一种直流断路器灭弧优化方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种直流断路器灭弧优化方法及系统，方法包括步骤：1)建立初始的三维动态电弧仿真模型，采用混合划分网格的方式耦合直流断路器触头的运动过程，再根据场路耦合模型耦合外部电路特性，得到最终的三维动态电弧仿真模型；2)基于三维动态电弧仿真模型，综合分析得到影响直流断路器开断可靠性的因素；其中影响直流断路器开断可靠性的因素包括时间常数、拉弧速度和吹弧磁场；3)基于影响直流断路器开断可靠性的因素来得到直流断路器灭弧优化方案。本发明专利技术具有优化精准可靠等优点。本发明专利技术具有优化精准可靠等优点。本发明专利技术具有优化精准可靠等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种直流断路器灭弧优化方法及系统


[0001]本专利技术主要涉及直流断路器
，具体涉及一种直流断路器灭弧优化方法及系统。

技术介绍

[0002]目前对于断路器动态电弧特性的研究主要有实验观测与计算机仿真两种方法。断路器电弧实验的方法主要是指设计实验样机，搭建实验平台，运用高速摄像机以及信息采集设备获取电弧形态及分断电压电流等波形，从而研究其动态特性以及调控机理。
[0003]目前在实验研究方面，有学者设计了一种断路器灭弧室光纤阵列采集系统，能够以较高的频率捕捉电弧的光信号。有学者凭借高速摄像机拍摄了不同开断速度下的直流接触器动态过程，并研究了不同磁场条件下电弧的移动速度以及弧根分布的情况。有学者拍摄了氮气和氢气、氮气混合气体中的直流电弧运动情况，获得了不同气体组分的电弧特性。
[0004]在仿真方面，有学者基于磁流体动力学理论并结合动网格技术，建立了带转动触头的简化低压开关灭弧室中的电弧模型，得到了灭弧室内电弧转移的过程。有学者建立了小型交流断路器中的MHD电弧模型，在不考虑触头运动的情况下，得到了电弧运动变化的过程。有学者考虑蒸发喷溅烧蚀机制，仿真了二维熔池MHD模型，定量分析了触头材料、电流、触头尺寸和触头形状对烧蚀的影响。有学者基于磁流体动力学理论，仿真分析了电流中的直流分量对于于SF6自膨胀断路器开关电弧特性的影响。有学者建立了二维直流空气断路器电弧数学模型，采用移动网格技术实现了灭弧室内动触头的匀速圆周运动，对于电弧等离子鞘层条件进行了假设，研究了直流空气断路器在分断不同负载(阻感性、阻容性)类型情况下电弧的整个运动过程。有学者通过建立金属栅片式直流接触器中的分断电弧磁流体动力学模型，仿真获得了分断电弧的整个演变过程，发现灭弧室气流场扰动使高温气体向磁场力逆方向快速扩散是引起电弧背后击穿的根本原因。弧根停滞和电弧重击穿现象的产生，会延迟电弧熄灭、增加灭弧系统的烧蚀。
[0005]到目前为止，国内外学者对于电弧的数学模型建立以及仿真的研究工作已经有了很大的进展。然而还有以下几点局限性：(1)现有的仿真研究多是采用二维电弧模型，然而小型直流断路器本身并非平面对称或轴对称的，建立三维的模型将更接近真实情况；(2)现有的仿真研究多是针对电弧运动过程中的某一阶段进行研究，然而小型直流断路器的电弧运动主要包括4个过程：电弧跳转即电弧从动静触头跳离到跑弧道上、电弧沿跑弧道向栅片运动、电弧进入铁磁栅片并被切割为短弧、电弧被金属栅片切割冷却而导致熄灭，这些过程具有连续性且各阶段的时间跨度较大，忽略任何一个阶段都会对整个仿真研究造成误差。(3)现有的对于直流电弧的研究多应用于直流大电流领域，对于直流小电流情况下的研究较少。

技术实现思路

[0006]本专利技术要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本专利技术提供一
种精准可靠的直流断路器灭弧优化方法及系统。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：
[0008]一种直流断路器灭弧优化方法，包括步骤：
[0009]1)建立初始的三维动态电弧仿真模型，采用混合划分网格的方式耦合直流断路器触头的运动过程，再根据场路耦合模型耦合外部电路特性，得到最终的三维动态电弧仿真模型；
[0010]2)基于三维动态电弧仿真模型，综合分析得到影响直流断路器开断可靠性的因素；其中影响直流断路器开断可靠性的因素包括时间常数、拉弧速度和吹弧磁场；
[0011]3)基于影响直流断路器开断可靠性的因素来得到直流断路器灭弧优化方案。
[0012]优选地，在步骤1)中，建立初始的三维动态电弧仿真模型的具体过程为：
[0013]在基于假设条件下，建立电弧磁流体动力学模型，即初始三维动态电弧仿真模型，其中电弧磁流体动力学模型的质量守恒方程表述为微元控制体内质量的增加率与进入微元控制体内的净质量流率相等，等式经变形化简可得：
[0014][0015]式中：ρ为密度；t为时间；为速度矢量；
[0016]其中电弧磁流体动力学模型的动量守恒方程表述为微元控制体的动量随时间的增加率与微元控制体所受的合力相等，电弧所受外力为电磁力，等式经变形化简可得：
[0017][0018]式中：υ
k
为x、y和z轴速度分量，k＝1,2,3，分别表示x、y和z轴正方向；为速度矢量；η为粘度系数；p为静压；x
k
为空间x、y和z轴方向；为电流密度矢量；为空间磁感应强度矢量；为洛伦兹力项；
[0019]其中电弧磁流体动力学模型的能量守恒方程表述为微元控制体能量的变化率等于进入微元控制体的净热量与体积力表面力对微元控制体所做的功之和，电弧本身是一段电阻，会产生欧姆热，此外电弧温度极高，向外辐射能量，等式经变形化简可得：
[0020][0021]式中：h为热焓；λ为热导率；c
p
为定压比热；σ为电导率；E为电场强度；σE2为欧姆热项；S
R
为辐射项。
[0022]优选地，在建立电弧磁流体动力学模型的过程中，其中采用净辐射系数来计算断路器燃弧过程中的辐射项，表达式为：
[0023]S
R
＝4πε
N
[0024]式中：ε
N
为辐射系数；
[0025]其中灭弧室内磁场为电流自生磁场和永磁体外加磁场的叠加，而自生磁场通过磁矢位方程来计算，表达式为：
[0026][0027][0028]式中：为矢量磁位；μ0为真空中磁导率，μ0＝4π
×
10
‑7H/m；为电弧自生磁场磁感应强度；
[0029]其中电弧等离子体中电场麦克斯韦方程组表述为：
[0030][0031][0032][0033]式中：为电位，为电场强度矢量。
[0034]优选地，其中假设条件为：灭弧室内空气处于热力学平衡状态；电弧等离子体是层流；不考虑触头烧蚀所产生的金属蒸气带来的影响。
[0035]优选地，在步骤1)中，根据场路耦合模型耦合外部电路特性，再耦合多物理场，得到最终的三维动态电弧仿真模型；其中多物理场包括电场、磁场和温度辐射场。
[0036]优选地，在耦合温度辐射场的过程中，采用净辐射系数模型，将电弧分为三个区：高温区、重吸收区和低温区；其中电弧温度大于0.83倍弧心温度为高温区，该区域为能量净辐射区域，不计能量的重吸收；电弧温度在4000K到0.83倍弧心温度为重吸收区域，电弧辐射能量的80％被该区域所吸收；电弧温度小于4000K以下的区域为低温区，其辐射能量和重吸收能量可忽略不计。
[0037]优选地，在步骤3)中，对应时间常数的优化方案为：在线路中尽可能减小导线的弯曲与缠绕度来减小燃弧时间；对应拉弧速度的优化方案为：增大分断速度以提高电弧运动的过程，使其能够更早进入灭弧栅片区域。
[0038]优选地，在步骤3)中，对应吹弧磁场的优化方案为：在跑弧道处添加永磁体来提供吹弧磁场以加快电弧运动的速度，并且使得电弧在切割本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种直流断路器灭弧优化方法，其特征在于，包括步骤：1)建立初始的三维动态电弧仿真模型，采用混合划分网格的方式耦合直流断路器触头的运动过程，再根据场路耦合模型耦合外部电路特性，得到最终的三维动态电弧仿真模型；2)基于三维动态电弧仿真模型，综合分析得到影响直流断路器开断可靠性的因素；其中影响直流断路器开断可靠性的因素包括时间常数、拉弧速度和吹弧磁场；3)基于影响直流断路器开断可靠性的因素来得到直流断路器灭弧优化方案。2.根据权利要求1所述的直流断路器灭弧优化方法，其特征在于，在步骤1)中，建立初始的三维动态电弧仿真模型的具体过程为：在基于假设条件下，建立电弧磁流体动力学模型，即初始三维动态电弧仿真模型，其中电弧磁流体动力学模型的质量守恒方程表述为微元控制体内质量的增加率与进入微元控制体内的净质量流率相等，等式经变形化简可得：式中：ρ为密度；t为时间；为速度矢量；其中电弧磁流体动力学模型的动量守恒方程表述为微元控制体的动量随时间的增加率与微元控制体所受的合力相等，电弧所受外力为电磁力，等式经变形化简可得：式中：υ
k
为x、y和z轴速度分量，k＝1,2,3，分别表示x、y和z轴正方向；为速度矢量；η为粘度系数；p为静压；x
k
为空间x、y和z轴方向；为电流密度矢量；为空间磁感应强度矢量；为洛伦兹力项；其中电弧磁流体动力学模型的能量守恒方程表述为微元控制体能量的变化率等于进入微元控制体的净热量与体积力表面力对微元控制体所做的功之和，电弧本身是一段电阻，会产生欧姆热，此外电弧温度极高，向外辐射能量，等式经变形化简可得：式中：h为热焓；λ为热导率；c
p
为定压比热；σ为电导率；E为电场强度；σE2为欧姆热项；S
R
为辐射项。3.根据权利要求2所述的直流断路器灭弧优化方法，其特征在于，在建立电弧磁流体动力学模型的过程中，其中采用净辐射系数来计算断路器燃弧过程中的辐射项，表达式为：S
R
＝4πε
N
式中：ε
N
为辐射系数；其中灭弧室内磁场为电流自生磁场和永磁体外加磁场的叠加，而自生磁场通过磁矢位方程来计算，表达式为：方程来计算，表达...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊德智，肖宇，陈石东，李庆先，
申请(专利权)人：国网湖南省电力有限公司供电服务中心计量中心国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：