低壓斷路器電弧仿真的研究現(xiàn)狀

低壓斷路器電弧仿真的研究現(xiàn)狀

0低壓重要開關(guān)電弧仿真問題壓力電阻器中的電弧操作一般可分為幾個階段：弧、壓、運動和電塊切割。近年來,隨著數(shù)值仿真技術(shù)和高性能計算機的快速發(fā)展,科研工作者通過仿真的手段對低壓斷路器中的電弧現(xiàn)象展開了大量研究,建立并逐步完善了電弧仿真模型,獲得了開關(guān)電弧的大量微觀參數(shù),從而為優(yōu)化低壓斷路器的開斷性能提供了理論支撐。磁流體動力學(xué)模型是近年來應(yīng)用最為廣泛的電弧仿真模型,本文將首先給出該模型的基本方程,并在此基礎(chǔ)上對現(xiàn)有的低壓斷路器電弧仿真工作進行回顧和總結(jié),通過對相關(guān)研究成果的分析,對低壓斷路器中電弧的轉(zhuǎn)移、柵片切割、輻射、湍流等幾個關(guān)鍵問題進行分析討論,并給出小型斷路器、塑殼斷路器產(chǎn)品中電弧仿真的進展。通過對現(xiàn)有的電弧仿真模型進行總結(jié),指出現(xiàn)有模型存在的問題和不足,并給出電弧仿真今后的發(fā)展方向。1tdd模型的原理本質(zhì)上,電弧等離子體是一種部分或完全電離的氣體,因為電子的數(shù)量密度非常大(可達1023/m-3數(shù)量級),粒子之間的彈性碰撞十分頻繁,能量的轉(zhuǎn)移十分迅速。在電弧等離子體的核心區(qū)域,通常認為重粒子的平均能量與電子的能量是相等的,各種粒子之間是一種熱力學(xué)平衡(ThemodynamicEquolibrium,LTE)的狀態(tài)。根據(jù)這一假設(shè)﹐電弧等離子體內(nèi)任一局部小區(qū)域﹐都可以引入一個局部溫度來表征它的熱狀態(tài)?；贚TE假設(shè)的磁流體動力學(xué)模型是近年來應(yīng)用最為廣泛的電弧仿真模型,該模型不需考慮單個粒子的運動,而是將等離子體作為可導(dǎo)電的連續(xù)流體介質(zhì)處理,只關(guān)心流體元的平均效果。因此,該模型的基本控制方程為描述流體運動規(guī)律的質(zhì)量、動量和能量守恒方程以及描述電磁場的麥克斯韋方程。(1)速度矢量的測量式中:t———時間;ρ———流體密度;U———流體運動的速度矢量。式中:p———流體微元上的壓力;B———磁感應(yīng)強度。式中:μ———磁導(dǎo)率。(3)流體粘滯耗散率和電弧電導(dǎo)率式中:h———焓;λ———熱導(dǎo)率;———流體粘滯耗散項;σ———電弧等離子體的電導(dǎo)率;qrad———電弧等離子體通過輻射向外散發(fā)的能量。(4)氣體介質(zhì)界面問題式中:A———磁矢位;Φ———電位。一般,電磁場的計算有兩種方法:比奧薩法爾定理和磁矢位法。前者的優(yōu)點是計算時不需要考慮磁場的邊界問題,但是其計算循環(huán)次數(shù)和網(wǎng)格單元數(shù)目的平方相關(guān),對于復(fù)雜的三維電弧模型,所需的計算時間很大,同時該方法僅適合于計算區(qū)域磁導(dǎo)率均勻的磁場求解,不能用于有鐵磁物質(zhì)存在的磁場計算。對于低壓斷路器中的電弧,一般需要考慮鐵磁柵片的影響,同時由于斷路器滅弧系統(tǒng)的復(fù)雜性,需要采用三維模型進行仿真,只能采用磁矢位法對電磁場進行求解計算。為了求解上述互相耦合的偏微分方程,首先要獲得電弧等離子體的焓、定壓比熱等熱力學(xué)參數(shù)和電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率、粘滯系數(shù)等輸運參數(shù)。由于氣體介質(zhì)的電離度與溫度和壓強有關(guān),這些參數(shù)一般是溫度和壓強的非線性函數(shù)。為了獲得這些參數(shù),首先要計算氣體的粒子組分,通常有兩種方法:對于只有氣體介質(zhì)的情況,可以通過求解Saha和Guldberg-Waage方程求得;而對于多相混合介質(zhì),則可以通過求解最小吉布斯自由能方程獲得。在計算氣體組分時,可以同時獲得氣體介質(zhì)的熱力學(xué)參數(shù)。氣體的輸運系數(shù)可以通過Chapman-Enskog方法求解描述電子能量平衡的Boltzmann微積分方程獲得。目前,科研工作者已經(jīng)針對氣體物性參數(shù)的計算展開了大量研究,獲得了豐富的結(jié)果。如文獻研究了金屬蒸汽對空氣物性參數(shù)的影響,文獻和分別計算了空氣的物性參數(shù),而文獻給出了不同聚合物比例情況下混合氣體的物性參數(shù)。這些結(jié)果為開關(guān)電弧的數(shù)值仿真打下了堅實的基礎(chǔ)。2低壓斷裂帶中的弧殼模擬研究2.1動觸頭運動過程的仿真研究當(dāng)斷路器被觸發(fā)動作時,動觸頭打開從而在觸頭之間形成初始電弧。隨著觸頭開距的增大,電弧會從動觸頭跳轉(zhuǎn)到跑弧道上,這一過程被稱為電弧轉(zhuǎn)移過程。轉(zhuǎn)移過程會影響電弧后續(xù)的運動特性,關(guān)系到電弧能否順利進入滅弧室,從而會影響斷路器的開斷性能。由于電弧的轉(zhuǎn)移過程相對比較復(fù)雜,目前的大部分研究主要采用了試驗測試的手段。如文獻[11-13]測試研究了觸頭材料、動觸頭打開速度、出氣口大小、電流大小和極性對電弧轉(zhuǎn)移過程的影響。為了獲得電弧轉(zhuǎn)移和運動的微觀過程,文獻采用動網(wǎng)格技術(shù)對如圖1所示帶轉(zhuǎn)動觸頭的簡化低壓斷路器滅弧室中的電弧建立了三維仿真模型,計算并獲得了如圖2所示的電弧轉(zhuǎn)移和運動過程。根據(jù)仿真結(jié)果,在初始階段,電弧弧柱隨著觸頭的打開而不斷拉長,同時由于氣流場的作用,大量高溫氣體擴散到動觸頭和上跑弧道之間的區(qū)域。在2.024ms時,上跑弧道上出現(xiàn)了一塊明顯的高溫區(qū)域,表明形成了新的弧根,電弧從動觸頭跳變到跑弧道上。作者認為,電弧的轉(zhuǎn)移過程是由滅弧室內(nèi)氣流場的流動導(dǎo)致的?；「灰魄€與試驗測量結(jié)果的對比圖如圖3所示,可以看到雖然仿真得到的電弧運動過程比實際情況稍快,但在電弧完成轉(zhuǎn)移之前的階段,仿真和試驗結(jié)果十分吻合。同時,通過仿真研究了觸頭速度對轉(zhuǎn)移過程的影響,發(fā)現(xiàn)增大觸頭運動速度可以縮短電弧的轉(zhuǎn)移時間。這些結(jié)果和文獻[11-13]中對電弧轉(zhuǎn)移過程的試驗研究結(jié)果是一致的。2.2模擬切割過程電弧運動進入滅弧室之后,會被鐵磁材料的滅弧柵片切割成多段短弧,產(chǎn)生較高的近極壓降并提高電弧電壓。電弧電壓越高越能夠加速回路電流的下降,縮短燃弧時間,從而有利于斷路器的可靠快速分斷。文獻通過試驗的方法對柵片切割電弧的過程進行了試驗測量,發(fā)現(xiàn)電弧在被切割之前會被柵片擠壓,并發(fā)生彎曲,同時柵片上新弧根形成的位置并不在柵片的邊緣,而是在靠近柵片中部的位置。同時,該文獻提出了簡單的電弧與金屬間鞘層的描述方法,對單柵片的電弧切割過程進行了仿真研究,獲得了和試驗現(xiàn)象相吻合的結(jié)果。文獻也對低壓斷路器的柵片切割過程進行了仿真研究。該文獻采用等效電導(dǎo)率的概念對陰極鞘層的導(dǎo)電特性進行宏觀描述,認為陰極鞘層的電導(dǎo)率是電流密度的函數(shù),同時假定陽極鞘層的電導(dǎo)率與其相鄰的弧柱區(qū)域相同。作者仿真得到的電弧形態(tài)特征和新弧根的形成過程和文獻的試驗結(jié)果十分類似。當(dāng)電弧電流較大或電弧在一個位置持續(xù)燃燒時,不可避免的會對柵片材料造成燒蝕。燒蝕產(chǎn)生的金屬蒸汽反過來又會影響電弧的行為特性。文獻采用如圖4所示的單柵片簡化滅弧室,針對金屬蒸汽對電弧柵片切割過程的影響進行了研究,仿真獲得的滅弧室對稱面上的溫度分布序列如圖5所示。該文獻指出,金屬蒸汽的存在會導(dǎo)致柵片陰極側(cè)(上部)的弧根較早形成,并使柵片陰極側(cè)的電弧運動速度相對較快。仿真獲得的電弧電壓曲線和試驗測量結(jié)果的對比如圖6所示,通過高速攝影儀拍攝得到的柵片切割影像如圖7所示?？梢钥吹?仿真工作較準(zhǔn)確的描述了真實的柵片切割過程,獲得的電弧電壓幅值和變化趨勢均與試驗十分接近。柵片切割電弧不僅會提高電弧電壓,促進電弧電流的快速下降,還會加強電弧的冷卻作用,使電弧快速可靠的熄滅。因此在低壓斷路器的產(chǎn)品設(shè)計中應(yīng)盡可能使電弧弧柱被刪片充分切割,獲得最優(yōu)的開斷性能。2.3空氣電弧充放電溫度分布的計算方法雙向比較輻射是電弧等離子體內(nèi)部一種有效的能量交換方式,特別是在溫度最高的區(qū)域,輻射常常是最重要的能量耗散方式。理論上,輻射通量密度可以通過對輻射轉(zhuǎn)移方程關(guān)于不同波段的頻率以及立體角的積分求得。但是由于等離子體的吸收光譜包含大量的譜線,并且每一條譜線都對應(yīng)著不同的吸收率,積分計算必須涉及到任一條積分路徑上的所有單元,同時還要關(guān)于立體角進行積分,即使應(yīng)用現(xiàn)代的計算機技術(shù),其計算量也是十分巨大的。目前,只有幾種近似的方法可以用來解決輻射計算的問題,如凈輻射系數(shù)法、簡化T4法、局部特征法以及近年來發(fā)展起來的P1模型等。凈輻射系數(shù)法和簡化T4法計算簡單,不需要求解另外的方程式,可以大大降低求解計算的難度,縮短計算時間,因而近年來得到了廣泛的應(yīng)用。但是這兩種方法沒有考慮輻射能量在低溫區(qū)域的重吸收問題,不能對電弧的低溫區(qū)域進行準(zhǔn)確的模擬。局部特征法和P1模型對電弧低溫區(qū)域的重吸收問題進行了考慮,因而具有更高的精度。其中,局部特征法的計算量較大,應(yīng)用在三維電弧仿真中時需要很高的時間成本,P1模型直接對滅弧室空氣電弧中各個位置的入射輻射強度進行求解,可以獲得整個滅弧室內(nèi)各點處的輻射能量密度,同時具有計算相對簡單的優(yōu)點,因而適合在低壓電弧仿真中使用。文獻采用簡化滅弧室結(jié)構(gòu),對NEC和P1輻射模型進行了對比研究,兩種輻射模型下滅弧室內(nèi)的溫度分布對比如圖8所示。由于P1模型考慮了電弧低溫區(qū)域的輻射能量的重吸收,仿真得到的電弧弧柱區(qū)域范圍相對更大。同時,采用P1模型計算得到的電弧電壓比NEC模型要低,但與試驗更加接近。另外,計算了器壁上的入射輻射通量,如圖9所示,為器壁燒蝕的計算打下了基礎(chǔ)。2.4不同流場的直流電場仿真湍流是電弧等離子體中一種重要的能量耗散方式。目前針對開關(guān)電弧中湍流效應(yīng)的研究主要集中在高壓SF6斷路器中。在低壓斷路器電弧的仿真中,由于電流和電弧運動空間一般較小,一般認為氣體的流動處于層流狀態(tài),并不考慮湍流效應(yīng)的影響。根據(jù)文獻[24-25],采用層流假設(shè)仿真獲得小型斷路器和塑殼斷路器中的電弧運動過程具有一定的合理性。但當(dāng)電弧電流和電弧運動空間進一步增大時,特別是在大尺寸、大容量的萬能式斷路器和直流斷路器中,氣流場的雷諾數(shù)相對較大,湍流效應(yīng)將對電弧的行為特性產(chǎn)生明顯的影響。簡化滅弧室中幾千安電弧電流的條件下分別采用層流和湍流模型計算得到的電弧形態(tài)以及采用高速攝影儀拍攝測量的結(jié)果如圖10所示,通過對比可以發(fā)現(xiàn),對于這種高雷諾數(shù)的開關(guān)電弧,層流模型獲得的結(jié)果與試驗有著不小的差別,而考慮湍流效應(yīng)之后獲得的結(jié)果與試驗更加接近。兩種模型仿真得到的電弧電壓曲線和試驗的對比如圖11所示,相比于層流模型,湍流模型下得到的電弧電壓不僅與測量結(jié)果具有類似的變化趨勢,幅值也相對十分接近。3低能耗產(chǎn)品中的圓弧模擬基于前述研究成果,西安交通大學(xué)對低壓斷路器產(chǎn)品中的電弧現(xiàn)象進行了仿真模擬,獲得了小型斷路器、塑殼斷路器中電弧的基本行為特性。3.1模擬結(jié)果驗證文獻采用磁流體動力學(xué)電弧模型對小型斷路器中的電弧過程進行了仿真計算。計算中采用的模型如圖12所示,除了個別細節(jié)特征外,整個模型的結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸與實際的小型斷路器都保持一致。表征滅弧室內(nèi)電弧行為特性的溫度場分布序列如圖13所示。電弧的發(fā)展變化過程主要包括電弧轉(zhuǎn)移、向柵片運動、背后轉(zhuǎn)移、柵片切割等若干階段。0.160~0.600ms為電弧的轉(zhuǎn)移過程,動觸頭上的電弧弧根在氣流場的作用下逐漸轉(zhuǎn)移到下跑弧道上。之后電弧在電磁力和氣吹力的作用下向柵片運動,并在1.500ms左右第一次進入柵片切割。而在1.570ms電弧弧柱后方的下跑弧道上出現(xiàn)了一個新的弧根,電弧重新轉(zhuǎn)移到上下跑弧道之間的區(qū)域燃燒,即發(fā)生了一次背后轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。隨后,電弧重新向柵片運動,并在1.870ms時再次進入柵片被切割。根據(jù)仿真結(jié)果,電弧弧根在上跑弧道U形拐角處的運動速度十分緩慢,同時當(dāng)電弧進入柵片后,大部分弧柱在柵片靠近出氣口的末端持續(xù)燃燒。多次試驗后上跑弧道和柵片的照片如圖14所示,可以看到在跑弧道的U形拐角處和柵片后部均產(chǎn)生了相當(dāng)嚴重的燒蝕,這驗證了仿真結(jié)果的有效性。仿真獲得的電弧電壓曲線和試驗測量結(jié)果的對比如圖15所示,可以發(fā)現(xiàn)仿真和試驗結(jié)果具有相似的變化趨勢和特征,從而進一步證明了仿真結(jié)果的有效性。這些仿真結(jié)果指出了現(xiàn)有小型斷路器產(chǎn)品中存在的一些問題,并從微觀上對這些問題的成因作出了解釋,為改進低壓斷路器的產(chǎn)品設(shè)計提供了理論指導(dǎo)。3.2出氣口側(cè)電弧文獻對如圖16所示的雙斷口塑殼斷路器中的電弧行為特性進行了仿真計算。為了縮短計算時間,僅對其中一個斷口的電弧進行了模擬。計算得到的滅弧室對稱面上的溫度場分布序列如圖17所示。根據(jù)計算結(jié)果,觸頭之間的初始電弧在電弧能量的作用下不斷膨脹,并向柵片方向不斷彎曲擴展。隨著靜觸頭側(cè)的弧根在0.100ms左右運動到靜跑弧道上,電弧弧柱逐漸進入柵片并被切割成多段短弧。在動觸頭側(cè),由于沒有跑弧道,電弧弧根會一直在動觸頭上燃燒。但由于引弧片的引導(dǎo)作用,電弧弧柱在0.150ms時可以較充分的被刪片切割。值得注意的是,由于出氣口附近柵片后方的空間較大,0.700ms時相當(dāng)一部分電弧弧柱越過了柵片而在出氣口區(qū)域燃燒,大大降低了柵片的利用效率,無法獲得較高的電弧電壓,不利于電弧的快速熄滅。將仿真得到的電弧電壓曲線和試驗測量結(jié)果進行了對比,兩者具有相似的變化趨勢和特征,從而證明仿真結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性。所獲得的結(jié)果可以為塑殼斷路器的優(yōu)化設(shè)計提供參考。4對現(xiàn)有電弧仿真模型的反思本文對目前廣泛使用的磁流體動力學(xué)電弧仿真模型進行了簡單介紹,并對現(xiàn)有的低壓斷路器電弧仿真工作進行了總結(jié)?？梢园l(fā)現(xiàn),現(xiàn)有的工作已經(jīng)覆蓋到低壓斷路器電弧現(xiàn)象的各個方面,并可以對真實產(chǎn)品中的電弧特性進行定性模擬,從而為優(yōu)化低壓斷路器產(chǎn)品的開斷性能提供了一種成本低、效率高的研究手段。但是必須指出的是,現(xiàn)有的電弧仿真模型并不是十分完善,有一些關(guān)鍵問題還沒有得到徹底解決。(1)電弧在外圍低溫區(qū)域、電極附近、以及熄滅階段并不滿足局部熱平衡假設(shè),必須考慮電弧等離子體的非平衡態(tài)效應(yīng)才能獲得與實際更加吻合的結(jié)果。(2)現(xiàn)有的鞘層模型和金屬燒蝕模型并不完善,無法對鞘層區(qū)域微觀粒子的行為特性作出準(zhǔn)確模擬,同時無法描述電弧燒蝕