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，弧源會移動到圓弧的一部分，并最終停止。因此,研究分?jǐn)嚯娀〉倪\動特性對低壓斷路器的設(shè)計來說具有重要的意義。由于電弧的運動是一個涉及到電場、磁場、熱場及流場變化的復(fù)雜過程,因而幾十年來大多數(shù)關(guān)于電弧的研究都是以實驗作為基礎(chǔ)。近年來,隨著計算機(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,但它沒有考慮電弧的運動過程和外加磁場因素的影響;文獻(xiàn)中對穩(wěn)態(tài)電弧和動態(tài)電弧分別進(jìn)行了仿真,并且介紹了不同介質(zhì)下的開斷電弧動態(tài)特性,但其電極邊界上的電流密度是一個關(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,給出了電弧動態(tài)分析的詳細(xì)結(jié)果,但沒有給出不同外加磁場下電弧動態(tài)特性。本文基于MHD理論,將氣流場、熱場及電磁場耦合在一起,考慮了它們相互之間復(fù)雜的作用過程,建立了三維電弧動態(tài)模型。MHD理論以整個滅弧室為研究對象,更加符合分?jǐn)嚯娀〕錆M滅弧室的實際情況,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,是目前流動與傳熱問題的數(shù)值計算中應(yīng)用最廣的一種方法。由于實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,國內(nèi)外通用的方法是采用簡化的滅弧室模型。本文3D簡化滅弧室?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)值計算方法,能模擬流體流動、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,本文以商用流體計算軟件FLUENT6.1為計算平臺,求解電弧中流場和電磁場的相關(guān)耦合問題。由于本文關(guān)注的是電弧的運動過程,沒有考慮電極的打開及電弧的熄滅過程,僅考慮電弧的運動過程。1低能耗電網(wǎng)動態(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)電弧等離子體的運動特性,并以整個滅弧室為仿真對象。然而實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,采用了簡化實際滅弧室模型。圖1為本文研究的對象——簡化的滅弧室?guī)缀文Ｐ汀ｉL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,柵片之間留有一個出氣孔。1.2導(dǎo)電流體的仿真過程在研究電弧等離子體的宏觀運動時,常把它作為特殊的流體來處理,其特點在于該流體帶有導(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)。由于電弧動態(tài)運動過程是一個復(fù)雜的電磁過程,為了減小仿真的復(fù)雜性,本文在仿真過程中引入了一些用來簡化問題的假設(shè):(1)認(rèn)為沒有空間電荷層,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)對電弧動態(tài)模型mwd的方程磁流體動力學(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力學(xué)方程組和與電磁場相關(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)場公式div(σgrad?)=0(4)J=σE}div(σgrad?)=0(4)J=σE}(5)磁體計算div(gradAi)=?μji(5)B=?×A(6)div(gradAi)=-μji(5)B=?×A(6)1.4電極熱發(fā)射材料的計算邊界由于本文的計算涉及流場和電磁場,故邊界條件包括了流場邊界條件和電磁場邊界條件。流場中速度邊界的處理按照流場計算的通用處理方法,即認(rèn)為面壁為無滑移的邊界;本文設(shè)出氣口壓力值為一個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)電場的計算邊界按照電流密度來定義,由于電極/電弧界面處的實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)由于在本文計算電流下,電弧弧根的直徑在陰極和陽極處相差不大,故本文在計算中認(rèn)為陰極和陽極處具有相同的電流密度。磁場的邊界本文人為地擴(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方法對滅弧室中流場、電磁場進(jìn)行了求解,求解流程如圖2所示。2低壓電壓動態(tài)模擬的結(jié)果和分析2.1縱向截面溫度分布圖3為計算電流為500A、外加磁場為-10mT和出氣口全開放時,不同時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,隨著時間的增加,電弧運動速度也相應(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等離子體噴流對弧室的影響對應(yīng)于圖3情況下0.6ms時刻,滅弧室內(nèi)的氣流場如圖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,并且陽極噴流和陰極噴流相碰,最終電弧在滅弧室中間形成一個圓盤狀,這在圖3溫度分布中可以看出。整個噴流的最大速度達(dá)到519m/s左右。2.3電極周邊壓力圖5為滅弧室在0.6ms時的壓強(qiáng)分布。可以看出,弧柱區(qū)域的壓強(qiáng)相對較大,尤其是在電極附近壓力最大,這主要是由于電極附近區(qū)域的弧柱溫度相對較高。電極附近大的壓強(qiáng)也是造成陰極噴流和陽極噴流的主要原因之一。同時,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磁場的影響在不同磁場和出口條件下,電弧的運動情況也不同,隨著磁場的增加,電弧運動速度增大,運動時間減小。然而出氣口面積的增大也會導(dǎo)致電弧運動變快,然而隨著出氣口面積的增大,電弧運動的變化程度也越來越小,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軟件包為計算平臺,建立了低壓簡化滅弧室內(nèi)電弧運動的仿真模型,給出了相關(guān)仿真結(jié)果參