基于mhd的低压断路器灭弧室电弧仿真建模

基于mhd的低压断路器灭弧室电弧仿真建模

0模型的建立和应用在低压行业，当开关接触头打开时，弧源会移动到圆弧的一部分，并最终停止。因此,研究分断电弧的运动特性对低压断路器的设计来说具有重要的意义。由于电弧的运动是一个涉及到电场、磁场、热场及流场变化的复杂过程,因而几十年来大多数关于电弧的研究都是以实验作为基础。近年来,随着计算机性能的提高和软件技术的发展,分断电弧的仿真才成为可能。到目前为止,国外的学者在分断电弧的仿真工作方面一直走在前沿。文献采用了二维电弧仿真模型,但它没有考虑电弧的运动过程和外加磁场因素的影响;文献中对稳态电弧和动态电弧分别进行了仿真,并且介绍了不同介质下的开断电弧动态特性,但其电极边界上的电流密度是一个关于二维电极面坐标的指数分布,与电极和灭弧室内温度没有关系,且其电极温度恒定不变;文献较为全面地介绍了包括电极在内的电弧仿真模型,给出了电弧动态分析的详细结果,但没有给出不同外加磁场下电弧动态特性。本文基于MHD理论,将气流场、热场及电磁场耦合在一起,考虑了它们相互之间复杂的作用过程,建立了三维电弧动态模型。MHD理论以整个灭弧室为研究对象,更加符合分断电弧充满灭弧室的实际情况,故能较好地模拟出电弧的物理性质。模型方程的给出采用有限容积法(FVM)。FVM导出的离散方程组可以保证具有守恒特性,而且离散方程系数的物理意义明确,是目前流动与传热问题的数值计算中应用最广的一种方法。由于实际低压断路器灭弧室几何结构复杂,为了便于分析,国内外通用的方法是采用简化的灭弧室模型。本文3D简化灭弧室几何模型的建立和剖分在GAMBIT2.0软件中完成;由于FLUENT软件拥有丰富的物理模型和先进的数值计算方法,能模拟流体流动、传热传质、化学反应和其他复杂的物理现象,其网格处理功能尤为强大,接口函数的使用也较为方便,便于进行二次开发。因此,本文以商用流体计算软件FLUENT6.1为计算平台,求解电弧中流场和电磁场的相关耦合问题。由于本文关注的是电弧的运动过程,没有考虑电极的打开及电弧的熄灭过程,仅考虑电弧的运动过程。1低能耗电网动态模拟模型的构建1.1系统模型的建立本文仿真内容为低压断路器灭弧室内电弧等离子体的运动特性,并以整个灭弧室为仿真对象。然而实际低压断路器灭弧室较为复杂,为了便于物理仿真模型的建立,采用了简化实际灭弧室模型。图1为本文研究的对象——简化的灭弧室几何模型。长度为45mm,高和宽约为7.8mm,模型上下为电极,仿真中电极上流过500A的直流电流。中间空气部分被四壁包围,其中一端装有绝缘栅片,栅片之间留有一个出气孔。1.2导电流体的仿真过程在研究电弧等离子体的宏观运动时,常把它作为特殊的流体来处理,其特点在于该流体带有导电的粒子,故而为一种导电流体。该流体的物性参数主要有密度、粘性系数、热导率、定压比热、电导率,它们都是关于温度和压力的函数。由于电弧动态运动过程是一个复杂的电磁过程,为了减小仿真的复杂性,本文在仿真过程中引入了一些用来简化问题的假设:(1)认为没有空间电荷层,即不考虑电极附近的空间电荷层。(2)忽略电极损耗和器壁损耗。1.3为应对电弧动态模型mwd的方程磁流体动力学是在流体力学和电磁学基础上研究导电流体的学科,它通常包括了流体动力学方程组和与电磁场相关的麦克斯韦方程组。(1)质量常数守固定公式∂ρ∂t+div(ρV)=0(1)∂ρ∂t+div(ρV)=0(1)(2)动物gradi的合成∂(ρυt)∂t+div(ρυiV)=−div(ηgradυi)+Si(2)∂(ρυt)∂t+div(ρυiV)=-div(ηgradυi)+Si(2)(3)能量守固定公式(4)现场公式div(σgradϕ)=0(4)J=σE}div(σgradϕ)=0(4)J=σE}(5)磁体计算div(gradAi)=−μji(5)B=∇×A(6)div(gradAi)=-μji(5)B=∇×A(6)1.4电极热发射材料的计算边界由于本文的计算涉及流场和电磁场,故边界条件包括了流场边界条件和电磁场边界条件。流场中速度边界的处理按照流场计算的通用处理方法,即认为面壁为无滑移的边界;本文设出气口压力值为一个大气压的压力出口条件;壁面温度边界以及电弧与电极之间的传热均采用一维传热公式:q=−λ¯gradT(7)q=-λ¯gradΤ(7)电场的计算边界按照电流密度来定义,由于电极/电弧界面处的实际电流密度不易确定,本文按照热发射原理给定弧根处电流密度ji∝T2iexp(−WKBTi)(8)ji∝Τi2exp(-WΚBΤi)(8)式中Ti——电极/电弧界面上相应单元温度值W——电极材料的工作函数值KB——波耳兹曼常数由于在本文计算电流下,电弧弧根的直径在阴极和阳极处相差不大,故本文在计算中认为阴极和阳极处具有相同的电流密度。磁场的边界本文人为地扩大了模型的边界,并认为扩大边界处为零的磁矢位。1.5计算数值的方法本文在FLUENT软件包的基础上进行了二次开发,使用了Couple方法对灭弧室中流场、电磁场进行了求解,求解流程如图2所示。2低压电压动态模拟的结果和分析2.1纵向截面温度分布图3为计算电流为500A、外加磁场为-10mT和出气口全开放时,不同时间情况下灭弧室纵向截面温度分布情况。由图可见,电弧起始速度较小,随着时间的增加,电弧运动速度也相应增加。弧柱温度达到近30000K,并且在靠近电极位置处具有最高的温度。这主要是由于电极处的电流密度较大,造成了局部很大的焦耳热,使得该处的温度较其他位置的要高。2.2等离子体喷流对弧室的影响对应于图3情况下0.6ms时刻,灭弧室内的气流场如图4所示。可以看出,灭弧室中存在着等离子体喷流,分别由阳极喷流和阴极喷流组成。喷流由电极区域流向灭弧室中间位置,并且阳极喷流和阴极喷流相碰,最终电弧在灭弧室中间形成一个圆盘状,这在图3温度分布中可以看出。整个喷流的最大速度达到519m/s左右。2.3电极周边压力图5为灭弧室在0.6ms时的压强分布。可以看出,弧柱区域的压强相对较大,尤其是在电极附近压力最大,这主要是由于电极附近区域的弧柱温度相对较高。电极附近大的压强也是造成阴极喷流和阳极喷流的主要原因之一。同时,由于出气口的存在使得外界与灭弧室内部相连,灭弧室内的压强最大值为0.11MPa。2.4磁场的影响在不同磁场和出口条件下,电弧的运动情况也不同,随着磁场的增加,电弧运动速度增大,运动时间减小。然而出气口面积的增大也会导致电弧运动变快,然而随着出气口面积的增大,电弧运动的变化程度也越来越小,最终基本不变。3仿真结果参数分析本文采用了MHD理论,以FLUENT6.1软件包为计算平台,建立了低压简化灭弧室内电弧运动的仿真模型,给出了相关仿真结果参