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高压SF6开关设备的设计与计算.pdf

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高压SF6开关设备的设计与计算.pdf

文档介绍

文档介绍:高压断路器介质恢复特性的数值分析
刘晓明,闻福岳
沈阳工业大学电气工程学院,辽宁沈阳,(110023)
E-mail:******@sut.
摘要: 以 550kV 单断口 SF6 断路器为研究对象,提出组合动网格及滑移网格生成策略,对冷
气流开断下灭弧室内部非定常、有粘、变边界气流流动规律进行仿真分析。为消除传统静侧等
效相对运动法分析断路器气体流动特性所带来的计算误差,采用动侧运动法,将动弧触头和压
气缸的运动替代静弧触侧结构部件的相对运动,使数值模拟边界条件与断路器实际开断情况一
致。通过电场与气流场耦合求解,得到断路器冷气流开断介质恢复特性,并对仿真计算结果进
行对比分析,给出断路器开断性能研究的新方法。
关键词:断路器;气流场;介质恢复特性
中图分类号:TM
1. 引言
对于气流场数值分析[1-3],国内外学者进行了大量的研究工作[4-9],为断路器产品设计提供了
坚实的理论基础[10-11]。由于高压SF6 断路器灭弧室结构复杂,开断过程中压气缸、喷口、动主触
及动弧触同时运动。若按照实际断路器开断过程进行数值模拟,网格须随开断过程而动态变化,
动网格及网格的滑移是研究的瓶颈。基于此,在断路器气流场仿真中,为计算方便,通常采用
静侧等效相对运动法,即通过灭弧室中静侧结构部件的相对运动近似替代动侧部件的真实运动。
为消除传统近似替代所带来的计算误差,本文采用动侧运动法对 550kV SF6 断路器冷气流开断
介质恢复过程进行了数值分析。通过对灭弧室内部气流场和电场的数值求解,得到了电场分布
及多级缩放喷口结构对激波及介质恢复特性的影响关系,并与静侧等效相对运动法所得结果进
行对比,分析了由于喷口及动触头运动所产生局部空间压力突变对介质恢复特性的影响。
2. 电场数值计算与分析
灭弧室结构及电场计算区域如图 1 所示。
8
7 6
4
5
3 2
1

1-静弧触 2-喷口 3-动弧触 4-静主触 5-动主触 6-静侧屏蔽罩 7-动侧屏蔽罩 8-外壳
(a)灭弧室内部结构

(b)电场计算区域
图 1 灭弧室结构示意图
Sketch diagram of the arc quenching chamber
- 1 -

电场计算满足拉普拉斯方程:

⎪∇=2ϕ 0

ϕ= fp()
⎨Γ1 1 (1)

⎪∂ϕ
Γ= fp2 ()
⎩⎪∂n 2
电场计算条件:行程 260mm;静主触、静弧触、静侧屏蔽罩及其金属连接件电位为 550kV;
动主触、动弧触、动侧屏蔽罩、其金属连接件及外壳电位为 0V;SF6, 喷口及空气相对介电常数
分别取 ,,。
3. 气流场数值计算与分析
控制方程组
控制方程采用 Navier-Stokes 方程组,其二维轴对称微分形式如下:
质量守恒方程:
∂∂ρρuvv ∂ρρ
+++=0 (2)
∂∂tx ∂ rr
轴向动量守恒方程:
∂ρu ∂+−∂−∂(ρτρτuu p ) ( uv ) ρτuv −
+ xx ++xr rx =0
∂∂tx ∂ r r (3)
径向动量守恒方程:
∂ρv ∂−(ρτuv ) ∂+−∂( ρρτvv ) ρτvv −−2 τ
+ xr ++rr xx rr =0 (4)
∂∂tx ∂ r r
能量守恒方程:
∂∂TT
∂∂+ρρeuep(/) ρ∂++()kuvττxx xr ∂+ρvep(/) ρ∂++ (kuvττxr rr )
+−∂∂xr +−+
∂∂tx ∂ x ∂ r ∂ r (5)
∂T
ρρve(/)+ p kuv++ττxr rr
−=∂r 0
rr
理想气体状态方程:
pRT= ρ(6)
采用 k −ε两方程模型来描述湍流效应:
湍动能k 方程:
∂∂( ρk ) ( ρku) ∂( ρkv) 1kk1k∂∂∂∂⎛⎞⎛⎞⎛⎞μμμttt ∂
+++=ρkv ⎜⎟⎜⎟⎜⎟+ + +−G ρε(7)
∂∂txrrx ∂∂∂∂∂⎝⎠⎝⎠⎝⎠σkkkxrσ rrσ∂r
湍流耗散率ε方程:
- 2 -

∂∂(ρε) ( ρεuv) ∂( ρε) 1
+++=ρεv
∂∂tx ∂ rr
∂∂∂∂⎛⎞μμμεεε⎛⎞⎛⎞1 ∂ε
⎜⎟ttt (8)
+++−⎜⎟⎜⎟()CG12 C ρε
∂∂∂∂x⎜⎟σσσ xrrrr ∂ k