直流空氣斷路器電場分布對重?fù)舸┯绊懛治?/h1>
2019-04-12 02:48:42徐庭偉馬子文董宏憲任志剛
船電技術(shù) 2019年3期
徐庭偉，馬子文，黃 中，董宏憲，任志剛
直流空氣斷路器電場分布對重?fù)舸┯绊懛治?/p>
徐庭偉，馬子文，黃 中，董宏憲，任志剛
（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）
為了解決直流空氣斷路器的重?fù)舸﹩栴}，本文簡要分析了重?fù)舸┑幕具^程和機(jī)理，闡述了電場分布因素對重?fù)舸┻^程的重要影響，并提出了一種通過靜電場計(jì)算來分析和預(yù)測斷路器重?fù)舸┘捌浒l(fā)生位置的方法，為抑制斷路器的重?fù)舸?，提高空氣直流斷路器的性能和可靠性提供了幫助?/p>
直流空氣斷路器 重?fù)舸?靜電場 仿真
0 引言
直流供電系統(tǒng)能提供高質(zhì)量，易調(diào)控，低損耗的電能，因此在軌道交通、分布式發(fā)電、船用電力系統(tǒng)等領(lǐng)域的應(yīng)用規(guī)模越來越大[1,0]。直流空氣斷路器結(jié)構(gòu)簡單，動作可靠且成本低廉，是直流輸配電系統(tǒng)的重要保護(hù)設(shè)備。
直流空氣斷路器主要是利用高電弧電壓來進(jìn)行限流熄弧，完成開斷，其主要過程可由（1）式簡述：
通過變換得：
其中U為電源電壓，為回路電流，為斷路器電阻，U為電弧電壓，為系統(tǒng)電感。若忽略斷路器內(nèi)阻，要限制電流須電弧電壓高于電源電壓，因此空氣斷路器開斷能力受電弧特性影響極大，電流大小、滅弧室結(jié)構(gòu)、柵片排列等因素都能通過電弧間接影響斷路器開斷[3,4]。
金屬柵片型滅弧室利用金屬柵片切割電弧并形成多段短弧，而每段短弧固有的近極壓降串聯(lián)后能在受限空間內(nèi)獲得較高的弧壓，因此在空氣斷路器中得到廣泛應(yīng)用。隨著系統(tǒng)電壓和容量的升高，滅弧所需電弧電壓隨之上升，分段過程中的電弧重?fù)舸﹩栴}更加突出。等離子體擊穿場強(qiáng)閾值受氣體種類、壓力、溫度、容器形狀等多種因素影響，當(dāng)實(shí)際電場強(qiáng)度高于該閾值時(shí)，即發(fā)生擊穿[5]。重?fù)舸┌l(fā)生時(shí)，斷路器電弧電壓迅速跌落或劇烈振蕩，電弧電壓難以達(dá)到預(yù)期，造成開斷失敗和設(shè)備的嚴(yán)重?zé)龘p。
1 直流空氣斷路器重?fù)舸?/h2>
金屬柵片式的空氣斷路器重?fù)舸┑幕具^程如圖1。觸頭分離產(chǎn)生電弧后，在氣體壓力與電磁力驅(qū)動下向滅弧室出口運(yùn)動，如圖1（a）。隨后電弧開始進(jìn)入滅弧室，并被金屬柵片切割為數(shù)段短弧，如圖1（b）。正常開斷時(shí)，隨著柵片切割形成的短弧數(shù)目增加，電弧電壓迅速上升使電流受到限制，最終電弧熄滅，如圖1（c）。若電弧的背后區(qū)域發(fā)生重?fù)舸敲葱码娀?dǎo)致原電弧被短接而熄滅，電弧電壓迅速下降至新電弧水平，如圖1（d）。
圖1 電弧重?fù)舸┑幕具^程
與交流系統(tǒng)中電流過零后發(fā)生重?fù)舸┎煌?，直流斷路器的重?fù)舸┮话惆l(fā)生在電弧拉伸和柵片切割的過程?？諝鈹嗦菲麟娀』⌒臏囟葮O高，電弧運(yùn)動后殘留的高溫氣體通過光譜測量溫度高達(dá)4000 K以上，氣體熱電離顯著，因此對于重?fù)舸┌l(fā)生的原因，目前主要認(rèn)為是該區(qū)域在不斷升高的電弧電壓影響下的熱擊穿[7,8]。
圖2（a）為直流空氣斷路器試驗(yàn)中發(fā)生重?fù)舸r(shí)所記錄的電弧電壓波形，試驗(yàn)參數(shù)為試驗(yàn)電壓1.8 kV，試驗(yàn)電流 2 kA，時(shí)間常數(shù)5 ms。從圖可以看到在電弧電壓首次達(dá)到約1.5 kV時(shí)發(fā)生重?fù)舸妷涸? ms內(nèi)下降至327 V，隨后電弧電壓再次上升，整個(gè)燃弧時(shí)間約38 ms。雖然回路電流最終被成功分?jǐn)?，但燃弧時(shí)間明顯增加，試驗(yàn)過程中的聲光效應(yīng)也更加顯著。試驗(yàn)后將斷路器滅弧室拆下觀察，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)弧板的尖角部位發(fā)生嚴(yán)重?zé)g，如圖4（b）所示，表明電弧弧根在該位置長時(shí)間停留，結(jié)合試驗(yàn)電壓波形，可以確定該部位即電弧重?fù)舸┌l(fā)生位置。
空氣斷路器電弧的重?fù)舸┑闹苯釉蚴墙橘|(zhì)的絕緣強(qiáng)度不足，即絕緣強(qiáng)度的恢復(fù)速度跟不上施加在介質(zhì)上的電弧電壓的上升速度。由于直流系統(tǒng)中無自然過零點(diǎn)，介質(zhì)恢復(fù)的條件更加嚴(yán)峻，重?fù)舸└装l(fā)生。輸入介質(zhì)的能量是影響介質(zhì)恢復(fù)狀態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)，而從能量平衡角度考慮，忽略對流和散熱，可以得到以下關(guān)系式[6]：
當(dāng)輸入介質(zhì)的能量與輸出的能量相等，即熱平衡狀態(tài)時(shí)，認(rèn)為此時(shí)為介質(zhì)恢復(fù)與擊穿之間的臨界狀態(tài)，（3）式可簡化為
式中為通道電導(dǎo)率，為通道電場強(qiáng)度，為熱導(dǎo)率，為氣體溫度；為氣體密度；為氣體比熱容。從（4）式可以看出電場強(qiáng)度電導(dǎo)率，溫度都是影響重?fù)舸┌l(fā)生的因素，其中電場更是以平方的形式產(chǎn)生影響。
圖2 電弧電壓波形(a)和被燒蝕的導(dǎo)弧板(b)
2 一種斷路器重?fù)舸┑撵o電場分析方法
由于斷路器本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜且燃弧時(shí)溫度較高，除端口特性外的其他內(nèi)部參數(shù)獲取難度較大，因此采用數(shù)值方法對斷路器開斷過程進(jìn)行仿真計(jì)算成為重要的輔助手段。西安交通大學(xué)榮命哲等人通過建立磁流體動力學(xué)（MHD）模型對直流空氣斷路器開斷過程中電弧運(yùn)動和相關(guān)物理過程進(jìn)行了仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較好的一致性[6-8]。該方法為了準(zhǔn)確地模擬各個(gè)物理量之間的相互影響，采用了電磁場、熱場、流體場的多物理場聯(lián)合仿真，且對模型進(jìn)行了細(xì)致的網(wǎng)格劃分，因此存在建模與仿真的工作量大，靈活性低的問題，目前工程應(yīng)用的難度較高。
考慮到電場因素對重?fù)舸┑挠绊?，本文建立了仿真?jì)算模型進(jìn)行進(jìn)一步分析。重?fù)舸┌l(fā)生前時(shí)刻，電弧處于如圖1（b）所示位置，此時(shí)電弧背后區(qū)域游離氣體得到初步冷卻，電導(dǎo)率已經(jīng)下降。此時(shí)背后區(qū)域漏電流遠(yuǎn)低于斷路器總電流，因此可假設(shè)背后區(qū)域在重?fù)舸┣敖^緣基本恢復(fù)，將電場分布近似等效為電弧電壓大小的電壓源激勵施加在金屬觸頭上所形成的靜電場，據(jù)此建立仿真計(jì)算模型。
圖3 直流空氣斷路器滅弧室結(jié)構(gòu)示意圖
對所建立斷路器靜電場模型補(bǔ)充以下說明：
1）金屬柵片以及串聯(lián)電弧在理論上會對背后區(qū)域的電場產(chǎn)生影響，但實(shí)際上通過對比計(jì)算顯示由于其距離觸頭區(qū)域較遠(yuǎn)，其電場貢獻(xiàn)極低（5%以下），可以近似忽略。
2）金屬材料在電場中會發(fā)生靜電屏蔽現(xiàn)象，部分區(qū)域會被周圍的突出的金屬結(jié)構(gòu)所屏蔽，因此在電場計(jì)算中可以進(jìn)行大幅簡化。
3）重?fù)舸┌l(fā)生前觸頭分閘基本到位，因此考慮分閘狀態(tài)下的觸頭位置具有代表性。
3 計(jì)算結(jié)果與優(yōu)化
圖4 原滅弧室仿真計(jì)算結(jié)果
仿真計(jì)算得到電場分布如圖4所示，場強(qiáng)最高的位置位于動觸頭上端面與引弧板之間區(qū)域，最大場強(qiáng)達(dá)到約1.1 kV/cm，平均場強(qiáng)也遠(yuǎn)高于其他區(qū)域，達(dá)到887 V/cm以上,成為最可能發(fā)生重?fù)舸┑奈恢?，這與圖2中顯示的試驗(yàn)后滅弧室內(nèi)部燒蝕位置相一致。
為了在不大幅改變斷路器整體結(jié)構(gòu)的情況下降低電場強(qiáng)度，僅對導(dǎo)弧板的位置和長度進(jìn)行了調(diào)整，并將相關(guān)結(jié)構(gòu)的邊沿進(jìn)行了倒角處理。使用優(yōu)化后的模型進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果如圖5所示，動觸頭與導(dǎo)弧板間的最高場強(qiáng)為891 V/cm，相比優(yōu)化前下降了19.0%，平均電場強(qiáng)度為525 V/cm，相比優(yōu)化前下降了59.2%。
圖5 優(yōu)化后滅弧室電場分布
使用優(yōu)化后的滅弧室在相同回路參數(shù)下進(jìn)行試驗(yàn)，得到的斷路器端口電壓波形如圖6所示：可看到，電弧電壓的上升過程雖然還存在波動，但并未出現(xiàn)大幅度的電壓跌落，總體呈現(xiàn)穩(wěn)定上升的趨勢，總?cè)蓟r(shí)間24.3 ms，較優(yōu)化前減少13.7 ms。觀察試驗(yàn)后的斷路器滅弧室，未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重?zé)g情況。該試驗(yàn)結(jié)果說明針對滅弧室導(dǎo)弧板采取優(yōu)化措施有效避免了斷路器電弧重?fù)舸┑陌l(fā)生，該優(yōu)化方案取得了預(yù)期的效果。
圖6 優(yōu)化后斷路器電弧電壓波形
4 結(jié)論
本文通過建立斷路器的靜電場分析模型進(jìn)行計(jì)算分析，對直流空氣斷路器滅弧室進(jìn)行了優(yōu)化，解決了斷路器分?jǐn)噙^程中的重?fù)舸﹩栴}，并可得出以下結(jié)論：
1）直流空氣斷路器重?fù)舸闺妷簢?yán)重影響其開斷性能，而重?fù)舸┣皽缁∈业碾妶龇植紝χ負(fù)舸┚哂兄匾绊憽?/p>
2）使用靜電場分析方法對優(yōu)化直流空氣斷路器內(nèi)部電場分布及解決電弧重?fù)舸﹩栴}具有理論上的合理性和可行性。
3）通過對關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行仿真計(jì)算，可以預(yù)測和評估空氣直流斷路器中的易發(fā)生重?fù)舸┑谋∪跷恢谩?/p>
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The Analysis of Effect of Electric Field Distribution on Arc Restrike of Air DC-Circuit Breaker
Xu Tingwei, Ma Ziwen, Huang Zhong, Dong Hongxian, Ren Zhigang
(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)
TM561
A
1003-4862（2019）03-0018-03
2018-11-02
徐庭偉（1994-），男，碩士。研究方向：艦船直流保護(hù)電器。E-mail: xpxfmm@163.com
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直流空氣斷路器 重?fù)舸?靜電場 仿真
0 引言
直流供電系統(tǒng)能提供高質(zhì)量，易調(diào)控，低損耗的電能，因此在軌道交通、分布式發(fā)電、船用電力系統(tǒng)等領(lǐng)域的應(yīng)用規(guī)模越來越大[1,0]。直流空氣斷路器結(jié)構(gòu)簡單，動作可靠且成本低廉，是直流輸配電系統(tǒng)的重要保護(hù)設(shè)備。
直流空氣斷路器主要是利用高電弧電壓來進(jìn)行限流熄弧，完成開斷，其主要過程可由（1）式簡述：
通過變換得：
其中U為電源電壓，為回路電流，為斷路器電阻，U為電弧電壓，為系統(tǒng)電感。若忽略斷路器內(nèi)阻，要限制電流須電弧電壓高于電源電壓，因此空氣斷路器開斷能力受電弧特性影響極大，電流大小、滅弧室結(jié)構(gòu)、柵片排列等因素都能通過電弧間接影響斷路器開斷[3,4]。
金屬柵片型滅弧室利用金屬柵片切割電弧并形成多段短弧，而每段短弧固有的近極壓降串聯(lián)后能在受限空間內(nèi)獲得較高的弧壓，因此在空氣斷路器中得到廣泛應(yīng)用。隨著系統(tǒng)電壓和容量的升高，滅弧所需電弧電壓隨之上升，分段過程中的電弧重?fù)舸﹩栴}更加突出。等離子體擊穿場強(qiáng)閾值受氣體種類、壓力、溫度、容器形狀等多種因素影響，當(dāng)實(shí)際電場強(qiáng)度高于該閾值時(shí)，即發(fā)生擊穿[5]。重?fù)舸┌l(fā)生時(shí)，斷路器電弧電壓迅速跌落或劇烈振蕩，電弧電壓難以達(dá)到預(yù)期，造成開斷失敗和設(shè)備的嚴(yán)重?zé)龘p。
1 直流空氣斷路器重?fù)舸?/h2>
金屬柵片式的空氣斷路器重?fù)舸┑幕具^程如圖1。觸頭分離產(chǎn)生電弧后，在氣體壓力與電磁力驅(qū)動下向滅弧室出口運(yùn)動，如圖1（a）。隨后電弧開始進(jìn)入滅弧室，并被金屬柵片切割為數(shù)段短弧，如圖1（b）。正常開斷時(shí)，隨著柵片切割形成的短弧數(shù)目增加，電弧電壓迅速上升使電流受到限制，最終電弧熄滅，如圖1（c）。若電弧的背后區(qū)域發(fā)生重?fù)舸敲葱码娀?dǎo)致原電弧被短接而熄滅，電弧電壓迅速下降至新電弧水平，如圖1（d）。
圖1 電弧重?fù)舸┑幕具^程
與交流系統(tǒng)中電流過零后發(fā)生重?fù)舸┎煌?，直流斷路器的重?fù)舸┮话惆l(fā)生在電弧拉伸和柵片切割的過程?？諝鈹嗦菲麟娀』⌒臏囟葮O高，電弧運(yùn)動后殘留的高溫氣體通過光譜測量溫度高達(dá)4000 K以上，氣體熱電離顯著，因此對于重?fù)舸┌l(fā)生的原因，目前主要認(rèn)為是該區(qū)域在不斷升高的電弧電壓影響下的熱擊穿[7,8]。
圖2（a）為直流空氣斷路器試驗(yàn)中發(fā)生重?fù)舸r(shí)所記錄的電弧電壓波形，試驗(yàn)參數(shù)為試驗(yàn)電壓1.8 kV，試驗(yàn)電流 2 kA，時(shí)間常數(shù)5 ms。從圖可以看到在電弧電壓首次達(dá)到約1.5 kV時(shí)發(fā)生重?fù)舸妷涸? ms內(nèi)下降至327 V，隨后電弧電壓再次上升，整個(gè)燃弧時(shí)間約38 ms。雖然回路電流最終被成功分?jǐn)?，但燃弧時(shí)間明顯增加，試驗(yàn)過程中的聲光效應(yīng)也更加顯著。試驗(yàn)后將斷路器滅弧室拆下觀察，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)弧板的尖角部位發(fā)生嚴(yán)重?zé)g，如圖4（b）所示，表明電弧弧根在該位置長時(shí)間停留，結(jié)合試驗(yàn)電壓波形，可以確定該部位即電弧重?fù)舸┌l(fā)生位置。
空氣斷路器電弧的重?fù)舸┑闹苯釉蚴墙橘|(zhì)的絕緣強(qiáng)度不足，即絕緣強(qiáng)度的恢復(fù)速度跟不上施加在介質(zhì)上的電弧電壓的上升速度。由于直流系統(tǒng)中無自然過零點(diǎn)，介質(zhì)恢復(fù)的條件更加嚴(yán)峻，重?fù)舸└装l(fā)生。輸入介質(zhì)的能量是影響介質(zhì)恢復(fù)狀態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)，而從能量平衡角度考慮，忽略對流和散熱，可以得到以下關(guān)系式[6]：
當(dāng)輸入介質(zhì)的能量與輸出的能量相等，即熱平衡狀態(tài)時(shí)，認(rèn)為此時(shí)為介質(zhì)恢復(fù)與擊穿之間的臨界狀態(tài)，（3）式可簡化為
式中為通道電導(dǎo)率，為通道電場強(qiáng)度，為熱導(dǎo)率，為氣體溫度；為氣體密度；為氣體比熱容。從（4）式可以看出電場強(qiáng)度電導(dǎo)率，溫度都是影響重?fù)舸┌l(fā)生的因素，其中電場更是以平方的形式產(chǎn)生影響。
圖2 電弧電壓波形(a)和被燒蝕的導(dǎo)弧板(b)
2 一種斷路器重?fù)舸┑撵o電場分析方法
由于斷路器本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜且燃弧時(shí)溫度較高，除端口特性外的其他內(nèi)部參數(shù)獲取難度較大，因此采用數(shù)值方法對斷路器開斷過程進(jìn)行仿真計(jì)算成為重要的輔助手段。西安交通大學(xué)榮命哲等人通過建立磁流體動力學(xué)（MHD）模型對直流空氣斷路器開斷過程中電弧運(yùn)動和相關(guān)物理過程進(jìn)行了仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較好的一致性[6-8]。該方法為了準(zhǔn)確地模擬各個(gè)物理量之間的相互影響，采用了電磁場、熱場、流體場的多物理場聯(lián)合仿真，且對模型進(jìn)行了細(xì)致的網(wǎng)格劃分，因此存在建模與仿真的工作量大，靈活性低的問題，目前工程應(yīng)用的難度較高。
考慮到電場因素對重?fù)舸┑挠绊?，本文建立了仿真?jì)算模型進(jìn)行進(jìn)一步分析。重?fù)舸┌l(fā)生前時(shí)刻，電弧處于如圖1（b）所示位置，此時(shí)電弧背后區(qū)域游離氣體得到初步冷卻，電導(dǎo)率已經(jīng)下降。此時(shí)背后區(qū)域漏電流遠(yuǎn)低于斷路器總電流，因此可假設(shè)背后區(qū)域在重?fù)舸┣敖^緣基本恢復(fù)，將電場分布近似等效為電弧電壓大小的電壓源激勵施加在金屬觸頭上所形成的靜電場，據(jù)此建立仿真計(jì)算模型。
圖3 直流空氣斷路器滅弧室結(jié)構(gòu)示意圖
對所建立斷路器靜電場模型補(bǔ)充以下說明：
1）金屬柵片以及串聯(lián)電弧在理論上會對背后區(qū)域的電場產(chǎn)生影響，但實(shí)際上通過對比計(jì)算顯示由于其距離觸頭區(qū)域較遠(yuǎn)，其電場貢獻(xiàn)極低（5%以下），可以近似忽略。
2）金屬材料在電場中會發(fā)生靜電屏蔽現(xiàn)象，部分區(qū)域會被周圍的突出的金屬結(jié)構(gòu)所屏蔽，因此在電場計(jì)算中可以進(jìn)行大幅簡化。
3）重?fù)舸┌l(fā)生前觸頭分閘基本到位，因此考慮分閘狀態(tài)下的觸頭位置具有代表性。
3 計(jì)算結(jié)果與優(yōu)化
圖4 原滅弧室仿真計(jì)算結(jié)果
仿真計(jì)算得到電場分布如圖4所示，場強(qiáng)最高的位置位于動觸頭上端面與引弧板之間區(qū)域，最大場強(qiáng)達(dá)到約1.1 kV/cm，平均場強(qiáng)也遠(yuǎn)高于其他區(qū)域，達(dá)到887 V/cm以上,成為最可能發(fā)生重?fù)舸┑奈恢?，這與圖2中顯示的試驗(yàn)后滅弧室內(nèi)部燒蝕位置相一致。
為了在不大幅改變斷路器整體結(jié)構(gòu)的情況下降低電場強(qiáng)度，僅對導(dǎo)弧板的位置和長度進(jìn)行了調(diào)整，并將相關(guān)結(jié)構(gòu)的邊沿進(jìn)行了倒角處理。使用優(yōu)化后的模型進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果如圖5所示，動觸頭與導(dǎo)弧板間的最高場強(qiáng)為891 V/cm，相比優(yōu)化前下降了19.0%，平均電場強(qiáng)度為525 V/cm，相比優(yōu)化前下降了59.2%。
圖5 優(yōu)化后滅弧室電場分布
使用優(yōu)化后的滅弧室在相同回路參數(shù)下進(jìn)行試驗(yàn)，得到的斷路器端口電壓波形如圖6所示：可看到，電弧電壓的上升過程雖然還存在波動，但并未出現(xiàn)大幅度的電壓跌落，總體呈現(xiàn)穩(wěn)定上升的趨勢，總?cè)蓟r(shí)間24.3 ms，較優(yōu)化前減少13.7 ms。觀察試驗(yàn)后的斷路器滅弧室，未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重?zé)g情況。該試驗(yàn)結(jié)果說明針對滅弧室導(dǎo)弧板采取優(yōu)化措施有效避免了斷路器電弧重?fù)舸┑陌l(fā)生，該優(yōu)化方案取得了預(yù)期的效果。
圖6 優(yōu)化后斷路器電弧電壓波形
4 結(jié)論
本文通過建立斷路器的靜電場分析模型進(jìn)行計(jì)算分析，對直流空氣斷路器滅弧室進(jìn)行了優(yōu)化，解決了斷路器分?jǐn)噙^程中的重?fù)舸﹩栴}，并可得出以下結(jié)論：
1）直流空氣斷路器重?fù)舸闺妷簢?yán)重影響其開斷性能，而重?fù)舸┣皽缁∈业碾妶龇植紝χ負(fù)舸┚哂兄匾绊憽?/p>
2）使用靜電場分析方法對優(yōu)化直流空氣斷路器內(nèi)部電場分布及解決電弧重?fù)舸﹩栴}具有理論上的合理性和可行性。
3）通過對關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行仿真計(jì)算，可以預(yù)測和評估空氣直流斷路器中的易發(fā)生重?fù)舸┑谋∪跷恢谩?/p>
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The Analysis of Effect of Electric Field Distribution on Arc Restrike of Air DC-Circuit Breaker
Xu Tingwei, Ma Ziwen, Huang Zhong, Dong Hongxian, Ren Zhigang
(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)
TM561
A
1003-4862（2019）03-0018-03
2018-11-02
徐庭偉（1994-），男，碩士。研究方向：艦船直流保護(hù)電器。E-mail: xpxfmm@163.com
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