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自能式sf_6断路器灭弧室气压特性及对开断性能的研究

2022-05-23 15:19 来源: 作者/编辑: 浏览次数:155 手机访问 使用手机“扫一扫”以下二维码,即可分享本文到“朋友圈”中。

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自能式灭弧原理就是*大限度地利用电弧自身的能量,加热膨胀室中sf6气体,提高膨胀室气体的压力,在喷口中形成高速气流,与电弧发生强烈的热交换,当电流过时达到熄弧目的。因此自能式灭弧原理是对电器电弧理论研究的突破和发展。

由于利用电弧能量可以使灭弧室建立起所必须的压力,不需要操作机构提供很大的压缩功;由于灭弧室气压是由电弧建立起来的,因而不需要高的压气分闸速度,也降低了机构操作功;在维持同等气吹压力的前提下,由于灭弧室压气缸直径减小,传动系统运动件质量的减轻,使机构操作功显著下降。因此根据理论计算,自能式sf6断路器操作功可降低为单压式的20%,尽管在实际上由于电弧能量利用不足和结构设计与制造的限制不能达到理想程度,但是将操作功降到25%~30%是有可能的,并且已经实现。

开发和研制,以热力学**定律和流体动力学基本原理为依据,对所设计灭弧室作出适当假设,建立起以压力,温度及m量为函数的数学模型。本文采用四阶龙格一库塔法来解决运算中温度对时间变化的微分方程,并用fortran%语言编写程序,所编程序在powerstation4.0上进行调试,所得数据在metlab软件上绘出各个参数变化的曲线。

1灭弧室压力特性数学模型的建立给出自能式sf6断路器结构示意图,本文计算分析的主要参数有:几何超程40mm,平均分闸速度6770m/s,其初始状态参数为灭弧室内绝对充气压力5mpa,温度为293k,时间取零点,计算断路器热膨胀气缸的容积分别设置为0.1l,0.2l和0.3l.中给出断路器处于开断状态。

动触头从闭合状态到打开状态是一个连续、变化的过程,灭弧室内气体在每一时刻的压力、温度和密度都是不同的,本文在计算过程中做了如下假设:热能都能均地分配给气体;由于开断过程非常迅速,与气缸壁来不及进行热交换,所以可把此过程看成绝热过程;为了更好地说明问题,将灭弧室内气体容积分成3部分,如所示。图中1为热膨胀气缸(上游区),2为外界气体(下游区),3为动弧触头内部气体(下游区)。1,2,3部分气体均按理想气体考虑。忽略各部分摩擦,每部分气体状态参数分布,可作为集中参数来处理。

sf6气体的定容比热由下式计算:这里将灭弧室和触头系统运动分为3个过程,每一过程由于动静触头所处位置不同以及喷口打开与否,差异较大。

在**个过程中,从触头在闭合位置到动触头行程为40mm处,这一过程为动触头超行程阶段,此时动触头并未完全脱离静触头,喷口还未打开,1,2,3部分仍然是3个孤立系统,它们之间没有任何质量和能量的交换,因此,第1部分是一个封闭的热力学系统,下面对第1,2,3部分分别进行讨论。

对于第1部分气体,其数学方程式可写为程可求出每一时刻温度r值。

由理想气体状态方程可推导出灭弧室气体压强:3部分气体,假定为理想大容量气体,由于第1部分气体未向其泄漏,因此第1部分气体参数变化对其影响较小,可以不考虑。第2,3部分的气体状态依然为初始参数。

在第二个过程中,第2部分从静弧触头离开动弧触头时,即触头打程从40mm处至81mm处,此时动触头位于喷口截面*小处。由于触头分开产生电弧,电弧能量不断输入压气室内,压力随之上升,并且加热灭弧室温度。此时,电弧能量及电弧半径随着短路电流所处的相位角的改变而不断的变化,1部分气体既与静弧触头内部又与下游区有能量和质量的交换,其气体泄露面积是随电弧半径的改变而变化。当电流处于90.时,电弧面积*大,堵塞*严重。当电弧电流为零时,电弧面积*小,气体泄流面积*大。这时,灭弧室1部分与下游区2部分既有电弧能量交换又有质量交换,又有与3部分的气体质量交换,能量平衡方程可写为叫3为1部分气体与3部分气体的质量交换;a为气体的焓;mi为1部分电弧能量输入的系数;g为电弧能量。

灭弧室压力为其质量流失率为其中,为气体泄露面积。d包括a和心。2为喷口泄漏面积,它是由喷口与电弧直径所围成的圆环面积;名3为静弧触头泄漏面积;0为气体泄露参数。

在亚临界流速情况下则其中,〃为定熵指数。

在超临界流速情况下则其中,内为喷嘴下游侧压力,这里近似取为5mi,per为临界压力,有在第三个过程中,动弧触头离开喷嘴至完全断开状态下,这时电弧越拉越长,但电弧与灭弧室1部分的能量交换的几何长度相对稳定,而与下游区气体能量交换的份额越来越大,电弧能量大部分散失到外界去。这时,压气室内压力继续上升,在压差的作用下,气流在喷口中形成高速流动,与电弧发生强烈的能量交换,在电弧电流过零时终于将电弧熄灭。在这一阶段,1部分气体与静触头内部2及喷口外部3都有质量交换,能量平衡方程可写成如式(4)~(6)所示。

其中,2为第三部分电弧单位时间输送1的能量系数,其值要比小。

通过对sf6气体试验的研究得到电弧电压梯度与工作压力及喷口直径的关系:作压力差。

在自能式sf6断路器的数学模型中,对压力、温度等参数变化影响很大的是电弧能量的输入量,而对自能式灭弧室来说,合理地设计灭弧室结构,确定灭弧室体积大小,有效加热灭弧室气体,对设计开断性能优良的断路器是至关重要的。在灭弧室参数计算中,较好地确定电弧加热系数是很关键的。

经过阅大量资料,本项目研究中初步采用的电弧系数为:在第二过程中为0.20.3,在第三过程中取为0.10.15. 2计算机辅助设计及方法选择在本文研究中,主要考虑的就是对一元微分方程的求解,经过系统的分析,本文采用四阶龙格一库塔法来解决运算中温度对时间变化的微分方程,并采用fortran90语言编写程序。

利用四阶龙格一库塔法可以将微分方程的求解问题转化为计算问题,其中每一步需要计算函数值/fc >04次,而步长a可以取为相等。

定步长。

3数据分析及结论为了更好地说明问题,本文计算了3种不同灭弧室体积,分别是0.1l,0.2l和0.3l.从,中可以清晰地看出3条压力、温度随时间变化波动情况的曲线。在触头行程小于40mm时,压力值变化很小,温度无明显变化,此时由于喷口堵塞,无质量流失。可是当动触头拉离静弧触头时,由于电弧能量的介入,压力上升很快,温度也快速攀升,相对于曲线2、曲线3,曲线1压力上升*快,并达到了*大值。这是因为它的体积比较小,电弧产生的热量很容易在*短时间内使灭弧室气压达到很篼的值,这对长燃弧熄弧是不利的。而曲线2、曲线3走势要比曲线1缓和一些。随着电流**个半波的结束,曲线1,2,3的压力都有明显下降的趋势,这时电弧喷口打开,气体质量开始流失,温度上升非常缓慢。过零后,压力又迅速上升,温度继续增加。这时,从图中可以明显地看出,曲线1的压升己没有**次高,这是因为在**半波时,由于气压很高,气体泄流加快,到第二半波时,已经没有足够的气体吹弧,压升降低。而对于曲线2和曲线3来讲,气体憋的很足,有利于电弧第二次过零时有效地吹弧,这时由于压力差大的缘故,电弧未堵塞期时间加长,气体流失率增加,气体质量下降。到**周波过零点时,对于曲线2来说,压力保持在23.4mpa的篼水平,温度也达到了*大值3080k,对于曲线3来说,压力保持在21.9mpa的高水平,温度也达到了*大值1935k,从,5中也可看出在同等充气压力条件下,曲线1由于体积小,气量不是很足,在电流过零时,气体的流失率也处在很低的水平,而曲线2、曲线3就有足够气体来吹弧,而且此时有很高的气体流失率,但曲线2在过零时的压力要比曲线3的好些,在过零后,气体质量由于喷口的打开气体大量的泄漏,在熄弧后得几毫秒内,压力陡然下降,气体质量流失率减小,气体质量也下降到几克左右。

4结论通过对几种不同结构参数的自能式sf6断路器的开断能力进行的研究。所得结果,说明了灭弧室体积的大小对开断的成功与否影响很大,在开断过程中起着重要的作用。在3种不同体积下,经过计算,断路器灭弧室气缸的*佳的容积是在0.2l左右。很好的体现了自能式sf6断路器的压力特性。





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