曹云東 劉 陽 劉曉明 王爾智 付 思

（沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院 沈陽 110178）

1 引言

隨著高壓輸電線路電壓等級(jí)的逐漸提高，為適應(yīng)SF6斷路器向特高壓領(lǐng)域發(fā)展及提高開斷容量、電器設(shè)備小型化的發(fā)展[1-5]，本文提出旋氣吹弧技術(shù)[6]，研究旋氣結(jié)構(gòu)對(duì)開斷能力的影響，給出了旋氣噴口設(shè)計(jì)方法，豐富旋氣吹弧設(shè)計(jì)理論。由于旋氣槽的存在，使SF6氣體在吹到電弧之前，將軸向運(yùn)動(dòng)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。從軸向看，氣流不再垂直于平面往外射出，而是沿軸向呈一定旋轉(zhuǎn)角度向所在的電弧區(qū)域流動(dòng)。

斷路器的介質(zhì)恢復(fù)特性由滅弧室內(nèi)的電場(chǎng)和流場(chǎng)兩個(gè)因素決定，對(duì)SF6高壓斷路器的研究可歸結(jié)為如何提高斷路器開斷時(shí)實(shí)際的介質(zhì)恢復(fù)特性。本文著重研究噴口上游內(nèi)腔平直段增開的旋氣曲線槽給滅弧室內(nèi)氣流場(chǎng)帶來的影響。旋氣SF6高壓斷路器是在斷路器噴口處構(gòu)造眾多凹槽，令氣流在吹弧過程中能夠自能地旋轉(zhuǎn)起來[6]，加快熄弧。開斷過程中依靠高速流動(dòng)的氣流吹弧和拉弧，將電弧能量輸運(yùn)出去，在電流過零時(shí)，將電弧熄滅。本文在保證滅弧室內(nèi)氣體流量不變情況下，改變旋氣槽的槽數(shù)，得到不同旋氣結(jié)構(gòu)的速度變化規(guī)律，并著重研究旋氣槽對(duì)氣流切向速度的影響，為SF6高壓斷路器噴口的優(yōu)化設(shè)計(jì)及滅弧室小型化設(shè)計(jì)，為開發(fā)新型旋氣式SF6斷路器提供依據(jù)和設(shè)計(jì)方法。

2 三維氣流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

SF6高壓斷路器開斷過程中吹弧氣體的流動(dòng)是一種非定常、有粘可壓縮流動(dòng)，而且流動(dòng)過程中氣流場(chǎng)域的邊界是變動(dòng)的[7-10]。計(jì)算斷路器流場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型采用可壓縮N-S 方程[11-14]：

（1）連續(xù)方程

（2）運(yùn)動(dòng)方程

軸向動(dòng)量守恒 徑向動(dòng)量守恒

（3）能量方程

（4）氣體狀態(tài)方程

式中 ρ,p,T ——?dú)怏w密度，壓力和溫度；

vr,vz——?dú)怏w軸向速度和徑向速度；

λ——導(dǎo)熱系數(shù)；

R——?dú)怏w常數(shù)；

γ E2-η ——考慮電弧影響的源項(xiàng)；

w——單位質(zhì)量的總內(nèi)能。

（5）本構(gòu)方程

式中 σij—粘性應(yīng)力張量的各個(gè)分量；

μ——粘度。

3 氣流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算

SF6斷路器氣流場(chǎng)屬于可壓縮、非定常、有黏性、跨音速的流場(chǎng)問題，且在開斷過程中存在湍流和激波等復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象，在開斷電弧時(shí)，超音速氣流對(duì)電弧弧柱起著控制作用，由此可見SF6斷路器滅弧室內(nèi)的結(jié)構(gòu)對(duì)氣流場(chǎng)影響是至關(guān)重要[15-17]的。

本文以110kV SF6斷路器為研究對(duì)象，總行程為130mm，超程為24mm，分?jǐn)鄷r(shí)間為16ms，滅弧室充壓0.5MPa，針對(duì)于氣體通道噴口上游增開的旋氣槽對(duì)氣流場(chǎng)影響，進(jìn)行了不同開距下的氣流場(chǎng)仿真，進(jìn)行不同滅弧室結(jié)構(gòu)氣流速度參數(shù)隨時(shí)間及空間動(dòng)態(tài)變化的研究。滅弧室基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 110kV 斷路器流場(chǎng)計(jì)算結(jié)構(gòu)示意圖 1—壓氣缸 2—?jiǎng)踊∮|頭 3—靜弧觸頭 4—噴口 Fig.1 Structure of arc quenching chamber of 110kV SF6 circuit breaker

3.1 旋氣槽結(jié)構(gòu)對(duì)氣流運(yùn)動(dòng)的影響

新型噴口設(shè)計(jì)滿足如下條件：①基本保持噴口平直段外徑尺寸不變；②保證噴口具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度；③在開槽后使流體通過氣隙和槽的總截面積與原來氣隙的截面積大致相同。圖2 所示為有旋氣槽的噴口三維模型，噴口上游內(nèi)腔槽數(shù)18 個(gè)，梯形槽與主軸偏25°。

圖2 新型旋氣式SF6 斷路器噴口旋氣槽結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.2 Structure diagram of novel nozzle with rotary-gas grooves

如圖3 所示，由于噴口上游增開曲線槽，SF6氣體在吹到電弧之前，將軸向運(yùn)動(dòng)吹弧變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)吹弧，且旋轉(zhuǎn)氣流立刻進(jìn)入電弧所在區(qū)域，加速了電弧能量擴(kuò)散，從而通過改進(jìn)噴口上游結(jié)構(gòu)，提高斷路器熄弧能力。

圖3 無槽和有槽情況下動(dòng)觸頭端部截面上的 速度分布圖 Fig.3 Velocity distribution in the arc-quenching chamber and movable contact section of different structures

圖4 為吹弧氣體粒子運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖，從軸向看，氣流不再垂直于平面往外射出，而是沿軸向呈一定旋轉(zhuǎn)角度向電弧區(qū)域流動(dòng)，有別于傳統(tǒng)的軸向吹弧方式，有利于電弧能量的耗散。

圖4 無槽和有槽結(jié)構(gòu)粒子速度軌跡圖 Fig.4 Trace of particles in flow field of different structures

3.2 旋氣槽結(jié)構(gòu)對(duì)速度場(chǎng)的影響

為研究斷路器中速度場(chǎng)分布情況，將各點(diǎn)速度分解為三個(gè)速度分量：軸向、徑向、切向。在旋氣式斷路器中，這三個(gè)速度中切向分量速度最重要。因?yàn)榍邢蛩俣葲Q定著滅弧室中氣體旋轉(zhuǎn)強(qiáng)弱，切向速度可以產(chǎn)生離心力，旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的力可以使電弧隨之旋轉(zhuǎn)，破壞電弧的穩(wěn)定性，提高斷路器的拉弧和吹弧能力。

在噴口上游中選取一個(gè)有代表性的點(diǎn)，進(jìn)行氣流場(chǎng)參數(shù)的比較。截點(diǎn)位置如圖5 所示。

圖5 滅弧室內(nèi)截點(diǎn)位置示意圖 Fig.5 Structural diagram with the point in the arc-quenching chamber

在不同的吹弧方式下，氣流場(chǎng)絕對(duì)速度以及各速度分量值比較見表1。

表1 有、無旋氣槽截點(diǎn)速度值 Tab.1 Velocity of the point of different structures （單位：m/s）

由表1 可見：在小開距下，有槽結(jié)構(gòu)的絕對(duì)速度小于無槽結(jié)構(gòu)的絕對(duì)速度，這是因?yàn)樾￠_距下，從壓氣缸流入滅弧室內(nèi)的氣體有限，旋氣槽這時(shí)未表現(xiàn)出明顯的旋氣作用，反而加長(zhǎng)了氣體流動(dòng)的路徑，則使得有槽結(jié)構(gòu)的絕對(duì)速度較小。當(dāng)開距增大，滅弧室內(nèi)氣體迅速增加，從壓氣缸流入的高速氣體流經(jīng)噴口上游，旋氣槽旋氣作用明顯，氣體高速旋轉(zhuǎn)，各個(gè)方向的速度分量合成，使得有槽結(jié)構(gòu)的絕對(duì)速度加大。由上表反映出，其中速度切向分量，表現(xiàn)的尤為突出，隨著旋氣作用的增強(qiáng)，有槽結(jié)構(gòu)的切向速度分量有著明顯的提升。圖6 所示，在開斷過程中，兩種不同結(jié)構(gòu)的切向速度變化曲線圖。

圖6 有槽和無槽結(jié)構(gòu)切向速度隨開距變化對(duì)比 Fig.6 Comparison of the tangential velocity variation of different structures during the opening stroke

在整個(gè)開斷過程中，該截點(diǎn)有槽結(jié)構(gòu)切向速度值明顯高于無旋氣槽結(jié)構(gòu)。較大的切向速度使電弧能量消散，說明有槽結(jié)構(gòu)能夠更好的吹弧，快速帶走能量。

雖然氣體切向速度大，由能量守恒原理，必然會(huì)對(duì)軸向、徑向速度也有一定影響。在整個(gè)開斷過程中，該截點(diǎn)上有槽結(jié)構(gòu)徑向速度值小于無旋氣槽結(jié)構(gòu)，如圖7 所示。

圖7 有槽和無槽結(jié)構(gòu)徑向速度隨開距變化對(duì)比 Fig.7 Comparison of the radial velocity variation of different structures during the opening stroke

從上述分析可得到，旋氣噴口結(jié)構(gòu)既可保持氣體徑向速度無大的減小，又可產(chǎn)生很強(qiáng)的切向速度分量，從而使得在原斷路器結(jié)構(gòu)尺寸無大更改的前提下提高開斷能力。

4 不同槽數(shù)的旋氣槽對(duì)氣流場(chǎng)切向速度的影響

保證流量不變，旋氣槽傾角為25°和開槽的深度不變的情況下，本文建立了五種不同旋氣槽數(shù)的高壓SF6斷路器滅弧室模型，對(duì)其滅弧室結(jié)構(gòu)內(nèi)的氣流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬與分析，得到旋氣槽數(shù)對(duì)斷路器滅弧室氣流場(chǎng)的影響規(guī)律。

曲線槽旋氣吹弧增大了切向速度分量，較大的切向速度使電弧能量更易動(dòng)蕩消散，有利于電弧能量的耗散。由圖8 可看出，在流量不變條件下，18槽結(jié)構(gòu)的切向速度最大，16 槽、14 槽、12 槽依次減小，8 槽結(jié)構(gòu)切向速度最小。說明槽數(shù)多，切向速度增大。

切向速度大小決定著滅弧室中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)作用的強(qiáng)弱。圖9 所示為不同槽數(shù)結(jié)構(gòu)動(dòng)觸頭端部截面上的速度矢量分布圖，以8 個(gè)旋氣槽和18 槽結(jié)構(gòu)斷路器為例，分析表明槽數(shù)越多氣體旋弧能力越強(qiáng)。氣體旋轉(zhuǎn)作用強(qiáng)，可以在短時(shí)間內(nèi)帶走更多的電弧能量，有利于電弧熄滅。

圖8 五種不同結(jié)構(gòu)切向速度隨開距變化的曲線 Fig.8 Tangential velocity variation among five different grooved structures during the opening stroke

圖9 不同槽數(shù)結(jié)構(gòu)動(dòng)觸頭端部截面上的速度分布圖 Fig.9 Velocity distribution of movable contact section of different grooves

8 槽和18 槽結(jié)構(gòu)噴口上游槽截面及槽中氣流場(chǎng)分布如圖10 所示。8 槽結(jié)構(gòu)在溝槽中存在無規(guī)則的小型氣體環(huán)流，從而增加氣流通過溝槽區(qū)域阻力，使氣流能量減弱，吹弧效果差。

槽數(shù)少的結(jié)構(gòu)，SF6氣體在旋氣槽內(nèi)流動(dòng)速度發(fā)生差別，在切向速度方向上產(chǎn)生一個(gè)漸變的速度場(chǎng)，速度梯度大。當(dāng)SF6氣體具有速度梯度時(shí)，產(chǎn)生了黏性力，該力隨速度梯度的加大而增大，從而導(dǎo)致槽數(shù)少的結(jié)構(gòu)切向速度小，正如圖10 局部放大圖示，8 槽結(jié)構(gòu)切向速度較18 槽結(jié)構(gòu)小。

5 不同槽數(shù)的旋氣槽對(duì)氣流場(chǎng)質(zhì)量流量的影響

如表2 所示，16 個(gè)槽、14 個(gè)槽、12 個(gè)槽和8個(gè)槽的斷口間質(zhì)量流量幾乎相等，只有18 個(gè)槽的質(zhì)量流量最低。在保證氣體流量不變情況下，同時(shí)在噴口上游增開不同數(shù)量的旋氣槽，旋氣槽的數(shù)量越多，槽型的截面積相對(duì)越小，而槽型截面積越小阻力越大，從而降低了旋氣槽內(nèi)氣體流量。通過以上分析表明，槽數(shù)多可以增大旋轉(zhuǎn)作用，但質(zhì)量流量卻得不到提高。

表2 不同槽數(shù)質(zhì)量流量隨開距變化比較 Tab.2 Mass flow rate of different grooved structures during opening stroke （單位：kg/s）

6 結(jié)論

本文結(jié)合高壓SF6斷路器滅弧室跨音速氣流流動(dòng)特點(diǎn)，基于N-S 方程，采用有限體積方法進(jìn)行有旋氣結(jié)構(gòu)的高壓斷路器氣流場(chǎng)數(shù)值求解。研究結(jié)果表明，旋氣槽的存在對(duì)斷口間速度有明顯的提高，有助于提高斷路器的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度。

通過對(duì)不同槽數(shù)下旋氣槽氣流場(chǎng)動(dòng)態(tài)仿真，仿真結(jié)果表明，槽數(shù)越多，槽型截面積相對(duì)減小，阻力增大，斷口間質(zhì)量流量減小。但由于其旋轉(zhuǎn)作用最強(qiáng)，切向速度最大，短時(shí)間內(nèi)又可以帶走更多的電弧能量。所以過多或過少的槽數(shù)均不好，需要綜合多方面因素確定最佳的噴口旋氣槽數(shù)，更有利于電弧熄滅。

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