低壓限流斷路器擊穿現(xiàn)象的數(shù)值研究-瑞達(dá)國際集團(tuán)

　　低壓限流斷路器擊穿現(xiàn)象的數(shù)值研究

　　低壓斷路器是低壓配電支路的主開關(guān)。隨著電力事業(yè)的發(fā)展，對(duì)其數(shù)量要求越來越大，對(duì)其開斷性能要求也越來越高，但低壓斷路器的設(shè)計(jì)長期以來憑借經(jīng)驗(yàn)，通過樣機(jī)制作和大量試驗(yàn)來確定設(shè)計(jì)方案，需要耗費(fèi)大量人力、物力，并且新產(chǎn)品開發(fā)周期很長，不能適應(yīng)我國電力事業(yè)的發(fā)展。近年來，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和開關(guān)電弧數(shù)學(xué)模型研究方面的成就，使低壓斷路器開斷特性的計(jì)算機(jī)數(shù)值分析成為可能。人們開始探索以磁流體動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的低壓電器開關(guān)電弧動(dòng)態(tài)模型的建立，原先這種模型在高壓噴口電弧的描述方面國內(nèi)外都有一些工作，因?yàn)閲娍陔娀∈禽S對(duì)稱問題，邊界條件比較簡單而低壓開關(guān)電弧在自由空間受磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，計(jì)算條件比噴口電弧復(fù)雜得多。從1996年開始國外才有這方面的報(bào)導(dǎo)，但計(jì)算的對(duì)象都限制在一個(gè)簡單的空腔內(nèi)，沒有涉及實(shí)際的斷路器滅弧室，也沒有和整個(gè)開斷過程結(jié)合起來。另外在低壓限流斷路器中也有其復(fù)雜的物理現(xiàn)象。

　　與一般斷路器的滅弧室不同，低壓限流斷路器的滅弧室采用多個(gè)滅弧柵片。在開斷過程中，首先動(dòng)觸頭和靜觸頭分開產(chǎn)生電弧，在電磁場(chǎng)和熱場(chǎng)、流場(chǎng)的作用下運(yùn)動(dòng)至滅弧柵片。當(dāng)電弧進(jìn)入柵片后，由于被分成的多個(gè)短弧的近極壓降，使電弧電壓迅速上升，從而達(dá)到限流的目的。但也正是為了有較高的電弧電壓，限流斷路器滅弧室的柵片數(shù)比一般的斷路器要多，并且排列得更緊密。電弧進(jìn)入柵片瞬間，它的背后區(qū)域即跑弧道上仍存在一定的游離氣體，由于突然產(chǎn)生較高的電弧電壓會(huì)使背后區(qū)域發(fā)生擊穿而出現(xiàn)新的電弧，這一新的電弧通道短接了柵片中的電弧，而使已進(jìn)入柵片的電弧消失，這就是被稱為電弧背后擊穿現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在斷路器開斷路器開斷波形如所示，它降低了限流斷路器的限流特性，使燃弧時(shí)間增長。

　　首次用快速攝象機(jī)觀察到電弧的背后擊穿現(xiàn)象。

　　他們還采用微波穿透技術(shù)發(fā)現(xiàn)在低壓斷路器開斷過程中，電弧電壓發(fā)生突降前，將要發(fā)生背后擊穿的間隙都出現(xiàn)溫度的上升，這是由于電弧的熱氣流經(jīng)過滅弧室的后壁的反射進(jìn)入相應(yīng)區(qū)域的結(jié)果。游離氣體進(jìn)入和溫度的上升，使相應(yīng)區(qū)域的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度降低，容易導(dǎo)致背后擊穿。法國的C.Fievet等人也發(fā)現(xiàn)，在電弧經(jīng)過區(qū)域的溫度仍然還較高，存在有剩余電流，會(huì)以熱擊穿的形式導(dǎo)致背后擊穿。德國的ManfredLindmayei教授初步提出了基于熱擊穿的背后擊穿模型，這個(gè)模型采用熱場(chǎng)，對(duì)背后擊穿進(jìn)行了初步的模擬。

　　本文就是在這些工作的基礎(chǔ)上進(jìn)行更加深入的研究，主要對(duì)象為單相限流開斷的微型斷路器，以磁流體動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，綜合流場(chǎng)、電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)等計(jì)算建立低壓斷路器開斷電弧的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。與國外的簡單空腔幾何模型為對(duì)象不同，本課題直接以實(shí)際低壓斷路器的滅弧室為研究對(duì)象。與國外工作相比，充分利用電磁場(chǎng)和氣流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算求肖解考慮了較多影響開斷特性的因素，使電弧的數(shù)學(xué)模型更符合實(shí)際。利用建立的電弧動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，對(duì)目前低壓斷路器中影響開斷性能的背后擊穿現(xiàn)象進(jìn)行理論分析。這樣不僅為斷路器數(shù)學(xué)模型，也對(duì)背后擊穿現(xiàn)象這一難題提出了理論上的依據(jù)。

　　2考慮背后擊穿現(xiàn)象的電弧數(shù)學(xué)模型電弧燃燒時(shí)既不是簡單的一根線，也不是簡單的柱體。充分燃燒時(shí)，電弧很大程度上充滿了滅弧室，是一團(tuán)高溫的等離子體這種情況下，用場(chǎng)區(qū)域模型來描述電弧是符合實(shí)際的。

　　背后擊穿的計(jì)算是將整個(gè)斷路器區(qū)域作為一個(gè)模型而采用場(chǎng)域計(jì)算。在計(jì)算中將其差分為多個(gè)小單元，溫度大于5000K的認(rèn)為是電弧區(qū)域。根據(jù)各個(gè)小單元區(qū)域的溫度決定其電導(dǎo)及在兩個(gè)電極之間的總電阻，從而決定電流在各單元區(qū)域的分布，根據(jù)tk-1時(shí)刻的電流分布可以得出tk時(shí)刻各單元的溫度，電路電流及斷路器內(nèi)各單元的電流分布，并作為熱源計(jì)算tkh時(shí)刻的電弧參數(shù)。在電弧進(jìn)入滅弧柵片之前，沒有近極壓降，斷路器的整個(gè)區(qū)域電阻直接由每個(gè)小單元區(qū)域的電阻并、串聯(lián)而得到，電弧區(qū)域溫度最高，電弧弧柱區(qū)的等效電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其它區(qū)域的電阻。當(dāng)電弧進(jìn)入滅弧室之后，電弧背后區(qū)域包括觸頭區(qū)及跑弧區(qū)。此時(shí)滅弧柵片將電弧分成多個(gè)短弧，利用近極壓降使電弧電壓上升，而通過電弧的電流是隨著電弧溫度下降及電弧背后區(qū)域溫度的上升而減小的。電弧可以等效為一個(gè)可變電阻。

　　這時(shí)的電弧電壓由于近極壓降相對(duì)保持一個(gè)較高的值，而電流減小，等效電阻越來越大，在電弧背后的區(qū)域則是一個(gè)高溫導(dǎo)電通道，其電阻不斷下降。隨著電弧背后區(qū)域的電阻逐漸減小，電流漸漸被此導(dǎo)電通道所轉(zhuǎn)移，使這一區(qū)域的溫度迅速升高，電阻進(jìn)一步迅速減小。將區(qū)域溫度最高處認(rèn)為是電弧中心，當(dāng)電弧中心出現(xiàn)在滅弧柵片之外后，則由于沒有了近極壓降而引起電弧電壓突降，產(chǎn)生背后擊穿。

　　電弧屬于低溫等離子體。在研究它的宏觀運(yùn)動(dòng)時(shí)，常常可以將它視為流體處理。但與簡單流體不同，這種流體是導(dǎo)電的粒子所組成，在運(yùn)動(dòng)中與磁場(chǎng)相互發(fā)生復(fù)雜作用，因此對(duì)于它的物理過程要用磁流體動(dòng)力學(xué)來描述。

　　建立的電弧模型是一個(gè)二維磁流體模型。取斷路器的一個(gè)截面如所示進(jìn)行計(jì)算。為模擬具有背后擊穿現(xiàn)象的斷路器的開斷過程需要一個(gè)合理的模型。在以往的研究工作中，許多是簡化電弧的物理特性來計(jì)算電弧的電流電壓，這在已知電弧的物理特性時(shí)，可以很好地模擬出電弧的電流電壓關(guān)系。但對(duì)于研究電弧的實(shí)際物理現(xiàn)象時(shí)就無能為力。電弧的二維模型斷路器中的開斷電弧滿足下列方程。場(chǎng)對(duì)它的作用力，與流體運(yùn)動(dòng)的方向相反，阻止流體質(zhì)量連接方程的運(yùn)動(dòng)。

　　斷路器中每個(gè)小單元區(qū)域的電阻是動(dòng)量守恒方程壓力。

　　能量方程(s);K為熱傳導(dǎo)系數(shù);為熱源項(xiàng)。

　　在計(jì)算時(shí)將斷路器作為一整個(gè)區(qū)域。根據(jù)限流斷路器內(nèi)的溫度分布(包括電弧區(qū)域)，計(jì)算電流的分布，作為耦合場(chǎng)的熱源。電阻小的區(qū)域所分配的電流大，產(chǎn)生的熱量也較大，溫度上升得快。

　　在每一層每個(gè)單元的電流密度是定，是根據(jù)文查表并且進(jìn)行插值得來。也就是說，對(duì)于在整個(gè)限流斷路器的區(qū)域中的電流分布，是根據(jù)由溫度分布不均導(dǎo)致的電阻分布而決定的。隨著電弧背后區(qū)域的電阻逐漸減小，電流漸漸被此導(dǎo)電通道所轉(zhuǎn)移，引起電弧電壓突降，產(chǎn)生背后擊穿。

　　電弧溫度非常高，除了傳導(dǎo)及對(duì)流，還有部分能量變化通過輻射的方式。對(duì)于電弧中的輻射，由于電弧是低溫等離子體可以視為處于熱平衡和局部熱平衡狀態(tài)，因此可以直接用輻射公式來計(jì)算。

　　電弧輻射所發(fā)射出的能量是定于電極兩端距離;i，小單元的面積。

　　整個(gè)區(qū)域的總電阻由各個(gè)小單元的電阻并聯(lián)而得。

　　計(jì)算中以斷路器的兩端封閉為邊界條件。所模擬的斷路器模型在一個(gè)LC單頻振蕩回路中進(jìn)行計(jì)蕩回路中電容的初始電壓;C為電容。

　　當(dāng)斷路器開斷后產(chǎn)生電弧，電弧與周圍的熱氣體有較大的溫差，根據(jù)它們的電導(dǎo)不同，電流主要是從電弧流過。電弧在流過電弧的強(qiáng)大短路電流與磁場(chǎng)的作用下，一方面進(jìn)行熱交換，通過熱傳導(dǎo)、對(duì)流及輻射多種方式進(jìn)行能量傳送，進(jìn)行自身的膨脹以及加熱周圍的氣體另一方面，在磁場(chǎng)力的作用下向前運(yùn)動(dòng)。在這個(gè)過程中，斷路器內(nèi)的溫度、壓力的分布以及電弧的參數(shù)都發(fā)生了變化，這些參數(shù)的變化對(duì)電弧的運(yùn)動(dòng)及氣流變化起作用，最后電弧在氣流與磁場(chǎng)力的綜合作用下向前運(yùn)動(dòng)。

　　電弧的整個(gè)能量過程如所示。

　　射常數(shù);T為溫度;T為周圍溫度。

　　磁場(chǎng)中的電弧等離子體受到磁場(chǎng)力的驅(qū)動(dòng)電弧等離子體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，必然存在導(dǎo)電流體與電磁場(chǎng)之間的相互作用。由于導(dǎo)電流體相對(duì)于磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)，按照法拉弟電磁感應(yīng)定律，在流體中電弧能量過程對(duì)方程的求解采用有限差分法，采用內(nèi)結(jié)點(diǎn)法，采用了ADI方法(交替方向隱式方法)。在計(jì)算中采用交錯(cuò)網(wǎng)格。

　　必然產(chǎn)生而個(gè)感應(yīng)電場(chǎng)，由此產(chǎn)生感應(yīng)藤受到磁dishingH計(jì)墓中中以斷路器的兩端封閉為邊界條件ki所模4結(jié)論低壓限流斷路器在開斷時(shí)會(huì)出現(xiàn)背后擊穿現(xiàn)象，導(dǎo)致電弧電壓的突降，影響了其開斷性能。實(shí)驗(yàn)證明，它與相應(yīng)區(qū)域溫度上升，臨界電場(chǎng)強(qiáng)度降低以及剩余電流的存在等有關(guān)。本文通過對(duì)背后擊穿的分析，依據(jù)熱擊穿的原理，建立了以磁流體動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的低壓電器開關(guān)電弧動(dòng)態(tài)模型。結(jié)合氣流場(chǎng)、熱場(chǎng)與磁場(chǎng)以及電流的分布對(duì)限流斷路器進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，結(jié)果證明本模型很好地模擬了在限流斷路器中的背后擊穿現(xiàn)象與實(shí)際開斷中背后擊穿中的電弧電壓跌落基本符合，為今后在低壓斷路器中開斷特?cái)M的斷路器模型在一個(gè)LC單頻振蕩回路中進(jìn)行計(jì)算。LC電路的預(yù)期電流是3000A，頻率是50Hz.是模擬計(jì)算的電壓電流波形圖，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算模擬的斷路器在0.8ms后脫扣器動(dòng)作，隨著電弧運(yùn)動(dòng)上跑弧道并逐漸被拉長，電弧電壓逐漸上升，當(dāng)電弧進(jìn)入柵片時(shí)，電壓迅速上升到一個(gè)較高的值，電流得到限制，開始由峰值下降。根據(jù)本文提出的背后擊穿模型，隨著背后擊穿區(qū)域的電阻逐漸減小，電流漸漸從這一導(dǎo)電區(qū)域通過，使這一區(qū)域的溫度迅速升高，電阻迅速減小，在2.16ms時(shí)電弧電壓跌落，出現(xiàn)了背后擊穿。是實(shí)驗(yàn)中得到的開斷電壓電流波形圖。電壓為100V/格，電流為1000A/格，時(shí)間為0.625ms/格。

　　計(jì)算模型也較好的模擬了背后擊穿現(xiàn)象。

　　計(jì)算結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)際峰值電流(A)最大電弧電壓(V)是獲得的不同時(shí)刻場(chǎng)域溫度分布情況。若以溫度最高處為電弧中心，則由可看出電弧運(yùn)動(dòng)過程：1.92ms時(shí)電弧已經(jīng)進(jìn)入滅弧柵片，電弧電壓迅速上升，電弧的等效電阻則由于近極壓降相對(duì)保持一個(gè)較高的值，而背后擊穿區(qū)域電阻則不斷下降。隨著背后擊穿區(qū)域的電阻逐漸減小，電流漸漸從這一導(dǎo)電區(qū)域通過，使這一區(qū)域的溫度迅速升高，電阻迅速減小，引起電弧電壓突降，產(chǎn)生背后擊穿。

　　在2.16ms時(shí)電弧已經(jīng)退出了滅弧柵片。

　　的膨脹，使得一次風(fēng)向外擴(kuò)散的速率較慢，更多的顆粒停留在中心區(qū)域使得該區(qū)域顆粒濃度較高，在x/d=1以后，隨著射流的發(fā)展顆粒才擴(kuò)散開來。

　　對(duì)于a=30°擴(kuò)口，由于擴(kuò)口對(duì)一次風(fēng)的導(dǎo)流作用較大，引起了一次風(fēng)的向外膨脹，使得靠近高溫回流區(qū)處煤粉濃度的降低，不利于形成有利于火焰穩(wěn)定的高溫、高濃度區(qū)域?qū)⒂绊懨悍鄣闹鸷头€(wěn)燃。因此，從燃燒的角度來看的，a選取不易過大。較小的a，有利于保持一次風(fēng)中較高的煤粉濃度，發(fā)揮高濃度煤粉良好的著火特性，使煤粉氣流著火提前，提高燃燒效率。同時(shí)也可使一次風(fēng)氣流在氧濃度不高的環(huán)境中燃燒，有利于減少NOx的生成。

　　4結(jié)論通過以上分析我們可以得出以下結(jié)論：淡一次風(fēng)擴(kuò)口角度a的增大，將氣流沿徑向?qū)蛲鈧?cè)，使得中心回流區(qū)尺寸增大，射流擴(kuò)角增大，回流量增大，對(duì)劣質(zhì)煤的燃燒有利。但過大的擴(kuò)口角度，對(duì)一次風(fēng)的導(dǎo)流作用加強(qiáng)，使得煤粉濃度的峰值沿徑向外移，導(dǎo)致回流區(qū)附近顆粒濃度降低，不利于強(qiáng)化煤粉燃燒和NOx的降低。

　　隨著淡一次風(fēng)擴(kuò)口角度a的增大，使出口氣流的湍流脈動(dòng)水平明顯提高，強(qiáng)化了氣流之間的熱量和質(zhì)量交換，對(duì)煤粉的著火和穩(wěn)燃均十分有利。

　　但淡一次風(fēng)擴(kuò)口角度的進(jìn)一步增大，會(huì)增大二次風(fēng)的阻力，削弱旋流二次風(fēng)的強(qiáng)度。因此淡一次風(fēng)擴(kuò)口角度的選取在結(jié)合具體爐型和煤種來考慮的同時(shí)，還應(yīng)與擴(kuò)口口徑、噴口流速相匹配。