封閉容器內(nèi)部短路燃弧爆炸壓力效應計算＊

黎 鵬，阮江軍，黃道春，徐國順，龍明洋，魏夢婷

封閉容器內(nèi)部短路燃弧爆炸壓力效應計算＊

黎 鵬1，阮江軍1，黃道春1，徐國順2，龍明洋1，魏夢婷1

（1.武漢大學電氣工程學院，湖北 武漢430072；2.海軍工程大學電氣工程學院，湖北 武漢430033）

中壓開關設備內(nèi)部短路燃弧爆炸對設備、建筑物以及工作人員的安全帶來了嚴重威脅。為提出合適的數(shù)值計算方法對短路爆炸引起的壓力效應進行計算，對開關設備內(nèi)部短路燃弧的能量平衡機制進行了分析；通過分析燃弧過程的熱－力效應，提出了基于CFD法的間接耦合分析方法，并開展了實際封閉容器內(nèi)部短路燃弧實驗驗證了算法的可行性。研究結(jié)果表明：實驗測量與模擬計算獲得的平均壓強僅相差2%左右；電弧尺寸對壓力升的影響較小；封閉容器內(nèi)部壓力升隨電弧能量的增大近似線性增大；安裝負壓室后燃弧室的壓強可降低60%左右，因此，增設負壓室可有效抑制開關設備內(nèi)部短路爆炸引起的壓力升。

開關設備；內(nèi)部短路燃??；封閉容器；CFD；壓力升

中壓開關設備距居民區(qū)較近，操作頻繁，其安全問題相比其他高壓開關設備更應重點關注［1］，特別是內(nèi)部電弧故障引起的爆炸事故時有發(fā)生［2］。據(jù)不完全統(tǒng)計，全國平均每年因手車柜電弧短路故障燒毀的開關柜多達200多個［3］；據(jù)德國精密機械和電工技術職業(yè)協(xié)會的事故統(tǒng)計表明，電弧故障引起的事故約占電流事故的25%［4］，可見電弧故障為中壓開關設備中不可忽視的一大安全隱患，一旦發(fā)生，其產(chǎn)生的高壓及高溫效應將對工作人員、設備以及建筑物的安全造成巨大威脅［5－6］。

為減少中壓開關設備內(nèi)部短路爆炸事故的發(fā)生，國外針對簡易小尺寸封閉容器開展了較多數(shù)值模擬與實驗研究。文獻［6－8］中介紹了開關設備內(nèi)部短路燃弧壓力升的多種簡化數(shù)值計算方法，比較了不同方法的差異，并通過實驗與計算分析了簡易開關模型內(nèi)部的壓力效應；CIGRE A3.24工作組［9］在假設隔間內(nèi)壓力均勻分布的條件下，提出了簡化數(shù)值計算模型，對不同介質(zhì)下開關設備內(nèi)部短路燃弧引起的壓力升進行了計算；文獻［10－12］中對封閉容器內(nèi)部短路燃弧引起的壓力升開展了數(shù)值模擬與實驗研究，分析了熱轉(zhuǎn)換系數(shù)kp在不同條件下的變化規(guī)律。國內(nèi)針對該問題開展的研究較少，文獻［13］針對開關柜內(nèi)部短路燃弧問題，提出了獲得各隔室壓力及溫度整體分布的簡化數(shù)值計算方法；文獻［14－15］開展了模擬開關柜相間燃弧實驗，測量了電弧燃燒過程中柜體內(nèi)部的壓力變化，并對柜體整體的壓力升進行了計算。目前，對開關設備內(nèi)部短路爆炸壓力效應的計算，仍以簡化算法獲得整體的壓力變化為主，而對于利用CFD法獲得設備內(nèi)部壓力的空間分布缺乏系統(tǒng)研究。文獻［16－17］提出的磁流體動力學（MHD）法可建立與實際接近的電弧等離子模型，獲得的壓力數(shù)值精度較高，但計算量較大，對實際開關設備的應用有限。因此，有必要對開關設備內(nèi)部短路爆炸壓力升的計算開展進一步研究。

本文中對開關設備內(nèi)部短路燃弧的能量平衡機制進行分析，利用L－C振蕩回路開展了實際短路燃弧實驗，分析短路燃弧故障時的壓力及溫度效應，據(jù)此提出基于CFD的間接耦合分析方法；建立小尺寸簡易模型，通過實際封閉容器內(nèi)部短路燃弧實驗對算法的可行性進行驗證，并分析相關規(guī)律，為后續(xù)實際開關設備內(nèi)部短路爆炸壓力升的數(shù)值模擬計算提供參考。

1 開關設備內(nèi)部短路燃弧能量平衡機制

當開關設備內(nèi)部發(fā)生短路燃弧故障時，燃弧功率可達60MW左右，產(chǎn)生的壓力升也可達MPa級，電弧釋放的能量將以多種機制進行傳遞；假設電弧釋放的總能量為Qarc，電弧在金屬電極間燃燒的過程中，弧根與電極之間會發(fā)生熱傳導（Qe），從而使電極溫度升高；由于弧根位置的溫度可達上萬度，在高溫作用下，電極與弧根接觸部位會出現(xiàn)熔化，并形成金屬蒸氣攜帶能量Qmv；同時，釋放的金屬蒸氣會與周圍空氣發(fā)生吸熱或放熱反應，吸收或釋放能量Qchem；電弧釋放的熱量還會以電磁波的形式輻射至固體壁面（Qrad），使其溫度升高；除了上述能量傳遞之外，大部分能量被周圍空氣吸收（Qtherm），使空氣受熱膨脹，從而引起開關設備內(nèi)部壓力上升。上述能量之間的關系可用下式表示：

為描述使容器內(nèi)部壓力上升的能量占電弧總能量的比例，系數(shù)“kp－因子”被提出［6－7］，其定義如下：

通常情況下，由于式（1）各部分能量很難直接獲得，因此“kp－因子”主要通過計算與實驗結(jié)果的對比來確定［10－11］，kp與氣體類型、電極材料、容器尺寸以及氣體密度等有關［18］。目前針對設備內(nèi)部短路燃弧壓力升的計算主要基于“kp－因子”，具體表達式為［7－8］：，

該式忽略了壓力波的傳播特性，假設電弧釋放的能量在容器內(nèi)部均勻分布，且不考慮氣體狀態(tài)的變化。

2 開關設備內(nèi)部短路燃弧壓力升間接耦合計算

2.1 短路燃弧現(xiàn)象

實際開關設備發(fā)生內(nèi)部短路燃弧故障時，由于殼體的影響，很難觀察到內(nèi)部的燃弧現(xiàn)象，因此，為了對短路燃弧過程進行分析，利用電容C與電抗器L振蕩提供工頻大電流，開展了開放環(huán)境下的短路燃弧實驗。實驗回路如圖1所示，包括：SP－銅電極，直徑為2cm；CB－合閘斷路器，初始狀態(tài)為分；電壓探頭HV－測量弧壓的大小；Rog－羅氏線圈，用于測量回路電流的大小。銅電極的間距d＝5cm，間隙用焊錫絲短接，當回路接通時，焊錫絲在電流作用下被熔斷從而引燃電弧。

圖1 實驗布置圖Fig.1Diagram of test arrangement

圖2 短路燃弧爆炸過程Fig.2Explosion process of short－circuit arcing

短路燃弧爆炸現(xiàn)象如圖2所示，整個燃弧過程僅持續(xù)50ms，其中電流峰值約為5kA，弧壓約為200V；CB閉合瞬間，回路接通將焊錫絲熔斷，間隙之間形成電弧，產(chǎn)生巨大聲響并出現(xiàn)耀眼亮光，與爆炸過程類似；在電弧穩(wěn)定燃燒階段，電弧燃燒釋放強烈的光和熱，出現(xiàn)耀眼的白色弧光，如圖2（a）所示；隨著燃弧的進行，間隙亮度明顯降低，如圖2（b）所示，這時燃弧過程已接近尾聲，間隙出現(xiàn)了大量線條形熾熱顆粒，并向四周噴射，這主要由于電弧弧根溫度較高，造成與其接觸的金屬電極熔化，而產(chǎn)生大量金屬液滴所致；當電流過零熄弧時，弧光消失，但間隙仍出現(xiàn)了大量熾熱的金屬顆粒與明亮的火光，并產(chǎn)生了較多白煙，如圖2（c）所示，說明銅電極發(fā)生了熔化、蒸發(fā)，并與周圍空氣發(fā)生了劇烈的化學反應，釋放大量熱量；隨著電弧的熄滅，銅電極表面的溫度逐漸降低，金屬液滴的噴射現(xiàn)象逐漸減弱，火光與白煙也逐漸消散，如圖2（d）～（f）所示。

2.2 基于CFD法的間接耦合分析方法

由上述短路燃弧現(xiàn)象，以及前期研究［13－19］表明，開關設備內(nèi)部發(fā)生短路燃弧故障時，主要會經(jīng)歷以下4個階段：壓縮、膨脹、噴射以及熱效應階段，各階段對應的壓強變化如圖3所示。由圖可知，設備內(nèi)部發(fā)生短路燃弧故障時，壓力及熱效應的影響時間段并不相同；燃弧5～15ms期間，設備內(nèi)部壓力急劇增大，而內(nèi)部僅電弧區(qū)域附近的溫度較高，開關設備泄壓裝置開啟后，內(nèi)部壓力迅速下降至大氣壓，此時溫度的影響才逐漸凸顯；即熱效應僅在燃弧末期影響較大，而對開關設備來說壓力形成的破壞力對殼體以及建筑物的影響極大。因此，為了簡化計算，同時獲得較為準確的壓力分布，提出了圖4所示基于CFD法的間接解耦方法；該方法將電弧等離子體等效為理想氣體，忽略了電弧本身的物理特性，同時不考慮電弧在磁場、流體場中的運動特性，僅將電弧當作熱源，采用有限體積法進行溫度－流體場耦合求解；由于該方法忽略了電磁場與溫度－流體場的相互耦合作用，可大大減少計算量，并可對設備內(nèi)部的壓力升實現(xiàn)局部化求解。其中，加載熱源功率P可根據(jù)：

獲得。式中：U為電弧弧壓，I為電弧電流。

圖3 燃弧過程的各個階段Fig.3Phases of the arcing process

圖4 壓力升間接耦合算法Fig.4Indirect coupling analysis method of pressure rise

2.3 計算方法驗證

為了驗證數(shù)值模擬算法的準確性，建立了如圖5所示的模型，容器直徑0.7m、高0.8m，電極為圓柱形銅電極，其直徑為2cm，位于容器正中央，電極間距為5cm；利用圖1所示L－C振蕩回路提供短路電流，實驗方法與2.1部分一致，實驗過程對電弧電流、弧壓以及容器內(nèi)表面的壓力進行測量，壓力監(jiān)測點位于容器側(cè)壁dp所示位置。通過電弧功率及燃弧時間可獲得電弧釋放的總能量約為8.246kJ，采用CFD法計算和實驗測量獲得監(jiān)測點的壓強隨時間的變化規(guī)律如圖6所示。

圖5 實驗模型Fig.5Experimental model

由圖6可知，數(shù)值模擬獲得的壓強隨時間的變化趨勢與實驗測量完全一致，但實驗獲得的壓強曲線波動較大，基本以計算波形為中心上下振蕩，這主要與實驗過程電弧的劇烈變化有關。電弧燃燒過程中，由于弧壓的波動，使得電弧功率的波動較大，并非為規(guī)則的正弦波，而數(shù)值計算中，假設電弧功率隨時間呈正弦函數(shù)規(guī)律變化。因此，計算獲得的壓強曲線整體波動較小，波動頻率與電弧功率一致；當燃弧至60ms時，計算與實驗獲得的相對壓強最大值分別為：5.636和6.339kPa，兩者相差達到了12.5%，但實驗測量的平均壓強為5.75kPa，兩者僅相差2%左右；考慮到實驗測量過程中電弧能量的波動，結(jié)果應參考平均壓強的大小。因此，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果基本一致，證明了計算的有效性。

圖6 實驗結(jié)果與計算結(jié)果對比Fig.6Comparison of calculated and experimental results

3 封閉容器內(nèi)部短路燃弧壓力升數(shù)值模擬分析

3.1 電弧尺寸對壓力升計算的影響

實際開關設備發(fā)生內(nèi)部短路燃弧故障時，電弧在磁場力、熱浮力以及氣流等的影響下，燃弧位置、長度均會發(fā)生較大變化，因此，數(shù)值計算中電弧尺寸的選擇成為重點問題。該部分就電弧尺寸對模擬結(jié)果的影響進行分析，建立了如圖5所示的圓柱形封閉容器數(shù)值模型，同時為簡化分析，容器直徑與長度均減小為0.3m；燃弧部位（能量輸入部位）為圖中電弧區(qū)域，該區(qū)域的大小與電弧電流以及電弧的運動形態(tài)有關，燃弧間距設為5cm。由于燃弧時間較短，壁面與空氣熱交換的能量較少，因此，模擬過程將電極與容器壁面均設為絕熱邊界，容器內(nèi)部氣體為理想可壓縮氣體，初始溫度為25℃，相對壓強為0。假設電弧為圓柱形，直徑分別設置為1和2cm；加載的熱源功率為：

式中：t為燃弧時間，s。

利用圖4所示方法計算獲得熱源直徑為1和2cm的截面壓強分布如圖7所示。圖中分別為時刻0.4和10ms的結(jié)果，可以看出，壓強在截面基本呈現(xiàn)對稱分布，說明壓力波以電弧為中心向四周對稱發(fā)展，能量的釋放過程與爆炸過程類似，氣體熱浮力的影響較小；兩種電弧直徑獲得的壓強分布較為接近，如燃弧至10ms時，其對應的壓強最大值分別為94.3和94.6kPa，兩者僅相差0.3%左右，同時壓力波由電弧區(qū)域傳遞至壁面的時間均約為0.4ms，說明壓力波的傳播速度也基本一致，約為375m／s；雖然圖中最大值出現(xiàn)的位置有所不同，但其數(shù)值并無較大差異；可見當熱源在容器內(nèi)部占的空間較小時，其尺寸大小對壓力的分布及傳播特性影響較小；而實際開關設備發(fā)生內(nèi)部短路燃弧故障時，電弧占的區(qū)域均較小，因此，電弧尺寸對計算結(jié)果的影響較小。

圖7 不同電弧尺寸下壓強分布Fig.7Pressure distribution in different arc sizes

3.2 電弧能量的影響

為分析電弧能量對容器內(nèi)部壓力升的影響，對上述模型在不同電弧能量下的壓力升進行了計算，并考慮空氣比熱容隨溫度的變化，其變化規(guī)律可用文獻［20］中的多項式進行描述；電弧能量Q分別為：9、18、36和56.7kJ。圖8所示為計算獲得的容器內(nèi)部平均壓強隨電弧能量的變化規(guī)律。由圖8可知，壓強隨電弧能量的增加近似線性增大，但增大速率并非為固定值，而是有減緩的趨勢；壓強增長率的平均值約為9.33kPa／kJ，當Q由9kJ增大到18kJ時，壓強的增長速率約為9.98kPa／kJ；而當Q 由36kJ增大到56.7kJ時，壓強增長率低于初始增長率；分析認為，隨著電弧能量的增加，容器內(nèi)部空氣溫度增大，導致空氣比熱容的波動較大；而當溫度低于3 000K時，空氣比熱容隨溫度的增加而增大；在上述電弧能量的作用下，空氣的平均溫度均低于3 000K，所以隨著電弧能量的增加，空氣的比熱容也會有所增大，而壓強與空氣比熱容呈負相關，從而使得壓強的增長速率減緩。由于空氣比熱容隨溫度和壓強的變化較為復雜，對于更大電弧能量下壓強的變化規(guī)律還需開展進一步的分析。

3.3 負壓室的影響

由式（3）可知，容器內(nèi)部的壓強隨容積的增大而減小，因此，為抑制開關設備內(nèi)部的壓力升，提出了圖9所示的泄壓通道優(yōu)化措施。在燃弧室外部安裝負壓室，負壓室與外部環(huán)境相連，當燃弧室的壓力達到泄壓蓋A的閾值開啟壓力時，泄壓蓋A開啟，燃弧室中部分高溫氣體瞬間被吸入負壓室，此時負壓室內(nèi)壓力升高出現(xiàn)超壓。當其壓力達到泄壓蓋B的開啟壓力時，內(nèi)部氣體被排至外界環(huán)境中，燃弧室中的壓力將快速下降，可有效降低燃弧室出現(xiàn)爆裂的風險。假設燃弧室為邊長50cm的正方體，負壓室尺寸為20cm×20cm×40cm，初始相對壓強為－10kPa，泄壓蓋A和B的閾值開啟相對壓強分別為10和0kPa。采用上述方法計算燃弧室的壓力分布發(fā)現(xiàn)：增加負壓室后，燃弧室中的最大壓強降低了約60%，可見負壓室的降壓效果較好，可應用于實際開關設備中，但具體應用方案有待進一步深入研究。

圖8 壓強隨電弧能量的變化Fig.8Variation of pressure with arc energy

圖9 泄壓通道優(yōu)化措施Fig.9Optimization measure of pressure relief channel

4 結(jié) 論

分析了容器內(nèi)部短路燃弧引起的熱－力效應，提出了基于CFD法的壓力升間接耦合分析方法，通過小尺寸模型的實驗與仿真分析，對該方法的可行性和有效性進行了驗證，并分析了相關規(guī)律，得到了如下結(jié)論：

（1）基于CFD數(shù)值計算與實際實驗獲得的壓力升僅相差2%左右，驗證了該計算方法的有效性，但如何獲得較為準確的溫度分布以及在實際開關設備中的應用將在后續(xù)開展進一步研究；

（2）電弧尺寸對開關設備內(nèi)部壓力升分布規(guī)律的影響較小；容器內(nèi)部壓力升隨電弧能量的增加近似線性增大，隨容器體積的增大而快速減??；

（3）在燃弧室外部加裝負壓室可有效降低容器內(nèi)部的壓力升，因此對于實際開關設備，可通過增設負壓室來減弱短路爆炸產(chǎn)生的沖擊波對設備的影響。

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Pressure effect calculation of internal short－circuit arcing explosion in a closed container

Li Peng1，Ruan Jiangjun1，Huang Daochun1，Xu Guoshun2，Long Mingyang1，Wei Mengting1
（1.School of Electrical Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，Hubei，China；2.School of Electrical Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，Hubei，China）

Internal short－circuit arcing explosion in a medium－voltage（MV）switchgear poses a serious hazard to the safety of equipments，buildings and personnel.In the present work，to find out an appropriate method to calculate the pressure effect resulting from the internal arcing explosion，we analyzed the energy balance mechanism of the internal arcing in the switchgear，presented an indirect coupling analysis method based on CFD through the analysis of the thermal－mechanical effect of the arcing process，and verified the method by the actual arcing in a closed container.The results show that the relative error of the average pressure rise between measurement and calculation is about 2%.The arc size has less effect on the pressure rise.In the closed container，the pressure rise approximately increases linearly with the increase of the arc energy.The installation of a negative pressure room can reduce the pressure in the arcing room 60%，thereby effectively restraining the pressure rise in the switchgear caused by the internal short－circuit arcing explosion.

switchgear；internal short－circuit arcing；closed container；CFD；pressure rise

O389 國標學科代碼：13035

A

10.11883／1001－1455（2017）06－1065－07

2016－04－12；

2016－10－19

國家科技支撐計劃項目（2009BAA19B05）；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項基金項目（2042016gf0008）

黎 鵬（1989— ），男，博士研究生，lipeng19891102＠126.com。

（責任編輯 曾月蓉）