蔣心怡,姚高飛,莊勁武
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電弧觸發(fā)器穩(wěn)態(tài)溫度場計(jì)算及其優(yōu)化設(shè)計(jì)
蔣心怡,姚高飛,莊勁武
(海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院,武漢 430033)
為了計(jì)算電弧觸發(fā)器穩(wěn)態(tài)溫升,本文建立了電弧觸發(fā)器二維穩(wěn)態(tài)溫度場模型,采用matlab自編程方法計(jì)算電弧觸發(fā)器穩(wěn)態(tài)溫度場,并通過溫升實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模型的正確性。針對圓孔型電弧觸發(fā)器,本文通過保持狹頸總截面不變,來保證弧前時(shí)間一致,并在此條件下研究不同狹頸數(shù)對電弧觸發(fā)器穩(wěn)態(tài)溫升的影響規(guī)律,以此對電弧觸發(fā)器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
電弧觸發(fā)器 穩(wěn)態(tài)溫度場 溫升 狹頸數(shù)
電弧觸發(fā)器是電弧觸發(fā)式混合型限流熔斷器的關(guān)鍵部件,擔(dān)任著檢測短路電流并及時(shí)產(chǎn)生觸發(fā)信號的任務(wù),其性能直接關(guān)系到熔斷器的分?jǐn)嗨俣?。電弧觸發(fā)器的設(shè)計(jì)要求其在額定通流下溫升最小,在短路電流下弧前時(shí)間最短,以使得熔斷器能夠?qū)Χ搪冯娏骺焖夙憫?yīng),及時(shí)分?jǐn)唷D壳?,國?nèi)對大電流電弧觸發(fā)器的研究有戴超、陳搏等,戴超[1]通過有限元軟件Ansys對圓孔型電弧觸發(fā)器進(jìn)行了仿真研究,分別分析了熔體結(jié)構(gòu)對弧前時(shí)間和溫升的影響,但其優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)未進(jìn)行變量的控制,因此優(yōu)化方案不夠具體;陳搏[2]采用差分法和有限元軟件Ansys對矩形孔電弧觸發(fā)器進(jìn)行仿真研究,得到了弧前時(shí)間一致條件下的熔體結(jié)構(gòu)與電阻的關(guān)系。
圖1 電弧觸發(fā)器結(jié)構(gòu)
本文建立了圓孔狹頸電弧觸發(fā)器二維穩(wěn)態(tài)電熱耦合場模型,采用matlab自編程方法計(jì)算電弧觸發(fā)器穩(wěn)態(tài)溫度場,通過溫升實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模型的正確性。最后,在弧前時(shí)間一致條件下,分析了恒定尺寸熔體狹頸數(shù)n與溫升的關(guān)系,其結(jié)果能直接指導(dǎo)工程實(shí)踐,具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。
圖2 電弧觸發(fā)器示意圖
穩(wěn)態(tài)情況下,電弧觸發(fā)器滿足電場方程和溫度場方程:
1)電場邊界條件
電流流過的端面滿足第一類邊界條件,即:
其余邊界滿足第二類邊界條件,即:
2)溫度場邊界條件
因?yàn)橛|發(fā)器銀片部分面積很小,且一般被石英砂包裹,石英砂熱傳導(dǎo)系數(shù)很小,因此忽略其對石英砂熱傳導(dǎo)作用,視為絕熱邊界,即第二類邊界條件:
其余邊界皆與空氣接觸,視為大空間自然對流散熱,邊界條件為第三類邊界條件,即:
式中:,對流換熱系數(shù);T,邊界面溫度;T,遠(yuǎn)處空氣溫度。
電弧觸發(fā)器各部分尺寸差別較大,為了減少計(jì)算量并保證計(jì)算準(zhǔn)確性,網(wǎng)格劃分采用變網(wǎng)格,銀片部分采用小正方形網(wǎng)格(步長0.01 mm),接線端子采用較小正方形網(wǎng)格(步長0.1 mm),大銅排采用大矩形網(wǎng)格(長寬方向步長分別為10 mm、1 mm)。
電場方程離散采用中心差分法,溫度場方程離散根據(jù)單元體熱平衡法進(jìn)行離散。
本文采用matlab自編程完成穩(wěn)態(tài)場計(jì)算。計(jì)算流程為:先求解各節(jié)點(diǎn)的電位及溫度迭代方程,再更新物性參數(shù),重復(fù)以上過程,當(dāng)滿足計(jì)算精度時(shí)計(jì)算停止。
為驗(yàn)證穩(wěn)態(tài)模型正確性,本文對銀片尺寸為:30 mm*6 mm*0.2 mm,含18個(gè)圓孔,圓孔直徑為1 mm的觸發(fā)器進(jìn)行溫升試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用大電流發(fā)生裝置作為電源,外接3 m長100 mm×10 mm的銅排,通以恒定電流1200 A,經(jīng)過約4個(gè)小時(shí)溫度基本穩(wěn)定,記錄結(jié)果。
表1 穩(wěn)態(tài)場實(shí)驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果對比
從表1可以看出實(shí)驗(yàn)與計(jì)算一致性較好,證明了模型的正確性。
電弧觸發(fā)器兩個(gè)關(guān)鍵性性能為:a) 短路電流下的弧前時(shí)間;b) 額定通流下的溫升。在設(shè)計(jì)時(shí),一般要求在其滿足溫升的前提下縮短弧前時(shí)間,以提高觸發(fā)器對短路電流的響應(yīng)速度。本文通過控制弧前時(shí)間一致,來研究狹頸數(shù)對溫升的影響,以此完成對觸發(fā)器優(yōu)化設(shè)計(jì)。
以額定通流1600 A觸發(fā)器為例,研究狹頸數(shù)對溫升的影響。大短路電流上升率下,電弧觸發(fā)器的弧前時(shí)間只與熔體狹頸截面積有關(guān)。因此,為保證弧前時(shí)間的一致,在改變狹頸數(shù)目的同時(shí),調(diào)整狹頸寬度,以保證銀片狹頸總截面積相等。
銀片長(電流方向)6 mm,寬30 mm,厚0.2 mm。使用穩(wěn)態(tài)溫度場模型對不同狹頸數(shù)的觸發(fā)器進(jìn)行穩(wěn)態(tài)溫升計(jì)算,表2為計(jì)算結(jié)果。
表2 不同狹頸數(shù)下的狹頸溫升
以狹頸數(shù)n為橫坐標(biāo),以狹頸溫升為縱坐標(biāo),繪制狹頸溫升——狹頸數(shù)n關(guān)系圖。
從圖3可以看出,狹頸溫升隨狹頸數(shù)目的增加而減小,在孔數(shù)15-25之間減小速度較快,25-32之間基本不變,32之后緩慢減小,因?yàn)?32之后,狹頸寬度將小于0.16 mm,加工難度增大且狹頸連接強(qiáng)度下降,可靠性降低,因此狹頸數(shù)取25為宜。
本文對圓孔型電弧觸發(fā)器建立二維穩(wěn)態(tài)溫升模型,并通過溫升實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型正確性。以該模型為工具,通過保證狹頸總面積不變來控制弧前時(shí)間一致,改變狹頸數(shù)目,得出了狹頸溫升隨狹頸數(shù)目的增加而減小的規(guī)律,并提出了最優(yōu)狹頸數(shù)目。
[1] 戴超, 莊勁武. 艦船低壓大電流電弧觸發(fā)式混合型限流熔斷器研究[D]. 武漢: 軍工程大學(xué), 2010.
[2] 陳搏, 莊勁武. 高壓大電流電弧觸發(fā)式混合型限流熔斷器研究[D]. 武漢: 海軍工程大學(xué), 2012.
[3] 戴鍋生. 傳熱學(xué)[M]. 北京: 高等教育出版社. 2011
[4] 王晨, 張曉鋒, 莊勁武, 等.新型混合式限流斷路器設(shè)計(jì)及其可靠性分析[J].電力系統(tǒng)自動化.2008, 32(12): 61-67.
[5] Kerstin K, Martin K, Lars K.Integration of fast acting electronic fault current limiters (EFCL) in medium- voltage systems[C]. 17th International Conference on Electricity Distribution. Barcelona: CIRED press, 2003: 1-6.
[6] 余躍聽, 徐國順. 艦船電力系統(tǒng)新型限流保護(hù)技術(shù)的仿真分析[J]. 低壓電器, 2011, 24: 1-5.
[7] Hoshino T, Muta I, Tsukiji H, et al. Recovery time of superconducting non-inductive reactor type fault current limiter[J]. IEEE Trans. on Magnetics, 1996, 32(4): 2403–2406.
[8] 袁志方, 莊勁武, 王晨, 等. 石英砂對于電磁斥力高速開斷器介質(zhì)恢復(fù)特性的影響[J]. 高電壓技術(shù), 2014, 40(1): 294-299.
[9] 顧雪晨, 王晨. 直流電力系統(tǒng)短路限流裝置研究[J]. 船舶, 2012, 23(3): 60-62.
[10] Petranovic R, Miri M.Modeling of the transient behavior of a resistive type high Tc fault current limiter[J]. IEEE Trans. on Applied Superconductivity, 2003, 13(2): 2036–2039.
[11] 王季梅.高壓交流熔斷器及其應(yīng)用[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2005: 151.
[12] 陳剛, 江道灼, 吳兆麟. 固態(tài)短路限流器的研究與發(fā)展[J]. 電力系統(tǒng)自動化.2003, 27(10): 89-94.
[13] Slade P, Wu L, Stacey J, et al. The utility requirements for a distribution fault current limiter. IEEE Trans on Power Delivery, 1992, 7(2): 507-515.
[14] 陳博, 莊勁武, 肖翼洋, 等. 10 kV/2 kA混合型限流熔斷器用電弧觸發(fā)器的分析與設(shè)計(jì)[J]. 高電壓技術(shù), 2012, 38(8): 1948-1955.
Optimization Design and Calculation on Steady-state Temperature Field of Arc Trigger
Jiang Xinyi, Yao Gaofei, Zhuang Jinwu
(Naval University of Engineering College of Electrical Engineering, Wuhan 430033, China)
TM563
A
1003-4862(2014)08-0028-03
2014-06-06
蔣心怡(1960-),女,副教授。研究方向:電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。