基于mhd的低壓斷路器滅弧室電弧仿真建模

基于mhd的低壓斷路器滅弧室電弧仿真建模

0模型的建立和應(yīng)用在低壓行業(yè)，當(dāng)開關(guān)接觸頭打開時(shí)，弧源會(huì)移動(dòng)到圓弧的一部分，并最終停止。因此,研究分?jǐn)嚯娀〉倪\(yùn)動(dòng)特性對(duì)低壓斷路器的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)具有重要的意義。由于電弧的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)涉及到電場(chǎng)、磁場(chǎng)、熱場(chǎng)及流場(chǎng)變化的復(fù)雜過(guò)程,因而幾十年來(lái)大多數(shù)關(guān)于電弧的研究都是以實(shí)驗(yàn)作為基礎(chǔ)。近年來(lái),隨著計(jì)算機(jī)性能的提高和軟件技術(shù)的發(fā)展,分?jǐn)嚯娀〉姆抡娌懦蔀榭赡?。到目前為?國(guó)外的學(xué)者在分?jǐn)嚯娀〉姆抡婀ぷ鞣矫嬉恢弊咴谇把?。文獻(xiàn)采用了二維電弧仿真模型,但它沒(méi)有考慮電弧的運(yùn)動(dòng)過(guò)程和外加磁場(chǎng)因素的影響;文獻(xiàn)中對(duì)穩(wěn)態(tài)電弧和動(dòng)態(tài)電弧分別進(jìn)行了仿真,并且介紹了不同介質(zhì)下的開斷電弧動(dòng)態(tài)特性,但其電極邊界上的電流密度是一個(gè)關(guān)于二維電極面坐標(biāo)的指數(shù)分布,與電極和滅弧室內(nèi)溫度沒(méi)有關(guān)系,且其電極溫度恒定不變;文獻(xiàn)較為全面地介紹了包括電極在內(nèi)的電弧仿真模型,給出了電弧動(dòng)態(tài)分析的詳細(xì)結(jié)果,但沒(méi)有給出不同外加磁場(chǎng)下電弧動(dòng)態(tài)特性。本文基于MHD理論,將氣流場(chǎng)、熱場(chǎng)及電磁場(chǎng)耦合在一起,考慮了它們相互之間復(fù)雜的作用過(guò)程,建立了三維電弧動(dòng)態(tài)模型。MHD理論以整個(gè)滅弧室為研究對(duì)象,更加符合分?jǐn)嚯娀〕錆M滅弧室的實(shí)際情況,故能較好地模擬出電弧的物理性質(zhì)。模型方程的給出采用有限容積法(FVM)。FVM導(dǎo)出的離散方程組可以保證具有守恒特性,而且離散方程系數(shù)的物理意義明確,是目前流動(dòng)與傳熱問(wèn)題的數(shù)值計(jì)算中應(yīng)用最廣的一種方法。由于實(shí)際低壓斷路器滅弧室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)復(fù)雜,為了便于分析,國(guó)內(nèi)外通用的方法是采用簡(jiǎn)化的滅弧室模型。本文3D簡(jiǎn)化滅弧室?guī)缀文Ｐ偷慕⒑推史衷贕AMBIT2.0軟件中完成;由于FLUENT軟件擁有豐富的物理模型和先進(jìn)的數(shù)值計(jì)算方法,能模擬流體流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)和其他復(fù)雜的物理現(xiàn)象,其網(wǎng)格處理功能尤為強(qiáng)大,接口函數(shù)的使用也較為方便,便于進(jìn)行二次開發(fā)。因此,本文以商用流體計(jì)算軟件FLUENT6.1為計(jì)算平臺(tái),求解電弧中流場(chǎng)和電磁場(chǎng)的相關(guān)耦合問(wèn)題。由于本文關(guān)注的是電弧的運(yùn)動(dòng)過(guò)程,沒(méi)有考慮電極的打開及電弧的熄滅過(guò)程,僅考慮電弧的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。1低能耗電網(wǎng)動(dòng)態(tài)模擬模型的構(gòu)建1.1系統(tǒng)模型的建立本文仿真內(nèi)容為低壓斷路器滅弧室內(nèi)電弧等離子體的運(yùn)動(dòng)特性,并以整個(gè)滅弧室為仿真對(duì)象。然而實(shí)際低壓斷路器滅弧室較為復(fù)雜,為了便于物理仿真模型的建立,采用了簡(jiǎn)化實(shí)際滅弧室模型。圖1為本文研究的對(duì)象——簡(jiǎn)化的滅弧室?guī)缀文Ｐ?。長(zhǎng)度為45mm,高和寬約為7.8mm,模型上下為電極,仿真中電極上流過(guò)500A的直流電流。中間空氣部分被四壁包圍,其中一端裝有絕緣柵片,柵片之間留有一個(gè)出氣孔。1.2導(dǎo)電流體的仿真過(guò)程在研究電弧等離子體的宏觀運(yùn)動(dòng)時(shí),常把它作為特殊的流體來(lái)處理,其特點(diǎn)在于該流體帶有導(dǎo)電的粒子,故而為一種導(dǎo)電流體。該流體的物性參數(shù)主要有密度、粘性系數(shù)、熱導(dǎo)率、定壓比熱、電導(dǎo)率,它們都是關(guān)于溫度和壓力的函數(shù)。由于電弧動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的電磁過(guò)程,為了減小仿真的復(fù)雜性,本文在仿真過(guò)程中引入了一些用來(lái)簡(jiǎn)化問(wèn)題的假設(shè):(1)認(rèn)為沒(méi)有空間電荷層,即不考慮電極附近的空間電荷層。(2)忽略電極損耗和器壁損耗。1.3為應(yīng)對(duì)電弧動(dòng)態(tài)模型mwd的方程磁流體動(dòng)力學(xué)是在流體力學(xué)和電磁學(xué)基礎(chǔ)上研究導(dǎo)電流體的學(xué)科,它通常包括了流體動(dòng)力學(xué)方程組和與電磁場(chǎng)相關(guān)的麥克斯韋方程組。(1)質(zhì)量常數(shù)守固定公式?ρ?t+div(ρV)=0(1)?ρ?t+div(ρV)=0(1)(2)動(dòng)物gradi的合成?(ρυt)?t+div(ρυiV)=?div(ηgradυi)+Si(2)?(ρυt)?t+div(ρυiV)=-div(ηgradυi)+Si(2)(3)能量守固定公式(4)現(xiàn)場(chǎng)公式div(σgrad?)=0(4)J=σE}div(σgrad?)=0(4)J=σE}(5)磁體計(jì)算div(gradAi)=?μji(5)B=?×A(6)div(gradAi)=-μji(5)B=?×A(6)1.4電極熱發(fā)射材料的計(jì)算邊界由于本文的計(jì)算涉及流場(chǎng)和電磁場(chǎng),故邊界條件包括了流場(chǎng)邊界條件和電磁場(chǎng)邊界條件。流場(chǎng)中速度邊界的處理按照流場(chǎng)計(jì)算的通用處理方法,即認(rèn)為面壁為無(wú)滑移的邊界;本文設(shè)出氣口壓力值為一個(gè)大氣壓的壓力出口條件;壁面溫度邊界以及電弧與電極之間的傳熱均采用一維傳熱公式:q=?λˉgradT(7)q=-λˉgradΤ(7)電場(chǎng)的計(jì)算邊界按照電流密度來(lái)定義,由于電極/電弧界面處的實(shí)際電流密度不易確定,本文按照熱發(fā)射原理給定弧根處電流密度ji∝T2iexp(?WKBTi)(8)ji∝Τi2exp(-WΚBΤi)(8)式中Ti——電極/電弧界面上相應(yīng)單元溫度值W——電極材料的工作函數(shù)值KB——波耳茲曼常數(shù)由于在本文計(jì)算電流下,電弧弧根的直徑在陰極和陽(yáng)極處相差不大,故本文在計(jì)算中認(rèn)為陰極和陽(yáng)極處具有相同的電流密度。磁場(chǎng)的邊界本文人為地?cái)U(kuò)大了模型的邊界,并認(rèn)為擴(kuò)大邊界處為零的磁矢位。1.5計(jì)算數(shù)值的方法本文在FLUENT軟件包的基礎(chǔ)上進(jìn)行了二次開發(fā),使用了Couple方法對(duì)滅弧室中流場(chǎng)、電磁場(chǎng)進(jìn)行了求解,求解流程如圖2所示。2低壓電壓動(dòng)態(tài)模擬的結(jié)果和分析2.1縱向截面溫度分布圖3為計(jì)算電流為500A、外加磁場(chǎng)為-10mT和出氣口全開放時(shí),不同時(shí)間情況下滅弧室縱向截面溫度分布情況。由圖可見,電弧起始速度較小,隨著時(shí)間的增加,電弧運(yùn)動(dòng)速度也相應(yīng)增加?；≈鶞囟冗_(dá)到近30000K,并且在靠近電極位置處具有最高的溫度。這主要是由于電極處的電流密度較大,造成了局部很大的焦耳熱,使得該處的溫度較其他位置的要高。2.2等離子體噴流對(duì)弧室的影響對(duì)應(yīng)于圖3情況下0.6ms時(shí)刻,滅弧室內(nèi)的氣流場(chǎng)如圖4所示。可以看出,滅弧室中存在著等離子體噴流,分別由陽(yáng)極噴流和陰極噴流組成。噴流由電極區(qū)域流向滅弧室中間位置,并且陽(yáng)極噴流和陰極噴流相碰,最終電弧在滅弧室中間形成一個(gè)圓盤狀,這在圖3溫度分布中可以看出。整個(gè)噴流的最大速度達(dá)到519m/s左右。2.3電極周邊壓力圖5為滅弧室在0.6ms時(shí)的壓強(qiáng)分布?？梢钥闯?弧柱區(qū)域的壓強(qiáng)相對(duì)較大,尤其是在電極附近壓力最大,這主要是由于電極附近區(qū)域的弧柱溫度相對(duì)較高。電極附近大的壓強(qiáng)也是造成陰極噴流和陽(yáng)極噴流的主要原因之一。同時(shí),由于出氣口的存在使得外界與滅弧室內(nèi)部相連,滅弧室內(nèi)的壓強(qiáng)最大值為0.11MPa。2.4磁場(chǎng)的影響在不同磁場(chǎng)和出口條件下,電弧的運(yùn)動(dòng)情況也不同,隨著磁場(chǎng)的增加,電弧運(yùn)動(dòng)速度增大,運(yùn)動(dòng)時(shí)間減小。然而出氣口面積的增大也會(huì)導(dǎo)致電弧運(yùn)動(dòng)變快,然而隨著出氣口面積的增大,電弧運(yùn)動(dòng)的變化程度也越來(lái)越小,最終基本不變。3仿真結(jié)果參數(shù)分析本文采用了MHD理論,以FLUENT6.1軟件包為計(jì)算平臺(tái),建立了低壓簡(jiǎn)化滅弧室內(nèi)電弧運(yùn)動(dòng)的仿真模型,給出了相關(guān)仿真結(jié)果參