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...
