低壓斷路器電弧仿真的研究現(xiàn)狀

低壓斷路器電弧仿真的研究現(xiàn)狀

0低壓重要開關(guān)電弧仿真問(wèn)題壓力電阻器中的電弧操作一般可分為幾個(gè)階段：弧、壓、運(yùn)動(dòng)和電塊切割。近年來(lái),隨著數(shù)值仿真技術(shù)和高性能計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展,科研工作者通過(guò)仿真的手段對(duì)低壓斷路器中的電弧現(xiàn)象展開了大量研究,建立并逐步完善了電弧仿真模型,獲得了開關(guān)電弧的大量微觀參數(shù),從而為優(yōu)化低壓斷路器的開斷性能提供了理論支撐。磁流體動(dòng)力學(xué)模型是近年來(lái)應(yīng)用最為廣泛的電弧仿真模型,本文將首先給出該模型的基本方程,并在此基礎(chǔ)上對(duì)現(xiàn)有的低壓斷路器電弧仿真工作進(jìn)行回顧和總結(jié),通過(guò)對(duì)相關(guān)研究成果的分析,對(duì)低壓斷路器中電弧的轉(zhuǎn)移、柵片切割、輻射、湍流等幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行分析討論,并給出小型斷路器、塑殼斷路器產(chǎn)品中電弧仿真的進(jìn)展。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的電弧仿真模型進(jìn)行總結(jié),指出現(xiàn)有模型存在的問(wèn)題和不足,并給出電弧仿真今后的發(fā)展方向。1tdd模型的原理本質(zhì)上,電弧等離子體是一種部分或完全電離的氣體,因?yàn)殡娮拥臄?shù)量密度非常大(可達(dá)1023/m-3數(shù)量級(jí)),粒子之間的彈性碰撞十分頻繁,能量的轉(zhuǎn)移十分迅速。在電弧等離子體的核心區(qū)域,通常認(rèn)為重粒子的平均能量與電子的能量是相等的,各種粒子之間是一種熱力學(xué)平衡(ThemodynamicEquolibrium,LTE)的狀態(tài)。根據(jù)這一假設(shè)﹐電弧等離子體內(nèi)任一局部小區(qū)域﹐都可以引入一個(gè)局部溫度來(lái)表征它的熱狀態(tài)?；贚TE假設(shè)的磁流體動(dòng)力學(xué)模型是近年來(lái)應(yīng)用最為廣泛的電弧仿真模型,該模型不需考慮單個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng),而是將等離子體作為可導(dǎo)電的連續(xù)流體介質(zhì)處理,只關(guān)心流體元的平均效果。因此,該模型的基本控制方程為描述流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程以及描述電磁場(chǎng)的麥克斯韋方程。(1)速度矢量的測(cè)量式中:t———時(shí)間;ρ———流體密度;U———流體運(yùn)動(dòng)的速度矢量。式中:p———流體微元上的壓力;B———磁感應(yīng)強(qiáng)度。式中:μ———磁導(dǎo)率。(3)流體粘滯耗散率和電弧電導(dǎo)率式中:h———焓;λ———熱導(dǎo)率;———流體粘滯耗散項(xiàng);σ———電弧等離子體的電導(dǎo)率;qrad———電弧等離子體通過(guò)輻射向外散發(fā)的能量。(4)氣體介質(zhì)界面問(wèn)題式中:A———磁矢位;Φ———電位。一般,電磁場(chǎng)的計(jì)算有兩種方法:比奧薩法爾定理和磁矢位法。前者的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算時(shí)不需要考慮磁場(chǎng)的邊界問(wèn)題,但是其計(jì)算循環(huán)次數(shù)和網(wǎng)格單元數(shù)目的平方相關(guān),對(duì)于復(fù)雜的三維電弧模型,所需的計(jì)算時(shí)間很大,同時(shí)該方法僅適合于計(jì)算區(qū)域磁導(dǎo)率均勻的磁場(chǎng)求解,不能用于有鐵磁物質(zhì)存在的磁場(chǎng)計(jì)算。對(duì)于低壓斷路器中的電弧,一般需要考慮鐵磁柵片的影響,同時(shí)由于斷路器滅弧系統(tǒng)的復(fù)雜性,需要采用三維模型進(jìn)行仿真,只能采用磁矢位法對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行求解計(jì)算。為了求解上述互相耦合的偏微分方程,首先要獲得電弧等離子體的焓、定壓比熱等熱力學(xué)參數(shù)和電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率、粘滯系數(shù)等輸運(yùn)參數(shù)。由于氣體介質(zhì)的電離度與溫度和壓強(qiáng)有關(guān),這些參數(shù)一般是溫度和壓強(qiáng)的非線性函數(shù)。為了獲得這些參數(shù),首先要計(jì)算氣體的粒子組分,通常有兩種方法:對(duì)于只有氣體介質(zhì)的情況,可以通過(guò)求解Saha和Guldberg-Waage方程求得;而對(duì)于多相混合介質(zhì),則可以通過(guò)求解最小吉布斯自由能方程獲得。在計(jì)算氣體組分時(shí),可以同時(shí)獲得氣體介質(zhì)的熱力學(xué)參數(shù)。氣體的輸運(yùn)系數(shù)可以通過(guò)Chapman-Enskog方法求解描述電子能量平衡的Boltzmann微積分方程獲得。目前,科研工作者已經(jīng)針對(duì)氣體物性參數(shù)的計(jì)算展開了大量研究,獲得了豐富的結(jié)果。如文獻(xiàn)研究了金屬蒸汽對(duì)空氣物性參數(shù)的影響,文獻(xiàn)和分別計(jì)算了空氣的物性參數(shù),而文獻(xiàn)給出了不同聚合物比例情況下混合氣體的物性參數(shù)。這些結(jié)果為開關(guān)電弧的數(shù)值仿真打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2低壓斷裂帶中的弧殼模擬研究2.1動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)過(guò)程的仿真研究當(dāng)斷路器被觸發(fā)動(dòng)作時(shí),動(dòng)觸頭打開從而在觸頭之間形成初始電弧。隨著觸頭開距的增大,電弧會(huì)從動(dòng)觸頭跳轉(zhuǎn)到跑弧道上,這一過(guò)程被稱為電弧轉(zhuǎn)移過(guò)程。轉(zhuǎn)移過(guò)程會(huì)影響電弧后續(xù)的運(yùn)動(dòng)特性,關(guān)系到電弧能否順利進(jìn)入滅弧室,從而會(huì)影響斷路器的開斷性能。由于電弧的轉(zhuǎn)移過(guò)程相對(duì)比較復(fù)雜,目前的大部分研究主要采用了試驗(yàn)測(cè)試的手段。如文獻(xiàn)[11-13]測(cè)試研究了觸頭材料、動(dòng)觸頭打開速度、出氣口大小、電流大小和極性對(duì)電弧轉(zhuǎn)移過(guò)程的影響。為了獲得電弧轉(zhuǎn)移和運(yùn)動(dòng)的微觀過(guò)程,文獻(xiàn)采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)如圖1所示帶轉(zhuǎn)動(dòng)觸頭的簡(jiǎn)化低壓斷路器滅弧室中的電弧建立了三維仿真模型,計(jì)算并獲得了如圖2所示的電弧轉(zhuǎn)移和運(yùn)動(dòng)過(guò)程。根據(jù)仿真結(jié)果,在初始階段,電弧弧柱隨著觸頭的打開而不斷拉長(zhǎng),同時(shí)由于氣流場(chǎng)的作用,大量高溫氣體擴(kuò)散到動(dòng)觸頭和上跑弧道之間的區(qū)域。在2.024ms時(shí),上跑弧道上出現(xiàn)了一塊明顯的高溫區(qū)域,表明形成了新的弧根,電弧從動(dòng)觸頭跳變到跑弧道上。作者認(rèn)為,電弧的轉(zhuǎn)移過(guò)程是由滅弧室內(nèi)氣流場(chǎng)的流動(dòng)導(dǎo)致的。弧根位移曲線與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的對(duì)比圖如圖3所示,可以看到雖然仿真得到的電弧運(yùn)動(dòng)過(guò)程比實(shí)際情況稍快,但在電弧完成轉(zhuǎn)移之前的階段,仿真和試驗(yàn)結(jié)果十分吻合。同時(shí),通過(guò)仿真研究了觸頭速度對(duì)轉(zhuǎn)移過(guò)程的影響,發(fā)現(xiàn)增大觸頭運(yùn)動(dòng)速度可以縮短電弧的轉(zhuǎn)移時(shí)間。這些結(jié)果和文獻(xiàn)[11-13]中對(duì)電弧轉(zhuǎn)移過(guò)程的試驗(yàn)研究結(jié)果是一致的。2.2模擬切割過(guò)程電弧運(yùn)動(dòng)進(jìn)入滅弧室之后,會(huì)被鐵磁材料的滅弧柵片切割成多段短弧,產(chǎn)生較高的近極壓降并提高電弧電壓。電弧電壓越高越能夠加速回路電流的下降,縮短燃弧時(shí)間,從而有利于斷路器的可靠快速分?jǐn)?。文獻(xiàn)通過(guò)試驗(yàn)的方法對(duì)柵片切割電弧的過(guò)程進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)量,發(fā)現(xiàn)電弧在被切割之前會(huì)被柵片擠壓,并發(fā)生彎曲,同時(shí)柵片上新弧根形成的位置并不在柵片的邊緣,而是在靠近柵片中部的位置。同時(shí),該文獻(xiàn)提出了簡(jiǎn)單的電弧與金屬間鞘層的描述方法,對(duì)單柵片的電弧切割過(guò)程進(jìn)行了仿真研究,獲得了和試驗(yàn)現(xiàn)象相吻合的結(jié)果。文獻(xiàn)也對(duì)低壓斷路器的柵片切割過(guò)程進(jìn)行了仿真研究。該文獻(xiàn)采用等效電導(dǎo)率的概念對(duì)陰極鞘層的導(dǎo)電特性進(jìn)行宏觀描述,認(rèn)為陰極鞘層的電導(dǎo)率是電流密度的函數(shù),同時(shí)假定陽(yáng)極鞘層的電導(dǎo)率與其相鄰的弧柱區(qū)域相同。作者仿真得到的電弧形態(tài)特征和新弧根的形成過(guò)程和文獻(xiàn)的試驗(yàn)結(jié)果十分類似。當(dāng)電弧電流較大或電弧在一個(gè)位置持續(xù)燃燒時(shí),不可避免的會(huì)對(duì)柵片材料造成燒蝕。燒蝕產(chǎn)生的金屬蒸汽反過(guò)來(lái)又會(huì)影響電弧的行為特性。文獻(xiàn)采用如圖4所示的單柵片簡(jiǎn)化滅弧室,針對(duì)金屬蒸汽對(duì)電弧柵片切割過(guò)程的影響進(jìn)行了研究,仿真獲得的滅弧室對(duì)稱面上的溫度分布序列如圖5所示。該文獻(xiàn)指出,金屬蒸汽的存在會(huì)導(dǎo)致柵片陰極側(cè)(上部)的弧根較早形成,并使柵片陰極側(cè)的電弧運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)較快。仿真獲得的電弧電壓曲線和試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的對(duì)比如圖6所示,通過(guò)高速攝影儀拍攝得到的柵片切割影像如圖7所示。可以看到,仿真工作較準(zhǔn)確的描述了真實(shí)的柵片切割過(guò)程,獲得的電弧電壓幅值和變化趨勢(shì)均與試驗(yàn)十分接近。柵片切割電弧不僅會(huì)提高電弧電壓,促進(jìn)電弧電流的快速下降,還會(huì)加強(qiáng)電弧的冷卻作用,使電弧快速可靠的熄滅。因此在低壓斷路器的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能使電弧弧柱被刪片充分切割,獲得最優(yōu)的開斷性能。2.3空氣電弧充放電溫度分布的計(jì)算方法雙向比較輻射是電弧等離子體內(nèi)部一種有效的能量交換方式,特別是在溫度最高的區(qū)域,輻射常常是最重要的能量耗散方式。理論上,輻射通量密度可以通過(guò)對(duì)輻射轉(zhuǎn)移方程關(guān)于不同波段的頻率以及立體角的積分求得。但是由于等離子體的吸收光譜包含大量的譜線,并且每一條譜線都對(duì)應(yīng)著不同的吸收率,積分計(jì)算必須涉及到任一條積分路徑上的所有單元,同時(shí)還要關(guān)于立體角進(jìn)行積分,即使應(yīng)用現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)技術(shù),其計(jì)算量也是十分巨大的。目前,只有幾種近似的方法可以用來(lái)解決輻射計(jì)算的問(wèn)題,如凈輻射系數(shù)法、簡(jiǎn)化T4法、局部特征法以及近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的P1模型等。凈輻射系數(shù)法和簡(jiǎn)化T4法計(jì)算簡(jiǎn)單,不需要求解另外的方程式,可以大大降低求解計(jì)算的難度,縮短計(jì)算時(shí)間,因而近年來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用。但是這兩種方法沒(méi)有考慮輻射能量在低溫區(qū)域的重吸收問(wèn)題,不能對(duì)電弧的低溫區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬。局部特征法和P1模型對(duì)電弧低溫區(qū)域的重吸收問(wèn)題進(jìn)行了考慮,因而具有更高的精度。其中,局部特征法的計(jì)算量較大,應(yīng)用在三維電弧仿真中時(shí)需要很高的時(shí)間成本,P1模型直接對(duì)滅弧室空氣電弧中各個(gè)位置的入射輻射強(qiáng)度進(jìn)行求解,可以獲得整個(gè)滅弧室內(nèi)各點(diǎn)處的輻射能量密度,同時(shí)具有計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn),因而適合在低壓電弧仿真中使用。文獻(xiàn)采用簡(jiǎn)化滅弧室結(jié)構(gòu),對(duì)NEC和P1輻射模型進(jìn)行了對(duì)比研究,兩種輻射模型下滅弧室內(nèi)的溫度分布對(duì)比如圖8所示。由于P1模型考慮了電弧低溫區(qū)域的輻射能量的重吸收,仿真得到的電弧弧柱區(qū)域范圍相對(duì)更大。同時(shí),采用P1模型計(jì)算得到的電弧電壓比NEC模型要低,但與試驗(yàn)更加接近。另外,計(jì)算了器壁上的入射輻射通量,如圖9所示,為器壁燒蝕的計(jì)算打下了基礎(chǔ)。2.4不同流場(chǎng)的直流電場(chǎng)仿真湍流是電弧等離子體中一種重要的能量耗散方式。目前針對(duì)開關(guān)電弧中湍流效應(yīng)的研究主要集中在高壓SF6斷路器中。在低壓斷路器電弧的仿真中,由于電流和電弧運(yùn)動(dòng)空間一般較小,一般認(rèn)為氣體的流動(dòng)處于層流狀態(tài),并不考慮湍流效應(yīng)的影響。根據(jù)文獻(xiàn)[24-25],采用層流假設(shè)仿真獲得小型斷路器和塑殼斷路器中的電弧運(yùn)動(dòng)過(guò)程具有一定的合理性。但當(dāng)電弧電流和電弧運(yùn)動(dòng)空間進(jìn)一步增大時(shí),特別是在大尺寸、大容量的萬(wàn)能式斷路器和直流斷路器中,氣流場(chǎng)的雷諾數(shù)相對(duì)較大,湍流效應(yīng)將對(duì)電弧的行為特性產(chǎn)生明顯的影響。簡(jiǎn)化滅弧室中幾千安電弧電流的條件下分別采用層流和湍流模型計(jì)算得到的電弧形態(tài)以及采用高速攝影儀拍攝測(cè)量的結(jié)果如圖10所示,通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),對(duì)于這種高雷諾數(shù)的開關(guān)電弧,層流模型獲得的結(jié)果與試驗(yàn)有著不小的差別,而考慮湍流效應(yīng)之后獲得的結(jié)果與試驗(yàn)更加接近。兩種模型仿真得到的電弧電壓曲線和試驗(yàn)的對(duì)比如圖11所示,相比于層流模型,湍流模型下得到的電弧電壓不僅與測(cè)量結(jié)果具有類似的變化趨勢(shì),幅值也相對(duì)十分接近。3低能耗產(chǎn)品中的圓弧模擬基于前述研究成果,西安交通大學(xué)對(duì)低壓斷路器產(chǎn)品中的電弧現(xiàn)象進(jìn)行了仿真模擬,獲得了小型斷路器、塑殼斷路器中電弧的基本行為特性。3.1模擬結(jié)果驗(yàn)證文獻(xiàn)采用磁流體動(dòng)力學(xué)電弧模型對(duì)小型斷路器中的電弧過(guò)程進(jìn)行了仿真計(jì)算。計(jì)算中采用的模型如圖12所示,除了個(gè)別細(xì)節(jié)特征外,整個(gè)模型的結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸與實(shí)際的小型斷路器都保持一致。表征滅弧室內(nèi)電弧行為特性的溫度場(chǎng)分布序列如圖13所示。電弧的發(fā)展變化過(guò)程主要包括電弧轉(zhuǎn)移、向柵片運(yùn)動(dòng)、背后轉(zhuǎn)移、柵片切割等若干階段。0.160~0.600ms為電弧的轉(zhuǎn)移過(guò)程,動(dòng)觸頭上的電弧弧根在氣流場(chǎng)的作用下逐漸轉(zhuǎn)移到下跑弧道上。之后電弧在電磁力和氣吹力的作用下向柵片運(yùn)動(dòng),并在1.500ms左右第一次進(jìn)入柵片切割。而在1.570ms電弧弧柱后方的下跑弧道上出現(xiàn)了一個(gè)新的弧根,電弧重新轉(zhuǎn)移到上下跑弧道之間的區(qū)域燃燒,即發(fā)生了一次背后轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。隨后,電弧重新向柵片運(yùn)動(dòng),并在1.870ms時(shí)再次進(jìn)入柵片被切割。根據(jù)仿真結(jié)果,電弧弧根在上跑弧道U形拐角處的運(yùn)動(dòng)速度十分緩慢,同時(shí)當(dāng)電弧進(jìn)入柵片后,大部分弧柱在柵片靠近出氣口的末端持續(xù)燃燒。多次試驗(yàn)后上跑弧道和柵片的照片如圖14所示,可以看到在跑弧道的U形拐角處和柵片后部均產(chǎn)生了相當(dāng)嚴(yán)重的燒蝕,這驗(yàn)證了仿真結(jié)果的有效性。仿真獲得的電弧電壓曲線和試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的對(duì)比如圖15所示,可以發(fā)現(xiàn)仿真和試驗(yàn)結(jié)果具有相似的變化趨勢(shì)和特征,從而進(jìn)一步證明了仿真結(jié)果的有效性。這些仿真結(jié)果指出了現(xiàn)有小型斷路器產(chǎn)品中存在的一些問(wèn)題,并從微觀上對(duì)這些問(wèn)題的成因作出了解釋,為改進(jìn)低壓斷路器的產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。3.2出氣口側(cè)電弧文獻(xiàn)對(duì)如圖16所示的雙斷口塑殼斷路器中的電弧行為特性進(jìn)行了仿真計(jì)算。為了縮短計(jì)算時(shí)間,僅對(duì)其中一個(gè)斷口的電弧進(jìn)行了模擬。計(jì)算得到的滅弧室對(duì)稱面上的溫度場(chǎng)分布序列如圖17所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,觸頭之間的初始電弧在電弧能量的作用下不斷膨脹,并向柵片方向不斷彎曲擴(kuò)展。隨著靜觸頭側(cè)的弧根在0.100ms左右運(yùn)動(dòng)到靜跑弧道上,電弧弧柱逐漸進(jìn)入柵片并被切割成多段短弧。在動(dòng)觸頭側(cè),由于沒(méi)有跑弧道,電弧弧根會(huì)一直在動(dòng)觸頭上燃燒。但由于引弧片的引導(dǎo)作用,電弧弧柱在0.150ms時(shí)可以較充分的被刪片切割。值得注意的是,由于出氣口附近柵片后方的空間較大,0.700ms時(shí)相當(dāng)一部分電弧弧柱越過(guò)了柵片而在出氣口區(qū)域燃燒,大大降低了柵片的利用效率,無(wú)法獲得較高的電弧電壓,不利于電弧的快速熄滅。將仿真得到的電弧電壓曲線和試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,兩者具有相似的變化趨勢(shì)和特征,從而證明仿真結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性。所獲得的結(jié)果可以為塑殼斷路器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。4對(duì)現(xiàn)有電弧仿真模型的反思本文對(duì)目前廣泛使用的磁流體動(dòng)力學(xué)電弧仿真模型進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹,并對(duì)現(xiàn)有的低壓斷路器電弧仿真工作進(jìn)行了總結(jié)?？梢园l(fā)現(xiàn),現(xiàn)有的工作已經(jīng)覆蓋到低壓斷路器電弧現(xiàn)象的各個(gè)方面,并可以對(duì)真實(shí)產(chǎn)品中的電弧特性進(jìn)行定性模擬,從而為優(yōu)化低壓斷路器產(chǎn)品的開斷性能提供了一種成本低、效率高的研究手段。但是必須指出的是,現(xiàn)有的電弧仿真模型并不是十分完善,有一些關(guān)鍵問(wèn)題還沒(méi)有得到徹底解決。(1)電弧在外圍低溫區(qū)域、電極附近、以及熄滅階段并不滿足局部熱平衡假設(shè),必須考慮電弧等離子體的非平衡態(tài)效應(yīng)才能獲得與實(shí)際更加吻合的結(jié)果。(2)現(xiàn)有的鞘層模型和金屬燒蝕模型并不完善,無(wú)法對(duì)鞘層區(qū)域微觀粒子的行為特性作出準(zhǔn)確模擬,同時(shí)無(wú)法描述電弧燒蝕