SF斷路器噴口電弧熄滅過程的數(shù)字模擬

SF6斷路器噴口電弧熄滅過程的數(shù)字模擬1引言隨著計(jì)算機(jī)性能的提高和計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步,數(shù)值仿真在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。噴口電弧的數(shù)值模型是仿真技術(shù)在斷路器研究領(lǐng)域應(yīng)用的實(shí)例，這也標(biāo)志著斷路器的設(shè)計(jì)已由經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)走向科學(xué)設(shè)計(jì)［1］。進(jìn)入90年代，國外已成功開發(fā)了斷路器設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)輔助工程系統(tǒng)(CAE)［2］，可對(duì)斷路器的各種開斷過程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。研究表明，用數(shù)值方法模擬斷路器開斷過程需解決的關(guān)鍵問題是要正確的表述電弧的物理機(jī)制。因此在SF6斷路器的發(fā)展中,對(duì)氣流中噴口電弧特性的研究有著重大的意義。為了揭示電弧在開斷過程中的復(fù)雜物理現(xiàn)象,分析氣流與電弧間的相互作用,國內(nèi)外學(xué)者提出了眾多的電弧數(shù)學(xué)模型［3～5］。這些模型的控制方程中,所強(qiáng)調(diào)的是電弧與氣流間的相互作用,完全忽略了Lorentz力及電流密度徑向分量的影響。針對(duì)以上問題,本文建立了一種強(qiáng)調(diào)氣流、電弧、電磁場三者相互作用的噴口電弧二維磁流體動(dòng)力學(xué)(MHD)數(shù)學(xué)模型［6］。與以往電弧模型比較具有以下特點(diǎn)：①控制方程同時(shí)包括電弧、氣流、電磁場三者的相互作用,消除了因忽略Lorentz力和電流密度徑向分量引起的物理意義失真；②求解電弧二維電流分布；③考慮物理參數(shù)隨溫度變化，體現(xiàn)不同物質(zhì)間性質(zhì)差異；④采用修正的氣體狀態(tài)方程；⑤為真實(shí)反映機(jī)構(gòu)特性與電弧之間的相互作用，進(jìn)行了滅弧室、壓氣缸和操動(dòng)機(jī)構(gòu)聯(lián)合模擬計(jì)算。本文對(duì)斷路器的全開斷過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，重點(diǎn)分析了電流過零前上游壓力的積聚過程,計(jì)算了零后介質(zhì)恢復(fù)過程，并提供了一套斷路器滅弧室通用計(jì)算分析軟件。2噴口電弧二維MHD數(shù)學(xué)模型圓柱坐標(biāo)系下電弧及其周圍冷氣流、電磁場控制方程表述如下質(zhì)量守恒方程(1)軸向動(dòng)量守恒方程(2)徑向動(dòng)量守恒方程(3)能量守恒方程飯(4考)皇式中藥ρ雹、u俱、v并、e圈和p據(jù)分別舊為氣茶體密甲度、決氣流逆軸向奇速度嘩、徑疼向速萍度、晚內(nèi)能捎和壓糾力；良Fx郵、F藝r為室軸向輕與徑身向L翻or么en頭tz紐力；感μ為代SF綢6分似子粘毯性系炕數(shù)；堵K為緩導(dǎo)熱份率；根C待v為鋤定容悉比熱槳容。差另式(桌4)閱中,毯源項(xiàng)尿Q＝定Se束－u性n＋億ua真。其癥中S面e為顆Jo仆ul偉e熱南項(xiàng),弓un腫為凈怨輻射虹功率缺,u癢a為浮吸收圣功率驗(yàn)。理嗽另外陜,補(bǔ)牧充修庫正氣朝體狀密態(tài)方敢程松p＝惱βρ矩RT述(5窮)墻式中晝?chǔ)麓_為修畢正系默數(shù)。負(fù)糠為了蒼確定淺動(dòng)量身方程嬌式(乳2)鉆、(塵3)腥中的種Lo柿re仙nt腔z力公項(xiàng)以掙及能言量方她程式租(4彈)中聾的J戰(zhàn)ou蜜le喊熱項(xiàng)居,需技聯(lián)立卡相應(yīng)貪的電無磁場邪方程屆。在防熱等慧離子劇體傳矮熱與品流動(dòng)資問題嘴中,盯空間高電荷起密度窄通常計(jì)可忽報(bào)略,踐位移動(dòng)電流勢項(xiàng)與微電流臺(tái)密度銜相比勿,感醒生電蹈場與叫電場兼強(qiáng)度尺相比省都很零小。爬另外敘在工講頻電題流情岔況下階磁場臺(tái)隨時(shí)牢間變恭化也憐可忽銀略。自由此兆得到攔如下名簡化眠形式褲的M轟ax類we澤ll袖方程喉及歐第姆定希律減(6襲)奴(7筑)于(8桶)根(9悶)無j筑＝σ篇E救(1什0)怠式中瓦E距為電扭場強(qiáng)澆度；起B(yǎng)為閱磁感嬌應(yīng)強(qiáng)鉗度；秒ζ0繩為真邀空導(dǎo)及磁率責(zé)；j液為電釣流密濤度；脾σ為借SF船6氣評(píng)體電櫻導(dǎo)率振。也播因?yàn)樽?即三電場學(xué)為無耀旋場澆或有眼勢場罰,引惡入電隊(duì)位φ織,使迅得京(1邊1)究湊由式灶(9摔)得刃電流由連續(xù)浮方程捧(1向2)擾船結(jié)合啊式(月10矛)(某11蘋)可昏得圓奸柱坐孫標(biāo)系殲下電究弧電范位方組程政(1鍬3)變洲忽略納jr斜對(duì)B辮θ的參影響插，則其(1產(chǎn)4)桐威Lo茫re逢nt粗z力箱為勸Fr號(hào)＝－稅jx悠Bθ法(1位5a迎)依Fx濕＝j(luò)直rB偵θ打(1城5b株)劃段這樣剛,上析述式行(1圈)～委(5學(xué))與序式(播13糖)～恢(1雹5)車構(gòu)成恰了完孕整的醉噴口飄電弧膏二維遙MH潤D數(shù)訂學(xué)模販型。劉采用煙Ta豈yl資or悲-G取al測er蹈ki蛾n有隨限元柳法求求解N碧-S出方程漫,同韻時(shí)采季用四政邊形陸8節(jié)忌點(diǎn)等蝕參元是法求乎解電齡磁場裹方程雄。魔3鹿SF嫌6斷柴路器保CA卡D軟歇件基凍SF這6斷扮路器做CA華D軟粗件包維括：咐復(fù)雜根場域宗剖分置通用各程序顧、二妨維軸領(lǐng)對(duì)稱盈電場船數(shù)值寒分析四程序辦、冷筆態(tài)氣瑞流場抱數(shù)值枯計(jì)算妹、操顆作機(jī)原構(gòu)機(jī)暈械特逝性與舒滅弧乳室流姓?qǐng)鎏叵佇缘南肼?lián)合隙模擬閃計(jì)算改(全煉程模腎擬斷激路器廳開斷踐過程掛)、剝切空蹈載長稠線(瞞開斷哈容性挺小電志流)烘的數(shù)狹值計(jì)某算、林零后眉近區(qū)擴(kuò)故障采與端疫子短噸路故餅障的盤數(shù)值殖計(jì)算伍。木嘆此計(jì)碎算軟巴件不墾受計(jì)雁算區(qū)企域及朝邊界侍形狀叔影響洋。在京滅弧全室結(jié)贈(zèng)構(gòu)為啄軸對(duì)默稱的陷前提珍下,責(zé)可以兔計(jì)算癢任何隔實(shí)際豎尺寸補(bǔ)下壓津氣式波SF準(zhǔn)6斷免路器電滅弧滔室內(nèi)常的氣跡流場詳,不膝需對(duì)怕滅弧欣室內(nèi)僵形狀壘作過狐多簡踐化。濕使用踩者只復(fù)需按糖照所淹提供睡的自篇?jiǎng)悠士兎周浽〖鶗炓蟮醯臄?shù)扮據(jù)輸盯入格扶式編圾寫好持?jǐn)?shù)據(jù)面文件普,程借序?qū)⒙┩瓿伤髯詣?dòng)才剖分商，這碎樣就茂讓使應(yīng)用者返能方過便地鹿改變岸滅弧壺室結(jié)循構(gòu)形浮狀,盈避免晃了繁攤雜的汪剖分端工作揚(yáng)。竹肯在軟扭件的島開發(fā)奧過程趁中，少注重踐了良探好界甩面的帆設(shè)計(jì)蓋?？捎X實(shí)時(shí)爬顯示從滅弧味室內(nèi)經(jīng)溫度篩場、葵壓力模場、霧密度不場、奉馬赫戴場及膜速度建場的蔽分布別。為仁動(dòng)態(tài)慈地分孝析滅逗弧室纖內(nèi)流委場的耀發(fā)展藏過程翠，充毒分了眉解各烤變量足間的嗎關(guān)系良提供括了有您力工完具?？?饞數(shù)據(jù)共結(jié)果豐與分搬析史娛本文豎數(shù)值嘴計(jì)算左針對(duì)育圖1夢(mèng)所示斜的5確00他kV轟壓氣都式S拿F6叛斷路退器進(jìn)缺行的斃。目唱的是含分析找該產(chǎn)裁品的耗開斷盯性能唱。噴韻口上捕游的短壓力肅積聚段過程藝對(duì)滅并弧性走能有倍著重隆要的專影響掩，因佳此對(duì)嶄其進(jìn)懼行了老重點(diǎn)破分析聚。計(jì)些算條睛件為承：開丙斷電揀流:呢50誠kA孕，燃頃弧時(shí)過間:缺25褲ms室。各讓圖中國溫度窗1p掠u為番30聞0K沙,壓癥力1畢pu僻為滅煮弧室拳基壓慧。舅4.摩1盒電弧熊電流割過零遣前的戶物理環(huán)過程懇監(jiān)在斷陡路器荷的開忽斷過蘋程中躍氣缸存和動(dòng)向觸頭因處于瞧不斷余運(yùn)動(dòng)匙的狀撇態(tài)，烤動(dòng)靜印觸頭浴相互翅分離于,電烤弧被蒼逐漸無拉長臨,默計(jì)算酒場域唱和邊萍界條揚(yáng)件都串要不貿(mào)斷變畝化。斃在這永一階曠段，女一方大面機(jī)熔構(gòu)運(yùn)或動(dòng)造澤成氣閥缸的辣壓氣礙作用仿產(chǎn)生駝吹弧梁氣流詞；另浮一方莫面，仔電弧醒熱效枯應(yīng)造母成的啞噴口后堵塞結(jié)和熱基氣體蚊回流鑰又引需起氣賭缸壓擺力上競升，三反作擇用于惡電弧廊弧柱艷等離典子體矩與熱粘邊界甘區(qū)。尼所謂啄熱邊冒界區(qū)策是指硬包圍圈弧柱丙等離砍子體埋的非急電離誘熱氣趨體區(qū)員。它窩的分幕布范若圍是陪從弧喚柱邊胞緣陡渠峭的上溫度帶下降刑至接嚼近環(huán)梁境溫涂度的照區(qū)域敘［7擾］輸。熱殺邊界亞區(qū)的蓬變化護(hù)反映診著弧籃柱等黑離子寒體能仿量擴(kuò)陽散的壟規(guī)律科，利佳用電蠟弧能攝量提兔高上浴游壓紅力，生降低趟操作經(jīng)功，類是現(xiàn)傾代斷曉路器宋的設(shè)泊計(jì)技授術(shù)的庫發(fā)展涂方向櫻之一靜。衫囑在數(shù)凳值分幫析熱刻邊界伍區(qū)、慎弧柱介等離撐子體凍、上議游冷臣?xì)饬鞴查g的奔相互診作用藍(lán)過程賠中，言顯示卷了熱峰邊界棍區(qū)擴(kuò)蜘張－創(chuàng)相持策－收唉縮近前似周刃期振場蕩的雨發(fā)展賺規(guī)律叮。增4.良1.拘1蘿熱邊悲界區(qū)勞擴(kuò)張腳階段樸(0輝～0伸.8繁ms及)糾困在該再階段嚇中，倒由于房電弧懼能量鉛的擴(kuò)呼散以哭及主園噴口杏方向訊上靜懼弧觸負(fù)頭的仿堵塞逆，弧橫柱等仿離子止體周蝴圍熱京邊界昌區(qū)內(nèi)伶溫度免上升篇，熱犁邊界缺區(qū)內(nèi)治壓力準(zhǔn)急劇丈升高騙并向女上游切氣缸弊擴(kuò)張蹈，形趁成強(qiáng)憶烈的懂回流沉壓縮佩氣缸鍵內(nèi)氣畏體。妙回流姨氣體較猶如?；钊麆σ话憧畨嚎s劃氣缸替內(nèi)氣遇體。永回流上氣體爪的速毛度可更達(dá)到煤0.婦4～哥0.野6馬耳赫，牲即5滋5～疊80遺m/童s的維壓縮禿速度廣，遠(yuǎn)忌遠(yuǎn)大災(zāi)于操梁作機(jī)角構(gòu)的升壓縮工速度織(6破～9優(yōu)m/是s)費(fèi)，勢詳必引庸起壓塞氣缸眨內(nèi)氣誓體壓燭力的強(qiáng)急劇量上升冰。同露時(shí)由古于回?cái)亓鞅氐趯⒁樒饸鈱W(xué)缸內(nèi)愁冷氣纏體與塑熱邊銀界區(qū)撲熱氣纖流的籮充分都混合斤，提勵(lì)高了唱壓氣婚缸內(nèi)魂氣體慨溫度壩，這求也是糊引起墾氣缸附內(nèi)壓妥力上室升的貨一個(gè)混重要鋪因素貿(mào)。圖韻1、顏圖2問反映根了上壟述熱洪邊界相區(qū)的互變化腥規(guī)律窩。禿圖1別熱當(dāng)邊界含區(qū)擴(kuò)隔張階另段滅攜弧室前內(nèi)溫色度分浙布(格每條突等溫略線相墓差1屯0p神u)現(xiàn)Fi桂g.干1研Th逢e郊di遣st融ri娃bu燥ti條on綢o暖f臂te糟mp咽er蠶at來ur需e貸in沿i脖nt煮er兩ru儀pt碰er兇a壓t修ex厭pa騎ns孕io什n塌st往ag此e廈of胳t移he沖rm惜al險(xiǎn)b爆ou倘nd拆ar趣y享re抖gi森on證圖2頌熱浴邊界乖區(qū)擴(kuò)皺張階捉段滅等弧室沸內(nèi)壓升力分慧布(盡每條惑等溫棄線相蒜差0悟.5騙pu卻)牢Fi類g.劑2辦Th僻e熄di女st謀ri素bu鼻ti細(xì)on械o盲f傳pr此es般su闊re灶i劣n湯in縫te妻r(nóng)r筋up述te糧r云at潔e予xp耍an楚si沸on守s束ta脂ge更o燒f針th姜er耽ma搜l窗bo狀un辨da股ry剛r努eg刊io昨n沉4.露1.商2義熱邊聾界區(qū)匯相持速階段巧(0嘗.8悼～1臭.4噸ms繩)風(fēng)地?zé)徇吰藿鐓^(qū)相的回辨流一走方面賭提高行了壓今氣缸戚內(nèi)的具密度可與壓婆力，啄另一舍方面蒙由于暑氣體綢的回絡(luò)流造六成熱桃邊界犬區(qū)內(nèi)控氣體窩密度肝的降雜低，嘗減小魚熱邊燦界區(qū)捧壓力攔的上羅升趨朽勢。夾由于體熱邊督界區(qū)碑的擴(kuò)給張，雁熱邊嗎界區(qū)碑內(nèi)溫塵度的抹上升接趨于恥平緩悶。當(dāng)鑒密度撿下降雕所引肯起的則壓力東下降鞠大于側(cè)溫度滔的影紗響時(shí)爆，熱批邊界習(xí)區(qū)內(nèi)堤壓力嶺下降談，噴紗口通幟道間膚的回遮流消味失，倘在壓閑氣缸咐迅速壞提高趣壓力慨的冷誤氣體妹作用罰下，松逐漸排形成斗氣流沈的正察吹。渡圖3以、圖殊4顯斤示了崖該階識(shí)段中咬滅弧彈室內(nèi)室溫度克、壓歸力的膽分布頌規(guī)律梳。忽圖3露熱礦邊界增區(qū)相桶持階撫段滅括弧室么內(nèi)溫兼度分山布(康每條紙等溫型線相吳差1戲0p膽u)隔Fi干g.播3慌Th鞏e秧di宅st佳ri促bu衰ti事on蘿o瞞f愛te糟mp鉛er屠at爽ur值e心in公i恩nt輝er最ru抵pt亡er漏a鎖t釋eq衡ui駱li科br筐iu論m私st根ag絲e戀of拿t川he認(rèn)rm狐al眉b拜ou上nd塔ar五y根re策gi怠on刷圖4膜熱辮邊界無區(qū)相盟持階補(bǔ)段滅煩弧室筆內(nèi)壓席力分細(xì)布(襪每條衛(wèi)等溫吐線相帽差0農(nóng).5群pu幟)蝶Fi托g(shù).拍4兔Th閑e焰di獨(dú)st仗ri甲bu肝ti扮on炕o毒f稻pr異es抖su宅re犬i晝n漂in臣te郵rr譜up辯te激r暖at墊e傭qu側(cè)il攜ib舉ri逮um輩s隙ta賤ge遙o幸f借th繭er思ma管l朱bo扣un辰da脂ry慮r勉eg路io僚n餃4.策1.攤3忽熱邊趙界區(qū)翁收縮餡階段患(1嚴(yán).4搶～3撈.5補(bǔ)ms潮)眠鈴由耀于回偽流的漠消失爸與氣防流正鹽吹作踢用的禿加強(qiáng)橋，壓昨氣缸糟內(nèi)密專度較父高、傍溫度慕較低湊的氣季體壓洞縮熱浴邊界度區(qū)。震熱邊織界區(qū)姓收縮赤，氣僵流正幕吹，灘熱邊帝界區(qū)正內(nèi)密壽度增蹄加是捕該階硬段的喂特點(diǎn)總，如爛圖5約、圖介6所把示。易由于互熱邊越界區(qū)懷密度街的增悅加，破其內(nèi)唇壓力秧下降惕趨勢灶得到揉阻止肝并逐恒漸上股升，瀉使得姜?dú)饬鳡I正吹頭減弱妹。牧圖5新熱寶邊界切區(qū)收刮縮階趙段滅暈弧室貌內(nèi)溫囑度分睡布(胡每條飛等溫致線相戰(zhàn)差1建0p芒u)地Fi乏g.術(shù)5欣Th案e油di趣st噴ri脅bu灣ti肆on汽o墾f陜te躍mp食er碗at赴ur趙e臉in只i誤nt夜er玩ru議pt培er饒a喉t辰co掏nd遭en奮sa春ti皂on攏s獲ta家ge苗o珠f剩th健er侮ma蓮l斑bo敢un患da透ry眨r陪eg菜io匙n予圖6漏熱債邊界史區(qū)收砌縮階印段滅弦弧室午內(nèi)壓市力分秘布(況每條變等溫速線相柳差0犧.5井pu奸)齡Fi殿g.摸6子Th廣e假di急st贈(zèng)ri狂bu波ti極on名o榜f聚pr惱es長su鳳re所i昌n殘in瀉te掏rr倡up輕te渡r文at緩c屢on餐de妨ns踏at錄io轉(zhuǎn)n助st貓ag無e討of搖t政he社rm由al香b嗎ou籠nd騰ar鄙y先re砍gi圾on真勢在電忘弧熱棚邊界器區(qū)收抗縮階仔段后厘期，庸熱邊迎界區(qū)逮密度患的增四加造撲成壓啟力的舍上升矛，當(dāng)逮熱邊匙界區(qū)嫌的壓創(chuàng)力超線過冷臣?xì)饬髁愕膲赫芰r(shí)染，熱遙邊界付區(qū)再燃次擴(kuò)乘張，餐形成師氣體狡回流懷，使披得熱授邊界化區(qū)內(nèi)稅密度帖下降恢，進(jìn)婦入下販一個(gè)睛擴(kuò)張等－相栗持－悉收縮叉的周優(yōu)期中竭。這霸種近釀似周謀期振等蕩的武過程吩將持璃續(xù)到川電弧抱電流桌過零槍。每婚一次牢熱邊童界區(qū)錢的擴(kuò)失張、奮相持貫與收討縮，卻皆提嚴(yán)高了徑熱邊內(nèi)界區(qū)獅對(duì)電哀弧等抖離子詳體的畫能量軌吸收訪，加朵強(qiáng)了鄙熱邊燭界區(qū)金與上毯游冷扮氣體勸間的鈔相互趟作用夜，為娃下一摘個(gè)擴(kuò)肅張－絮相持鄙－收憶縮周隸期中惠，向擾壓氣橡缸輸植入更煎多的腿能量銳奠定現(xiàn)了基短礎(chǔ)。列箏上述層熱邊伶界區(qū)瓶的發(fā)砌展規(guī)嗽律反淘映在指壓氣撫缸內(nèi)篩壓力梨曲線秘動(dòng)態(tài)奧特性長上就亞是在苗類似魔周期日振蕩扁的基宇礎(chǔ)上旨迅速拌提高傲的趨咬勢，正見圖黑7。繞圖7冤壓嚼力缸跡壓力跨特性戚曲線肺Fi喝g.觀7伶Va魚ri宵at梢io賄n滑of窮p那re政ss排ur偷e回in哪si含de強(qiáng)t女he雞c朝yl剝in賭de稻r打4.大2企電弧賓電