不同操作功與滅弧室不同基壓對(duì)滅弧室內(nèi)氣體壓力的影響

不同操作功與滅弧室不同基壓對(duì)滅弧室內(nèi)氣體壓力的影響

0不同基壓下滅弧室氣體壓力特性的變化近年來(lái)，基于這種新型弧段法開(kāi)發(fā)的大型自能授權(quán)電氣毀斷器型產(chǎn)品。自能式滅弧室在開(kāi)斷過(guò)程中通過(guò)電弧的加熱,使滅弧室內(nèi)的氣體壓力增加,產(chǎn)生足夠的壓力吹弧。電弧加熱氣體的方式可以減小滅弧室的體積并且降低了操動(dòng)機(jī)構(gòu)的操作功,使開(kāi)斷過(guò)程更加穩(wěn)定可靠。對(duì)于滅弧室來(lái)說(shuō),氣吹的壓力是一個(gè)很重要的參數(shù),直接影響了滅弧室的開(kāi)斷能力,因此,為了獲得更好的開(kāi)斷效果,對(duì)于滅弧室內(nèi)氣體壓力的研究是很重要的。計(jì)算機(jī)的發(fā)展與各種計(jì)算軟件的開(kāi)發(fā)應(yīng)用,使得滅弧室壓力特性的理論計(jì)算有了很大的發(fā)展。由于基壓的變化可以導(dǎo)致滅弧室狀態(tài)參數(shù)的變化,所以斷路器滅弧能力受基壓的影響,一般情況下滅弧性能會(huì)隨壓力的升高而增大,并呈現(xiàn)出飽和的趨勢(shì)。本文建立了不同操作功和不同基壓下滅弧室內(nèi)氣體壓力特性數(shù)學(xué)模型,采用Fortran語(yǔ)言編寫(xiě)程序,計(jì)算了負(fù)載情況下滅弧室開(kāi)斷過(guò)程中的氣體壓力特性曲線。并比較分析了不同操作功與不同基壓對(duì)滅弧室內(nèi)氣體的最高壓力與電流零點(diǎn)壓力的影響。1初始條件及參數(shù)本文以一臺(tái)252kV自能式SF6斷路器為例進(jìn)行分析研究,圖1為斷路器滅弧室結(jié)構(gòu)示意圖。斷路器主要參數(shù)為:斷路器幾何行程183mm;開(kāi)距136mm;幾何超程47mm;電接觸超程39mm;靜觸頭直徑9mm;動(dòng)觸頭直徑12mm;缸體直徑120mm;噴口直徑18mm。初始狀態(tài)參數(shù)的設(shè)定條件是:滅弧室充氣壓力分別為0.4、0.5、0.6MPa;初始溫度為293K;時(shí)間取0點(diǎn)。2氣體流量計(jì)算將滅弧室分成3個(gè)部分,如圖1所示,各部分氣體按理想氣體考慮。采用熱力學(xué)第一定律描述各部分氣體參數(shù)式中:?E為系統(tǒng)內(nèi)能變化;W′為對(duì)系統(tǒng)作的功;Q為向系統(tǒng)傳遞的熱量。對(duì)于滅弧室1部分,計(jì)算方程可寫(xiě)為對(duì)于滅弧室第2部分,計(jì)算方程可寫(xiě)為式中:G1i為滅弧室上游區(qū)1部分流向下游的2、3部分的氣體質(zhì)量流量;Gi0為滅弧室2、3部分流向外界的氣體質(zhì)量流量。3不同控制電流的電弧衰減變化根據(jù)歐姆定律可得到電弧的能量方程式中:σ(T)為電導(dǎo)率,為溫度T的函數(shù),溫度在4000K以下時(shí)電導(dǎo)率為10-1S/m;i(t)為開(kāi)斷的電流值,A;SARC為電弧的截面積,mm2;LARC為電弧的長(zhǎng)度,m。通過(guò)弧隙放電為阻尼形式的,將電流取為衰減變化的形式,如式(5)所示式中:為衰減時(shí)間常數(shù)。由文獻(xiàn)可知簡(jiǎn)化的開(kāi)斷電流密度(kA/cm2)式中:α為滅弧室下游區(qū)與上游區(qū)的壓力比;β為調(diào)節(jié)系數(shù),且β=10。電弧的截面積式中:SN為噴口喉道截面積,當(dāng)SARC<SN,即電弧的截面積小于噴口的截面積時(shí),噴口未發(fā)生堵塞;當(dāng)SARC>SN,即電弧的截面積大于噴口的截面積時(shí),噴口發(fā)生了堵塞。當(dāng)觸頭運(yùn)動(dòng)在47~61mm之間時(shí),電弧長(zhǎng)度LARC=x-47;當(dāng)觸頭運(yùn)行大于61mm時(shí),LARC=14mm,電弧能量的利用率為0.45;當(dāng)觸頭運(yùn)行大于74.2mm時(shí),存在13.2mm長(zhǎng)度的電弧能量作用噴口喉道部分,電弧能量利用率為0.4。4氣體密度法。在封閉式小考慮電弧對(duì)氣流速度與流量的影響,根據(jù)能量第一定律,同時(shí)考慮弧柱阻塞,又引入弧能熱阻效應(yīng)公式,經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)可寫(xiě)出氣體質(zhì)量流量G式中:ρ0為滅弧室內(nèi)上游氣體密度;P0為滅弧室內(nèi)上游氣體壓力;Pe為滅弧室下游氣體壓力;5工作基本過(guò)程壓力液壓彈簧機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖2所示。電動(dòng)液壓泵3將油加壓使得儲(chǔ)能彈簧2儲(chǔ)能,彈簧的壓縮量反映了所加油壓的大小。合閘時(shí),合閘電磁閥4動(dòng)作,轉(zhuǎn)換閥切換,堵塞工作活塞頂端與低壓儲(chǔ)油箱的通路,同時(shí)接通工作活塞頂端側(cè)與高壓儲(chǔ)油箱的通路。因?yàn)楣ぷ骰钊敹说拿娣e大于工作活塞側(cè)的面積,活塞頂端的壓力大于活塞桿側(cè)的壓力,此壓力差推動(dòng)工作活塞運(yùn)動(dòng)到合閘位置。分閘電磁閥4動(dòng)作,轉(zhuǎn)換閥切換到初始位置,即堵塞住高壓油路,接通低壓油路,此刻工作活塞桿側(cè)的高壓與工作活塞頂端的低壓形成壓差,工作活塞即運(yùn)動(dòng)到分閘位置。6壓力特性仿真分析本文選取了在不同滅弧室基壓下試驗(yàn)測(cè)得的2組觸頭速度特性曲線。如圖3所示,曲線1、2及3分別是操動(dòng)機(jī)構(gòu)油壓為44.9MPa且滅弧室基壓為0.6、0.5、0.4MPa時(shí)測(cè)得的觸頭速度特性曲線;曲線4、5及6分別是操動(dòng)機(jī)構(gòu)油壓為38.6MPa且滅弧室基壓分別為0.6、0.5、0.4MPa時(shí)測(cè)得的觸頭速度特性曲線。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的動(dòng)觸頭速度行程曲線可以得到斷路器動(dòng)觸頭的平均開(kāi)斷速度,即式(2)中活塞的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度v。計(jì)算程序在FortranPowerStation4.0上運(yùn)行后得到壓力的離散值,并在Matlab繪圖程序上仿真得出壓力特性曲線。其中橫軸為時(shí)間軸,縱軸表示壓力值。如圖4和圖5所示,操動(dòng)油壓分別為38.6、44.9MPa時(shí),曲線1、2、3分別為滅弧室基壓在0.4、0.5、0.6MPa時(shí)計(jì)算得到的壓力特性曲線。由圖可知,經(jīng)過(guò)19ms動(dòng)靜弧觸頭分離,由于電弧能量的作用,使熱膨脹室內(nèi)壓力快速上升,并分別達(dá)到了1.62、1.94、2.2MPa。但隨著電弧直徑的減小,熱膨脹室內(nèi)的氣體會(huì)流向下游區(qū)導(dǎo)致氣體的壓力減小,當(dāng)再次發(fā)生噴口阻塞時(shí)熱膨脹室內(nèi)的壓力繼續(xù)升高,分別達(dá)到2.07、2.35、2.67MPa,在噴口處形成了壓力差,在噴口完全打開(kāi)時(shí),高壓氣體吹向下游區(qū)熄滅電弧,膨脹室內(nèi)壓力迅速下降。從圖4與圖5中可以看出,當(dāng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)油壓相同時(shí),滅弧室基壓越大,開(kāi)斷過(guò)程中膨脹室的氣體壓力上升值越大,表明滅弧室的基壓大,有利于滅弧室內(nèi)壓力的建立。滅弧室的基壓對(duì)于觸頭的運(yùn)動(dòng)速度有影響,滅弧室內(nèi)的基壓越小,觸頭的開(kāi)斷速度越大,電流過(guò)零點(diǎn)時(shí)的滅弧室壓力大小與其有關(guān)。因此會(huì)存在一個(gè)最佳的基壓值可以提高滅弧室的開(kāi)斷性能。圖6、7、8分別為在相同基壓、不同操動(dòng)機(jī)構(gòu)油壓下滅弧室內(nèi)壓力特性的曲線比較。曲線1為操動(dòng)機(jī)構(gòu)油壓在38.6MPa時(shí)滅弧室內(nèi)氣體壓力特性曲線;曲線2為操動(dòng)機(jī)構(gòu)油壓在44.9MPa時(shí)滅弧室內(nèi)氣體壓力特性曲線。比較曲線1與曲線2,在相同基壓下,較大的操作力能夠提高觸頭的運(yùn)動(dòng)速度、相同燃弧時(shí)間下使觸頭間距離增加。從圖中可以看出,最高壓力受操作功影響較大。但是當(dāng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)油壓大即操作功大時(shí),電流過(guò)零點(diǎn)時(shí)的滅弧室壓力卻不一定最大,即,雖然操作功可以提高最高壓氣壓力,但并不是增加電流零點(diǎn)的壓力。通過(guò)討論可以判斷出操作功存在一個(gè)最佳值,即:操作功適中時(shí)可以在電流過(guò)零時(shí),滅弧室具有較大的氣體壓力。7氣體壓力特性本文建立了負(fù)載情況下252kV自能式SF6斷路器開(kāi)斷過(guò)程中的滅弧室壓力特性的數(shù)學(xué)模型,并通過(guò)理論計(jì)算得到