機(jī)構(gòu)緩沖對(duì)斷路器非對(duì)稱電流長(zhǎng)燃弧開斷的影響

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(西安西電高壓開關(guān)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710018)

1 引言

開斷短路電流對(duì)斷路器的開斷性能的考核是最苛刻的情況之一[1]。與對(duì)稱電流開斷相比，非對(duì)稱電流的開斷條件則更為苛刻。特別是當(dāng)非對(duì)稱度較大以及額定電壓較高時(shí)，所以斷路器開斷非對(duì)稱短路電流的能力是考核斷路器開斷性能的重要指標(biāo)[2]。

非對(duì)稱電流開斷過程中，由于非對(duì)稱分量的存在會(huì)使開斷條件有變化，小半波時(shí)，開斷條件比對(duì)稱電流容易；大半波時(shí)，開斷電流有效值及半波持續(xù)時(shí)間明顯增大，恢復(fù)電壓雖有所下降，但降低不多[2]。在此階段，對(duì)于斷路器屬于長(zhǎng)燃弧階段。因此，確保斷路器在此階段成功開斷是決定其能否順利通過非對(duì)稱電流開斷試驗(yàn)的關(guān)鍵。

2 試驗(yàn)及改進(jìn)措施

2.1 非對(duì)稱電流開斷試驗(yàn)失敗原因分析

以某型斷路器非對(duì)稱電流開斷試驗(yàn)為例,在進(jìn)行長(zhǎng)燃弧開斷試驗(yàn)時(shí)，瞬態(tài)恢復(fù)電壓在接近峰值位置發(fā)生擊穿。通過對(duì)斷路器不同燃弧時(shí)間的位移-時(shí)間特性曲線進(jìn)行比對(duì)(如圖1所示)，分析如下：

(1)隨著燃弧時(shí)間的增大，運(yùn)動(dòng)速度逐漸減小，在長(zhǎng)燃弧時(shí)刻(21.5ms)處，速度幾乎停滯。其原因在于當(dāng)電弧存在時(shí)，由于電弧能量作用，壓氣缸內(nèi)氣體壓力上升很快，對(duì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的反力增大[3]，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)速度變慢，甚至停滯；

(2)速度停滯時(shí)刻，靜弧觸頭已出噴口下游區(qū)，噴口處于完全打開階段。在這一階段，氣流的吹拂作用使得噴口上下游壓力差縮小，不足以形成強(qiáng)烈的氣吹作用熄滅電弧，所以在電流過零時(shí)未開斷。

2.2 改進(jìn)思路

提高斷路器開斷能力的途徑一般是：①增大機(jī)構(gòu)操作功即可增加氣吹壓力；②改進(jìn)滅弧室尺寸及噴口結(jié)構(gòu)，取得最佳吹弧效果[4]。然而，調(diào)整滅弧室結(jié)構(gòu)需要重新進(jìn)行全套型式試驗(yàn)；整體增大機(jī)構(gòu)操作功會(huì)縮短燃弧區(qū)間，不滿足試驗(yàn)區(qū)間要求。結(jié)合前文斷路器試驗(yàn)失敗分析，確定通過調(diào)節(jié)長(zhǎng)燃弧階段的機(jī)構(gòu)緩沖的方式改進(jìn)。因?yàn)樵谶@一階段，操動(dòng)機(jī)構(gòu)處于分閘運(yùn)動(dòng)過程的后期，機(jī)構(gòu)緩沖器已吸收一些運(yùn)動(dòng)能量，在不縮短燃弧區(qū)間的前提下，通過改善緩沖，調(diào)節(jié)緩沖器對(duì)機(jī)構(gòu)的阻尼引動(dòng)以獲得足夠的動(dòng)能和壓力差，并最終實(shí)現(xiàn)氣吹熄弧。

圖1 不同燃弧時(shí)間的位移-時(shí)間特性曲線

3 緩沖器流場(chǎng)仿真及分析

3.1 緩沖器結(jié)構(gòu)及工作原理

該型斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)緩沖器模型結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。該緩沖器主要由活塞桿、缸體、分閘彈簧等元件組成，以航空液壓油作為緩沖介質(zhì)。分閘時(shí)，活塞桿在分閘彈簧作用下向右運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，缸體內(nèi)的航空液壓油由阻尼孔及活塞桿與缸體之間的配合間隙流向分閘缸活塞缸的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為緩沖缸的液壓能，從而使分閘中后期速度逐步降低，達(dá)到緩沖目的，避免運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)在分閘終了時(shí)，沖擊大造成操動(dòng)機(jī)構(gòu)或滅弧室的損壞而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)阻力。

3.2 緩沖流場(chǎng)仿真模型的確定

在建立FLUENT仿真模型前，對(duì)緩沖器模型作如下假設(shè)：

圖2 某型斷路器用液壓緩沖缸模型示意圖

(1)由于航空液壓油的優(yōu)良性能，可認(rèn)為工作過程中液壓油的粘性和密度不變，并忽略液壓油的壓縮性[5]；

(2)由于斷路器分閘時(shí)間很短，可認(rèn)為緩沖器工作過程為絕熱過程[6]；

(3)忽略緩沖器中各運(yùn)動(dòng)副之間的間隙和摩擦。

根據(jù)對(duì)模型的假設(shè)，以斷路器長(zhǎng)燃弧時(shí)刻(21.5ms)對(duì)應(yīng)的緩沖器活塞桿運(yùn)動(dòng)位置建立仿真模型。采用k-ε兩方程湍流模型和壁面函數(shù)法確定邊界條件。

3.3 仿真結(jié)果分析

運(yùn)用FLUENT仿真軟件對(duì)緩沖器阻尼孔改進(jìn)前后的油液壓力進(jìn)行仿真。得到長(zhǎng)燃弧時(shí)刻緩沖器缸體內(nèi)部壓力場(chǎng)分布云圖(如圖3所示)。由壓力分布云圖可知，通過對(duì)緩沖器阻尼孔進(jìn)行調(diào)整(長(zhǎng)燃弧位置增加阻尼孔)，可使缸體內(nèi)的壓力降低。活塞桿繼續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的油液阻力減小，導(dǎo)致活塞桿運(yùn)動(dòng)速度提高，操動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出速度增大。

3.4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的驗(yàn)證

由于斷路器在短路開斷過程中，存在著電弧對(duì)滅弧室氣流的堵塞作用，使得開斷中速度趨于零的位置較空載下提前。因此，對(duì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后斷路器的空載位移-時(shí)間特性曲線進(jìn)行比對(duì)是間接確定加載時(shí)位移-時(shí)間特性曲線是否改善的有效途徑。緩沖器阻尼孔調(diào)節(jié)前后的位移-時(shí)間特性曲線如圖4所示。從特性曲線中看到，經(jīng)緩沖器調(diào)節(jié)后，在原速度趨于零的位置，緩沖投入緩慢，速度有所提升。

4 滅弧室流場(chǎng)仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證

通過調(diào)節(jié)緩沖器阻尼孔的位置或大小，實(shí)現(xiàn)了空載位移-時(shí)間特性曲線的改善預(yù)期。而特性曲線的改善能否切實(shí)提升滅弧室的短路開斷能力，就需要對(duì)斷路器滅弧室進(jìn)行流場(chǎng)仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證。

4.1 斷路器分閘流場(chǎng)仿真

在FLUENT仿真模擬前，對(duì)斷路器分閘操作進(jìn)行簡(jiǎn)單分析：依據(jù)能量守恒定律，在斷路器分、合閘操作過程中任意位置，由操動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出的功，應(yīng)等于克服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的各種反力功及運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)能的增量。結(jié)合前文仿真及空載位移-時(shí)間特性曲線，可將斷路器分閘流場(chǎng)仿真問題轉(zhuǎn)化為如何建立分閘時(shí)壓氣室壓力數(shù)學(xué)模型。

圖3 緩沖器缸體內(nèi)部壓力場(chǎng)分布云圖

圖4 緩沖器阻尼孔調(diào)節(jié)前后的位移-時(shí)間特性曲線

為了便于分析，對(duì)壓氣室壓力數(shù)學(xué)模型進(jìn)行如下假設(shè)：

(1)由于斷路器分閘時(shí)間很短，可認(rèn)為SF6氣體與氣缸壁來不及進(jìn)行熱交換，將這一過程看作絕熱過程；

(2)在斷路器分閘過程中假定壓氣室壓力和溫度分布均勻且相等；

(3)壓氣缸中的氣體為變質(zhì)量系統(tǒng)。利用變質(zhì)量系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律與氣體狀態(tài)方程，確定氣缸中氣體溫度變化率。

根據(jù)前文仿真及以上分析與假設(shè)，確定斷路器長(zhǎng)燃弧時(shí)刻(21.5ms)的壓氣室壓力仿真模型及邊界條件，運(yùn)用FLUENT仿真軟件，對(duì)緩沖器阻尼孔調(diào)節(jié)前后的壓氣室流場(chǎng)進(jìn)行仿真(流程圖，如圖5所示)。

圖5 滅弧室流場(chǎng)仿真流程

4.2 仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

從壓氣室仿真分析結(jié)果(如圖6、7所示)分析：緩沖器阻尼孔改進(jìn)前后，壓氣室氣流的速度和壓力均有明顯提升。壓氣室體積的壓縮率提高可以用于補(bǔ)償噴口流出氣體引起的壓力降[7]，有利于電弧可靠熄滅。

圖6 緩沖改進(jìn)前滅弧室壓力、速度分布云圖

圖7 緩沖改進(jìn)后滅弧室壓力、速度分布云圖

仿真分析從理論上驗(yàn)證了緩沖器阻尼孔改進(jìn)思路的正確性。然而，改進(jìn)思路的可行性需要通過試驗(yàn)驗(yàn)證。對(duì)改進(jìn)后的斷路器進(jìn)行了非對(duì)稱電流開斷試驗(yàn)，在長(zhǎng)燃弧相同時(shí)刻點(diǎn)，斷路器成功開斷。試驗(yàn)后，對(duì)兩次試驗(yàn)的加載狀態(tài)下的位移-時(shí)間特性曲線進(jìn)行了比對(duì)(如圖8所示)。從圖中看到，緩沖改善后，在原擊穿位置速度有所提升。在保證噴口必要壓力降的前提下，該速度可以維持氣吹階段壓氣室壓力不變，使壓氣室氣體高速(超音速)噴出，吹拂電弧，最終實(shí)現(xiàn)電弧熄滅。

圖8 兩次試驗(yàn)的位移-時(shí)間特性曲線

5 總結(jié)

通過對(duì)長(zhǎng)燃弧對(duì)應(yīng)位置緩沖器的阻尼孔進(jìn)行調(diào)節(jié)，在不影響燃弧區(qū)間的前提下，實(shí)現(xiàn)了斷路器長(zhǎng)燃弧階段速度的調(diào)整。同時(shí)，對(duì)這一調(diào)整涉及到的緩沖缸和壓氣室進(jìn)行了仿真模擬并試驗(yàn)驗(yàn)證，最終得出：在開斷非對(duì)稱電流的長(zhǎng)燃弧階段，由于緩沖器吸收了機(jī)構(gòu)輸出的一些運(yùn)動(dòng)能量，使得在壓氣室內(nèi)不可能建立起較高的壓力以使電弧熄滅。通過適當(dāng)調(diào)整這一階段的緩沖，可有效改善這一狀況，實(shí)現(xiàn)電弧可靠熄滅。