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普遍灭弧方法是金属栅片切割电弧法-【新闻】

发布时间:2021-05-28 17:06:59 阅读: 来源:蜡烛厂家

普遍灭弧方法是金属栅片切割电弧法

【低压产业网】针对空气断路器开断过程中,建立了三维的空气电弧运动及栅片切割数学模型,通过仿真研究了栅片的切割过程并模拟了电弧的运动,获得了烧蚀情况下的电弧电压曲线。同时进行了切割过程相应的实验研究,利用简化装置观察了电弧的动态影像。

0 引言

在空气断路器中,最为普遍的灭弧方法是金属栅片切割电弧法。其原理是:通过金属栅片将电弧切割成多段短弧,使栅片上产生很多对近极压降快速提高电弧电压,同时冷却电弧,从而产生很好的限流作用,完成故障电流的开断[1]。

因此在开断过程中,电弧在灭弧室内的行为特性是灭弧室性能的关键,而其中的栅片切割过程则是最重要的部分之一。另外,当电流较大并且电弧在栅片上停留时间较长时,栅片表面将会达到其熔点。这必然会导致金属蒸气向弧柱区扩散,从而对灭弧室内的电弧行为产生影响。尤其是对于需要大量金属栅片的中压等级直流开断来说,栅片烧蚀金属蒸气的影响将更为重要[2]。

因此,为了研究金属蒸气在栅片切割电弧过程中的影响机理,为空气断路器中栅片切割过程提供更为准确的描述,本文采用磁流体动力学(MHD)理论建立了三维的空气电弧运动及栅片切割数学模型[3]。

1 电弧仿真数学模型和边界条件

在电弧的运动与切割过程中,灭弧室内电弧等离子体中的各种粒子之间在流场、热场、电磁场等综合作用下发生着强烈的质量、动量和能量的交换等复杂的物理化学过程,其中包括宏观的热传导、对流和辐射等能量的转移以及微观粒子的分解聚合以及电离复合等反应过程[4]。然而这一复杂过程的数学描述可以统一构筑于基于磁流体动力学(MHD)理论的方程组内。另外,在弧柱区与金属表面交界处的等离子体鞘层区域,对于电弧切割过程中新弧根的形成,以及电弧电压都有着重要的影响。如果不考虑鞘层的作用,在新弧根形成之前,弧柱的弯曲和挤压这一切割过程中非常重要的现象在仿真中就不能得以体现。因此本章在建模过程中把鞘层区域考虑在内,将整个计算域分为了电弧弧柱区、鞘层区和固体金属区等计算区域[5]。

本章用于研究电弧运动及切割过程的模型灭弧室几何结构如图 1。这是针对空气断路器而建立的简化模型,其中仅包含一个铁栅片。为了削减了计算规模,根据各种场量的对称性,本章采用了1/2对称模型。除了外围用于求解磁场的扩展区域,图中的计算区域在x,y,z方向分别是120×24.2×7mm,模型的原点在对称面上(z=0的x-y平面)。两电极之间的距离是17mm,栅片厚度为2mm,每个金属区域均被0.1mm的鞘层区域所包围。整个灭弧室由绝缘器壁和电极所封闭,只有两个出气口1和2与外面的大气环境相连通。

2 栅片切割过程的仿真研究

本章中的仿真工作,通过MPCCI软件将Fluent与Ansys软件耦合计算,时间步长为2μs。计算中没有包含电弧的起弧过程,而是把两电极之间的稳态电弧分布作为计算的初始状态。计算的电弧电流值,使用的是图 6中实验测得的电流值。

如图 2为切割过程中电弧等离子体温度分布的动态仿真结果。图 3为对应时刻的铁蒸气质量浓度分布图。

可以看出,从t ≈ 0.1 ms到0.5 ms,电弧开始膨胀,并且在洛伦兹力和流场的作用下开始沿着电极运动。由于电流的不断增加和铁磁栅片的吸引作用,使得气流速度也不断的增大,在朝着铁栅片的方向电弧被不断的拉长。

由于本文在电弧的阴极和阳极采用了不同的数学模型。在t = 0.586 ms时刻从图 2中可以清楚的看到,阳极弧根比阴极弧根走的更远。在图 5的实验结果中可以看到同样的现象。

随着弧根沿着电极表面运动,电弧弧柱在相对温度很低的栅片阻挡作用下,逐渐弯曲挤压并将其包围。在t = 1.086 ms时,等离子体高温区域分别进入到了灭弧室内被栅片分割的上下两个区域。随着弧柱能量不断的传递到铁栅片,如图 3所示,铁栅片表面开始出现金属蒸气。

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