直流空氣斷路器高海拔環(huán)境下電弧重燃現(xiàn)象及其抑制措施

摘 要：

高海拔環(huán)境下直流空氣斷路器（DC ACB）在電弧開斷過程中易發(fā)生重燃，導致開斷失敗的概率增加。為了抑制DC ACB高海拔開斷時的電弧重燃，以軌道交通用車載DC ACB為研究對象，建立了二維磁流體動力學（MHD）仿真模型，分析了不同海拔下DC ACB中的電弧演變過程，通過增大橫向磁場及設置“C”形柵片對其高海拔開斷性能進行優(yōu)化。結果表明增大橫向磁場，2 km、3 km海拔下DC ACB不發(fā)生電弧重燃，但4 km、5 km海拔下發(fā)生電弧重燃。4 km、5 km海拔下，在增大橫向磁場的基礎上采用含“C”形柵片的改進滅弧室結構，能夠使DC ACB在高海拔環(huán)境下成功開斷。

關鍵詞：

直流空氣斷路器; 高海拔; 磁流體動力學; 橫向磁場; “C”形柵片

中圖分類號： TM561

文獻標志碼： A

文章編號： 2095-8188（2024）01-0006-07

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.01.002

Arc Reignition and Its Suppression of DC Air Circuit Breaker in High Altitude Environment

HUANG Hao， LI Jing， PENG Shidong

［Key Lab of Special Electric Machine and High Voltage Apparatus （College of Electrical Engineering，Shenyang University of Technology）， Shenyang 110870， China］

Abstract：

DC air circuit breaker （DC ACB） in high-altitude environments are prone to reignition during arc breaking，leading to an increased probability of failure.To suppress arc reignition during high-altitude breaking of DC ACB，the on-board DC ACB used in rail transit was focused，a two-dimensional magnetohydrodynamics （MHD） simulation model was established.The arc evolution process in DC ACB at different altitudes was analyzed，and their high-altitude breaking performance were optimized by increasing the transverse magnetic field and setting C-shaped splitter plates.The results show that increasing the transverse magnetic field can not cause arc reignition in DC ACB at altitudes of 2 km and 3 km，but arc reignition occurred at altitudes of 4 km and 5 km.An improved arc chamber structure with a C-shaped splitter plates was adopted on the basis of increasing the transverse magnetic field at altitudes of 4 km and 5 km，which can disconnect DC ACB in high altitude environments successfully.

Key words：

DC air circuit breaker （DC ACB）; high altitude; magnetohydrodynamics （MHD）; transverse magnetic field; C-shaped splitter plate

0 引 言

海拔超過1 000 m的地區(qū)稱為高海拔地區(qū)［1］，我國高海拔地區(qū)面積達到了國土總面積的67%以上。近年來，直流空氣斷路器（DC ACB）越來越多地應用于中高海拔城市的軌道交通、光伏發(fā)電和直流配電網等領域［2］。DC ACB作為城市軌道交通系統(tǒng)中重要的控制和保護設備，為城市軌道交通直流供電系統(tǒng)運行的可靠性和安全性提供了重要保障［3］。高海拔地區(qū)軌道交通直流系統(tǒng)對DC ACB的需求量不斷增加，然而隨著海拔升高，氣壓、溫度等環(huán)境因素會發(fā)生變化，環(huán)境因素的變化會給DC ACB的開斷電弧性能帶來一定的影響。如高海拔環(huán)境下DC ACB開斷電弧時發(fā)生重燃的概率增加，威脅到高海拔地區(qū)軌道交通系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。因此，抑制DC ACB在高海拔環(huán)境下開斷時的電弧重燃，是保證城市軌道交通直流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行的關鍵。

電弧是一種等離子體，作為物質的第四態(tài)［4］，其物理過程極其復雜，國內外學者對高海拔下電弧特性研究主要集中在弓網電?。?］、焊接電?。?］。在電器電弧領域，文獻［7］研究了高海拔環(huán)境對塑殼斷路器分斷能力的影響，提出了降低斷路器工作電壓的方式來滿足高海拔環(huán)境對分斷能力的要求。文獻［8］則重點關注了航空直流空氣電弧的侵蝕行為和磁場調控電弧技術。直流開斷時電流沒有自然過零點，開斷更加困難。國內外研究者根據DC ACB的工作原理，基于磁流體動力學（MHD）仿真模型，進行了大量研究工作。文獻［9］提出了磁場吹弧的方法，通過外施磁場來提高電弧的運動速度，研究了磁場對電弧的驅動作用。文獻［10］探討了滅弧室出氣孔尺寸和產氣材料對電弧運動特性的影響。文獻［11］通過仿真和實驗相結合的方法，研究了分斷速度差異和外施磁場對弧根演變規(guī)律的影響。文獻［12］分析了直流接觸器分斷過程中弧根演變過程及對重燃的影響。文獻［13］研究了自激式DC ACB小電流開斷過程中的弧根停滯現(xiàn)象。但以上研究都是針對1個大氣壓（0 km海拔）的開斷問題，對高海拔環(huán)境下電器電弧的開斷研究較少。

基于以上分析，本文對車載DC ACB建立了二維MHD模型，通過考慮高海拔環(huán)境下溫度和氣壓的改變以及相應物性參數(shù)的變化情況，真實地反映了不同海拔高度下電弧的全動態(tài)過程。分析了橫向磁場對高海拔環(huán)境下DC ACB滅弧性能的影響，提出了基于“C”形柵片的改進滅弧室結構。

1 直流空氣電弧的數(shù)學模型

1.1 仿真模型及假設條件

本文研究涉及DC ACB二維幾何模型，滅弧室的幾何模型如圖1所示。其幾何尺寸如圖1中標注。滅弧室內含10個柵片，柵片間距4.5 mm。

由于DC ACB開斷過程中電弧等離子體的物理現(xiàn)象極為復雜，為了平衡數(shù)值模型求解效率與計算準確度，本文作以下假設：① 仿真起始階段電弧等離子體處于局部熱力學平衡狀態(tài);② 不考慮觸頭與柵片的相變，忽略滅弧室內銅蒸氣的影響;③ 電弧等離子體為牛頓流體，流動狀態(tài)為層流且為不可壓縮流動;④ 電弧等離子體的物性參數(shù)視為僅與溫度和壓強相關的函數(shù)［14］;⑤ 在柵片周圍設置了0.1 mm的鞘層區(qū)域模擬電弧與金屬柵片接觸時形成的鞘層電壓降［15］。

1.2 控制方程

空氣電弧本質上是一種高溫等離子體，其溫度場、氣流場、電磁場相互作用。本文基于MHD理論，將電弧視為特殊的導電流體，建立了直流空氣電弧的MHD模型。該模型包含流體流動方程、電磁場方程和電弧輻射方程。

電弧等離子體流體流動過程滿足質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律，可使用以下流體動力學方程進行描述。

質量守恒方程：

電弧等離子體中電場計算主要包括電位、電流密度和矢量磁位之間的耦合，其中電位與電流密度的計算采用拉普拉斯方程和電流安培定律方程。磁場求解采用矢量磁位法，靜磁場的矢量磁位滿足矢量泊松方程。其電磁場方程如下：

電弧等離子體溫度高，其輻射散熱不可忽略。電弧等離子體的熱輻射過程：電弧中心區(qū)域的溫度最高，不斷向外輻射能量，電弧邊緣的低溫區(qū)域則會吸收來自中心區(qū)域的一部分能量;部分輻射的能量在滅弧室中被吸收，對觸頭、柵片和器壁產生一定程度的燒蝕［16］;剩余部分能量則耗散于滅弧室的外部空間?；谏鲜鲚椛溥^程的復雜性，通常采取簡化的經驗公式描述電弧的輻射散熱過程：

仿真中其他邊界條件設置：陽極電壓為500 V，陰極接地，整個計算域施加橫向磁場，邊界磁矢勢為0。根據新國標［18］的要求，將海拔0 km、2 km、3 km、4 km、5 km的海拔高度劃分為5個等級，滅弧室出氣口設置為相應海拔環(huán)境氣壓。不同海拔高度下平均環(huán)境溫度與平均環(huán)境氣壓如表1所示。

2 仿真結果分析

2.1 電弧在高海拔環(huán)境的運動過程分析

為了研究不同海拔高度下DC ACB的開斷性能，對0～5 km海拔高度下額定開斷等級為500 V/500 A的DC ACB施加20 mT橫向磁場進行開斷電弧過程仿真。

不同海拔高度下滅弧室內溫度分布如圖2所示;電弧關鍵行為發(fā)生時刻如表2所示。

電弧的運動過程分為3個階段。第一階段：初始時刻在觸頭間起弧，電弧呈反“C”字形，在磁吹力的作用下向滅弧室內移動。隨著海拔高度增加，該階段時間稍有縮短。第二階段：電弧進入柵片，建立了柵片間近極壓降，電弧電壓和電弧電流曲線中的斜率增大，電弧電壓上升和電弧電流下降的速度更快，全柵片利用后，電弧迅速熄滅。第三階段：電弧在滅弧室入口處發(fā)生重燃。不同海拔高度下電弧溫度分布在前兩個階段的表現(xiàn)極為相似，隨著海拔高度的上升，電弧的運動速度稍有提高。而在第三階段，3 km和5 km海拔下高溫氣體聚集在滅弧室入口處導致了重燃現(xiàn)象的出現(xiàn)。0 km海拔的熱導率高，滅弧室內的氣體導熱性能相較于高海拔3 km和5 km更好，電弧熄滅后沒有發(fā)生重燃。

不同海拔高度下電弧電壓與電弧電流隨時間變化曲線如圖3所示。

滅弧室內電弧電壓上升到電源電壓500 V且電弧電流下降至0時刻視為直流斷路器成功完成第一次限流，隨著海拔高度的上升，DC ACB完成第一次限流的時間稍有滯后，而發(fā)生重燃的時間明顯提前。在0 km海拔高度下，電弧電壓上升至500 V后保持不變，且電弧電流降至0不再變化，DC ACB成功開斷。而高海拔環(huán)境下，電弧電壓達到500 V且電流降至0穩(wěn)定一段時間后，電弧電壓重新下降且電弧電流重新上升。這是由于斷路器開斷過程中產生的高溫氣體在滅弧室入口聚集，空氣介質絕緣強度隨著溫度升高而下降，電弧重燃現(xiàn)象出現(xiàn)，表明2～5 km高海拔環(huán)境下DC ACB開斷失敗。

2.2 橫向磁場對不同海拔高度下開斷的影響

在磁吹斷路器中，橫向磁場的大小對DC ACB成功開斷與否起著至關重要的作用。以海拔高度3 km為例，提取不同橫向磁場作用下電弧電壓、電弧電流。不同橫向磁場下電弧電壓與電弧電流隨時間變化曲線如圖4所示。當橫向磁場為10 mT時，電弧電壓難以上升至電源電壓，電弧電壓上升到一定程度后便出現(xiàn)波動，電弧電流也未降至0。這是由于磁場強度10 mT時，電弧受到的磁吹力不足，電弧彎曲程度更大，弧柱區(qū)變寬，而弧根出現(xiàn)了黏滯現(xiàn)象，其運動速度變慢，導致電弧進入柵片時的速度變慢，磁吹力不足以讓電弧快速被柵片切割，被柵片分割的電弧停留在柵片入口處無法繼續(xù)向柵片內部運動，電弧難以熄滅。海拔高度為3 km時不同磁場下滅弧室內電弧溫度分布如圖5所示。

由圖5可知，隨著橫向磁場的增大，電弧的運動速度有明顯提高，在10 mT、30 mT、50 mT時，電弧進入柵片的時間分別為4.4 ms、1.7 ms和1.2 ms。電弧受到的磁吹力隨磁場的增大而增大，因此增大磁場有利于促進電弧運動帶動周圍高溫氣體的擴散。對比16.3 ms時的溫度分布，橫向磁場10 mT時，上下弧根仍在豎直跑弧道上運動未向水平跑弧道轉移，電弧在柵片入口處被切割為短弧但電弧未能熄滅，整個電弧區(qū)域的溫度仍然維持在8 000 K以上。橫向磁場增大到30 mT和50 mT后，電弧均能完成第一次限流，而50 mT相較于30 mT，更快的電弧運動速度帶動了周圍高溫氣體的移動，磁場50 mT時滅弧室入口處的溫度沒有30 mT時高，說明磁場50 mT時電弧熄滅后滅弧室內介質恢復強度更強，從而磁場50 mT能夠避免電弧熄滅后重燃現(xiàn)象的發(fā)生。

通過大量仿真，不同海拔高度下橫向磁場大小與電弧是否重燃的關系如表3所示。

由表3可見，10 mT磁場下，2～5 km海拔高度下電弧始終沒有熄滅，因此沒有重燃與否的數(shù)據。0 km海拔高度下，10 mT的磁場足以讓電弧成功熄滅且不發(fā)生重燃。海拔高度2 km和3 km時，超過20 mT的橫向磁場能使得電弧成功熄滅，但電弧熄滅后會出現(xiàn)重燃的現(xiàn)象，使DC ACB不發(fā)生重燃的最小橫向磁場隨著海拔高度的升高而增大，其值在2 km海拔高度下為30 mT，3 km海拔高度下為50 mT。4 km、5 km海拔高度下，通過仿真增大滅弧室內部的橫向磁場到100 mT，滅弧室入口處仍然發(fā)生重燃的現(xiàn)象。可以得出橫向磁場的增大在2 km、3 km海拔高度下能夠使DC ACB成功開斷，而在4 km、5 km的海拔高度下，由于環(huán)境氣壓更低，空氣密度更小，空氣動力黏度減小及其熱導率下降，這些不利因素限制了DC ACB電弧熄滅后滅弧室內高溫氣體的快速耗散，導致DC ACB完成第一次限流后滅弧室內的擊穿電壓下降，絕緣耐壓強度降低［19］。高海拔環(huán)境下空氣物性參數(shù)的改變使得該條件下繼續(xù)增大橫向磁場對DC ACB電弧重燃沒有明顯抑制作用。

2.3 高海拔環(huán)境下的滅弧室結構優(yōu)化

由于增大橫向磁場不能解決4 km與5 km海拔環(huán)境下電弧的重燃問題，因此需要對該產品進行結構改進。DC ACB中磁吹力是驅使電弧的主要動力，同時也要考慮氣流場對電弧驅動的作用，通過對氣流場的優(yōu)化提升其滅弧性能具有可行性。氣流場的分布與溫度有關，二者相互作用，氣流的方向總是從氣壓高處流向氣壓低處。當電弧在柵片間運動時，同時受到外部橫向磁場的磁吹力和氣流場的力。外部橫向磁場的磁吹力方向垂直于電弧向右。氣流場的力大小和方向與滅弧室的結構有關：若氣流場的力方向與磁吹力方向相同，在二者的共同作用下電弧的運動速度加快，有利于電弧快速被柵片切割;若氣流場的力方向與磁吹力方向相反且大于磁吹力，則會導致電弧的反向運動［20］。

基于以上分析，在4 km、5 km的海拔高度下，本文提出了一種含“C”形柵片的改進滅弧室結構。海拔高度為5 km時改進結構前后溫度場和氣流場對比如圖6所示。在改進前結構的開斷過程中，滅弧室中部的氣流流速快，氣流流出柵片后向兩側擴散，兩側柵片中氣流場存在反向的情況，氣流漩渦在滅弧室入口處形成，導致高溫氣體聚集，因此該處絕緣強度下降，電弧重燃現(xiàn)象發(fā)生。

改進后的結構在開斷過程中，在“C”形柵片的作用下，滅弧室中部的氣流向兩側柵片擴散之后，“C”形柵片阻斷了反向氣流的流通路徑，改變了氣流場的分布，抑制了電弧的反向運動現(xiàn)象，在柵片上下兩側仍有部分的氣流反向，但反向氣流明顯減弱，改進結構在電弧熄滅后，高溫氣體最后沒有在滅弧室入口處聚集，而是在豎直跑弧道和水平跑弧道之間的角落處隨著時間的推移散去，最終改進結構在電弧熄滅后未發(fā)生重燃現(xiàn)象?？梢姟癈”形柵片對抑制電弧重燃有一定效果，提升了DC ACB在高海拔環(huán)境下開斷性能。

3 結 語

（1） 本文建立了高海拔環(huán)境下DC ACB的二維MHD模型。在高海拔環(huán)境下，由于空氣密度隨海拔的升高而降低，高海拔環(huán)境下熱導率低，介質恢復強度減弱，DC ACB的開斷時間隨著海拔的升高而增加，電弧重燃發(fā)生的概率也增加，電弧重燃時間隨海拔升高而提前。

（2） 增大滅弧室內的橫向磁場，電弧從跑弧道進入柵片的速度加快，有利于電弧快速被柵片切割，使得電弧電壓迅速上升到電源電壓。當海拔高度增加時，需要更大的磁場來加快電弧運動，帶動氣流場快速流動，防止高溫氣體在滅弧室入口及跑弧道彎角處聚集導致電弧重燃。橫向磁場的增大有利于電弧能量耗散，在一定程度上有利于電弧的熄滅。

（3） 在4 km和5 km海拔高度下，增大滅弧室中橫向磁場未能有效抑制電弧重燃。因此本文使用 “C”形柵片對滅弧室結構進行改進，“C”形柵片可以阻斷反向氣流的流通路徑，能夠有效抑制高海拔環(huán)境下的電弧重燃，含有“C”形柵片的DC ACB滅弧室能夠在4 km、5 km海拔高度下成功開斷電弧且不發(fā)生重燃。

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收稿日期： 20231021