曹云東 劉 陽(yáng) 劉曉明 王爾智 付 思

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院 沈陽(yáng) 110178）

1 引言

隨著高壓輸電線路電壓等級(jí)的逐漸提高，為適應(yīng)SF6斷路器向特高壓領(lǐng)域發(fā)展及提高開斷容量、電器設(shè)備小型化的發(fā)展[1-5]，本文提出旋氣吹弧技術(shù)[6]，研究旋氣結(jié)構(gòu)對(duì)開斷能力的影響，給出了旋氣噴口設(shè)計(jì)方法，豐富旋氣吹弧設(shè)計(jì)理論。由于旋氣槽的存在，使SF6氣體在吹到電弧之前，將軸向運(yùn)動(dòng)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。從軸向看，氣流不再垂直于平面往外射出，而是沿軸向呈一定旋轉(zhuǎn)角度向所在的電弧區(qū)域流動(dòng)。

斷路器的介質(zhì)恢復(fù)特性由滅弧室內(nèi)的電場(chǎng)和流場(chǎng)兩個(gè)因素決定，對(duì)SF6高壓斷路器的研究可歸結(jié)為如何提高斷路器開斷時(shí)實(shí)際的介質(zhì)恢復(fù)特性。本文著重研究噴口上游內(nèi)腔平直段增開的旋氣曲線槽給滅弧室內(nèi)氣流場(chǎng)帶來(lái)的影響。旋氣SF6高壓斷路器是在斷路器噴口處構(gòu)造眾多凹槽，令氣流在吹弧過(guò)程中能夠自能地旋轉(zhuǎn)起來(lái)[6]，加快熄弧。開斷過(guò)程中依靠高速流動(dòng)的氣流吹弧和拉弧，將電弧能量輸運(yùn)出去，在電流過(guò)零時(shí)，將電弧熄滅。本文在保證滅弧室內(nèi)氣體流量不變情況下，改變旋氣槽的槽數(shù)，得到不同旋氣結(jié)構(gòu)的速度變化規(guī)律，并著重研究旋氣槽對(duì)氣流切向速度的影響，為SF6高壓斷路器噴口的優(yōu)化設(shè)計(jì)及滅弧室小型化設(shè)計(jì)，為開發(fā)新型旋氣式SF6斷路器提供依據(jù)和設(shè)計(jì)方法。

2 三維氣流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

SF6高壓斷路器開斷過(guò)程中吹弧氣體的流動(dòng)是一種非定常、有粘可壓縮流動(dòng)，而且流動(dòng)過(guò)程中氣流場(chǎng)域的邊界是變動(dòng)的[7-10]。計(jì)算斷路器流場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型采用可壓縮N-S 方程[11-14]：

（1）連續(xù)方程

（2）運(yùn)動(dòng)方程

軸向動(dòng)量守恒 徑向動(dòng)量守恒

（3）能量方程

（4）氣體狀態(tài)方程

式中 ρ,p,T ——?dú)怏w密度，壓力和溫度；

vr,vz——?dú)怏w軸向速度和徑向速度；

λ——導(dǎo)熱系數(shù)；

R——?dú)怏w常數(shù)；

γ E2-η ——考慮電弧影響的源項(xiàng)；

w——單位質(zhì)量的總內(nèi)能。

（5）本構(gòu)方程

式中 σij—粘性應(yīng)力張量的各個(gè)分量；

μ——粘度。

3 氣流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算

SF6斷路器氣流場(chǎng)屬于可壓縮、非定常、有黏性、跨音速的流場(chǎng)問(wèn)題，且在開斷過(guò)程中存在湍流和激波等復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象，在開斷電弧時(shí)，超音速氣流對(duì)電弧弧柱起著控制作用，由此可見SF6斷路器滅弧室內(nèi)的結(jié)構(gòu)對(duì)氣流場(chǎng)影響是至關(guān)重要[15-17]的。

本文以110kV SF6斷路器為研究對(duì)象，總行程為130mm，超程為24mm，分?jǐn)鄷r(shí)間為16ms，滅弧室充壓0.5MPa，針對(duì)于氣體通道噴口上游增開的旋氣槽對(duì)氣流場(chǎng)影響，進(jìn)行了不同開距下的氣流場(chǎng)仿真，進(jìn)行不同滅弧室結(jié)構(gòu)氣流速度參數(shù)隨時(shí)間及空間動(dòng)態(tài)變化的研究。滅弧室基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 110kV 斷路器流場(chǎng)計(jì)算結(jié)構(gòu)示意圖 1—壓氣缸 2—?jiǎng)踊∮|頭 3—靜弧觸頭 4—噴口 Fig.1 Structure of arc quenching chamber of 110kV SF6 circuit breaker

3.1 旋氣槽結(jié)構(gòu)對(duì)氣流運(yùn)動(dòng)的影響

新型噴口設(shè)計(jì)滿足如下條件：①基本保持噴口平直段外徑尺寸不變；②保證噴口具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度；③在開槽后使流體通過(guò)氣隙和槽的總截面積與原來(lái)氣隙的截面積大致相同。圖2 所示為有旋氣槽的噴口三維模型，噴口上游內(nèi)腔槽數(shù)18 個(gè)，梯形槽與主軸偏25°。

圖2 新型旋氣式SF6 斷路器噴口旋氣槽結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.2 Structure diagram of novel nozzle with rotary-gas grooves

如圖3 所示，由于噴口上游增開曲線槽，SF6氣體在吹到電弧之前，將軸向運(yùn)動(dòng)吹弧變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)吹弧，且旋轉(zhuǎn)氣流立刻進(jìn)入電弧所在區(qū)域，加速了電弧能量擴(kuò)散，從而通過(guò)改進(jìn)噴口上游結(jié)構(gòu)，提高斷路器熄弧能力。

圖3 無(wú)槽和有槽情況下動(dòng)觸頭端部截面上的 速度分布圖 Fig.3 Velocity distribution in the arc-quenching chamber and movable contact section of different structures

圖4 為吹弧氣體粒子運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖，從軸向看，氣流不再垂直于平面往外射出，而是沿軸向呈一定旋轉(zhuǎn)角度向電弧區(qū)域流動(dòng)，有別于傳統(tǒng)的軸向吹弧方式，有利于電弧能量的耗散。

圖4 無(wú)槽和有槽結(jié)構(gòu)粒子速度軌跡圖 Fig.4 Trace of particles in flow field of different structures

3.2 旋氣槽結(jié)構(gòu)對(duì)速度場(chǎng)的影響

為研究斷路器中速度場(chǎng)分布情況，將各點(diǎn)速度分解為三個(gè)速度分量：軸向、徑向、切向。在旋氣式斷路器中，這三個(gè)速度中切向分量速度最重要。因?yàn)榍邢蛩俣葲Q定著滅弧室中氣體旋轉(zhuǎn)強(qiáng)弱，切向速度可以產(chǎn)生離心力，旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的力可以使電弧隨之旋轉(zhuǎn)，破壞電弧的穩(wěn)定性，提高斷路器的拉弧和吹弧能力。

在噴口上游中選取一個(gè)有代表性的點(diǎn)，進(jìn)行氣流場(chǎng)參數(shù)的比較。截點(diǎn)位置如圖5 所示。

圖5 滅弧室內(nèi)截點(diǎn)位置示意圖 Fig.5 Structural diagram with the point in the arc-quenching chamber

在不同的吹弧方式下，氣流場(chǎng)絕對(duì)速度以及各速度分量值比較見表1。

表1 有、無(wú)旋氣槽截點(diǎn)速度值 Tab.1 Velocity of the point of different structures （單位：m/s）

由表1 可見：在小開距下，有槽結(jié)構(gòu)的絕對(duì)速度小于無(wú)槽結(jié)構(gòu)的絕對(duì)速度，這是因?yàn)樾￠_距下，從壓氣缸流入滅弧室內(nèi)的氣體有限，旋氣槽這時(shí)未表現(xiàn)出明顯的旋氣作用，反而加長(zhǎng)了氣體流動(dòng)的路徑，則使得有槽結(jié)構(gòu)的絕對(duì)速度較小。當(dāng)開距增大，滅弧室內(nèi)氣體迅速增加，從壓氣缸流入的高速氣體流經(jīng)噴口上游，旋氣槽旋氣作用明顯，氣體高速旋轉(zhuǎn)，各個(gè)方向的速度分量合成，使得有槽結(jié)構(gòu)的絕對(duì)速度加大。由上表反映出，其中速度切向分量，表現(xiàn)的尤為突出，隨著旋氣作用的增強(qiáng)，有槽結(jié)構(gòu)的切向速度分量有著明顯的提升。圖6 所示，在開斷過(guò)程中，兩種不同結(jié)構(gòu)的切向速度變化曲線圖。

圖6 有槽和無(wú)槽結(jié)構(gòu)切向速度隨開距變化對(duì)比 Fig.6 Comparison of the tangential velocity variation of different structures during the opening stroke

在整個(gè)開斷過(guò)程中，該截點(diǎn)有槽結(jié)構(gòu)切向速度值明顯高于無(wú)旋氣槽結(jié)構(gòu)。較大的切向速度使電弧能量消散，說(shuō)明有槽結(jié)構(gòu)能夠更好的吹弧，快速帶走能量。

雖然氣體切向速度大，由能量守恒原理，必然會(huì)對(duì)軸向、徑向速度也有一定影響。在整個(gè)開斷過(guò)程中，該截點(diǎn)上有槽結(jié)構(gòu)徑向速度值小于無(wú)旋氣槽結(jié)構(gòu)，如圖7 所示。

圖7 有槽和無(wú)槽結(jié)構(gòu)徑向速度隨開距變化對(duì)比 Fig.7 Comparison of the radial velocity variation of different structures during the opening stroke

從上述分析可得到，旋氣噴口結(jié)構(gòu)既可保持氣體徑向速度無(wú)大的減小，又可產(chǎn)生很強(qiáng)的切向速度分量，從而使得在原斷路器結(jié)構(gòu)尺寸無(wú)大更改的前提下提高開斷能力。

4 不同槽數(shù)的旋氣槽對(duì)氣流場(chǎng)切向速度的影響

保證流量不變，旋氣槽傾角為25°和開槽的深度不變的情況下，本文建立了五種不同旋氣槽數(shù)的高壓SF6斷路器滅弧室模型，對(duì)其滅弧室結(jié)構(gòu)內(nèi)的氣流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬與分析，得到旋氣槽數(shù)對(duì)斷路器滅弧室氣流場(chǎng)的影響規(guī)律。

曲線槽旋氣吹弧增大了切向速度分量，較大的切向速度使電弧能量更易動(dòng)蕩消散，有利于電弧能量的耗散。由圖8 可看出，在流量不變條件下，18槽結(jié)構(gòu)的切向速度最大，16 槽、14 槽、12 槽依次減小，8 槽結(jié)構(gòu)切向速度最小。說(shuō)明槽數(shù)多，切向速度增大。

切向速度大小決定著滅弧室中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)作用的強(qiáng)弱。圖9 所示為不同槽數(shù)結(jié)構(gòu)動(dòng)觸頭端部截面上的速度矢量分布圖，以8 個(gè)旋氣槽和18 槽結(jié)構(gòu)斷路器為例，分析表明槽數(shù)越多氣體旋弧能力越強(qiáng)。氣體旋轉(zhuǎn)作用強(qiáng)，可以在短時(shí)間內(nèi)帶走更多的電弧能量，有利于電弧熄滅。

圖8 五種不同結(jié)構(gòu)切向速度隨開距變化的曲線 Fig.8 Tangential velocity variation among five different grooved structures during the opening stroke

圖9 不同槽數(shù)結(jié)構(gòu)動(dòng)觸頭端部截面上的速度分布圖 Fig.9 Velocity distribution of movable contact section of different grooves

8 槽和18 槽結(jié)構(gòu)噴口上游槽截面及槽中氣流場(chǎng)分布如圖10 所示。8 槽結(jié)構(gòu)在溝槽中存在無(wú)規(guī)則的小型氣體環(huán)流，從而增加氣流通過(guò)溝槽區(qū)域阻力，使氣流能量減弱，吹弧效果差。

槽數(shù)少的結(jié)構(gòu)，SF6氣體在旋氣槽內(nèi)流動(dòng)速度發(fā)生差別，在切向速度方向上產(chǎn)生一個(gè)漸變的速度場(chǎng)，速度梯度大。當(dāng)SF6氣體具有速度梯度時(shí)，產(chǎn)生了黏性力，該力隨速度梯度的加大而增大，從而導(dǎo)致槽數(shù)少的結(jié)構(gòu)切向速度小，正如圖10 局部放大圖示，8 槽結(jié)構(gòu)切向速度較18 槽結(jié)構(gòu)小。

5 不同槽數(shù)的旋氣槽對(duì)氣流場(chǎng)質(zhì)量流量的影響

如表2 所示，16 個(gè)槽、14 個(gè)槽、12 個(gè)槽和8個(gè)槽的斷口間質(zhì)量流量幾乎相等，只有18 個(gè)槽的質(zhì)量流量最低。在保證氣體流量不變情況下，同時(shí)在噴口上游增開不同數(shù)量的旋氣槽，旋氣槽的數(shù)量越多，槽型的截面積相對(duì)越小，而槽型截面積越小阻力越大，從而降低了旋氣槽內(nèi)氣體流量。通過(guò)以上分析表明，槽數(shù)多可以增大旋轉(zhuǎn)作用，但質(zhì)量流量卻得不到提高。

表2 不同槽數(shù)質(zhì)量流量隨開距變化比較 Tab.2 Mass flow rate of different grooved structures during opening stroke （單位：kg/s）

6 結(jié)論

本文結(jié)合高壓SF6斷路器滅弧室跨音速氣流流動(dòng)特點(diǎn)，基于N-S 方程，采用有限體積方法進(jìn)行有旋氣結(jié)構(gòu)的高壓斷路器氣流場(chǎng)數(shù)值求解。研究結(jié)果表明，旋氣槽的存在對(duì)斷口間速度有明顯的提高，有助于提高斷路器的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度。

通過(guò)對(duì)不同槽數(shù)下旋氣槽氣流場(chǎng)動(dòng)態(tài)仿真，仿真結(jié)果表明，槽數(shù)越多，槽型截面積相對(duì)減小，阻力增大，斷口間質(zhì)量流量減小。但由于其旋轉(zhuǎn)作用最強(qiáng)，切向速度最大，短時(shí)間內(nèi)又可以帶走更多的電弧能量。所以過(guò)多或過(guò)少的槽數(shù)均不好，需要綜合多方面因素確定最佳的噴口旋氣槽數(shù)，更有利于電弧熄滅。

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