e 】曹锄d i v c 哩犁虻矿n 忆i e 越i d t w o - 鲫曲扩 o 咖胁咐p l a y 龇i m p o n a n t m l ei nt l l ef o m 锄dd c v c l o p m 锄o f t l l l b i l l e 扛tn 佣t h et i | r b i l l e n t n o wc a ni e d u t h et o t a l l yv e l o c i t yo fg 豁e o ww l l i c hi 39 0 0 d 蕾研t h ed i e l 州c 啦陀n g 吐l r e c o v c f y o p e m 铬 at h 踟憾6 c a lb 刁菌sh 够b 嘲删捌f b fi 加删i i l g 龇d i e i 砸c 托v e r y d 擒翔积s t i c so fh i g h 、，o l t a g cc i 嘲j i tb i 镘出e f - t h e 龇l u s i i sv e r yv a l 瑚m ef o rt h e o 面m 哪d c s i g nf o f a r cn o z z i eo fs f 6c i r c l 血b l 鞠蠡盯砌m i i l i 砒m i z a t i 蚰d e s i g nf 研a l c q l l c n c l l i n gc h 锄b e r k e yw o l u d s ：s f c i n u 缸b 咐k e r n o 观ks h kw 童v 岛t u r b u k mn 们r ，e l e c t r i c s t 姗g t hr 吖e r yp m p e y m 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。 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) 签名：缝插一 导师签名步彳粝日期舻旭心 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 高压s f e 断路器在超高压、特高压电力系统中的地位及发展 电力工业作为现代社会的支柱产业，发展迅猛。由于信息化社会的更进一步 发展，工业用电和生活用电的需求量逐年提高，为满足电力需求量持续稳步的增 加，增大输电容量、发展输变电系统以及相关的技术装备意义重大 断路器是电力系统中十分重要的开关设备，其作为电力系统的主要配套保护 设备，必须承受相应等级的工作电压和开断电流。为了满足快速发展的电力系统 的需要，断路器的制造技术也在不断的发展和完善，产品不断推陈出新，电压等 级也在不断提高。 高压断路器作为高压开关的主导产品，在一定程度上，代表了一个国家电力 工业的发展水平，它的研发水平同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，其相关问题的理论研究对其它高压电器的研究具有普遍的指导意 义因此，跟踪国外的技术发展，结合国情，深入研究特高压断路器的关键技术 问题，研究高压断路器开断与关合的方法和措施，提高断路器的分断能力，研制 开发具有自主产权的高压断路器产品，不仅可促进我国更高电压等级网络的形成 以及全国电网互联，加快电力工业发展，而且为今后进一步研究发展高压输电设 备作好技术储备工作。具有重要意义“一 s r 断路器是高压等级断路器的主导产品。其在高压、超高压及特高压领域 显示出较大优越性，是极其重要的断路器产品 从世界范围产品的发展看，高压s f 。断路器经历了双压式s f 。断路器( 2 0 世纪 6 0 年代) 一单压压气式s f 。断路器( 2 0 世纪7 0 年代) 热膨胀式( 2 0 世纪8 0 年代) 一二次技术智能化( 2 0 世纪9 0 年代) 的发展历程。双压式s f 。断路器是根据压缩 空气断路器的气吹原理设计的，断路器内部有两种压力，低压气体( 0 。3 咿a 表压 力) 用作断路器内部的绝缘介质，高压力气体( 1 5 m p a 表压力) 用作灭弧。虽然断 路器工作性能良好，但结构复杂，价格昂贵。1 此外，由于灭弧用高压气体的液 化温度高，工作温度必须保持在8 以上，低温环境下需要加热才能工作，这也 是一个致命弱点。目前，双压式已被淘汰，由单压压气式s f 。断路器所取代单 激波和湍流对s f 6 断路器介质恢复特性影响的研究 压压气式s r 断路器，外形上与双压式相似，断路器内只有一种压力，表压力为 0 6 咿a ，它是靠气吹熄弧，并且充分利用电弧能量，提高气压，增大开断能力， 形成以压气为主，热膨胀效应为辅的混合灭弧方式，目前单压式己经用到5 5 0 k v 及1 1 0 0 k v 级。 热膨胀式断路器是高压s f 6 断路器技术的又一进步，它与单压压气式断路器 相比，操作功减至3 0 9 6 左右，从而可取消操作功大而结构复杂的液压或气动机构， 改用操作功低而且结构简单的弹簧机构。热膨胀式现己应用到1 1 0 2 4 5 k v 级， 正向4 2 0 k v 电压等级发展。 二次技术智能化是集计算机控制、微电子、信息传感、伺服驱动以及精密机 械等为综合一体的技术，实现开关设备的智能化，即开关设备的智能控制和保护， 变人为的“定期维修”为实时的“状态维修”。欧洲几家公司在此方面取得了卓 有成效的研究成果：1 9 9 6 年，a e ct d 公司成功研制出d p i 型真空断路器，其操 动机构内有集成保护装置。a b b 公司在真空断路器及其开关柜中采用数字集控技 术和传感技术，扩充传统控制装置的功能，降低费用。1 9 8 5 年，西门子公司就 已开发出以微处理器为中心的数字保护设备。此后，又研制开发了数字保护继电 器，用于重要使用场合的完整范围的数字保护设备，以及大范围数字保护设备。 1 2 高压s f 。断路器开断特性的研究 高压断路器的开断特性是衡量高压断路器性能的最重要的技术指标。断路器 的开断特性包括断路器开断近区故障、端子短路、空载长线和容性小电流等各种 工况下的开断能力要求在标准的时间内，成功分开电路，同时保证具有足够的 绝缘间隙和绝缘性能。在不同的开断负载条件下，由于电压恢复特性的不同，对 断路器恢复特性也有不同的要求。 空载开断是对高压断路器介质恢复特性考核的重要内容之一。研究空载开断 有其重要的意义：首先，介质恢复特性对于开断不同的负载时具有不同的情况， 虽然空载开断时其介质恢复特性与不同负载开断时具有明显的不同，但由于它具 有唯一性，所以是反映断路器开断性能的一个重要参数；其次，空载介质恢复特 性也具有重要的实际意义。当断路器开断空载架空线或空载电缆时，断路器中将 有幅值小于几百安，时间少于几毫秒的容性小电流通过。由于此时电弧等离子体 沈阳工业大学硕士学位论文 的体积很小，在高速气流的冲击下，电弧较易熄灭，电弧的能量迅速被带离触头 间隙，因此可以认为触头间隙状况与无电流开断时的情况相同。同时由于触头开 距很小，恢复电压很高，极易产生重击穿，引起电弧重燃。这导致高压断路器对 于容性小电流的开断变得相对非常困难，而成为超高压断路器最苛刻的开断条件 之一 在断路器的开断中，短路开断是最苛刻的在开断过程，由于电弧的存在及 变化过程极其复杂，使得短路电流开断的研究难度最大。与空载情况相比，由于 s f 6 断路器灭弧室中热气流的作用，使得断路器的绝缘性能相对降低。断路器的 额定短路电流的开断能力是反映高压断路器设计、制造水平的一个重要标志，也 是高压断路器产品设计的重点和难点。由于此时断路器开断的电流幅值较大，其 产生的电弧能量对灭弧室内的流场、温度场、密度场及压力场都具有很大影响。 对s f 6 高压断路器的研究归根结底都是对断路器开断特性的研究因为s s 高压断路器的开断特性是表征其运行特性的最重要和最基本的技术依据。s r 高 压断路器的开断特性取决于断路器在开断过程中灭弧室内电场与气流场的分布 状况，所以在对s r 高压断路器的开断特性的研究中必须研究灭弧室内电场与气 流场随触头间开断距离的改变而改变的情况 1 3 电场和气流场数值计算的现状 1 3 1 电场数值计算的发展及现状 7 0 年代以来，经过学者们的努力，在电磁场数值计算的研究上，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 喇) ，有限元 法( f 跚) ，模拟电荷法( c s m ) ，边界元法( b 酬) 等，对这些方法的应用可大 致归结为： ( 1 ) 边界形状简单并有规律时，适宜用有限差分法，相比之下工作简单， 也可得到较高的求解精度，但由于它采用四边形单元进行分析，其边界的拟合性 不好，尤其是在边界形状复杂的情况下，四边形单元并不能很好的逼近边界。 ( 2 ) 当求解区域为包括多种介质的场或轴对称场时，由于存在所求解的非 线性及所求区域边界形状的不规则，采用有限元法较好，并且有限元法在处理齐 次边界时，包括不同介质交界面的边界条件，表现出较大的优越性有限元法能 激波和湍流对s f 6 断路器介质恢复特性影响的研究 很好的处理椭圆形方程，当处理双曲抛物形问题时，由于存在间断解，使有限元 法的求解过程可能不收敛，故它的应用范围受到很大限制。有限元法广泛的应用 于电场的计算中，因为电场的计算的数值模型拉普拉斯方程是椭圆形方程。但流 场中的数学模型多是双曲抛物形的，故有限元法在流场中的应用并不多，流场的 计算还多选用有限差分法。 ( 3 ) 边界元法是近些年来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，它位于场域的边界上。对于有限差 分法和有限元法，在二维场的求解中，剖分对象为平面，而在三维场中剖分对象 为整个闭合场域。因此，剖分单元数量较大，需要大量的时间进行数据的处理。 而在边界元法中，剖分的对象为边界线或场域的边界面，根据格林定理，把一个 三维问题转化为二维问题进行求解。边界元法是一种降维处理的方法，同时具有 半解析性质。因此，可以在满足一定精度的基础上极大的减少了计算的工作量。 但它存在奇异积分的问题，而且在求解时还存在求解非对称满阵问题。 ( 4 ) 模拟电荷法属等效源法，是运用于求解电场时的一种方法嘲。在电场计 算时，把带电体表面上的充电电荷和不同介质分界面上出现的束缚电荷，用位于 无效区域上的等效电荷代替。即可用此组模拟电荷来求解所确定的求解区域内的 电场。在求解磁场问题时，与模拟电荷法相对应的是模拟磁荷法嘲，但模拟电荷 法很难处理多重媒质和薄电极的问题。 近年来有关场域的求解方法有一些新的发展： ( 5 ) 对已有方法的改进，多种方法的组合，扬长避短，相互补充产生了许 多组合算法。例如，模拟电荷一有限元法，有限元一边界元法，边界元法一模拟 电荷法，无限元法，有限元一多重网格法，有限差分一多重网格法等。整个的电 磁场计算问题可以分为有界场和无界场的计算在无界场的计算上，传统的方法 是在适当的位置人为的设置边界，这样处理表现为计算精度不高，采用新的组合 算法就可以很好的解决这个问题。如应用有限元一模拟电荷法，则把所有的分层 介质及带电系统包含在一个区域中，采用有限元法求解；把均匀介质以无限空间 包含在另一个区域内，采用模拟电荷法求解。在两区域分界线上严格满足一定的 沈阳工业大学硕士学位论文 边界条件，这种组合方法的应用既可减少对计算机内存的需求，而且可以实现电 场求解的高精度要求m ( 6 ) 半解析数值方法旧，例如仿造非线性科学中的“计算协同学”的方法， 把数值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“广义多级技术”即属于 解析数值方法，边界元法的降维求解实际上也包含了解析数值方法的思想内容。 ( 7 ) 9 0 年代小波分析引入电磁场数值分析，出现了小波迦辽金法等，为时 变电磁场问题的求解开辟了新的求解思路。1 9 8 6 年出现的电磁分析验证模型， 促进了电磁场数值分析这门新学科的发展嘲 1 3 2 气流场数值计算的发展及现状 流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。计 算流体力学是随着计算技术和航天飞行器技术的发展而在逐渐发展完善的一门 学科。二维非定常可压缩理想流体力学计算方法的研究始于5 0 年代中期，由于 二维流体中图像极其复杂，很难构造出一种普遍使用的格式，在6 0 年代，计算 流体力学得到较快发展，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，r u b i n r u r s t e i n 格式，l i a cc o 邢a c k 格式等。7 0 年代，采甩 时间相关法在计算流体力学中取得较大成功，进行可压缩e u l e r 和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。以上格 式虽然经改进，但对初始方波方程罢+ c 孚：o 控制下的平移不能给出令人满意 讲血 的结果，得到的解不是坦化，就是产生假振。8 0 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、高分辨率差分格式( 如t v d 格式，e n o 格式，n n d 格式，c s c m 格式等) 可以较好的模拟包括激波、湍流等现象的非光滑 流场。近年来采用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，模拟跨声速、超声速的流场形态睡伽。 高压s f 。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，随着触头高速运动，电弧 一5 一 激波和湍流对s f 6 断路器介质恢复特性影响的研究 能量释放过程的复杂性，出现激波、湍流等一系列复杂的物理现象，以及由于断 路器的开断过程与操作机构的联动而形成的复杂关系等，所以决定了断路器气流 场的计算是一个包括机构动力学、电弧理论、流体力学等内容的大的系统数值计 算问题“埘。 对于断路器流场求解，目前采用的方法主要有控制体积法( c o n t r 0 1 v o l u 舱) ，流体网格法( f l u i di nc e l l ) “3 “】，有限元法( f i n i t ee l e n t 啪t h o d ) 等。 流体网格法适用于计算具有大畸变的流体流动问题。特别是改进后的f l i c ， 建立了任意三角形、四边形的e u l e r 的差分格式。它采用二步法，第一步是把网 格当作质团进行l a g r a n g e 运动的计算：第二步按质量、动量和能量守恒原则将 第一步的结果在原e u l e r 网格上进行重新分配。有限元法的原理是分单元对解逼 近，使微分方程空间积分的加权残差极小化，由此建立f 酬方程组而求出数值解。 选择权函数与形状函数相同构成g a l e r k i nf e m ，g a l e r k i nf 叫的性能类似中心 差分格式，缺乏足够耗散，不适于计算间断。加入人工粘性后，可计算间断问题， 但计算结果比较粗糙。f 跏，f l i c 对激波很难较准的捕捉。 有限差分法的原理使泰勒级数逼近，有限元法使加权残差逼近，二者在原始 控制微分方程的体积上物理守恒，而离敖后符合的就较不准确。 控制体积法亦称有限体积法( f i n i t ev 0 1 岫e 眦t h o d ) ，其是继承和综合了 有限差分和有限元法优点的新一代算法，它在网格划分上保留了有限元法的优 点，可以任意划分网格，无需进行物理域到计算域的变换，易于适应具有复杂几 何形状边界的流场计算；而且，有限体积法从守恒律积分方程出发构造差分格式， 可以在每一步都保证格式的守恒性，使得它在离散的情况下依然较准确的符合质 量和动能守恒，且可适用于间断解。有限体积法是以积分的形式写出其控制方程 的，对流场的一个有限单元体，从物理上明确描述了质量流、动量流和能量流的 守恒关系，同时有限体积法对网格导数的计算也更精确更合理。因此在求解不可 压流和可压流问题中，都可采用有限体积法“”。 在高压s f 6 断路器灭弧室气流场的计算研究中，我国王其平教授及其学生对 有限元法和流体网格法进行了深入地研究“埘马志瀛教授及其学生开展了将操 动机构机械特性与灭弧室气流特性相结合的模拟计算的研究。荣命哲教授展开了 对有效捕捉激波的n n d 方法的研究嘲王尔智教授及其学生在s f 6 高压断路器的 一o 一 沈阳工业大学硕士学位论文 灭弧室气流的数值模拟方面进行了有限差分的总变差减小的格式研究，变形流体 网格两步法的研究，及有限差分法与多重网格法混合方法的研究等口1 删林莘、 徐建源教授对自能式s f 6 高压断路器的数值模拟进行了深入的研究洲 1 4 论文研究对象及意义 近年来，国内外许多学者己对s r 等离子体、电弧模型、灭弧室内气流特性、 电弧过零后温度扩散、电离粒子浓度衰减、介质恢复特性以及断路器绝缘特性等 做了一定的研究工作，为超高压、特高压断路器的研制开发提供了一定的理论分 析基础。国外多家大型电气公司均投入巨资，研究特高压断路器开断过程在电磁 场和气流场共同作用下如何提高介质恢复特性的方式和方法。研究工作主要体现 在：从压气缸大小到喷口喉部尺寸的选择；从简单吹弧到利用电弧能量的自能吹 弧；从不同压气缸设计形式到不同的喷口结构选择等。但对于关键技术严格保密， 企业合资也无法引入其核心技术。国内目前研究主要内容为断路器灭弧室气流场 计算；s r n z 混合气体开断性能分析咖；电弧模型建立；断路器断口附近电场计 算；自能式s f j 高压断路器研究等，主要致力于解决提高介质恢复特性，提高断 口开断容量，提高高压断路器的可靠性 高压s f 断路器开断过程气流控制技术的研究是高压、超高压以及特高压s f 6 断路器研究的热点之一 断路器的主要功能是安全可靠地开断与关合目前高压s f j 断路器的发展方 向是单断口开断容量增大，而产品整体体积逐渐缩小，这就要求断路器开断过程 中吹弧气体流动必须合理。换言之，在整个开断过程中将压气缸中的s f 气体合 理使用，优化控制气体吹弧的整个流路和过程，达到高效利用气吹，使电弧能量 迅速逸散出去，以提高断路器的开断能力。 高压s f 6 断路器的开断特性是表征其运行特性的最重要和最基本的技术依 据，因此对高压s r 断路器的研究归根结底都是对断路器开断特性的研究。s f 断路器是靠气吹来熄弧的，因此在开断过程中灭弧室内气流场的分布状况就成为 研究高压s f 。断路器开断特性非常重要的组成部分。通过研究断路器灭弧室气流 场，讨论如何合理进行气体流动的控制，提高开断过程的介质恢复特性。这对于 实现高压断路器的可靠开断尤为重要，具体表现在： 激波和湍流对s f 6 断路器介质恢复特性影响的研究 一是高压s f 6 断路器由喷口、动触头、静触头所形成的气流流路较单一形式 的喷管结构复杂得多，由于开断过程中灭弧室内喷口及开断过程动触头运动所形 成气流通道的收缩、膨胀，气体流动受到静触头及喷口结构的控制作用( 特别是 多级收放喷口) ，气体并非稳定流动。根据气体动力学理论，在拉伐尔喷口内的 超音速流动中，将导致激波产生。 激波本身就体现了流动的不连续性，使得速度、密度、压力等在激波处发生 突跃，而且开断过程中随着上下游压力的变化，激波的位置也在发生变化。由于 在激波波前和波后气流的压力、密度、速度均有跃变，因此激波位置的变化以及 激波的强弱均将导致断路器介质恢复特性的变化，从而直接影响断路器的开断能 力。激波在理论上表现为解的间断性，激波的存在表征流场参数在此发生阶跃性 的变化，而且激波在开断过程中是随着喷口移动的，这些都给激波的研究与分析 带来了很大的困难，激波的准确性捕捉难度很大，是衡量计算方法优劣的重要标 志，使得激波分析成为空气动力学中的前沿课题。 二是在流体力学中，当流体遇到流路复杂的情况，会产生湍流，流体在工程 问题中通常出于湍流状态，湍动特性在工程中占有重要的地位，湍流研究一直被 研究者高度重视。但由于湍流本身的复杂性，对湍流的数学描述是非常复杂的数 理问题，在流体力学领域中，直到现在仍有一些基本问题尚未解决，湍流的模型 很难建立嘲，已经建立和解决的湍流模型较少。一般航天器是避免湍流的，因为 湍流会导致飞行器的不稳定飞行。对于断路器来说，其一级或多级缩放喷口必定 产生湍流，湍流的存在对高压s f 6 断路器整体开断特性也是有影响的。因此，在 高压s f b 断路器中，我们研究利用湍流的影响来提高开断特性是非常必要的。 三是为了减小因s f 6 的泄漏所带来的对地球环境的污染，1 9 8 7 年“京都议定 书”提出了限制s r 气体在高压电力设备中使用的决议，提倡大力发展真空开关 装置以逐渐取代s f 6 断路器。但是，在高压、特别是超高压和特高压电力系统中， s f 6 断路器仍占据着支配地位。目前，国内外对s f 。高压断路器研究的热点问题之 一，是断路器整体小型化。其意义不单在于提高经济效益、运行可靠性以及占地 面积，同时也减少了s f 6 的使用量，从而减少了s f 6 的泄漏量。 一8 一 沈阳工业大学硕士学位论文 在环保及简化机构操作功的需求下，研究在压气缸体积一定的条件下，如何 进行气流控制，如何将有限的气体资源合理使用，是高压断路器设计的难点之一 s f 6 断路器灭弧室的喷口，对开断过程中吹弧气体的流动起着控制作用，它 直接影响着开断过程中喷口内s f 。气体的介质强度的恢复特性从而，对灭弧室 喷口的设计成为s 凡断路器整体设计中的核心内容之一断路器喷口结构对开断 性能的影响甚大，喷口是决定特高压断路器开断性能的最关键部件，也是特高压 断路器设计的核心为此，世界上各大s f 6 断路器制造厂家研发出各具特色、具 有独立知识产权的喷口结构嘲。但是，各公司的喷口的设计技术都是核心的机密。 目前为止，研究喷口结构和气流控制的国内外报道极少。 本论文对考虑了激波与湍流影响的高压断路器开断特性的研究工作，将为喷 口结构综合优化设计，合理控制气流，减小机构操作功，提高介质恢复特性和开 断能力，从而达到缩小断路器体积的目的提供必要的思路和理论基础。 1 5 本论文主要工作 本课题来源于项目号为5 0 4 7 7 0 5 0 的国家自然科学基金项目：考虑激波和 湍流影响的高压s r 断路器喷口优化设计 其中，作者所承担的任务是： 考虑了激波与湍流影响后高压s f 。断路器开 断特性的数值模拟的研究 本论文以2 5 2 k v 及5 5 0 k vs r 断路器为研究对象，结合当前电器领域科学研 究的最新成果和计算流体力学、现代优化方法等相关学科的先进思想，在前人工 作的基础上，通过对大型软件包f l u e n t 的研究与开发，对不同喷口型面及湍流 模型下的开断特性进行了分析与比较，对激波与湍流对开断特性的影响进行了研 究 1 5 1f l u e n t 软件包的应用与开发 f l u e n t 是一种用于模拟在复杂几何结构中流体流动及流动中热能传递的多 功能软件包。它能完全自适应网格。因此本文应用其前处理软件g a 髓i t 进行模 型建立并在模型网格剖分部分采用了g a 鹏i t 的自适应非结构网格剖分f l u e n t 是用c 语言编写的，因而能充分运用c 语言的特点与灵活性进行程序开发。在一 些不稳定流场中，要较好的模拟具有固壁运动的流体流动时，采用动网格是最行 一9 一 激波和湍流对s f 6 断路器介质恢复特性影响的研究 之有效的方法。为此，本文结合断路器开断过程建立了相应的动网格模型，充分 考虑了开断不同时刻的相互影响，对整个过程进行了流场仿真由于断路器开断 过程中边界输入条件复杂且随时间变化，且介质恢复特性计算需要在整个计算过 程中流场计算结果数据的实时输出，而f l u e n t 本身没有现成的函数，利用它的 c + + 开发系统对它进行了程序开发并与f l u e n t 进行接口。 1 5 2 高压s f 。断路器空载开断介质恢复特性的研究 应用大型流体计算软件包f l u e n t 对气流场计算模型进行了仿真，结合电场 计算结果，得到断路器的介质恢复特性，为考虑激波与湍流对介质恢复特性影响 的研究工作展开提供了基础。 1 5 3 喷口型面及尺寸对s f 。高压断路器介质强度恢复特性影响的研究 对于压气式断路器来说，开断过程中激波的存在通常是不可避免的激波的 存在表征流场参数在此发生阶跃性的变化，流场的参数在激波前后的大量值变化 对开断过程的开断性能具有重要影响。本文对不同喷口型面及尺寸的灭弧室流场 进行了仿真，对喷口型面对激波的产生与影响进行了分析，通过介质恢复特性的 对比对激波对开断特性的影响进行了分析，给出了充分利用激波提高介质恢复特 性的设置局部“放一收”型面的喷口结构和两段式喷口结构。 1 5 4s f 。高压断路器喷口中的湍流及其对介质恢复特性影响的研究 开断过程气流控制的研究是断路器研究的难点之一。在流场计算中有许多数 值计算模型，像仅考虑边界粘性的层流方程与考虑湍流的七一占二方程等。通过 对在不通计算模型下进行流场仿真，详尽地比较了它们的不同特性分析了光滑 壁面结构与凹凸不平的壁面结构对湍流形成与发展的影响，给出了光滑喷口壁面 吹弧气体的流动表现为层流，凸凹不平的喷口壁面吹弧气体的流动表现为湍流的 结论。同时也分析了带“放一收”喷口在对气流的控制中的良好特性，分析了湍 流对提高介质恢复特性的作用。 一加一 沈阳工业大学硕士学位论文 2 数值计算模型 2 1 流场计算模型 流体运动过程中，遵循机械运动的守恒律：质量守恒、动量守恒、能量守恒。 由此导出流体力学最基本的连续方程、动量方程和能量方程。另外，对于不同特 点的流体，可以根据热力学状态参数( 压力、密度和温度) 之间的关系，提出反 映这种状态关系的状态方程。而流体运动学参量和流体合力状态之间的关系，是 根据不同条件下的流体性质，根据实验定律，提出相应的关系式，这就是反映应 力张量和速度变形张量之间关系的本构方程。有了以上的这些关系式，加上相应 的初始条件和边界条件，原则上就构成了可以求解各个未知量的封闭方程组 口 删 2 1 1n - s 方程 箍 高压s f ：颤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，其数学模型可采用二维可压缩n a v i e r s t o k e s 方程组 来描述嘲，n s 方程是流场计算最基本的方程组，由如下的五类方程组成： ” 质量守恒方程 竺+ 丝+ 塑+ 堡：o 钟苏 砂 ) ， 焦 ( 2 1 ) 轴向动量守恒方程 塑+ 垫兰也业+ 竺：丝+ 笠+ 生( 2 2 ) 及 瓠 缈y 敏 匆y 径向动量守恒方程 塑+ 塑+ 塑丝+ 丝：坠+ 丝+ 互二丝( 2 3 ) a l 瓠 a yy 瓠 匆y 能量守恒方程 激波和湍流对s f 6 断路器介质恢复特性影响的研究 曼丝+ 曼型鱼旦! 旦! + 曼旦生旦1 2 1 + 坐鱼翌! 旦! ： a瓠 a y y 气体状态方程 + 煎：! ：= ：! ：! 丝! + 勿 p = 肚r 其中：户，仍r 分别为气体密度，压力和温度5 “，v 分别为气体轴向速度和径向速度； q 为考虑电弧影响的源项； p 为单位质量的总内能： 础加竿 g 为气体定容比热系数； 勺为粘性里张量的各个分量，分别为： f4 抛2a l ，2 ，1 f 。1 j 瓦一i 万一j 列 f 2 锄4a i ，2v1 2 气一j 瓦+ j 万一i 列 f2 劫2a i ，4v1 2 1 一j 瓦一j 万+ j 列 七为导热系数； 铲= ( 参+ 劫 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 华 型 鱼知 以一 沈阳工业大学硕士学位论文 置为气体常数： 2 1 2 考虑无粘条件下的e u l 眈方程 对无粘流体或在有粘流体远离物面时，流体的粘性作用很小，粘性力可以忽 略不计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，其微分形式为： 塑+ 塑+ 挈+ 丝：o ( 2 1 1 ) 西 苏咖， 曼旦竺+ 鱼 2 1 1 ：星! + 业+ 型：o( 2 1 2 ) 塑+ 丝竺+ 曼鲤：盟+ + 丛：o 西岔a r7 ( 2 1 3 ) 曼丝+ 曼丛! 旦! 盟+ 鱼竺生旦! 盟+ 丝竺旦! 盟： 曼。，2 ，胛，。嘉 7 ( 2 1 4 ) 攀+ 挚+ 盟+ q 怕。纠 出， p = 砧r ( 2 1 5 ) 其中r 表示轴向坐标，p 、p 分别为气体密度和压力：w ，甜分别为气体轴向速 度和径向速度；q 为考虑电弧影响的源项；p 为单位质量的总内能； e = 南+ 孚，为比舭叶+ 号乏) 寿号；足= 风州为 修正系数，r ，。为s f i 气体常数。 2 1 3 考虑湍流条件下的湍流方程 湍流场中的流速的变化使得流体的动量、能量及密度都发生了相应的变化 其流体的传输特性也发生了很大的改变。这些变化只是小范围的且具有很高的频 率。自雷诺通过实验发现两种流动状态，并用两次平均方法从n - s 方程导出不封 闭的雷诺方程组以后的几十年，人们一直在寻找封闭这个方程组的方案。虽然在 激波和湍流对s f 6 断路器介质恢复特性影响的研究 某些方面获得了部分成功，在某些特殊情况得到了能够应用的结果，但把这些结 果应用到其它情形，则往往不通。所以湍流问题直到现在还是一个待解决的问题， 而工程中比较实用的方法是对方程中某些相关项提出各种半经验的假设作为补 充方程，使方程达到封闭，这种方法就是通常所说的工程应用假设，或称模式理 论1 。在模式理论中，流体方程组中还要增加多个附加方程式才能使这个方程组 封闭按照雷诺的方法，把模式分为三类咖： ( 1 ) “o ”方程模型： ( 2 ) 一方程模型 ( 3 ) 七一占二方程模型 这些方法都是通过热传导系数与粘性系数中增加湍流来反映湍流效应。 弘= p l + p t k = k i + k i ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 其中朋、鼻为层流粘性系数与导热率，肛、屯为湍流附加粘性系数与导热率。 零方程模型，就是雷诺应力能直接用某些物理量和物理常数表达出来，直接 带到雷诺方程中，而不必加其它的补充方程式。当采用零方程模型中普朗特混合 长度理论来描述灭弧室中的湍流现象时，可用下式表示啪： 屯= o 1 4 a q 疋2 d a u ，a r i ( 2 1 8 ) 以= 艘。2 d a u ，a r i = 以2 i a 【，a r i ( 2 1 9 ) 其中五为可调参数，c 。为气体的定值比热容，兄为电弧热半径，p 为气体密度， ，_ 为湍流动量的特性长度( 又称混合长度) ，u 为层流的时均速度 一方程模型理论所讨论的问题通常都是固壁湍流等一类问题，而且湍流一方 程模型需要人为参与的工作较多 二方程湍流模型较零方程模型在理论上进了一步。两方程湍流模型是把湍流 粘性系数与湍流本身的特性相联系，把湍流造成附加应力的过程与分子扩散造成 沈阳工业大学硕士学位论文 应力的过程相比拟。零方程模型的不足在于湍流粘性系数表达式中的兄等值需凭 经验来选择对于复杂的流动，此系数的选择就比较困难。零方程模型基本上是 一经验公式。对于七一占二方程湍流模型要通过求解以下的方程来得到湍流下的 传导系数与粘性系数 k t “p 瓮 p t = c 。心| 其中七为湍流动能；占为湍流能耗散率； 将七一占方程写为缩写形式 ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 罢+ 冬+ 要+ s ，：冬+ 譬+ 品+ s ( 2 2 2 ) a la za r 1 a z a r 黼= 阱e _ 矧坪褂 g ，= n t8 k 吼务 q t8 s o s 卦 一：三砌 ， 。，l 倒j 毋：三 ， e = 仇徼 c r i 务 ，l ta 务 仉徼 吼如 q 。a 8 o t 卦 一臣伊，0 盘 p 2 一；： ，绿色线为网格线，黑色线为边界线。该组图形象地表示了 动网格的原理和动网格的运动过程。第一幅图显示了网格没有动的时候的情况， 第二幅图和第三幅图充分的说明了网格的生成和运动的方向。图中的1 、2 、3 、 4 号线为网格剖分的时候得到的网格线随着原有的网格整体向右移动，在内部 线( i n t e r l l a l ) 处生成新的网格线，跟随动网格继续右移，而滑移线( i n t e r f a c e ) 、 内部线( i n t e r n a l ) 和其他的边界线则并没有移动仍然保持在原来的位置上，以 此不断生成新的两格。 激波和湍流对s f 6 断路器介质恢复特性影响的研究 1 2 、3 4 原阿格线0 随原阿格右移在i 址e m a 】线女嘲生成的阿格缝 图3 3 动网格的网格生成过程 f i 辱3 3 b i n l lo f d y m 曲c m e s h 图3 4 则表示了动网格的网格消失过程。蓝色线是滑移线( i n t e r f a c e ) ， 红色线是内部线( i n t e r n a l ) ，黑色线是边界线，绿色线是网格线。第一幅图表 示了网格没有消失时的情况，第二幅图和第三幅图则说明了网格运动的方向和消 失的过程。图中的1 、2 、3 、4 、5 号线为网格线，l 号网格线向右移动至边界时 消灭，其它网格线也将会依次到达边界上而消失，而滑移线( i n t e r f a c e ) 、内 部线( i n t e r n a l ) 和其他的边界线则并没有移动仍然保持在原来的位置上，以此 不断消灭原有网格。 沈阳工业大学硕士学位论文 i 2 3 、4 5 一格线 图3 4 动网格的网格消失过程 f 嘻3 4d i 即嘲r 锄0 f 由咖i c 删曲 3 2 3 边界条件 所谓的边界条件，是指在求解域的边界上所求解的变量或其一阶导数随地点 及时间变化盼规律。只有给定了合理边界条件的问题，才可能计算得出流场的解。 因此，边界条件是使c f d 问题有定解的必要条件，任何一个c f d 问题都不可能没 有边界条件。在c f d 模拟时，基本边界条件包括：流动进口边界、流动出口边界、 给定压力边界、壁面边界、对称边界、循环边界。其中本文数值模拟工作中主要 应用到的边界条件有： ( 1 ) 流动进口边界条件：流动进口边界，就是指在进口边界上，指定流动 参数的情况。常用的流动进口边界