趙云杰，姜 楠，朱 磊，劉彪

應(yīng)用研究

船舶中壓直流配電板電纜室燃弧壓力升特性數(shù)值研究

趙云杰，姜 楠，朱 磊，劉彪

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

本文基于電弧能量熱等效壓力升計(jì)算模型對(duì)船舶中壓直流配電板電纜室內(nèi)燃弧壓力升特性進(jìn)行了數(shù)值研究。計(jì)算了在不同弧壓梯度下發(fā)生燃弧故障時(shí)電纜室內(nèi)的壓力升變化，仿真結(jié)果表明：在弧壓梯度25～55 V/cm范圍內(nèi)，達(dá)到泄壓蓋開啟壓力時(shí)間為16～28 ms；燃弧初期壓力波傳至泄壓蓋及上部側(cè)板時(shí)間為4ms；受壓力波反射、疊加效應(yīng)影響，泄壓蓋開啟后室內(nèi)壓力出現(xiàn)二次幅值上升，上部側(cè)板二次峰值最大，建議此處安裝加強(qiáng)筋增強(qiáng)此處柜板強(qiáng)度。

配電板 燃弧故障 壓力升 CFD

0 引言

隨著船舶自動(dòng)化和電氣化水平的不斷提高，船舶綜合電力系統(tǒng)總裝機(jī)容量越來越大，同時(shí)受斷路器短路電流分?jǐn)嗄芰Αl(fā)電機(jī)機(jī)組單機(jī)容量、發(fā)電機(jī)機(jī)組數(shù)量以及電纜載流量等因素的影響，船舶中壓直流配電板得到廣泛應(yīng)用[1]。

抗燃弧性能是船舶中壓直流配電板基本要求[2]。配電板在實(shí)際運(yùn)行中，可能存在電氣元器件絕緣老化、工作電流大、操作次數(shù)多、過載運(yùn)行、接地短路、誤操作等問題引發(fā)配電板發(fā)生燃弧故障。發(fā)生燃弧時(shí)，電弧極短時(shí)間內(nèi)釋放大量熱量，加熱并壓縮周圍空氣，引起室內(nèi)氣體膨脹、壓力驟增最后表現(xiàn)為氣體爆炸形式，對(duì)設(shè)備產(chǎn)生強(qiáng)大的壓力沖波，使柜體在強(qiáng)壓下結(jié)構(gòu)受損，甚至引發(fā)柜門、柜體發(fā)生爆裂事故，危害人員和設(shè)備安全。GB/T3906-2020和IEC62271-2003均將內(nèi)部燃弧故障試驗(yàn)列為型式試驗(yàn)[2,3]。

然而，燃弧型式試驗(yàn)僅能對(duì)柜體強(qiáng)度進(jìn)行定性校核，且試驗(yàn)周期長，人力及物力耗費(fèi)大，難以定量揭示燃弧產(chǎn)生壓力效應(yīng)對(duì)柜體的影響，多物理場仿真成為研究該極限問題的重要方法。但由于燃弧爆炸現(xiàn)象涉及了復(fù)雜的物理、化學(xué)過程，電弧等離子體等相關(guān)參數(shù)的高度非線性給仿真計(jì)算帶來較大困難，目前只有簡單封閉容器內(nèi)部以實(shí)際電弧等離子體模型仿真為主。針對(duì)實(shí)際配電板復(fù)雜模型，電弧能量等效熱模型簡化了電弧等離子體復(fù)雜物理過程，忽略電弧在磁場、流場中的運(yùn)動(dòng)特性，利用“kp因子”將電弧功率當(dāng)作熱源輸入[4]，通過溫度場-流場耦合求解獲得發(fā)生燃弧故障時(shí)室內(nèi)氣體壓力升的變化規(guī)律，與考慮電弧物理特性研究方法相比，大大減少計(jì)算量，可實(shí)現(xiàn)對(duì)配電板復(fù)雜模型內(nèi)部壓力升求解。

因此，本文基于電弧能量熱等效模型利用Fluent軟件對(duì)中壓直流配電板電纜室內(nèi)部燃弧壓力升進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，獲得配電板發(fā)生燃弧故障時(shí)電纜室內(nèi)部壓力分布，并根據(jù)壓力升規(guī)律提出船舶中壓直流配電板抗燃弧設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 物理模型

船舶中壓直流配電板電纜室結(jié)構(gòu)如圖1所示，由電纜母排、頂部泄壓蓋、絕緣子、接地開關(guān)等部件構(gòu)成。頂部泄壓蓋通過尼龍螺栓和金屬螺栓與柜體相連，當(dāng)發(fā)生燃弧爆炸時(shí)，泄壓蓋在內(nèi)部壓力沖擊波的作用下，尼龍螺栓由于強(qiáng)度較低首先發(fā)生斷裂，泄壓蓋開啟釋放室內(nèi)壓力。

圖1 配電板電纜室結(jié)構(gòu)圖

室內(nèi)發(fā)生燃弧爆炸時(shí)，主要經(jīng)歷四個(gè)階段：壓縮階段、膨脹階段、噴射階段和熱階段[5～7]。壓縮階段：燃弧初期，電弧釋放大量熱量，加熱并壓縮周圍空氣，使隔室內(nèi)的壓力增大，并迅速上升至峰值；膨脹階段：當(dāng)隔室內(nèi)壓力增大到泄壓裝置的閾值開啟壓力時(shí)，泄壓裝置打開將壓力釋放，大量高溫氣體通過泄壓通道排出燃弧隔室；噴射階段：電弧能量的持續(xù)釋放使氣體溫度進(jìn)一步升高，金屬電極會(huì)出現(xiàn)熔化、蒸發(fā)現(xiàn)象，隔室泄壓口將產(chǎn)生高溫、高速氣流，氣流中含有大量熾熱的金屬液滴，即產(chǎn)生弧光噴射現(xiàn)象；熱效應(yīng)階段：當(dāng)大量空氣被壓縮至隔室外后，隔室內(nèi)部剩余空氣被電弧進(jìn)一步加熱，溫度大幅升高，導(dǎo)致周圍的絕緣材料出現(xiàn)起火、金屬部件出現(xiàn)變形、熔化等現(xiàn)象，開關(guān)柜外殼有被燒穿的危險(xiǎn)。

圖2 燃弧四個(gè)階段

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 計(jì)算方法

由物理模型分析可知，室內(nèi)發(fā)生燃弧故障主要經(jīng)歷四個(gè)階段，其中壓縮階段以壓力升高為主，即在泄壓蓋開啟前，室內(nèi)壓力效應(yīng)影響較大，溫度影響較小；熱效應(yīng)階段壓力升已降至較小值，此時(shí)高溫效應(yīng)才逐漸凸顯?？梢娙蓟∵^程壓力及溫度的影響時(shí)間段并不相同。對(duì)中壓直流配電板而言，壓力沖擊效應(yīng)對(duì)設(shè)備的影響較大，因此本文忽略熱效應(yīng)的影響，僅考慮壓縮和膨脹階段，研究室內(nèi)燃弧爆炸引起的壓力效應(yīng)，獲得室內(nèi)較為準(zhǔn)確的壓力分布。

本文采用電弧能量熱等效的壓力升計(jì)算模型[4]，將電弧等離子體等效為固定大小的熱源，根據(jù)熱轉(zhuǎn)換系數(shù)“k-因子”及電弧電流、弧壓等參數(shù)，獲得室內(nèi)燃弧時(shí)引起壓力上升的熱源功率P大?。?/p>

式中，，分別為弧壓和電弧電流的瞬態(tài)值；k為熱轉(zhuǎn)換系數(shù)[4]。

由熱等效的壓力升計(jì)算模型施加電弧熱源功率后，采用理想氣體模型和湍流模型，基于計(jì)算流體力學(xué)，通過溫度場-流場瞬態(tài)全隱式耦合求解獲得室內(nèi)壓力升的分布規(guī)律。

2.2 模型簡化

配電室內(nèi)燃弧爆炸壓力分布與其內(nèi)部空氣的流通情況密切相關(guān)，對(duì)空氣流動(dòng)影響較小的部位可作簡化處理，基本簡化原則為：

1）去掉對(duì)隔室氣體流動(dòng)影響不大的零部件（例如，柜壁和隔板上的螺栓），同時(shí)將這些零件去掉后剩余的孔隙作封閉處理；

2）去掉倒圓倒角，保證零件輪廓特征；

3）對(duì)于部分復(fù)雜的幾何，將表面平整，并保證流體空間域的體積相當(dāng)?shù)脑瓌t，進(jìn)行合理簡化；

4）將柜體百葉窗及裝配等開口窄縫結(jié)構(gòu)做全封閉處理，認(rèn)為氣體僅從泄壓蓋位置逸出；

“很好，這是老師準(zhǔn)備好的邀請(qǐng)函，如果你們的爸爸媽媽有空，我們特別歡迎他們來參加我們的生日會(huì)。”我想，在班級(jí)生日會(huì)上，父母和孩子在一起，這會(huì)是一個(gè)更好的感恩教育的時(shí)機(jī)。

5）將電弧等效為一段小圓柱，放置在進(jìn)線母排之間對(duì)母排進(jìn)行短接，模擬母排發(fā)生短路燃弧故障。

簡化后電纜室內(nèi)部元器件如圖3。

圖3 電纜室內(nèi)部器件及流體仿真模型

2.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)，本文研究的電纜室結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。利用Workbench mesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，全局尺寸設(shè)置為16 mm，熱源尺寸設(shè)置為4 mm。網(wǎng)格劃分情況如圖4所示。

圖4 電纜室網(wǎng)格示意

2.4 控制方程

CFD計(jì)算是基于流體動(dòng)力學(xué)守恒定律：質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程和氣體狀態(tài)方程，對(duì)容器內(nèi)部能量及壓力進(jìn)行離散化求解。對(duì)于可壓縮理想氣體，不考慮熱輻射和化學(xué)反應(yīng)，容器內(nèi)流動(dòng)控制方程為：

質(zhì)量守恒方程：

動(dòng)量守恒方程：

能量守恒方程：

理想氣體狀態(tài)方程：

2.5 求解設(shè)置

中壓配電板電纜室內(nèi)部發(fā)生燃弧故障時(shí)，氣體的流動(dòng)可看作是三維、可壓縮的湍流運(yùn)動(dòng)，采用標(biāo)準(zhǔn)兩方程k-e湍流模型模擬湍流，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)模擬近壁運(yùn)動(dòng)。考慮到燃弧時(shí)間較短(ms級(jí))，流體與固體壁面接觸時(shí)間較短，參與熱交換的能量較少，金屬外殼及固體壁容器壁面和電極表面均設(shè)置為絕熱邊界。對(duì)于泄壓蓋，在室內(nèi)壓力達(dá)到釋放壓力前設(shè)置為絕熱壁面，當(dāng)室內(nèi)壓力達(dá)到尼龍螺栓斷裂拉力時(shí)的臨界壓力時(shí)，泄壓蓋邊界改為Outlet條件，釋放室內(nèi)壓力。

3 燃弧壓力升特性

3.1 電弧能量參數(shù)

配電板電纜室發(fā)生燃弧時(shí)，電弧電流為短路電流有效值；而弧壓的隨機(jī)性較大，與間隙類型、電流大小、電弧長度、電機(jī)材料等有關(guān)[8,9]，本文設(shè)置以下5種弧壓梯度進(jìn)行分析。計(jì)算得各工況加載熱源密度如表1：

表1 工況參數(shù)

3.2 壓力升特性

將電纜室三塊側(cè)板和背板分別命名為wall1～ wall4，如圖5，用于進(jìn)行壁面壓力特性分析。

圖5 柜板命名

圖6示意了電纜室在不同弧壓梯度下，燃弧爆炸過程中泄壓蓋開啟前后各柜板所受壓力隨時(shí)間的變化情況。由圖可知，弧壓梯度越大，達(dá)到臨界壓力所需時(shí)間越短，弧壓梯度為25、30、35、45、55 V/cm時(shí)，達(dá)到泄壓蓋開啟壓力的時(shí)間分別為28、27、26、18、16 ms；燃弧初期4 ms內(nèi)，位于上部的板wall1及泄壓蓋outlet壓力幾乎為0，這是由于壓力波由電弧中心傳遞至各柜板需要一定時(shí)間，該時(shí)間與電弧距離成正比，可知傳遞至泄壓蓋及上部側(cè)板時(shí)間為4 ms；各弧壓梯度下室內(nèi)壓力變化規(guī)律基本一致，泄壓蓋開啟前室內(nèi)壓力隨燃弧時(shí)間的增加近似線性增大，但出現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)，泄壓蓋打開后，泄壓蓋出口降為大氣壓力，但室內(nèi)壓力并未立即下降，而是出現(xiàn)了多次幅值上升后才逐漸下降，位于上層側(cè)板的wall1二次壓力幅值最大，達(dá)到7 atm，這主要是受三面拐角處壓力波反射、疊加效應(yīng)的影響顯著，所以要重點(diǎn)關(guān)注wall1板的強(qiáng)度問題，必要時(shí)在此處布置加強(qiáng)筋進(jìn)行強(qiáng)度加強(qiáng)。

圖6 各柜板處壓力隨時(shí)間變化

考慮到各工況壓力特性相似，下面重點(diǎn)對(duì)工況3即35 V/cm弧壓梯度在不同時(shí)刻的壓力云圖進(jìn)行分析。圖7分別示意了為泄壓蓋開啟時(shí)刻各柜板處的壓力云圖，從圖中可以看到：泄壓蓋壓力分布是非均勻，最大值與最小值相差1.4 kPa；柜板整體側(cè)板壓力較背板大，上部柜板壓力較下部大，整個(gè)配電板柜板壓力存在接近16 kpa壓差，需要重點(diǎn)關(guān)注側(cè)板上部即wall1位置的強(qiáng)度。

圖7 泄壓蓋開啟時(shí)刻柜板壓力分布

圖8依次示意了電纜室在泄壓蓋開啟時(shí)刻及泄壓蓋開啟后的三個(gè)峰值時(shí)刻壓力分布情況，從圖中可以看到：泄壓蓋開啟時(shí)刻，柜體下部壓力較小，上部壓力較大，可以知道室內(nèi)氣體受熱膨脹，熱氣體向上流動(dòng)，導(dǎo)致上部壓力越來越大，并且左側(cè)泄壓蓋壓力較右側(cè)大，左側(cè)泄壓蓋先達(dá)到泄壓臨界值；當(dāng)泄壓蓋開啟后，泄壓蓋附近壓力迅速降低，在第一個(gè)峰值時(shí)刻，室內(nèi)壓力較為均勻，處于泄壓蓋打開后的迅速變化響應(yīng)時(shí)刻；在第二個(gè)峰值時(shí)刻，室內(nèi)下部壓力較大，上部壓力較小，主要是由于柜體下部燃弧位置持續(xù)加載熱量，壓力波還未及時(shí)傳至柜體頂部；在第三個(gè)峰值時(shí)刻，室內(nèi)壓力波傳至頂部，從頂部泄壓蓋釋放出去，壓力最大值集中在柜體上部壁面附近。

4 結(jié)論

本文基于電弧能量熱等效壓力計(jì)算方法建立了船舶中壓直流配電板電纜室內(nèi)燃弧壓力升三維瞬態(tài)數(shù)值模型。計(jì)算了電纜室在不同弧壓梯度下燃弧壓力升變化，主要得到以下結(jié)論：

1）弧壓梯度越大，達(dá)到臨界壓力所需時(shí)間越短，在弧壓梯度為25～55 V/cm范圍內(nèi)，達(dá)到泄壓蓋開啟壓力的時(shí)間在16～28 ms。

2）壓力波由電弧中心傳遞至各柜板的時(shí)間與電弧距離成正比，傳遞至泄壓蓋及上部側(cè)板的時(shí)間為4 ms。

3）室內(nèi)壓力升變化規(guī)律：泄壓蓋開啟前室內(nèi)壓力隨燃弧時(shí)間增加近似線性增大，但由于爆炸工況的極端不穩(wěn)定會(huì)出現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)；泄壓蓋打開后，室內(nèi)壓力并未立即下降，而是出現(xiàn)多次幅值上升后才逐漸下降，受壓力波反射、疊加效應(yīng)的影響，上部側(cè)板的二次壓力幅值最大，需重點(diǎn)關(guān)注該板的強(qiáng)度問題，設(shè)計(jì)時(shí)建議安裝加強(qiáng)筋增強(qiáng)此柜板強(qiáng)度。

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Numerical study on the characteristics of arcing pressure rise in marine medium-voltage DC switchboard cable vault

Zhao Yunjie, Jiang Nan, Zhu Lei

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion，Wuhan 430064, China）

TM561

A

1003-4862（2022）11-0006-05

2022-01-04

趙云杰（1993-），女，研究方向：電機(jī)熱設(shè)計(jì)。E-mail：1942635133@qq.com