基于COMSOL的城轨弓网电弧多物理场仿真研究

弓网电弧产生的高温是烧蚀弓网系统材料的主要原因,研究弓网电弧发生机制,掌握弓网电弧温度分布规律,有助于减少电弧对弓网系统材料的烧蚀损伤,增加弓网系统服役寿命.文中基于磁流体动力学理论,根据弓网电弧数学模型设置相关初始条件,采用有限元软件COMSOL对弓网电弧数学模型进行求解,分析弓网电弧温度分布及电弧两极表面的温度分布,并探究弓网电弧持续时间与弓网电弧温度的关系.结果表明,弓网电弧中心区域温度最高,接触线表面温度远远超过接触线材料的熔点;弓网电弧持续时间与弓网电弧温度呈正相关.

基于双温度磁流体电弧仿真改进Mayr电弧模型的特快速暂态过电压仿真方法

特快速暂态过电压(VFTO)仿真研究中,传统电弧黑盒模型因电弧时间常数和散热功率常取经验值会引起VFTO计算结果出现较大误差。对此,该文提出了一种基于双温度磁流体电弧仿真的改进Mayr电弧模型建立方法。首先,建立了双温度磁流体电弧模型,并通过该仿真研究了上述关键参数与电弧电导的关系,建立了改进Mayr电弧模型;其次,搭建了VFTO仿真模型,采用改进Mayr电弧模型和多种传统电弧数学模型计算了特高压GIS隔离开关切合空载短母线过程的VFTO波形;最后,对比分析了各电弧模型的仿真结果与实测结果波形特征的相对误差。结果表明,改进Mayr电弧模型的VFTO仿真结果与实测结果的相对误差较小,计算准确度较高。

耦合磁吹和触头运动的直流接触器电弧特性研究

磁吹结构和运动机构特性是影响直流接触器电弧开断性能的重要因素。文中引入灭弧室中非均匀磁场分布与动触头运动特性的耦合影响,构建了电、磁、气流、温度等多场耦合的二维电弧磁流体动力学仿真模型,分析了不同磁吹结构、反力弹簧刚度系数、触头超程等参数对直流电弧特性的影响。搭建了直流接触器电弧特性实验平台,开展了对比实验验证仿真结果。研究表明:提出在静触头之间增加中间永磁体的两种新型磁吹结构,较原结构燃弧时间分别缩短20.2%与14.7%,在电极下方磁吹结构增加中间永磁体的提升效果更好;反力弹簧刚度系数的最优选择为1.0 N/mm,最佳触头超程为1.5 mm,实验与仿真结果相符,为提升陶瓷密封直流接触器分断能力的优化设计提供参考依据。

金属栅片作用下直流接触器电弧动态特性仿真研究

直流接触器电弧的动态特性对触头分断性能有重要影响。基于磁流体动力学(MHD)理论,建立金属栅片式电弧模型,赋予栅片鞘层假设,模拟实际工况。通过分析电弧温度、电流密度、气流场等因素,解释了电弧重燃现象,并研究了栅片不同倾斜角度对电弧重燃的影响。结果表明:电弧重燃的主要原因是熄弧后残留的高温气体产生的热电离,促进了局部放电和重击穿作用;改变栅片倾斜角度可以改变气流场和洛伦兹力作用方向,角度为20°时,重燃次数最少,燃弧时间最短。

不同电极距离下的交流电弧仿真研究

交流故障电弧严重威胁着用电设备的安全稳定运行,极易引发火灾。为研究不同间隙距离对交流故障电弧各个物理场的影响,在对交流故障电弧能量转换过程分析的基础上,建立了磁流体动力学模型。应用COMSOLMultiphysics软件,建立二维轴对称模型,对复杂的交流电弧进行仿真,分析了电极距离为2mm时的终端电流、电压以及温度场和磁场的变化和联系,研究了不同电极距离对交流电弧终端电压电流的分布及电弧温度分布的影响,为交流故障电弧熄灭装置的设计提供了重要参考。

Simulation of the Effect of a Metal Vapor Arc on Electrode Erosion in Liquid Metal Current Limiting Device

The effect of arc plasma on electrode erosion in a liquid metal current limiter （LMCL） is studied. Based on a simplified two-dimensional magnetohydrodynamic model, the elongated GaInSn metal vapor arc and its contraction process in a liquid metal current limiter are simulated. The distributions of temperature, pressure and velocity of the arc plasma are calculated. The simulation results indicate that the electrode erosion is mainly caused by two high temperature gas jet flows arising from the pressure gradient, which is a result of the non-uniform arc temperature distribution. The gas flows, which act as jets onto the electrode surface, lead to the evaporation of the electrode material form the surface. A redesign structure of the electrode is proposed and implemented according to the analysis, which greatly increased the service life of the electrode.

环境友好型HFO-1336mzz(E)混合气体在负荷开关中的灭弧性能仿真研究

为了减少SF_(6)在电力设备中使用量,研究了环境友好型SF_(6)替代气体HFO-1336mzz(E)气体作为灭弧介质在12 kV负荷开关中的应用可行性,建立了2维磁流体动力学仿真模型,在压气式负荷开关结构下进行负荷电流开断过程仿真,对比了0.12 MPa下30%HFO-1336mzz(E)/CO_(2)、30%HFO-1336mzz(E)/干燥空气混合气体与0.1 MPa下SF_(6)气体燃弧过程中的电弧电压、灭弧室内温度场、气流场分布以及弧后热击穿特性。研究表明,HFO-1336mzz(E)混合气体熄弧尖峰略大于SF_(6),且电弧在轴向上扩散速率大于SF_(6)。电流快过零时,混合气体的电弧温度比SF_(6)低1400 K。通过弧后热击穿评估,30%HFO-1336mzz(E)/CO_(2)、30%HFO-1336mzz(E)/干燥空气混合气体的热开断能力分别可以达到SF_(6)的95%和96%。研究结果可为HFO-1336mzz(E)混合气体作为灭弧介质在中压开关设备中的应用提供参考。

直流接触器触头电弧侵蚀特性

触头开断过程中会产生电弧,从而导致触头表面被侵蚀,影响其电接触性能。由于直流供电系统不存在自然过零点,致使直流接触器触头受电弧侵蚀影响比交流接触器更加严重。为了研究电弧对触头的侵蚀作用,基于磁流体动力学理论,考虑电弧与触头之间的能量耦合,建立电弧-触头动态耦合模型,研究了电流等级和分断速度对触头电弧侵蚀特性的影响。仿真结果表明:近阳极区电弧温度高于近阴极区电弧温度;电流等级由20 A提高到30 A时,电弧温度和燃弧时间显著提高,燃弧能量增加75.93%,使得触头侵蚀更加严重;触头分断速度由0.1 m/s增加到0.2 m/s时,电压电流的变化率提高,燃弧时间和熔池体积减小,燃弧能量减少47.83%,电弧对触头的侵蚀作用降低。实验结果与仿真相吻合,验证了仿真模型的正确性。

特高压直流高速开关研发关键技术研究

直流高速开关(high speed switch,HSS)是多端直流输电系统中的关键设备。HSS的性能参数直接影响到多端直流系统的送电能力和运行灵活性。为了研制性能参数更优的±800 kV HSS产品,提出在长时直流耐受、直流小电流开断和直流燃弧耐受3大关键性能方面需解决的问题。结合内外绝缘仿真优化和样机绝缘验证,实现样机具备DC1224 kV/1 h湿耐受的绝缘性能;通过小电流开断的磁流体动力学仿真,获得了HSS开断小直流电流时灭弧室内部的温度、压力分布规律;试制了小直流开断实验样机,样机实验在1 kV恢复电压下最大开断电流达到350 A。通过长时燃弧的磁流体动力学仿真,获得了4000 A直流电流开断过程中灭弧室内部的温度、压力分布规律。该研究为性能参数更优的±800 kV HSS产品研制奠定坚实基础,对提高多端直流输电系统功率连续性和安全稳定运行具有重要意义。

电磁式灭弧空气炮理论研究

针对传统保护间隙的空气间隙无法快速熄弧、线路的跳闸率较高问题,研究、设计了电磁式灭弧空气炮.该装置利用电磁活塞理论,喷射出高速气团.高速气团会冲击电弧,带走电弧的热量并拉细电弧,显著增强电弧的去游离作用,迫使其在短时间内熄灭.且电磁式灭弧空气炮的活塞尾部安装有弹簧机构,能够在灭弧后自动将活塞复位,为下一次动作做准备.通过有限元法进行仿真计算,加装电磁式灭弧空气炮的保护间隙能在16 ms内将电弧拉细到原来粗细程度的1/8、弧心温度降低至1/3,显著增强去游离作用,迫使其迅速熄灭.因此电磁式灭弧空气炮具有较强的熄弧能力,且具备一定的自能性,能有效降低雷击跳闸率、提升电能质量.

新型大功率直流继电器建模与仿真分析

高压直流继电器的结构一般都十分紧凑,没有设置灭弧室,导致灭弧难度大。为此,研发了新型大功率直流继电器。区别于传统继电器,新型继电器利用电机带动齿轮传动机构进行动、静触头分离,小巧的传动机构使得分断间隙足够,可以达到12~15 mm,能够高效分断高电压大电流。基于磁流体动力学模型,使用Comsol Multiphysics有限元软件建立新型继电器二维对称模型,并对不同因素下的电弧进行仿真,分析不同因素与燃弧时间之间的关系,从而确定各个因素合适的取值范围,同时也证明了新型继电器的灭弧能力。

开关柜铜排故障电弧多物理场仿真分析

开关柜铜排因连接松动、接触不良等原因会产生故障电弧,易诱发电气火灾等安全事故。为研究铜排故障电弧特性,建立了铜排故障电弧的磁流体动力学数学模型,结合实际边界条件,耦合电磁场、流场和温度场,在多物理场仿真软件COMSOL中进行二维建模计算,研究不同电流、不同间距情况下铜排故障电弧的温度、空气流速等多参量的变化规律,为开关柜防弧结构及电弧检测方法的研究提供理论依据。

基于磁流体动力学的35 kV自脱离防雷装置灭弧仿真

为研究影响基于气吹灭弧原理的自脱离防雷装置灭弧的影响因素,文中基于磁流体动力学理论建立装置灭弧过程的数值仿真模型,研究电流初始相角与装置气流速度峰值对装置熄弧性能的影响,并结合大电流燃弧试验验证模型有效性。研究结果表明,自脱离防雷装置灭弧时间与工频电流初始相角密切相关,在0°~180°电角度区间内,电弧熄灭所需时间随工频电流初始相角的增大而减小。装置气流速度峰值对电弧熄灭具有决定性作用。当灭弧气流速度峰值高于243 m/s时,装置可在半个工频周期内有效熄灭电弧并防止重燃;灭弧气流速度峰值低于243 m/s时,在装置产气灭弧筒出口处将出现“电弧堵塞”现象导致电弧重燃。研究结论可为气吹防雷装置灭弧性能优化提供理论依据。

C_(4)F_(7)N气体电弧的辐射输运特性研究

辐射作为电弧能量输运的主要方式,在灭弧过程中起着关键作用。该文以环保型气体C_(4)F_(7)N及其与CO_(2)和N_(2)的混合气体为对象,建立了耦合净辐射模型的气体电弧二维磁流体动力学模型,分析了触头运动过程中C_(4)F_(7)N电弧的辐射输运特性,探究了电流大小和混合气体配比对电弧形态、温度及辐射能量的影响。进一步地,搭建电弧光学诊断实验平台,分别利用高速相机和光谱仪捕获电弧形态并采集电弧光谱信息,验证了仿真模型的有效性。研究发现,受电弧辐射能量沿轴线分布影响,C_(4)F_(7)N气体电弧形态呈葫芦状。随着电流增大,电弧辐射能量增强,葫芦状形态逐渐明显。随着C_(4)F_(7)N气体含量增加,电弧在径向洛伦兹力的作用下逐渐收缩。

基于气吹原理的一体化防雷间隙快速灭弧方法

并联间隙结构简单,但雷击过后,由工频续流导致的电弧无法快速熄灭,故使得线路的跳闸率上升。提出了一种新型一体化防雷间隙,利用磁能气吹装置喷射高能气流作用于间隙电弧致使其快速熄弧的方法,加快电弧能量消散,同时使间隙电弧能迅速变细,截断工频续流,从而达到快速熄弧的目的。基于磁流体力学(magnetohydrodynamic,MHD)理论,利用有限元仿真分析软件搭建了该理论模型,并进行了交流电弧灭弧实验。研究结果表明:该基于气吹原理的一体化防雷间隙能使电弧的弧柱温度在短时间降低至原来的1/5,电弧吹细至原来的30%,使电弧熄灭时间最长不超过5 ms,只有传统保护间隙熄弧时间的6%~8%。所提方法极大地缩短了间隙工频续流电弧的熄灭时间,保证了电力系统的供电可靠性。

多物理场耦合仿真下声波对直流电弧的影响

断路器等开关设备是当前直流输配电领域的研究重点与难点,开关电弧是影响断路器等设备性能的重要因素。基于磁流体动力学(MHD)理论,建立了声场影响下的直流电弧仿真模型。通过多物理场的耦合仿真,研究了在声场影响下各物理场与直流电弧的特性及相关性,通过实验对仿真结果进行检验。

直流接触器分断过程中弧根演变及对重燃的影响分析

直流接触器灭弧室中弧根的演变对其开断性能有重要的影响。该文搭建实验平台,采用高速相机拍摄了磁场作用下金属栅片式直流接触器开断过程中的弧根转移过程,并基于磁流体动力学理论,建立空气电弧数学模型,对电弧等离子体鞘层进行假设,并且在计算中耦合分断回路方程。通过对温度场、电流密度、电导率和气压分布的仿真分析,得到分断过程中弧根转移产生的根本原因,在现有的仿真条件下研究分断速度、差异外施横向磁场对弧根演变规律的影响。结果表明:在一定范围内,灭弧室入口区磁场大于栅片区时,弧根转移加速,熄弧时间缩短;由于灭弧室入口两侧气流漩涡的存在,当分断速度较小时,阳极弧根运动至引弧片时会出现停滞现象,该停滞现象随着分断速度的增大而消失,并且燃弧时间缩短,仿真与实验观测结果较为一致。本文的研究对提高直流接触器分断能力,优化灭弧室结构具有一定的意义。

触头打开过程中低压空气电弧等离子体的动态分析

本文针对触头打开过程中低压空气电弧等离子体动态特性的研究,以磁流体动力学为基础,采用动态网格技术,建立了空气电弧等离子体的模型。计算获得了触头打开过程中电弧弧柱温度和流场的分布,同时给出了该过程中不同触头速度下弧柱电压降的变化过程,并与试验测试进行了对比分析。分析表明,气流场随触头间距增大而增强,电弧弧柱在气流场的作用下不断地膨胀;随着触头的打开,电弧电压随时间的上升变化并非完全呈线性。

低压断路器中空气电弧重击穿现象的仿真与实验研究

低压断路器用于接通和分断电路中的电流。当故障电流产生时,动触头和静触头打开,在触头间产生电弧,随后在电磁场和气流场的作用下向灭弧栅片运动。在运动过程中会出现电弧的停滞和后退的重击穿现象,严重降低了断路器的开断性能。该文以磁流体动力学(MHD)为基础建立了三维空气电弧等离子体在外部磁场作用下运动的数学模型,此模型可以预测电弧的重击穿现象,并发现当灭弧室的出口面积为60%时,电弧在3mT磁场的作用下运动时出现了重击穿现象,而当磁场增大到5mT时重击穿现象消失。此外,还发现当磁场为10mT时,在出口面积分别为20%、60%和100%3种情况下电弧均可以顺利到达栅片,在运动的过程中没有电弧重击穿现象的发生。

带载工况下降弓电弧磁流体建模分析

带负载降弓会造成大电流电弧严重烧蚀弓网系统材料,甚至导致接触线断裂等事故。为了分析降弓电弧动态特性,建立了降弓电弧二维轴对称磁流体动力学模型。采用固定电导率以及LTE-diffusion近似方法处理阴极鞘层和阳极鞘层,使用动网格方法模拟降弓过程,研究了降弓速度、电弧电流对电弧特性的影响。研究结果表明:降弓过程中接触线底部和受电弓滑板顶部存在高气压区域,降弓电弧最高气压约为800 Pa;加快降弓速度可以加速降弓电弧的熄灭,减轻降弓对弓网材料的烧蚀;降弓速度对于降弓电弧电压的变化起主导作用。研究结果为进一步研究降弓电弧侵蚀接触线的热过程以及降弓电弧烧蚀防护奠定了基础。