SF6断路器喷口电弧熄灭过程数字模拟(doc 13)VIP专享VIP免费

SF6断路器喷口电弧熄灭过程的数字模拟1引言随着计算机性能的提高和计算技术的进步,数值仿真在各个领域得到广泛的应用。喷口电弧的数值模型是仿真技术在断路器研究领域应用的实例，这也标志着断路器的设计已由经验设计走向科学设计［1］。进入90年代，国外已成功开发了断路器设计的计算机辅助工程系统(CAE)［2］，可对断路器的各种开断过程进行数值计算。研究表明，用数值方法模拟断路器开断过程需解决的关键问题是要正确的表述电弧的物理机制。因此在SF6断路器的发展中,对气流中喷口电弧特性的研究有着重大的意义。为了揭示电弧在开断过程中的复杂物理现象,分析气流与电弧间的相互作用,国内外学者提出了众多的电弧数学模型［3～5］。这些模型的控制方程中,所强调的是电弧与气流间的相互作用,完全忽略了Lorentz力及电流密度径向分量的影响。针对以上问题,本文建立了一种强调气流、电弧、电磁场三者相互作用的喷口电弧二维磁流体动力学(MHD)数学模型［6］。与以往电弧模型比较具有以下特点：①控制方程同时包括电弧、气流、电磁场三者的相互作用,消除了因忽略Lorentz力和电流密度径向分量引起的物理意义失真；②求解电弧二维电流分布；③考虑物理参数随温度变化，体现不同物质间性质差异；④采用修正的气体状态方程；⑤为真实反映机构特性与电弧之间的相互作用，进行了灭弧室、压气缸和操动机构联合模拟计算。本文对断路器的全开断过程进行了数值模拟，重点分析了电流过零前上游压力的积聚过程,计算了零后介质恢复过程，并提供了一套断路器灭弧室通用计算分析软件。2喷口电弧二维MHD数学模型圆柱坐标系下电弧及其周围冷气流、电磁场控制方程表述如下质量守恒方程(1)轴向动量守恒方程(2)径向动量守恒方程(3)能量守恒方程(4)式中ρ、u、v、e和p分别为气体密度、气流轴向速度、径向速度、内能和压力；Fx、Fr为轴向与径向Lorentz力；μ为SF6分子粘性系数；K为导热率；Cv为定容比热容。式(4)中,源项Q＝Se－un＋ua。其中Se为Joule热项,un为净辐射功率,ua为吸收功率。另外,补充修正气体状态方程p＝βρRT(5)式中β为修正系数。为了确定动量方程式(2)、(3)中的Lorentz力项以及能量方程式(4)中的Joule热项,需联立相应的电磁场方程。在热等离子体传热与流动问题中,空间电荷密度通常可忽略,位移电流项与电流密度相比,感生电场与电场强度相比都很小。另外在工频电流情况下磁场随时间变化也可忽略。由此得到如下简化形式的Maxwell方程及欧姆定律(6)(7)(8)(9)j＝σE(10)式中E为电场强度；B为磁感应强度；ζ0为真空导磁率；j为电流密度；σ为SF6气体电导率。因为,即电场为无旋场或有势场,引入电位φ,使得(11)由式(9)得电流连续方程(12)结合式(10)(11)可得圆柱坐标系下电弧电位方程(13)忽略jr对Bθ的影响，则(14)Lorentz力为Fr＝－jxBθ(15a)Fx＝jrBθ(15b)这样,上述式(1)～(5)与式(13)～(15)构成了完整的喷口电弧二维MHD数学模型。采用Taylor-Galerkin有限元法求解N-S方程,同时采用四边形8节点等参元法求解电磁场方程。3SF6断路器CAD软件SF6断路器CAD软件包括：复杂场域剖分通用程序、二维轴对称电场数值分析程序、冷态气流场数值计算、操作机构机械特性与灭弧室流场特性的联合模拟计算(全程模拟断路器开断过程)、切空载长线(开断容性小电流)的数值计算、零后近区故障与端子短路故障的数值计算。此计算软件不受计算区域及边界形状影响。在灭弧室结构为轴对称的前提下,可以计算任何实际尺寸下压气式SF6断路器灭弧室内的气流场,不需对灭弧室内形状作过多简化。使用者只需按照所提供的自动剖分软件所要求的数据输入格式编写好数据文件,程序将完成自动剖分，这样就让使用者能方便地改变灭弧室结构形状,避免了繁杂的剖分工作。在软件的开发过程中，注重了良好界面的设计。可实时显示灭弧室内温度场、压力场、密度场、马赫场及速度场的分布。为动态地分析灭弧室内流场的发展过程，充分了解各变量间的关系提供了有力工具。4数据结果与分析本文数值计算针对图1所示的500kV压气式SF6断路器进行的。目的是分析该产品的开断性能。喷口上游的压力积聚过程对灭弧性能有着重要的影响，因此对其进行了重点分析。计算...