6断路器开断过程仿真研究'-- sf6断路器开断过程仿真研究

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1、6断路器开断过程仿真研究’>SF6断路器开断过程仿真研究　　【摘要】本文提出一种使用计算机仿真软件模拟SF6高压断路器开断过程的方法。以流体力学、电弧理论和电场学为基础，建立了灭弧室内流场分布和电场分布的数学模型，并通过仿真软件分析了SF6高压断路器开断短路电流时灭弧室的流场分布和电场分布。并使用这种仿真方法确定了断路器的短燃弧时间，与断路器的实际最短燃弧时间对比，证明了该仿真方法的可行性。【关键词】SF6高压断路器；短燃弧时间；介质恢复强度；仿真1数学模型1.1灭弧室气流场计算模型对于有粘流体，应采用二维可压缩N-S方程组表示。考虑到湍流

2、对灭弧室气流场的影响，计算气流场时还应加入湍流计算模型。本文采用在工程中具有较强通用性的二方程湍流模型。将N-S方程组与二方程湍流模型联立，二维轴对称向量形式如下：本方程组中的常数为：61.2灭弧室电场计算模型1.3介质恢复强度本文采用流注理论计算介质恢复强度，计算公式如下：2仿真分析本文试品为双断口550kV压气式断路器，每个均压电容电压为不超过额定电压的55%，额定开断电流63kA。灭弧室主要参数有：分闸行程200mm，喷口直径37mm，触头超程45mm，气缸活塞截面积16463mm2，充气压力为0.6MPa，温度为293K。本文采用基

3、于有限体积法的Fluent6.3.26作为流体计算软件，基于有限元法的Ansys12.0作为电场计算软件。两者采用数值分析法求解时，首先都要对计算区域进行网格划分，由于两者计算区域不同，以往的计算思路是两种场的数值求解各自进行。并且Fluent和Ansys剖分网格的方式不同，不能保证气体通道区域流场计算和电场计算节点的一致性，不利于流场和电场的耦合计算。为解决这些问题，本文采用Hypermesh对灭弧室剖分网格。Hypermesh是一种专业网格剖分软件，与Fluent和Ansys都有很好的软件接口。具体计算流程如图1。从图1可以看出，使用H

4、ypemesh不仅减少了网格剖分次数，提高了计算效率，而且保证了气体通道区域节点的一致性，提高了电场和流场耦合计算的准确性。2.1流场分布6使用Fluent计算灭弧室流场分布时，气缸中气体压力是非常重要的边界条件，因此，分析灭弧室流场分布时，应首先计算开断过程中的气缸压力。通过热力学第一定律建立灭弧室气压特性数学模型，结合灭弧室结构参数和分闸速度计算出开断短燃弧额定电流时气缸压力随分闸行程变化。如图2所示为开断8.6ms燃弧电流时的气缸压力变化曲线。以100μS为时间间隔，求出电流过零后1ms内灭弧室的流场分布，如图3、图4所示为开断8.6

5、ms短燃弧电流时灭弧室的流场分布。图3为电流过零时灭弧室流场的压力和温度分布图。从图3（b）可以看出，电流过零点时，断口间温度仍然远高于常温，最高温度接近5000K，这是因为电弧电流具有热惯性，电流过零时，断口间温度并不能马上降为常温。此外，不难发现静弧触头表面的温度最高，是容易发生热击穿的薄弱部位。图4为电流过零1ms时灭弧室的流场分布。如图4（a）所示，此时断口间的温度在冷态气流的吹拂下已趋于常温，只是喷口下游温度较高，但不大于1000K，并且此处电场强度小，对断路器的绝缘性能基本无任何影响。2.2电场分布以100μs为时间间隔，计算电

6、流过零1ms内灭弧室的电场分布。如6图5、图6为开断8.6ms短燃弧电流时灭弧室的电场分布。其中，动、静触头侧所加电压分别为302.5kV和0V，场强单位为V/cm。从图中可以看出，在开断过程中，随着开距的增加电场强度逐渐减小。静触头端部的电场强度始终较大，是容易发生电弧重燃的薄弱部位。3短燃弧时间的确定3.1短燃弧时间的确定方法取短燃弧时间为一近似初始值，试验断路器能否开断，如能开断则递减1ms至不能开断为止，如不能开断则递增1ms至能开断为止。短燃弧时间的初始值通常选为喷口完全打开后2ms电流过零。本试品短燃弧时间的初始值选为9.6ms

7、。3.2介质恢复强度首先，使用Fluent和Ansys计算电流过零后灭弧室的流场分布和电场分布。然后将同一时刻气流通道区域的电场和流场分布的计算结果导入Matlab，使用公式（1）进行节点耦合计算，得出电流过零1ms内的介质恢复强度曲线，并与断口间的恢复电压曲线进行比较。本文计算了燃弧时间分别为9.6ms、8.6ms和7.6ms，开断电流为63kA（电流直流分量78%，时间常数τ=120ms）时的介质恢复强度，如图7所示，图中虚线为额定恢复电压的包络线，时间轴的零点为电流过零时刻。6从图7可以看出，燃弧时间为9.6ms时，电流过零后介质恢复

8、强度始终大于断口间恢复电压，所以该断路器可以开断9.6ms燃弧电流。将燃弧时间递减1ms至8.6ms，使用上述方法重新分析计算电流过零后的介质恢复强度。图7表明，燃弧时间为8.6