（高电压与绝缘技术专业论文）喷射气流灭弧防雷间隙的优化设计.pdf

广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授j i 天y 玑, t 明7 3 8 0 6 2 吣删 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除己注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名锵、易孑 洌。年月加 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 囤御时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：话、易彳导师签名： 年月诉 碱口 喷射气流灭弧防雷间隙的优化设计 摘要 本文首先明确爆轰喷射气流灭弧防雷间隙的作用对象是空气中常压下长间隙 上的大功率工频续流电弧，从热游离、碰撞游离、去游离等基本过程分析喷射气 流作用下的电弧弧柱等离子区中的局部热平衡特性，从辐射散热、对流散热、传 导散热分析了爆轰喷射气流作用下间隙电弧的能量平衡过程，得出利用气弹爆炸 形成的高速喷射气流进行横向吹弧是有效熄灭工频续流电弧的可行措施。 结合流体动力学中有关湍流理论和有限体积法思想，建立了气弹喷口外部圆 形自由喷射气流的封闭控制方程组，并通过f l u e n t 软件对喷射气流的运动特性进 行仿真，分析气流速度分布云图和射流中心线上的速度衰减曲线可知，喷口外部 超音速圆形自由射流中心线上的速度分布存在一个速度保持不变的核心区，其长 度约为气弹圆形喷口直径的5 - 6 倍，约为9 0 - 1 0 8 m m 。 利用高速摄像机分别以不同的速度拍摄3 5 k v 、1 1 0 k v 防雷间隙所用气弹爆炸 形成的喷射气流运动过程，对气流图片进行分析和统计得出：3 5 k v 气弹喷射气流 的有效作用时间具有高度统一性，1 1 0 k v 气弹喷射气流的持续时间存在很大分散 性。 通过仔细观察多次灭弧试验的录像，得出防雷间隙上电弧的宏观运动特性， 确定电弧上弧根是防雷间隙的最佳喷射点；结合喷射气流的仿真结论，确定气流 水平运动方向7 2 9 0 m m 为最佳喷射距离。 在实验室进行了爆轰喷射气流熄灭工频电弧的试验，对优化设计后的3 5 k v 防 雷间隙的时间特性进行研究，从工频电弧在喷射气流作用下的变化曲线可以看出， 3 5 k v 喷射气流灭弧防雷间隙的熄弧时间约为3 0 m s ，满足设计要求。 关键词：喷射气流工频续流电弧并联间隙有限体积法 w d e v i c e u n d e rs t a n d a r d a t m o s p h e r i cp r e s s u r ea st h ea c t i o no b j e c to ft h ed e t o n a t i o nj e tf l o wi n t e r r u p t e rg a pl i g h t n i n g p r o t e c t i o nd e v i c e ( d j f i g l p d ) ，t h e na n a l y s i s e dt h el o n gg a pa r c se n e r g yb a l a n c eu n d e rt h e a c t i o no fj e tf l o wb yt h eh e a tl o s sp r o c e s s e s t h r o u g hr a d i a t i o n ，c o n v e c t i o n ，c o n d u c t i o n f i n a l l y , a u t h o rm a d eac o n c l u s i o nt h a ti ti sa ne f f e c t i v ea n df e a s i b l em e a s u r et oe x t i n g u i s ht h e p o w e rf r e q u e n c ya r cb yb l o w i n gf r o mh o r i z o n t a ld i r e c t i o nw i t hh i g h - s p e e dj e ts t r e a m ac l o s e dc o n t r o le q u a t i o n so fc i r c u l a rf r e ej e tf l o ww e r ee s t a b l i s h e dt h r o u g hc o m b i n e d t h et u r b u l e n c et h e o r yo ff l u i dd y n a m i c sw i t ht h ef i n i t ev o l u m em e t h o d a u t h o rs i m u l a t e dt h e m o t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ej e tf l o wb yf l u e n t6 3 2 6a n dt h er e s u l t ss h o w nt h a tt h e r ei sa c o r ea r e ai nt h ec e n t e ro fj e tf l o w , i nw h i c ht h es p e e do ft h ej e tf l o wk e e p sc o n s t a n t t h e l e n g t ho ft h ec o r ea r e ai sa p p r o x i m a t e l y9 0 10 8 m m t h em o v e m e n to ft h ej e tf l o ww a st a k e nb yh i g h - s p e e dc a m e r aa td i f f e r e n ts p e e d b y a n a l y s i st h ep i c t u r e s ，i tc o u l do b t a i nt h a t ：t h ee f f e c t i v ed u r a t i o no fj e tf l o wf o r m e db y3 5 k v d j f i g l p dh a v eah i g hd e g r e eo fu n i f o r m i t y , w h i l et h ee f f e c t i v ed u r a t i o no f j e tf l o wf o r m e d b y110 k vd j l i g l p dh a v eab i gd i s p e r s i o n t h em a c r o - m o t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h eg a pa r cw a so b t a i n e da n dd e t e r m i n e dt h eu p - r o o t o fa r ca st h eb e s ti n j e c t i o np o i n tb ya n a l y s i sa r ct e s tv i d e o sa n ds i m u l a t i o nc o n c l u s i o n a l s o ，a l e n g t ho f7 2 - 9 0 m mi nt h eh o r i z o n t a ld i r e c t i o no fj e tf l o wm o v e m e n tw a sd e t e r m i n e d 嬲t h e b e s ts p r a yd i s t a n c e t h et i m eb e h a v i o ro ft h eo p t i m u m3 5 k vd j f i g l p dw a ss t u d i e da n di t se x t i n c t i o nt i m e i sa b o u t3 0 m ss e e nf r o mt h ev o l t a g e - t i m ec u r v e k e yw o r d s ：j e tf l o w ；p o w e r - f r e q u e n c yf o l l o w - u pc u r r e n ta r c ；p a r a l l e lg a p ； f i n i t ev o l u m em e t h o d ； n 目录 摘要i a b s t r a c t i i 主要符号对照表v 第1 章绪论1 1 1 研究课题的提出l 1 2 国内外并联间隙的研究概况及存在问题1 1 3 本文的主要工作3 第2 章爆轰喷射气流的灭弧原理5 2 1 喷射气流作用下间隙电弧弧柱等离子区的物理过程5 2 1 1 弧柱等离子区的热游离过程5 2 1 2 弧柱等离子区的碰撞游离6 2 1 - 3 弧柱等离子区的去游离过程6 2 2 爆炸喷射气流作用下间隙电弧的能量过程7 2 2 1 爆轰喷射气流作用下电弧的传导散热7 2 2 2 爆轰喷射气流作用下电弧的辐射散热8 2 2 3 爆轰喷射气流作用下间隙电弧的对流散热8 2 3 爆轰喷射气流的灭弧原理9 第3 章爆轰喷射气流运动特性研究1 2 3 1 气弹爆炸时的喷射气流现象1 2 3 2 利用f l u e n t 软件对气弹喷口外部气流场的仿真1 3 3 2 1 基于有限体积法( f v m ) 的f l u e n t 软件及其原理1 3 3 2 2 建立圆形喷嘴外部气流场的几何模型1 5 3 2 3 网格划分1 6 3 2 4 边界条件的确定1 8 3 2 5 控制方程1 8 3 2 5 数值模拟及结论2 0 3 3 爆轰喷射气流运动特性的试验研究2 2 第4 章喷射气流灭弧防雷间隙的优化设计2 7 i i i 4 1 喷射气流灭弧防雷间隙的工作原理2 7 4 2 防雷间隙上电弧的宏观运动特性2 7 4 3 防雷间隙的优化设计3 0 第5 章喷射气流灭弧防雷间隙的试验及实际运行效果分析3 l 5 1 喷射气流灭弧间隙的工频大电流稳定性试验3 1 5 2 喷射气流灭弧防雷间隙时间特性研究3 3 5 2 1 试验方案3 3 5 2 2 试验现象及分析3 3 5 2 3 时间特性分析3 4 5 2 4 实验结论3 5 5 3 喷射气流灭弧防雷间隙实际运行分析3 6 5 3 1 防雷间隙试运行情况统计分析3 6 5 3 2 运行经验总结3 8 第6 章结论3 9 参考文献4 1 致谢4 4 攻读学位期间发表的学术论文目录4 5 i v 主要符号对照表 喷射器流速度矢量 阴极电位降 弧柱压降 电弧电流 流体介质初始温度 电弧弧柱温度 弧柱平均温度 单位体积气体的比热容 电弧弧柱半径 弧柱的发射率 单位弧长的功率损失 弧柱的辐射功率 弧柱的传导功率 弧柱的对流功率 弧柱总的散失功率 波尔兹曼常数 气体的导热系数 弧柱的电位梯度 v 二虬 瓦 丁 乙 c r o 圪 弓乃只k 冬e v i 广西大掌硕士掌位论文 第1 章绪论 1 1 研究课题的提出 根据统计，电力系统总事故的6 0 是雷击事故或者由雷击间接造成。在山区或者沿 海地区的输电线路虽然采取了很多防雷措施，但是由于受地形和气候条件的影响，雷击 事故仍然频繁爆发，严重影响电力系统的供电安全和稳定运行【1 】【2 】f 3 】【4 】【5 】。 针对目前严峻的防雷形势，传统防雷措施已经不能满足提高输电线路稳定性的要 求。因此，必需突破传统思维的束缚，提出一种兼顾创新性和实用性的防雷思想，以解 决电力系统中日益突出的防雷问题。 中国电科院陈维江等人提出“疏导式 防雷思想【6 】【7 】【引，在输电线路绝缘子串附近 安装并联间隙以转移雷击闪络引起的工频续流电弧，并使电弧固定在间隙电极端部燃 烧，保护绝缘子串免受工频续流电弧烧损，但是这种“疏导式 防雷会提高线路的雷击 跳闸率，并联间隙的电极也会因为承受工频续流电弧的持续烧蚀而变形，甚至严重时电 弧漂移到导线上燃烧造成导线断线或者电弧运动时有单相短路转变为相间短路扩大事 故范围【9 】1 1 0 j 。 因此，迫切需要研制出一种既能够迅速转移雷击闪络引起的工频续流电弧，又能迅 速切断工频续流电弧的新型并联间隙，实现保护绝缘子串和抑制跳闸率的双重功能。 1 2 国内外并联间隙的研究概况及存在问题 绝缘子串并联间隙的基本思想是允许线路雷击跳闸率在一定范围内有所提 高，以避免线路因雷击产生永久性故障，抑制事故率。针对目前电力系统中严峻 的防雷局面，工程上也广泛采用这种既可以保护绝缘子，又能降低线路事故率的 并联间隙。 在一些发达国家中，比如亚洲的同本，欧洲的德国和法国等国的研究人员， 对使用并联间隙保护架空输电线路的科学研究中完成了大量基础工作，取得了很 多成果。他们从2 0 世纪6 0 年代开始研究羊角型引弧装置，经过7 0 多年的发展， 各种形状的并联间隙广泛应用于超高压及特高压输电线路的防雷保护中。同时， 并联间隙防雷保护措施已经成为架空输电线路的基本防雷保护措施，并且形成了 一系列的标准。 在日本，架空输电线路绝缘子串的并联间隙被称作招弧角。根据日本电气学 在1 9 7 9 年的统计显示n 纠，可以应用在6 6 1 5 4k v 电压等级的架空输电线路悬式 绝缘子串的并联间隙就多达3 2 种型号，2 8 0 多个规格。据日本电力行业标准规 爆轰喷射气流灭弧间隙的优化设计研究 定：5 0 0k y 电压等级的架空输电线路所有绝缘子串都要求安装并联间隙，以提高 输电线路的可靠性；标准同时还建议在1 0 0 0k v 电压等级的特高压输电线路安装 并联间隙n 钔，包括所有的悬式、耐张绝缘子串，以及耐张塔的硬跳线。 在我国，首先是具有国际招标资格的电力设备生产企业和电力设计单位最先 接触并联间隙，并且成功引入国内使用4 叫7 l 。但是因为各种原因，我国对并联问隙 的研究和推广起步晚、进展慢，仅仅在一些特大型的跨越塔使用了并联间隙防雷 保护，比如浙江电力公司的2 2 0k v 南京大胜关和2 2 0k v 镇江谏泰线等没有架设 避雷线的跨越塔n 引。目前，并联间隙应用在某5 0 0k v 输电线路的跨越塔绝缘子串 保护中，同时还完成了u 5 0 雷电过电压冲击试验n 引。与此同时，几乎看不到并联 间隙应用在低电压等级的配电网架空输电线路上。 按照设计理念，并联间隙的结构和尺寸决定绝缘子串并联间隙必需具有的3 种基本功能，即：转移雷电闪络通道、引导和固定工频续流电弧、均匀绝缘子附 近的工频电场阻叫瞳。 在2 1 世纪初，我国的一些研究者已经开始全面研究绝缘子串并联间隙。在他 们多年的努力研究中，取得了很多研究成果，提出了“疏导型防雷思想，成 功研制了一系列适用于3 5k v 、1 1 0k v 、2 2 0 k v 电压等级输电线路的并联间隙防雷保护 装置，并试运行于实际输电线路中瞳旷2 钉。 虽然绝缘子串并联间隙能有效的降低线路事故率，但是由于并联间隙本身不能灭 弧，无法熄灭雷电闪络引起的工频续流电弧，在配网架空输电线路中出现间隙金属电极 严重烧损及导线断线等事故啪儿2 刀啪1 。 图1 - 1 第一代3 5 k v 线路喷射气流灭弧间隙 f i g 1 - 1t h e f i r s tg e n e r a t i o n3 5 k vd j f i g l p d 2 广西大掌硕士掌 近年广西大学王巨丰教授针对爆轰喷射气流灭弧防雷间隙从理论分析、仿真 计算、灭弧试验等方面进行了大量研究，取得了丰富的研究成果乜们口们n 副，并且 将数百套新型p s j x 一卜3 5 、p s j x 一卜1 0 防雷间隙成功地应用于广西电网北海、钦州 等多个供电局的配电线路防雷中，如图卜1 、卜2 所示，多年实际运行经验证明喷 射气流灭弧防雷间隙灭弧效果良好。 1 3 本文的主要工作 本文明确了喷射气流防雷间隙的作用对象是空气中常压下长间隙上的大功率 工频续流电弧，从电弧弧柱等离子区的物理过程、喷射气流的运动特性、防雷间 隙结构和时间特性等方面进行了重点研究，具体工作内容主要包括： ( 1 ) 从理论上分析了喷射气流作用下间隙工频续流电弧中的局部热平衡和能 量平衡过程，确定影响弧柱等离子区局部热平衡和能量平衡的主要因素，为气弹 3 4 西大掌硕士掌位论文捆l 轰喷射气霸灭孤间隙的优化设计研究 在空气中爆炸后形成的圆形自由喷射气流能够有效熄灭防雷间隙上的工频续流电 弧提供理论依据。 ( 2 ) 运用流体动力学中有关湍流理论及有限体积法思想，建立了气弹喷口外 部圆形自由喷射气流的封闭控制方程，并通过f l u e n t 软件对喷射气流进行了仿真， 得到气弹爆炸时气流速度分布云图和射流中心线上的速度衰减曲线。 ( 3 ) 利用高速摄像机记录气弹爆炸形成的喷射气流运动过程，从统计和分析 气流图片来研究气流从喷口射出之后的有效持续时间。 ( 4 ) 分析多次灭弧试验的录像，得出防雷间隙上电弧的宏观运动规律，确定 了防雷间隙的最佳喷射点和最佳喷射距离。 ( 5 ) 在实验室进行了喷射气流熄灭工频电弧的试验，对3 5 k v 喷射气流灭弧 防雷间隙的时间特性进行试验研究，得到工频电弧在喷射气流作用下的变化曲线。 4 广西大学硕士掌位论文 月l 轰喷射气流灭孤间隙的俄化设计研究 第2 章爆轰喷射气流的灭弧原理 2 1 喷射气流作用下间隙电弧弧柱等离子区的物理过程 按照设计原理，喷射气流灭弧防雷间隙所要吹灭的对象是空气中常压下长问隙大功 率工频续流电弧。电弧弧柱中的游离气体是由电子、离子、原子和分子组成，因为气体 内部含有带电粒子，具有电导，所以在物理学上将处于燃炽状态额的电弧弧柱称为等离 子区。高气压电弧等离子区具有局部热平衡，当所有可能的能量状态满足波尔兹曼分布 函数时，等离子区整体热平衡i j 引。 2 1 1 弧柱等离子区的热游离过程 热游离是电弧弧柱等离子区中气体游离的主要来源，其过程其实是一个可逆的分解 过程。 如+ 乩0h 4 十+ s ( 2 1 ) 式中： a 口一中性原子 比0 蝣离功 a + 一已游离的原子 e 一从原子中逸出的电子。 游离程度x 是气体游离的特征参数，其值等于x = 7 7 ( 即表示已游离的粒子密度， 刀。表示一定体积中的中性粒子初始密度) 。 对于大多数电弧，粒子的游离程度可用简化的沙哈方程式表示： ( 2 - 2 ) 互离子量子统计重量，乙原子的量子统计重量，游离电位。 由于在推导沙哈方程式时，假设气体是均值气体，但实际上电弧常处于不同游离电 位的气体和蒸气的混合气体中。因此，沙哈方程式只适用于处于中等和低等游离程度的 电弧放电p 川。 从式( 2 2 ) 看出，温度对游离程度起着决定性的作用，同时游离电位和气体压力对游 离程度也有很大的影响，增大气体压力可以大大的降低游离程度。 弧柱中热游离的速度，即热游离在电弧弧柱的单位体积内产生新的离子的速度。热 游离的速度可以利用恩格尔( e n g e l ) 一史坦因培克公式计算得到： ( 2 3 ) 具有非常密切 的温度是极其 2 1 2 弧柱等离子区的碰撞游离 严格的说，除了热游离外，理论上还存在在电场作用下发生的粒子之间的碰撞游离， 因为电弧弧柱中本身具有一定的电位梯度e 。但是，实际上电子自弧柱中所积累的能量 还不足以导致电子与其他微粒发生碰撞游离例。故由电场引发的碰撞游离实际上可以不 予考虑。 2 1 3 弧柱等离子区的去游离过程 在弧柱中等离子区存在热游离过程的同时，总是存在着去游离过程。在建弧阶段， 游离占优势；而熄弧阶段，去游离占优势。电弧的去游离过程主要有两种情况：复合和 扩散删。 l 、电弧弧柱中的复合现象 复合现象是当不同符号的离子或者正离子与电子接近时相互吸引、接触而中和。正 常情况下，电子的复合( 即正离子与电子的复合) 的概率很小，其复合概率仅仅大约为 离子的复合( 即不同符号离子复合) 的万分之一。 复合系数口与温度的函数关系具体为： 口：7 6 1 0 - 6 f 堡丫 ( 2 4 ) lz 。 当气体压力为1 0 0 0 m m 汞柱高时，复合系数口达到最大值；当气体压力低于1 0 0 0 m m 汞柱，则复合系数口随压力的上升而增加；当气体压力高于1 0 0 0 m m 汞柱时，则复合系 数口随压力的上升而减小。 2 、电弧弧柱中的扩散现象 电弧弧柱中带电粒子的扩散现象是这些带电粒子从电弧弧柱的等离子区中扩散到 电弧边界之外的大气环境中去。导致带电粒子发生扩散现象的基本原因是由于带电粒子 的热运动和空间电荷的不均匀【3 3 】。当任何一种带电粒子的密度分布不均匀时，带电粒子 的热运动就会伴随有扩散现象。 根据扩散理论，通过任何圆柱体表面的扩散速度正比于粒子的密度，反比于圆柱体 半径的二次方，即： 6 广西大掌硕士学位论文蠲l 轰喷射气流灭孤间隙的优化设量1 - 研究 _ d n ：一d 2 n ， ( 2 5 ) 一= 一 ly h d 是粒子的扩散系数。扩散速度与气体j 下离子的运动速度、弧柱的半径、温度和压力有 关，其中与半径的关系最密切泓1 。 3 、复合和扩散两个过程在电弧中的作用 在稳定自由燃炽的电弧中，扩散与复合相比较是起极其微小的作用。在受压缩空气 气吹的电弧中，温度可达1 5 0 0 0 k ，而电弧直径要比自由燃炽电弧小得多，扩散作用增强。 在开断电弧中，气体通常作非常强烈的漩涡运动，以致使扩散增加，但对复合并无影响， 所以在开断电弧中，扩散的数值接近复合的数值。相反，对在狭缝或小通道中燃炽的电 弧，虽然其电弧直径很小，但复合起决定性作用。在有与电弧相接触的器壁时，复合就 强烈的增加瞰1 。 总结弧柱中游离和去游离过程的结果，可得到弧柱中离子平衡的方程式： 鲁= ( 鲁) r + ( 鲁) e + ( 鲁) r + ( 鲁) 。 c 2 6 ， 式中以单位体积中离子对的数目； ( 鲁) r 由于热游离，单位体积中离子形成的速度； ( 鲁) e 在电场作用下发生碰撞游离时，单位体积中离子形成的速度； ( 鲁) 只复合时单位体积中离子消失的速度； ? ：舢 ( 鲁) 。一扩散时单位体积中离子消失的速度。 对于稳定燃烧的电弧，因为冬：0 ，上式中第二项和第四项可以忽略不计，并且有 ( 鲁) r + ( 鲁) 。= 。 7 ， 由此说明，在电弧处于稳定的燃烧状态时，弧柱中被热游离所产生的离子由于复合 作用而消失，电弧弧柱整体保持动态的平衡。 2 2 爆炸喷射气流作用下间隙电弧的能量过程 2 2 1 爆轰喷射气流作用下电弧的传导散热 按照设计原理，喷射气流灭弧防雷间隙所要吹灭的对象是空气中常压下长间隙大功 率工频续流电弧。 7 爆轰喷射气流灭弧间隙的优化设计研究 在处于稳定燃炽状态的电弧中，传导散热对电弧能量平衡是相当重要的【3 3 1 。如果 仅仅考虑电场力而忽略其他外力和不考虑辐射传热的情况下，对于稳定燃炽状态的电弧 来说，在单位时间、单位体积中输入电弧弧柱的能量均通过传导作用而散发到大气中去， 能量平衡方程即为： d 如乃口d r + j e = 0( 2 - 8 ) 为导热系数。 假设电弧弧柱中温度的径向分布以及导电系数是已知的，那么可以推导出导热系数 厶是圆柱形的半径和弧柱温度梯度的函数： 、 e ir 铲疆d t ( 2 - 9 ) 2 刀一 咖 从上式中凹，是输入单位长度弧柱的电功率，其值是一个常数。由此看出，在圆柱 形弧柱的电导区域内部，热系数其导随温度梯度的增大而减小。在弧柱横截面上带电粒 子浓度的不断变化，这会引起弧柱内能量的扩散和转移m 3 。 2 2 2 爆轰喷射气流作用下电弧的辐射散热 一般认为空气中的大功率电弧其弧柱能量主要通过辐射散发到周围大气中去。处于 稳定燃炽的电弧弧柱等离子体区是处于动态的热力平衡状态，其单位体积的辐射功率是 温度和压力的函数。 根据国外学者的试验结论：在一定电流密度下，辐射功率随着气体压力的增加而增 大，即二者成正比例关系；在一定压力强度下，辐射功率随着电流密度的增大反而减小， 即辐射功率与电流密度的大小成反比例关系m j 。 金属蒸气对电弧弧柱中的辐射有很大的促进作用。对于由高熔点金属材料制成的电 极间隙，由于在其电弧中不存在金属蒸气，所以弧柱中只存在微弱的辐射。而对于低熔 点金属材料制成的电极间隙，由于在其电弧中存在金属蒸气，所以弧柱的辐射程度就相 当高【3 4 1 。 2 2 3 爆轰喷射气流作用下间隙电弧的对流散热 在长距离间隙所形成的电弧中，对流散热占弧柱总散发功率的绝大部分。处于稳定 燃炽的电弧弧柱单位体积对流散热的功率由下式计算： pk = 成叫删 ( 2 一1 0 ) 在上计算式中以是气体的密度；c 是气体单位体积的热容系数：1 ，是运动速度。 如果垂直电弧受到横向气流的气流吹动，或者水平电孤受到纵向气流的吹动，电弧 将从弧根处开始变形，即在靠近电极附近的位置变形弯曲，并且在气流的持续作用下电 8 图2 - 1 交流电弧的过零和零休现象 f i g 2 - lz e r oo f fp h e n o m e n o no ft h ea c a r c 图2 - 1 是利用高速摄像机以1 0 0 0 0 帧秒的速度拍摄的交流电弧运动图像，图片按 照从左到右、从上到下的时间先后顺序排列。 电弧弧柱中所含能量的多少或者温度的高低直接通过图像的明暗度辨别，仔细观察 上图中电弧图片可以发现，在不同时刻电弧整体颜色出现明暗交替的周期性变化，而且 电弧的上、下弧根也同样出现明暗交替的周期性变化。电弧颜色由暗变亮( 如图b 2 一b 4 、 c 2 一c 5 ) 说明在电弧的发展过程中，随着电流的不断减小，输入电弧能量少于通过对流、 传导、辐射等散发到周围空气中的能量，造成弧柱能量损失，电弧温度降低。电弧颜色 由亮变暗( 如图a 6 - b 2 、b 6 一c 2 ) 说明在电弧的发展过程中，随着电流的不断增大，输入 电弧能量多于通过对流、传导、辐射等散发到周围空气中的能量，能量不断积聚在弧柱 中使电弧温度升高。 9 爆轰喷射气流灭弧间隙的优化设计研究 按照弧柱的长短给电弧分类，固定在防雷间隙之间燃烧的工频续流电弧是长弧，因 为防雷间隙距离一般超过2 5 c m 。长弧的热量损失主要集中在电弧弧柱与周围大气的热 量交换。对于长弧弧柱而言，其与周围大气的热量交换主要有传导、辐射和对流等三种 方式。 假设长弧弧柱是半径为r 。、长度为l 的圆柱体，弧柱表面温度为乙，在电弧圆 柱体边界面上的半径为，i ，电弧在此处的温度和周围空气温度相等。在电弧内部温度梯 度上流动的气体吸收弧柱提供的能量，造成电弧温度下降。 在喷射气流的作用下，长弧弧柱中的能量主要以对流散发到周围空气中。按照广义 热传导理论，喷射气流的作用下弧柱中能量的损失包括传导散热，则这部分功率为： p ：兰塑兰! 玉二型 。 l n 二 ( 2 - 1 1 ) 尺。 式中兄为等效导热率。 在爆炸喷射气流的高速冲击下，对流散热是引起电弧冷却的决定性因素。在长度为 、半径为r 。电弧中以速度1 ，径向运动的气流初始温度为瓦、运动过程被加热到温度 丁，则气体对流过程散发的功率为 3 3 j ： 只= 2 氓删f c d t ( 2 1 2 ) 弧柱等离子体平均温度；c 单位体积气体的比热容。 由以上推理可以看出，气体对流散热程度随着喷射气流速度的增加而加强，并且受 弧柱长度直接影响，即对流散热程度与弧柱长度是正比例关系。 因此，如果要加速电弧冷却过程、缩短电弧熄灭时间，那么在保持电弧弧柱长度不 变的条件下，最直接的方法就是增大喷射气流的速度。 爆轰喷射气流对电弧的冷却作用，除了通过对流散热之外还有很微弱的辐射散热 弓： 弓。7 1 础帆2 s 小志) 4 一志) 4 】( 2 - 1 3 ) 对于防雷间隙上燃烧的长弧，从电源输入的电能转变为热能和光能，其热能最终全 部都以传导、辐射、对流散发到大气中： 只= 最+ 只+ b( 2 1 4 ) 只为弧柱总的散失功率。 弧柱中等离子体的能量平衡是一个动态平衡过程。在电弧能量变化的过程中，当输 入能量多余散出能量，造成弧柱中能量不平衡，随着输入能量的积累增多，电弧温度上 l o 广西大掌硕士掌位论文 随着散出能量的积累 气流。 持。 爆轰喷射气流灭孤间隙的优化设计研究 第3 章爆轰喷射气流运动特性研究 3 1 气弹爆炸时的喷射气流现象 喷射气流灭弧防雷间隙主要是利用气弹爆炸产生的喷射气流的高速性和稳定性，进 行吹弧，使电弧拉长，加速电弧冷却，最终熄灭电弧。那么气弹爆炸后喷射气流的运动 特性对防雷间隙的灭弧效果至关重要。 爆轰喷射气流灭弧防雷间隙使用的气弹喷口是一个等径的圆形喷口，气弹触发爆炸 后在气弹内瞬间产生大量气体，并由圆形喷口内有限空间向喷口外部空气中高速飞行， 离开喷口后在空气中形成圆形自由喷射气流。由高速摄像机采用1 0 0 0 0 帧秒的拍摄速 度记录的气弹爆炸瞬间的喷射气流如下图所示。 03 m s04 m s 0 5 m s 0 6 m s07 m s 0 8 m s 0 9 m s1 0 m s2 1 m s 2 3 螂 图3 - 1 空气中气弹爆炸时的喷射气流现象 f i g 3 lt i l ej e tf l o wo fg 舔- b o m be x p l o s i o n 从上图中可以看出，在气弹触发时刻o m s 喷口还未形成气流( 即还没有气流从喷口 射出) ；经过0 1 m s ，圆形喷射气流已经飞行到与间隙上电极的端部平行的位置；在下一 个o 1 m s 之后( 即气弹触发后0 2 m s ) ，圆形喷射气流已经飞行到超过间隙上电极的端部 一段距离的位置，并且其圆形射流半径增大到0 1 m s 时刻的两倍左右，此时，喷射气流 已经开始吹弧作用。0 2 m s 之后，喷射气流继续向前飞行，同时圆形气流的半径也不断 1 2 广西大掌硕士学位论文 爆轰喷射气流灭孤间隙的优化设计研究 增大，这说明气流在向前喷射的同时还不断向径向散射出去。 分析气弹触发后0 4 m s 1 o m s 的气流运动图像可得，从0 4 m s 开始在右侧有一小段 圆锥形的气流，在1 0 m s 时刻，这段圆锥形气流已经与其后部大气流团融合在一起。这 一现象说明在圆形喷射气流内部( 射流中心) 始终有一股气流以高于周围气流的速度向 前飞行，在射流力学中将其定义为射流的核心区。 从图像中可以清楚的看到，经过2 3 m s 之后喷射气流已经完全飞过间隙上电极的端 部，气流由亮变暗，说明喷射气流的能量和速度都有所下降，可以判定气流对电弧的作 用也逐渐减弱，直至气流完全扩散到空气中。 喷射气流的运动特性是指在一定压力的作用下，喷口气流飞行速度及其衰减特性和 气流的卷吸与扩散情况口4 1 。由于气弹爆炸的特殊性，目前本实验室暂时不具备通过试验 来测量喷射气流运动参数的条件。因此，有必要利用流体力学软件f l u e n t 对爆炸喷射 气流进行仿真，研究喷射气流核心区的速度衰减情况及喷射距离，为喷射气流防雷间隙 的优化设计提供初步的参数。 3 2 利用f l u e n t 软件对气弹喷口外部气流场的仿真 3 2 1 基于有限体积法( f v m ) 的f l u e n t 软件及其原理 本文所使用的仿真软件f l u e n t6 3 2 6 由全球最大的计算流体力学 ( c o m p u t a t i o n a lf l ui dd y n a m i c s ) 软件开发商f l u e n t 公司设计。f l u e n t 基于c f d 中前处理、求解器、后处理使用不同优秀专业工具的软件群思想，运用统一的非结构化 网格生成技术和共同的图形操作界面，针对自然界和工程中各种复杂的流动现象，分别 采用不同的区域离散格式和数值求解方法，在特定的流动计算和流动现象模拟中实现计 算速度、稳定性和求解精度的优化组合啪矧口7 1 。 f l u e n t 软件结构可分为：前处理、求解器、后处理，具体介绍如下。 ( 1 ) 前处理器 专业几何图形处理工具g a m b i t 作为f l u e n t 软件首选的前处理器，由f l u e n t 公司 自行研发，可以完成流体运动几何区域的建模和对几何区域进行网格划分的功能，可以 根据需要生成四边形和三角形等二维网格以及四面体、六面体、棱柱和多面体等三维网 格。独立于f l u e n t 的前处理器还有t g r i d 、f i l t e r s 和u g a u t o c a d 等，其功能各不相 同。 用户在前处理阶段需要完成的相关操作：选择求解器类型f l u e n t 5 6 、建立计算区 域并将其网格化、指定计算区域各边界条件的类型、输出网格文件。 ( 2 ) 求解器 f l u e n t 的核心是其基于有限体积法的求解器。 图3 2c f d 中软件群思想 f i g 3 - 2t h es o r w a r eg r o u pi nc f d 有限体积法( f i n i t ev o l u m em e t h o d ，f v m ) 也称为控制体积法，它的基本思想是 子域法( s u b d o m a i n ) 加离散( d i s c r e t i z a t i o n ) 蚓。 计算区域划分即网格划分，将整个连续的流体计算区域划分为数万甚至数百万个互 相连接但互不重复的网格单元。每个网格单元由控制点( c o n t r o ln o d e ) 和控制体积 ( c o n t r o lv o l u m e ) 构成，控制体积在网格单元周围将网格单元包围起来的，控制点位 于网格单元的几何中心。网格划分是区域离散化( d o m a i nd i s c r e t i z a t i o n ) 的基础， 网格节点是离散化物理量的存储位置。 离散化( 有限体积法) 是将待求解的非线性微分方程对每个控制体积进行积分，得 到一组网格单元上的离散方程，网格节点上的因变量就是未知数，然后通过求解离散方 程组，最终得出流场中所有控制点上流场变量的值。 将控制方程的微分形式在控制体积v 内对每个单元进行积分就是有限体积法核心思 想， 掣d y + p ，( 耐) d y = 胁( r g r a d q ，) d v + 心( 3 - 1 ) 将上中的对流项( 等号左边第二项) 和扩散项( 等号右边第一项) 关于控制容积v 的体积分利用高斯散度定理转换为关于控制容积v 表面a 上的面积分。 对某矢量a 的散度的体积分可以用高斯散度定理写成以下形式： p ( 占) d y = 弘施陆2 ) 式中n 是表示控制容积表面外法线方向的单位矢量。 1 4 翻l 轰喷袅卜气流灭孤间隙的优化设计研究 利用式( 卜1 1 ) 可将( 卜1 0 ) 改写为 j f o ( 街p o ) v + 弘( p 茹) 幽= 弘( r g r a d o ) d a + 俺d y ( 3 - 3 ) 交换等号左边第一项中积分和微分的顺序便得到以下守恒方程 o ( ! m o d v ) + 弘( 砌) c u = f r ( r g r a d c p ) d a + 俺d 矿( 3 - 4 ) 如果用文字来表示式( 1 - 1 4 ) 的特征变量缈在控制容积v 内的守恒关系，即 时间的变化量+ l 弛于边界对流引起的净减少量= 于边界扩散引起的净增加景+ i 于内源项引起的净变化量 有限体积法的优点就是其离散方程中任意一组控制体积对因变量的积分都满足守恒原 理。因此，对整个流体计算区域，守恒原理也自然能够满足。所以离散方程实质就是因 变量在有限大小的控制体积中的守恒。 基于有限体积法( f v m ) 的区域离散化方法有：指数格式( e x p o n e n t i a ls c h e m e ) 、 乘方格式( p o w e r l a ws c h e m e ) 、一阶迎风格式( f i r s t o r d e ru p w i n d ) 、二阶迎风格 式( s e c o n d - o r d e ru p w in d ) 、q u i c k 格式、中心差分格式( c e n t r a l d i f f e r e n c e ) 。 利用f l u e n t 计算流场时，一般利用s i m p l e 、s i m p l e r 、s i m p l e c 、p i s o 等几种压力 与速度的耦合方式。 3 2 2 建立圆形喷嘴外部气流场的几何模型 气弹等径圆形喷嘴主要尺寸如表所示，其结构如图所示， 气流场。 表3 - i 喷嘴的主要尺寸 t h b l e3 1t h es i z eo ft h ec i r c u l a rn o z z l e 圆形喷嘴外部是轴对称的 图3 - 3 气弹圆形喷嘴物理模型 f i g 3 - 3p h y s i c a lm o d e lo f t h ec i r c u l a rn o z z l e 1 5 图3 - 5 简化后的几何模型 f i g 3 5t h es i m p l i f i e dg e o m e t r i cm o d e l 3 2 3 网格划分 考虑到入口处边界条件会影响流场内的计算区域，故将流场计算区域向左边( 喷口 边界左侧) 延伸了5 d 。因此，气流流场总的计算区域为：l = 4 5 d = 8 1 0 m m ，h = l o d = 1 8 0 m m 。 气弹喷口外部流场在三维空间中是一个圆形超音速自由射流流场，且关于射流中心 轴对称( a x i s s y m m ) ，根据平面紊动自由射流断面的流速分布特点，可以将气弹喷口外 部流场的计算模型简化为二维平面模型，即只分析整个计算区域的1 2 。 1 6 g - 西大掌硕士学位论文爆轰喷采卜气流，u 呱间隙的优化设计研究 图3 - 6g a m b i t 中1 2 计算区域示意图 f i g 3 6s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h eh a l fc o m p u t a t i o n a ld o m a i n 简化后的1 2 计算区域如图2 所示，符号“+ 表示计算区域的控制点，0 为坐标 圆点。图中兰色内部边界把原来的整个计算区域分为左右两部分，这样可以画出更高质 量的网格。 在g a m b i t 2 3 1 6 中完成气弹圆形喷嘴外部喷射气流场的几何模型和网格划分。在 网格划分时，以3 m m 5 0 c e l l s 的标准来划分，即每3 m m 长度的边界划分为5 0 个单元， 整个计算区域的网格划分如图所示，共生成1 1 8 8 0 0 0 个四边形网格( q u a d r i l a t e r a l c e l l s ) 。 _ j _ _ ”i “q ”一强 ? 、y 。i l ”。妒、_ 。 _ 誓”_ 一 一￥l 1 务 ：i j 洫o _ - _ ， 。，i 图3 - 7 计算区域的网格划分 图3 - 8 对称边界的局部网格放大 f i g 3 - 8e n l a r g e m e n to ft h el o c a lm e s ha ts y m m e t r i cb o u n d a r y 1 7 广西大学硕士掌位论文爆轰喷射气流灭弧间隙的优化设计研究 3 2 4 边界条件的确定 压力入口： 按照流体力学的定义，高速气流为可压缩流体，而且空气中圆形喷口外部气流可以 看作无约束的自由流h 别。因此，选用压力入口边界条件，只需设置入口处总压力，其流 动速度或速率待求。 压力出口： 考虑到喷射气流为超音速可压缩气流h ，无需指定出口边界处静压( g a u g e ) ，此时 压力要从内部流动中推断，所有其它的流动属性都