基于Fluent軟件動(dòng)網(wǎng)格法的瓦斯繼電器內(nèi)部流場(chǎng)模擬

李勝男，劉明亮，周 鑫，張思青，蘭 昊，韓冬冬

（1. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650000；2. 昆明理工大學(xué) 冶金與能源工程學(xué)院，云南 昆明 650093）

2015年4月11日東莞橫瀝站 3臺(tái)500 kV主變重瓦斯保護(hù)區(qū)外故障誤動(dòng)，造成東莞大面積停電。三菱公司500 kV主變除在廣東電網(wǎng)發(fā)生橫瀝站事件外，還發(fā)生過(guò)滄江站3#主變、上寨站3#主變及嘉應(yīng)站2#主變區(qū)外短路時(shí)重瓦斯跳閘事件。針對(duì)上述問(wèn)題廣東電網(wǎng)已制定并實(shí)施了防范措施，但未徹底杜絕該類(lèi)型故障的發(fā)生。瓦斯繼電器由于其保護(hù)原理、機(jī)械結(jié)構(gòu)存在固有缺陷，瓦斯保護(hù)誤動(dòng)作、拒動(dòng)時(shí)有發(fā)生。而我國(guó)繼電器重瓦斯流速整定值的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定依據(jù)是20世紀(jì)50年代前蘇聯(lián)推薦的實(shí)驗(yàn)結(jié)果參考值［1］，后續(xù)的理論成果一直未在標(biāo)準(zhǔn)中更新、增補(bǔ)。

云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司設(shè)備部對(duì)瓦斯繼電器誤動(dòng)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，提出對(duì)差動(dòng)保護(hù)、瓦斯保護(hù)的死區(qū)進(jìn)行詳細(xì)的分析，但現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件無(wú)法滿(mǎn)足研究要求。因此對(duì)瓦斯繼電器動(dòng)作特性的模擬計(jì)算十分重要。本文基于Fluent軟件動(dòng)網(wǎng)格法模擬某國(guó)產(chǎn)瓦斯繼電器重瓦斯報(bào)警的過(guò)程，為瓦斯繼電器整定值的確定提供參考。

1 問(wèn)題描述

瓦斯繼電器安裝在變壓器本體和油枕的連接管道上，安裝位置如圖1所示。瓦斯繼電器的工作原理如圖2所示。當(dāng)變壓器本體內(nèi)發(fā)生短路等嚴(yán)重故障時(shí)，短時(shí)間內(nèi)故障點(diǎn)處產(chǎn)生大量的瓦斯氣體，體積膨脹，推動(dòng)變壓器油流過(guò)瓦斯繼電器到油枕泄壓。這個(gè)過(guò)程中油流會(huì)沖擊繼電器中速度探測(cè)元件擋板，致使擋板開(kāi)啟至一定角度，使擋板上附帶的磁鐵吸附干簧管中的觸點(diǎn)，進(jìn)而觸發(fā)繼電器開(kāi)關(guān)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。即擋板開(kāi)啟至既定的角度時(shí)就會(huì)觸發(fā)重瓦斯報(bào)警。

圖1 瓦斯繼電器安裝位置Fig.1 Installation location of Buchholz relay

圖2 瓦斯繼電器工作原理Fig.2 Working principle of Buchholz relay

2 計(jì)算方法

2.1 計(jì)算方法概述

本文應(yīng)用Fluent軟件動(dòng)網(wǎng)格模型進(jìn)行模擬。動(dòng)網(wǎng)格通過(guò)網(wǎng)格重構(gòu)實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)格重構(gòu)依賴(lài)于對(duì)運(yùn)動(dòng)區(qū)域的定義。利用Fluent軟件提供的用戶(hù)自定義函數(shù)（UDF），將自定義功能用C語(yǔ)言寫(xiě)入U(xiǎn)DF中，借助內(nèi)部編譯器或第三方編譯軟件編譯成動(dòng)態(tài)鏈庫(kù)（DLL），動(dòng)態(tài)連接到Fluent求解器上，從而實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展的求解功能。由于本文僅涉及擋板定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，采用的UDF函數(shù)為DEFINE_CG_MOTION。

2.2 運(yùn)動(dòng)部件受力分析

圖3為利用ProE軟件繪制的瓦斯繼電器三維裝配圖和繼電器的內(nèi)部擋板。繼電器中擋板繞轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)可視為剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，所受力矩有三種：重力矩、彈簧張緊力矩以及油流對(duì)擋板的沖擊力矩。

圖3 三維裝配圖及擋板模型Fig.3 3D assembly drawing and baffle model

擋板重心剛好位于轉(zhuǎn)軸下方，因此重力矩為

圖4 計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.4 Calculation sketch

繼電器內(nèi)部為湍流，擋板周?chē)鲌?chǎng)變化劇烈，存在油流對(duì)擋板正面的沖擊以及擋板背面低壓漩渦區(qū)的吸附作用等，這使油流總作用力矩?zé)o法通過(guò)理論計(jì)算求解。通過(guò)Fluent軟件可計(jì)算瞬時(shí)流場(chǎng)，再求取該瞬態(tài)流場(chǎng)下?lián)醢迨艿降挠土骺傋饔昧?。通過(guò)宏函數(shù)Compute_Force_And_Moment提取計(jì)算面域上的力矩。通過(guò)在該宏函數(shù)參數(shù)中指定擋板轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及轉(zhuǎn)軸，計(jì)算并返回?fù)醢逅芸倹_擊力矩。

圖5 彈簧張緊力矩特性Fig.5 Characteristics of the spring tensioning moment

將式（1）～（5）用C語(yǔ)言寫(xiě)入宏函數(shù)DEFINE_CG_MOTION中，計(jì)算出擋板瞬時(shí)角速度并返回Fluent求解器，移動(dòng)計(jì)算面域，更新動(dòng)網(wǎng)格，進(jìn)而完成擋板的運(yùn)動(dòng)控制。

3 計(jì)算模擬

3.1 幾何模型

利用ANSYS軟件中DM模塊抽取流體計(jì)算域模型，如圖6（a）所示。利用ICEM-CFD生成非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，如圖6（b）所示。計(jì)算域左邊為入口邊界，右邊為出口邊界，中間為可轉(zhuǎn)動(dòng)擋板。基于文獻(xiàn)［3-4］中的方法以進(jìn)出口壓差與網(wǎng)格無(wú)關(guān)為判據(jù)，生成數(shù)量為140萬(wàn)的網(wǎng)格。對(duì)擋板進(jìn)行局部加密處理，提高核心過(guò)流部件計(jì)算精度。

圖6 流體計(jì)算域和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)Fig.6 Fluid domain and computing grid

3.2 邊界條件

氣體繼電器檢測(cè)臺(tái)通過(guò)變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)油流速度調(diào)節(jié)，模擬重瓦斯報(bào)警時(shí)油流速度，進(jìn)而標(biāo)定氣體繼電器速度整定值。本文以ZCQT-301型試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)對(duì)比仿真結(jié)果，選取試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試工況（如表1所示）為計(jì)算工況（如表2所示）。為簡(jiǎn)化計(jì)算，將試驗(yàn)臺(tái)中瓦斯繼電器油流運(yùn)動(dòng)視為勻加速運(yùn)動(dòng)。

入口邊界條件選擇“速度入口”，用UDF宏函數(shù)RP_Get_Real獲取系統(tǒng)時(shí)間，將起始速度和加速度寫(xiě)入宏函數(shù)中作為自定義速度入口邊界條件。出口邊界條件因速度、壓力未知，且經(jīng)試算，滿(mǎn)足無(wú)回流條件，故選用“自由出流”條件。流場(chǎng)計(jì)算時(shí)采用SIMPLEC算法，梯度項(xiàng)、壓力及動(dòng)量方程均用二階格式以提高精度。動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算時(shí)對(duì)時(shí)間步長(zhǎng)的選取較敏感，設(shè)置偏大會(huì)產(chǎn)生負(fù)網(wǎng)格，偏小會(huì)增加計(jì)算量。本文時(shí)間步長(zhǎng)取0.000 5 s，計(jì)算200步，即計(jì)算0.1 s內(nèi)流場(chǎng)的變化。

表1 某國(guó)產(chǎn)瓦斯繼電器動(dòng)作檢測(cè)結(jié)果（27.3℃）Tab.1 Action detection results of domestic Buchholz relay(27.3℃)

表2 繼電器平均動(dòng)作特性Tab.2 Average action characteristic of the relay

3.3 結(jié)果及分析

仿真動(dòng)作時(shí)間與實(shí)驗(yàn)動(dòng)作時(shí)間對(duì)比如表3所示。依據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，重瓦斯報(bào)警時(shí)擋板開(kāi)度為21.33°。表3中時(shí)間相對(duì)誤差小于5%，可滿(mǎn)足一般工程計(jì)算需要，證明該方法比較可靠。

表3 仿真動(dòng)作時(shí)間與實(shí)驗(yàn)動(dòng)作時(shí)間對(duì)比Tab.3 Comparison between simulation action time and experimental action time

依據(jù)試驗(yàn)臺(tái)油流加速原理，由重瓦斯實(shí)際動(dòng)作時(shí)間倒推油流所需加速度應(yīng)為2.6 m·s-2。受設(shè)備性能限制，該加速度只能利用CFD（計(jì)算流體力學(xué)）模擬計(jì)算得到。在加速度為2.6 m·s-2、速度為0.1 m·s-1下利用UDF捕捉結(jié)果。圖7（a）為擋板所受力矩隨時(shí)間的變化。受卡門(mén)渦影響，油流沖擊力矩存在周期性。擋板所受力矩中起主導(dǎo)作用是油流沖擊力矩。由于擋板開(kāi)度不大，Mg和Ms均在小范圍內(nèi)變化。擋板作為超速檢測(cè)原件，由于迎流面過(guò)大，在檢測(cè)油流速度的同時(shí)會(huì)破壞測(cè)量流場(chǎng)，且易受油流擾動(dòng)影響，存在誤動(dòng)可能。圖7（b）為θ和ω隨時(shí)間的變化。通過(guò)線性插值可得，擋板達(dá)到報(bào)警開(kāi)度（21.33°）時(shí)，對(duì)應(yīng)時(shí)刻為0.092 7 s，符合瓦斯保護(hù)切除故障需80～120 ms的實(shí)際情況。這在一定程度上驗(yàn)證了本文計(jì)算方法的自洽性。

圖7 擋板所受力矩、擋板轉(zhuǎn)角和角速度隨時(shí)間的變化Fig.7 Relationship between baffle moment,baffle rotation angle as well as angular velocity and time

文獻(xiàn)［6-7］中阻力系數(shù)隨擋板角度的變化是基于穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果。本文中來(lái)流速度隨時(shí)間不斷變化，擋板開(kāi)啟時(shí)間極短，各時(shí)刻流場(chǎng)未充分發(fā)展，故不宜直接應(yīng)用穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果。這也體現(xiàn)出CFD計(jì)算的優(yōu)勢(shì)所在，它可以彌補(bǔ)人工手算整定值［2,8］、校驗(yàn)儀校驗(yàn)整定值［9］及試驗(yàn)臺(tái)校驗(yàn)整定值所得結(jié)論的不足。

4 結(jié) 論

本文基于Fluent軟件動(dòng)網(wǎng)格法搭建了瓦斯繼電器整定值校驗(yàn)計(jì)算平臺(tái)，并對(duì)瓦斯繼電器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了定量描述，主要結(jié)論為：①給定工況下，100 ms內(nèi)變壓器油流速度由0 m·s-1增加至1.3 m·s-1，即平均加速度為13 m·s-2時(shí)，瓦斯繼電器所需的報(bào)警時(shí)間為0.092 7 s。②當(dāng)繼電器內(nèi)流動(dòng)為高雷諾數(shù)時(shí)會(huì)產(chǎn)生卡門(mén)渦，擋板開(kāi)啟總力矩呈周期波動(dòng)，依據(jù)穩(wěn)態(tài)計(jì)算確定整定值會(huì)帶來(lái)誤差。

由于繼電器理論計(jì)算難度大，國(guó)內(nèi)外這方面的實(shí)驗(yàn)研究較少，導(dǎo)致整定值的計(jì)算方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展緩慢。對(duì)瓦斯繼電器流場(chǎng)進(jìn)行仿真模擬不僅可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)實(shí)驗(yàn)無(wú)法測(cè)試的狀態(tài)，而且可以較低成本獲取大量流場(chǎng)內(nèi)部細(xì)節(jié)，為瓦斯繼電器整定值的確定提供參考。