考虑电极烧蚀影响的低压断路器电弧运动特性仿真及实验

以磁流体动力学(magnetic hydro-dynamics,MHD)为基础建立了考虑电极烧蚀影响的低压断路器中电弧的数学模型。在传统的质量、动量和能量守恒方程的基础上增加了铜蒸气的浓度方程,考虑电极烧蚀对气体的热动力学特性和传输系数的影响,针对阴极和阳极不同特点分别建立了电弧与阴极和阳极作用的数学模型。利用基于有限容积法的商业软件对上述模型进行求解,得出灭弧室内温度场、浓度场、气流场、电位场的分布情况。仿真结果表明,由于电极附近“双漩涡”的存在,使得Cu蒸气浓度最大的区域位于弧根后方靠近电极的区域;考虑Cu蒸气影响时计算得到的电弧电压为比未考虑Cu蒸气影响时减小12.3%;考虑Cu蒸气影响所得到的电弧平均运动速度比未考虑Cu蒸气影响时减少21.3%。实验结果验证了仿真模型的合理性。     

考虑Ag触头蒸发烧蚀条件下的航天继电器分断电弧特性的研究

建立了考虑Ag触头材料烧蚀作用的航天继电器分断电弧的磁流体动力学模型.研究了Ag触头蒸汽和氮气均匀混合且各向同性条件下,静态电弧温度场、电弧电压等特性和Ag蒸汽比例之间的关系.分析了Ag蒸汽通过改变电弧等离子体电导率和热导率从而影响电弧特性的机理.同时,研究了Ag蒸汽在电弧中扩散作用时分断过程中动态电弧温度场、Ag浓度分布及触头烧蚀过程等,给出了分断电流的大小对Ag蒸汽质量浓度及触头单次分断烧蚀量的影响规律.最终,通过拍摄Ag原子发射光强,定性证明了电弧中Ag蒸汽浓度仿真结果的正确性.     

考虑器壁侵蚀影响的低压断路器电弧运动特性仿真及实验

以磁流体动力学(MHD)为基础建立了考虑器壁侵蚀影响的低压断路器中的电弧的数学模型.在传统的质量、动量和能量守恒方程的基础上增加了器壁材料的浓度方程,考虑了器壁材料的烧蚀对气体的热动力学特性和传输系数的影响,并且采用"视角因数法"计算到达器壁的辐射能量.利用基于有限容积法的商业软件对上述模型进行求解,得出灭弧室内温度场、浓度场、气流场的分布情况以及电压随时间的变化过程.仿真结果表明,由于灭弧室内"漩涡"的存在使得电弧后方的聚合物蒸气浓度大于电弧前方的聚合物蒸气浓度;由于产气材料的影响,电弧的最大电压增加了19.2%;产气材料对电弧运动有加速作用,由于产气材料的影响,电弧的平均运动速度增加了20.1%.实验结果验证了仿真模型的合理性.     

直流故障电弧稳态传热特性仿真研究

直流系统中的故障电弧具有持续性,其产生的高温会释放能量诱发可燃物燃烧.直流故障电弧难以检测又极具危害性,该文针对直流故障电弧的温度分布,基于磁流体动力学建立了直流故障电弧稳态传热数值模型,对不同电路电压、电阻、电极间距下的放电过程进行系统的数值研究,得到直流故障电弧的稳态传热模型的温度分布.在模型计算结果的基础上,揭示了电弧最高温度变化规律及电弧热源对于电极内部温度的传热规律.研究表明,电弧最高温度会随电阻的增大呈反比例下降趋势,随电极间距的增大呈现分数指数上升规律,随电路电压在一定范围内呈现线性增长,但随电压增加温升速率减小;电弧温度的提高会使靠近电弧侧的电极导体具有较高的温度下降速率,该速率会随着导体的延长而降低;电极间距的增大会使电弧最高温度向尖端电极偏移.     

基于磁流体动力学模型的弓网电弧温度场仿真

笔者针对弓网电弧产生的瞬时高温严重烧蚀受电弓滑板和接触网导线的问题展开研究。以磁流体动力学(MHD)理论为基础,考虑电弧的基本物理特性及电磁效应、热效应和辐射效应,建立了静态弓网电弧二维磁流体动力学模型,仿真计算了电弧的温度场分布,得到了电弧弧柱和两电极内部的温度分布特性。仿真结果表明,弧柱中心区域温度最高,并逐渐向外衰减;滑板表面温度高于导线表面,两电极表面温度低于弧柱温度;受电弓滑板表面的温度随着滑板材料热导率的增大而降低;电弧区域、滑板和导线上的温度随电流的增加而增大,而两电极之间的电位差基本保持不变。     

SF_6断路器开断特性的数值仿真方法

笔者在LTE和LCE假设的条件下,以质量、动量和能量3个守恒方程以及电流连续方程为基础构建了SF6断路器开断过程中大电流燃弧阶段的电弧数学模型。电弧的欧姆热效应在电流场计算的基础上,通过在能量方程中加入源项来反映。文中对辐射模型以及湍流模型进行了讨论。喷口烧蚀效应通过增加独立的PTFE蒸汽质量守恒方程来考虑,从而构成了考虑喷口烧蚀效应的完备的控制方程组。这一控制方程组构成了SF6断路器开断过程大电流阶段的计算机仿真的基本数学模型,从而为"气体断路器数字化设计方法及仿真平台"的建立打下了基础。     

中压开关柜中内部电弧故障的仿真与实验

开关柜内部电弧故障会引起设备严重破坏和人员伤亡,对其进行仿真分析可为开发耐内部电弧故障的成套设备提供科学依据,从而缩短开发周期,降低开发成本.在建立开关柜内部电弧故障数学模型的基础上,采用标准计算法对电弧故障导致的压力上升进行了仿真计算.并制作实验模型进行了一系列试验,研究故障电流、压力释放孔等因素对压力上升的影响.比较测量值和计算值,两者符合得较好,本文的仿真软件可以用来指导产品开发.     

换流变压器有载调压开关防爆试验研究与分析

为研究有载调压开关的防爆能力,以换流变压器有载调压开关为研究对象,搭建了有载调压开关的防爆试验系统。在开关内部设置了一对电极,当试验大电流通过电极之间的细小铜丝使其发生熔断后,电极之间形成电弧通道。通过调整电弧电流、电弧间距、燃弧时长,从而获取了不同故障能量并测量了在此能量下的开关内的压力。计算并对比了在对应能量下开关油室的压力。试验研究表明：(1)开关的防爆能力有限,建议提高开关盖板强度,结合爆破膜对开关进行防爆;(2)为避免随着电弧能量增大使弧压变化过大,建议减小电极间距;(3)为避免电极烧蚀,建议使用比热容小、熔点低的材料,为保证电弧稳定,建议将电极改为半球形之间。     

铜蒸气浓度对SF_6-Cu高温电弧物性参数的影响

开关设备(例如高压SF_6断路器)触头表面产生的铜金属蒸气会改变电弧等离子体的物理化学特性。因此在建立考虑金属烧蚀的流体仿真模型之前,需要确定含有金属蒸气的电弧等离子体的性质。文中基于吉布斯自由能最小化原理和Chapman-Enskog理论,计算了SF_6-Cu混合气体电弧在0.6 MPa压强下、温度区间为300~30 000 K时的物性参数,包括平衡态粒子组分、统计热力学参数、输运系数和混合扩散系数,着重分析了铜蒸气浓度(最大90%)对上述物性参数的影响。结果表明少量的铜对物性参数无明显影响,但当铜蒸气浓度达到30%时则会显著改变上述参数。     

高压自能式SF6断路器电弧能量作用过程仿真

建立了高压自能式SR6断路器电弧的磁流体动力学(MHD)数学模型。此模型创新地考虑了传导散热对喷口材料烧蚀。进而对电弧及气流场产生影响，即同时计入了电弧能量以辐射和传导方式烧蚀喷口材料，并考虑了喷口材料烧蚀所产生的蒸气带来的影响。通过对比考虑传导散热与不考虑传导散热两种情况下的开断过程中气流场的分布及变化，深入研究了灭弧室内电弧能量的传递方式。根据文中的计算条件和结果，得出考虑传导散热时，电弧最高温度为不考虑传导散热时的90％。最后，从电弧能量利用角度出发，就灭弧室结构参数对开断性能的影响进行了研究。     

高压直流继电器电弧运动仿真分析与实验研究

电弧是影响高压直流继电器性能的重要因素,研究电弧运动特性及其灭弧措施对提高其电寿命和可靠性具有重要意义。该文基于磁流体动力学(MHD)建立了高压直流继电器电弧等离子体的三维数学模型,对不同外加磁场、不同银蒸气浓度和增设纵向绝缘栅片条件下的电弧运动进行了一系列的仿真计算,得到不同条件下的电弧电压;通过计算弧根的位置坐标对电弧运动进行表征,得到弧根运动曲线。利用高速摄像机拍摄燃弧过程,对仿真结果进行验证。结果表明,触头烧蚀产生的银蒸气不利于电弧的熄灭并阻碍电弧运动;外加磁场作用下触头断开后的一段时间内,电弧在较小范围内做随机运动,是造成烧蚀的主要阶段,增大外加磁场有利于缩短随机运动时间;增设纵向绝缘栅片将提高电弧电压,加快电弧的熄灭。     

小电流下弧根运动对空气直流电弧的影响

阴极弧根为电子发射的主要区域，弧根的运动对空气直流电弧等离子体特性有重要意义。通过电极旋转驱动阴极弧根运动，实验观测得到电极旋转情况下空气直流电弧拉弧过程电极表面烧蚀情况、扭曲的弧柱形态，同时提取并对比了直线拉弧和旋转拉弧的电弧电压上升曲线。参照临界电流试验条件，建立小电流下平行电极间三维电弧仿真模型，探究在小电流情况下，自由燃烧态电弧的演变过程。仿真结果表明：阴极弧根运动使得发射后极间带电粒子空间分布变化，间隙放电通道改变，电弧的最大温度值降低；当电弧放电通道不稳定时，极间电弧电压出现波动，电弧能量包络空间相对变小，间隙中高能粒子较少，有利于电弧能量的空间逸散。     

交流电弧微观动态形成机理及影响因素

为揭示真空电弧的微观动态形成机理及其影响因素,利用气体动力学模型研究真空断路器触头间的电弧形成过程。采用的数学模型包括电子和正负离子漂移扩散方程、微观粒子的碰撞方程及电场的泊松方程。建立触头间距为10 mm,触头间电压分别为工频交流12 k V和400 V的真空断路器简化模型,通过仿真得到工频真空电弧形成过程和鞘层形成过程的电子密度、平均电子能量及碰撞能量损失分布等各项微观参数的时变规律,并计算电子迁移率、金属蒸气压力和初始电子密度对真空电弧形成过程的影响。仿真结果表明:粒子运动速度差异形成的鞘层是电弧形成的基础;高电压、强电场作用促使电子能量产生轴向集中;电子迁移率及金属蒸气压力影响电弧形成过程;而初始电子密度对真空电弧弧前导电通道形成过程的影响可忽略。     

中压气体绝缘金属封闭开关设备泄压孔设计方法研究

为避免内部电弧故障的爆炸危害,保证快速泄压,提出了一种金属封闭开关设备泄压孔的设计方法。笔者分析了Cassie电弧模型和标准计算法,并利用MATLAB软件仿真了开关设备内部电弧故障、压力上升及泄压的过程。通过逐步更改泄压孔尺寸,计算出对应的内部最大过压力,同时结合气箱、支柱绝缘子和动密封处密封圈的强度或接触压力,设计出合适的泄压孔,并加以试验验证。仿真结果接近于试验数据,并通过型式试验的验证。试验结果证明了仿真与设计方法的合理性,不仅提高设备的安全性能,而且缩短新产品开发周期。     

浸铜碳材料与电弧相互作用机理

电弧烧蚀已成为制约浸金属碳材料使用寿命的关键因素。为此采用浸铜碳材料与纯铜电极进行电弧烧蚀实验,研究了浸铜碳材料和电弧相互作用过程及机理,分析了分断电弧燃弧过程及浸铜碳材料在其中的作用,并探讨了电弧烧蚀对浸铜碳材料宏观、微观形貌和成分的影响。研究结果表明,浸铜碳材料中的铜相为电弧的引燃及稳定燃弧过程提供高温金属蒸气,且铜相的大小和分布影响电弧弧根的运动特性。电弧对浸铜碳材料作用区按主要反应的不同可分为烧蚀区和热影响区,这主要与电弧烧蚀下材料表面的温度梯度密切相关。随着电弧弧根的移动,浸铜碳材料表面会发生铜液滴溅射现象,引起材料表面铜相的流失、转化与再分布过程。该研究对探索浸铜碳材料的电弧防护措施,延长其使用寿命,具有一定指导意义。     

真空电弧磁流体动力学模型与仿真研究

以离子与电子的双流体模型以及麦克斯韦方程为基础，推导得到了真空电弧的二维磁流体动力学(MHD)模型。MHD模型中包括质量方程、动量方程、能量方程、麦克斯韦方程和全欧姆定律，通过对这些方程的数值计算，得到了真空电弧等离子体参数与电流密度的分布，文中计算分析了电弧电流、电极间距以及不同分布的纵向磁场对真空电弧等离子体参数与电流密度的影响。     

电弧作用下浸铜碳材料烧蚀过程的数值模拟

电弧侵蚀是影响浸铜碳材料使用寿命的关键因素之一。首先,将电弧等效为高斯分布的热源,基于热传导理论和流体理论,考虑材料相变,探讨了浸铜碳材料的温度变化过程、材料发生相变的熔化-凝固过程;接着,分析了液体表面张力是烧蚀熔池流动的主导因素,影响材料内部的温度分布;最后,考虑浸铜碳材料的蒸发升华,求解了材料表面的形貌及温度分布。仿真研究结果表明:电弧作用下,浸铜碳材料相变形成熔池域,电弧熄灭后,熔池域继续扩大一段时间才逐渐减小;熔池表面散热较内部散热快。液体表面张力导致熔池表面流动,进而加快材料表面散热。电弧持续作用下,浸铜碳材料表面逐渐形成烧蚀熔池和烧蚀凹坑。烧蚀熔池的半径和深度随着时间的变化近似线性增长,材料表面烧蚀凹坑处的温度最高,其值在碳的升华温度附近波动。     

频率对压气式高压SF_6断路器燃弧特性的影响

研究不同频率对高压SF_6断路器开断特性的影响对于提高60 Hz条件下断路器的开断能力具有重要意义。基于此,建立了二维电弧磁流体动力学(MHD)模型,并考虑了电磁场、电弧辐射以及喷口烧蚀的影响,在保证燃弧时间均为17.36 ms条件下,仿真计算了50 Hz和60 Hz电弧的燃弧过程。比较分析了燃弧期间灭弧室的温度和气压分布规律,并研究了不同频率对电弧电压以及喷口烧蚀情况的影响。结果表明:电弧熄灭时刻,50Hz轴向温度低于60 Hz,最大轴向温度差值接近2 200 K,轴向气压略微高于60 Hz,说明50 Hz下的建压效果和过零时刻的气吹冷却效果均优于60 Hz;50 Hz电弧输入总能量和喷口烧蚀质量都少于60 Hz,而在熄弧前的半波,50 Hz比60 Hz喷口烧蚀质量高7.3%,提高了50 Hz下的建压效果;50 Hz情况下的熄弧电压尖峰显著高于60 Hz,说明其介质恢复情况好于60 Hz;从而解释了不同频率对压气式高压SF_6断路器电弧开断特性的影响。     

微型断路器短路开断过程中电极烧蚀特性仿真研究

短路开断过程中电极烧蚀严重影响微型断路器开断性能和使用寿命,因此研究短路开断过程中微型断路器电极烧蚀特性具有重要意义。该文建立了电极烧蚀模型,该模型综合考虑了电极材料相变、电弧与电极表面之间的能量平衡关系以及烧蚀过程中边界的移动问题。测量了电弧在动静触头之间的停滞时间以及电弧电流波形,并基于二者获得了电极烧蚀过程中的电弧电流波形,将该电流波形作为模型的输入电流,利用该文电极烧蚀模型计算了短路电流为3k A时电极的温度分布,烧蚀体积和烧蚀质量,并与实验测得的烧蚀质量数据进行了对比,验证了模型的正确性和有效性。此外,基于该模型分析了短路电流为3k A时电弧停滞时间以及氧化锡质量分数对电极烧蚀质量的影响,结果表明在0.5~1ms范围内随着电弧停滞时间的增加,触头烧蚀质量近似线性增加,并且斜率约为7.06mg/ms;对于氧化锡质量分数分别为8%、10%和12%的银氧化锡材料,随着电极材料中氧化锡质量分数的增加,电极烧蚀质量增加比较平缓,整体上三种不同电极材料的烧蚀质量在4.5~4.8mg之间。     

开关柜铜排故障电弧多物理场仿真分析

<正>开关柜铜排因连接松动、接触不良等原因会产生故障电弧，易诱发电气火灾等安全事故。为研究铜排故障电弧特性，建立了铜排故障电弧的磁流体动力学数学模型，结合实际边界条件，耦合电磁场、流场和温度场，在多物理场仿真软件COMSOL中进行二维建模计算，为开关柜防弧结构及电弧检测方法的研究提供理论依据。