基于FLUENT的低压分断电弧仿真

在计算流体动力学(CFD)商用软件包FLUENT的基础上进行了二次开发,采用了磁流体动力学(MHD)理论,针对低压断路器灭弧室的简化模型,建立了相应的电弧仿真数学模型.对灭弧室内电弧的整个运动过程进行了仿真计算,并分析了电弧运动过程中一些相关量变化.     

基于MHD理论的旋转电弧三维动态仿真及分析

考虑到旋弧负荷开关开断电弧的过程本质上是一个三维现象,文中基于磁流体动力学(MHD)理论,通过对商业计算流体力学软件包FLUENT进行二次开发,建立三维电弧仿真模型,进行三维电弧动态仿真。仿真分析了旋弧负荷开关在燃弧阶段电弧的运动特性以及电流产生的磁场对电弧运动的影响。结果表明:电弧在磁场产生的洛伦兹力的作用下高速旋转,静止的电弧导致灭弧室开断能力低,而电弧的高速旋转则提高了灭弧室的开断能力。电弧运动的实验结果验证了电弧仿真方法的准确性。     

低压断路器电弧仿真试验和研究

介绍了二维电弧磁流体动力学模型的建立方法,分析了产气材料、金属蒸汽、灭弧室结构等不同因素对电弧特性的影响。仿真试验结果验证了仿真方法和模型的正确性,为低压电器灭弧室的优化设计提供了理论基础。     

小型断路器分断电弧运动仿真分析

小型断路器(MCB)灭弧室气流场和电磁场的合理设计对电弧的运动及熄灭至关重要。结合某型号MCB产品的分断性能改进,运用磁流体动力学理论,建立三维仿真模型,定性地计算分析了电弧运动动态过程,优化了灭弧室的结构和磁场设计,并进行了试验验证。结果表明,该仿真方法能够有效指导设计,改进设计方案。     

不同因素对气吹式塑壳断路器开断电弧运动影响的实验研究

设计了用于研究气吹式塑壳断路器开断电弧运动情况影响因素的实验模型。利用具有自聚焦透镜及图形组态功能的二维光纤快速测试系统测取了不同情况下开断10kA预期电流时的电弧电流、电弧电压、灭弧室气压波形，以及开断过程的电弧运动图景。对比研究了灭弧室上下方气体阻尼、栅片结构及产气材料等因素对气吹灭弧性能的影响情况。结果表明，尽可能封闭灭弧室下方出气口，采用短栅片结构和POM与尼龙产气材料均有利于电弧进入灭弧室。     

低压断路器中空气电弧运动的仿真及实验研究

以磁流体动力学(MHD)为基础建立了三维空气电弧等离子体在外部磁场作用下运动时的数学模型。考虑到阴极和阳极各自的特点,提出了更加合理的电流分布边界条件;采用一种与电弧等离子体自身电导率密切相关的方法确定电弧的弧根位置。利用基于有限容积法的商业软件对上述模型进行求解,并利用高速数字摄像机进行了相关的实验,对仿真结果进行验证,充分证明模型的有效性,揭示了空气电弧在外部磁场作用下,在低压断路器的灭弧室中的运动规律,并指出压力波在灭弧室中的传播和反射是产生这种运动规律的原因。此外,对阴极喷流所形成的双漩涡和电弧等离子体后部的“尾巴”这2种物理现象进行了详细的描述。     

低压开关电器稳态电弧特性的仿真

研究了低压开关电器稳态电弧特性仿真。在磁流体动力学基础上,针对低压断路器简化灭弧室建立了稳态空气电弧等离子体模型,并引入了P1辐射模型进行仿真分析,分析了低压稳态空气电弧等离子体内各项参数的分布。该成果为电弧等离子体动态特性研究提供了帮助。     

直流接触器分断过程中弧根演变及对重燃的影响分析

直流接触器灭弧室中弧根的演变对其开断性能有重要的影响。该文搭建实验平台,采用高速相机拍摄了磁场作用下金属栅片式直流接触器开断过程中的弧根转移过程,并基于磁流体动力学理论,建立空气电弧数学模型,对电弧等离子体鞘层进行假设,并且在计算中耦合分断回路方程。通过对温度场、电流密度、电导率和气压分布的仿真分析,得到分断过程中弧根转移产生的根本原因,在现有的仿真条件下研究分断速度、差异外施横向磁场对弧根演变规律的影响。结果表明:在一定范围内,灭弧室入口区磁场大于栅片区时,弧根转移加速,熄弧时间缩短;由于灭弧室入口两侧气流漩涡的存在,当分断速度较小时,阳极弧根运动至引弧片时会出现停滞现象,该停滞现象随着分断速度的增大而消失,并且燃弧时间缩短,仿真与实验观测结果较为一致。本文的研究对提高直流接触器分断能力,优化灭弧室结构具有一定的意义。     

空气开关电弧仿真技术及其应用的研究

通过仿真技术研究了空气开关电器中空气电弧。建立了电弧磁流体动力学（MHD）模型,并求解模型控制方程,分析了电弧运动、触头打开、电弧转移等过程。该项研究可为开关电器产品的优化设计提供理论参考。     

小型断路器灭弧室气流场分析与设计应用

断路器产品的灭弧室结构设计对有效灭弧至关重要。针对某小型断路器产品灭弧室设计,建立简化三维气流仿真模型,并进行气流场动态仿真。结合试验观测,定性分析了电流分断过程中弧根停滞与气体回流等现象。在此基础上,对小型断路器灭弧室出气口进行了仿真分析与设计改进,有效改善了灭弧室气流特性,提升了小型断路器分断性能。     

空气开关电弧的磁流体动力学建模及特性仿真

考虑电弧的物理参数以及电磁、热和辐射等现象,通过对商用计算流体力学软件FLUENT进行二次开发,建立了空气开关电弧等离子体的二维磁流体动力学(MHD)数学模型。然后仿真分析了电弧半径、电场强度与电流之间的关系,以及外部磁场对电弧运动过程的影响。同时完成了相关的实验研究。结果表明随着电流的增大,电弧半径将受到器壁宽度的限制;电流对电场强度的影响很小;外部磁场在加速电弧运动的同时,产生的"磁压"会导致电弧高温区不断被压缩以及局部压力的升高。     

低压电器空气灭弧室气流场特性的仿真研究

采用Fluent软件建立空气灭弧室气流场分析的二维模型，针对具有不同栅片结构的空气灭弧室内部气流场进行仿真，分析出气孔结构、栅片形状、栅片相对位置等因素对灭弧室气流场特性的影响。在此基础上，针对当前空气灭弧室结构存件的问题，对电弧入口处的栅片结构以及下引弧片与第一栅片的相对位置进行优化设计，经多次修正后得到较为理想的空气灭弧室结构。仿真结果为低压空气灭弧室结构的优化设计提供了理论依据。     

弧触头烧蚀程度对灭弧室内短路开断过程多物理场的影响

为研究SF6断路器开断过程中弧触头烧蚀程度对灭弧室内多物理场变化的影响,建立了弧触头接触行程分别减小0、5、10和15Smm下灭弧室内开断过程的多物理场耦合仿真模型,获得了短路电流开断过程中灭弧室内温度、气流和电场分布特性。计算结果表明：开断过程中,弧道最高温度出现在弧根处,其值随弧触头烧蚀程度变化不大;随着弧触头烧蚀程度的加剧,SF6气体最高速度不断减小,吹弧效果减弱;最大场强集中在静弧触头端部或动弧触头弧角处,且随弧触头烧蚀程度加剧而畸变更严重。基于此,根据流注理论的气体击穿判据计算了不同弧触头烧蚀程度下SF6介质恢复特性,发现当弧触头接触行程减小15 mm时,临界击穿电压低于瞬态恢复电压,触头间隙可能再次击穿造成电弧重燃。研究结果可为SF6断路器电寿命退化机理提供理论支撑。     

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。     

大容量SF6压气式断路器灭弧室中 瞬态热气流场的数值模拟

提出了一种分析发生在压气式断路器开断过程中灭弧室中气体流动的计算模型。并用一种新的差分法即改进型FLIC法编制程序计算了550kV双断口压气式SF     

特高压直流转换开关MRTB电弧特性仿真与实验研究

针对特高压直流转换开关MRTB,基于磁流体动力学理论建立了MRTB开断的燃弧过程数学模型。从电弧的物理过程出发,耦合了外部电路与机械运动对电弧的影响,实现了对MRTB灭弧室内电弧自激振荡的动态过程仿真计算。获得了开断中,SF6电弧温度压力等分布的内部动态过程以及电弧电压与振荡电流随时间变化的曲线,并进行了实验验证。研究工作可以应用于分析转换开关自激振荡中的电弧物理过程、研究不同电路参数的影响、优化断路器的灭弧室设计等方面,为特高压直流转换开关MRTB的研制与优化奠定了理论基础。     

低压断路器灭弧室中磁驱电弧的数学模型

针对低压断路器灭弧室中的磁驱电弧建立了链式电弧数学模型。模型中结合激波理论研究了电弧的运动,并利用控制容积法结合能量平衡方程对电弧的径向温度分布进行了计算。结果表明,应用这一电弧数学模型可以准确的模拟电弧的开断过程,方便地计算电弧的特性参数。     

Computational investigation of the magnetic-field distribution in a 145-kV/40-kA rotary-arc circuit breaker

Rotary-arc circuit breakers (CBs) rely on an externally imposed magnetic field to move the arc column in the arcing chamber, hence reducing contact erosion and enhancing the interruption capability. The three-dimensional computation of the magnetic field was carried out for a prototype 145-kV/40-kA rotary-arc CB and the influencing parameters were identified. It is shown that the presence of an arc column in the arcing chamber, whether at high or low currents, does not impose significant distortion to the magnetic field that has a dominant component in the axial direction and for design purposes, its effects can be neglected. Strong eddy current is induced in the ring-shaped copper arc runner distorting the local magnetic field. Reducing the electrical conductivity of the arc runner material by a factor of three, effectively suppresses the influence of this eddy current on the magnetic field. The assumption of a steadily alternating magnetic field lagging the exciting ac current by a fixed phase angle may not be safe in the design of such CBs since the phase angle varies remarkably in the arcing chamber and the transient effects of exciting current can significantly affect the magnetic field for a period of up to 5 ms.