陳 搏 莊勁武 楊 鋒

(海軍工程大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 武漢 430033)

隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)容量的增加,電力系統(tǒng)中常用的機械式斷路器存在著分斷速度慢、額定容量小、體積大、造價高等缺點,已經(jīng)不能滿足電力系統(tǒng)短路保護的需求,迫切需要研制新型自動保護裝置[1].近來一類爆炸式高速開關(guān)成為國際上的研究熱點.這種開關(guān)將少量炸藥安裝在主載流體內(nèi)部或附近,短路時由檢測判斷裝置發(fā)送點火信號引爆炸藥,利用炸藥爆炸釋能功率大的特點,在極短的時間內(nèi)使主載流體斷開,迫使短路電流轉(zhuǎn)移到旁路并聯(lián)熔斷器,熔斷器在極短時間內(nèi)熔斷后,徹底切斷短路電流,總分斷時間通常在1 ms左右.由于分斷速度快,這類開關(guān)能將短路電流限制在遠小于預(yù)期短路電流的水平上,從而起到限流保護作用.主載流體的設(shè)計是這類爆炸式高速開關(guān)的關(guān)鍵技術(shù),決定了開關(guān)的容量、分斷性能、體積和成本.目前國際上常見的爆炸式高速開關(guān)主載流體主要有3種形式[2-3]:(1)ABB德國Calor Emag分公司開發(fā)的Is-limiter·;(2)美國G&W電氣公司開發(fā)的CLiP·(Current Limiter Protector);(3)法國FERRAZ公司開發(fā)的限流開斷器.

基于以上考慮,筆者從采用炸藥驅(qū)動活塞撞斷主載流體的方式獲得啟發(fā),試制了一型爆炸活塞式高速開關(guān),以期獲得更優(yōu)效果.

1 爆炸活塞式高速開關(guān)的設(shè)計

1.1 爆炸活塞式高速開關(guān)的結(jié)構(gòu)與原理

如圖1所示,該爆炸活塞式高速開關(guān)主載流體主要由爆炸氣缸,氣缸蓋、活塞、動觸頭、靜觸頭、動觸頭保護鋼片、特制壓緊螺栓和絕緣固定架等組成.爆炸氣缸內(nèi)裝填一定量的黑索今炸藥,當(dāng)電路發(fā)生短路時,由檢測判斷裝置發(fā)出信號引爆炸藥,驅(qū)動活塞向下運動.動、靜觸頭采用純銅材料并表面鍍銀,動觸頭保護鋼片用于保護動觸頭不被活塞撞壞.特制壓緊螺栓是用普通螺釘在中部削出一小段細頸制成的,開關(guān)閉合狀態(tài)下,4根壓緊螺栓起壓緊動靜觸頭的作用,開關(guān)動作時,在活塞桿強力推動下,4根特制螺栓從細頸處快速斷裂,實現(xiàn)動靜觸頭的分離.

與法國FERRAZ公司開發(fā)的采用炸藥驅(qū)動活塞撞斷主載流體的方式相比,爆炸活塞式高速開關(guān)最大的優(yōu)點是把斷裂點由動靜觸頭連接處轉(zhuǎn)移到了壓緊動靜觸頭的特制螺栓細部,這個改進簡化了加工工藝,降低了開關(guān)動作后不可回收利用部分的成本.

圖1 爆炸活塞式高速開關(guān)結(jié)構(gòu)簡圖

裝置的設(shè)計分3個步驟進行:(1)先根據(jù)額定通流量選擇合適的觸頭和特制螺栓的結(jié)構(gòu)尺寸,保證開關(guān)工作時溫升符合要求;(2)根據(jù)特制螺栓開斷所需要的力選擇合適的炸藥量;(3)根據(jù)炸藥量設(shè)計氣缸和氣缸蓋的強度.每個環(huán)節(jié)都留有適當(dāng)?shù)挠嗔?

1.2 通流能力設(shè)計

爆炸活塞式高速開關(guān)在額定電流下的穩(wěn)定溫升是一個非常重要的指標,溫度過高會使絕緣連接件老化而導(dǎo)致絕緣降低,尤其對于本裝置而言,溫度過高會加速炸藥的分解.通常,溫度每增加10℃,炸藥和起爆藥的分解速度增加約2～4倍,這將使裝置的使用壽命大大降低.因此必須設(shè)計合理的結(jié)構(gòu)以控制裝置各個部位的溫升.

首先參照銅母線的通流能力選擇動靜觸頭的截面積.觸頭間接觸電阻是影響溫升的重要因素,通過增加特制螺栓的預(yù)緊力可以減小觸頭間接觸電阻,從而減小溫升.預(yù)緊力與接觸面積的關(guān)系可近似用Bowden和Tabor給出的公式表示[4]

式中:Ac為實際接觸面積;Fk為預(yù)緊力;H為接觸對中較軟一方的硬度.

假設(shè)接觸點集中在一個圓形斑點上,則

式中:a為接觸半徑,又稱霍姆半徑.

接觸電阻由縮流電阻和膜電阻組成,接觸壓力較大時,膜電阻可以忽略不計,接觸電阻主要是縮流電阻,可以按照霍姆公式計算[5]

式中:Rc為接觸電阻;ρ為接觸對平均電阻率.

根據(jù)預(yù)緊力計算出接觸電阻后,使用ANSYS軟件進行熱電耦合仿真,可以比較準確的得到裝置各個位置的溫升情況,之后應(yīng)進行溫升試驗進行校核.

基于仿真結(jié)果依據(jù)國標對各部位溫升的要求和炸藥的耐熱性對特制螺栓預(yù)緊力以及裝置的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計.特制螺栓在緊固時應(yīng)使用轉(zhuǎn)矩扳手,通過控制擰緊轉(zhuǎn)矩來控制預(yù)緊力,并防止螺栓細頸被拉斷.

以380 V/2 000 A直流裝置為例,采用4根M8螺栓制成中間細部直徑3.0 mm的特制螺栓,調(diào)節(jié)預(yù)緊力約8 kN,可保證觸頭溫升不超過70 K,裝藥位置溫升不超過15 K.

1.3 炸藥量的計算

雷管和炸藥用來產(chǎn)生開關(guān)分斷的驅(qū)動力.雷管采用小型號的電雷管,主要起引爆炸藥的作用,本身爆炸威力很小,可以忽略不計.炸藥選用特制的黑索今炸藥,它具有爆速高,爆熱大的特點,并經(jīng)鈍化處理降低了感度,提高了安全性和壽命[6].在這里使用非常合適.

黑索今的分子量是222.12,根據(jù) Mallard-Lechatelier法確定的黑索今爆炸的化學(xué)方程式是[7]

完成通流能力設(shè)計后,需要根據(jù)特制螺栓細頸的直徑設(shè)計恰能使之?dāng)嗔训呐R界藥量.炸藥的爆轟過程是一個非常復(fù)雜的物理-化學(xué)過程,對其進行精確的計算難度很大,這里提出一種簡化的計算方法,經(jīng)試驗驗證具有足夠的準確性,能夠滿足此處的設(shè)計需要.

假設(shè)炸藥爆炸后在爆炸小室內(nèi)瞬間產(chǎn)生均勻的高壓氣體,根據(jù)由л.н.希什科夫?qū)С龅墓?爆炸產(chǎn)生高壓氣體的壓強可按下述方法計算

式中:p為生成氣體的壓強;F為炸藥力,表示單位質(zhì)量炸藥的作功能力,J/kg;Δ為裝填密度,kg/m3;R為氣體常量,R=8.314 J/(mol?K);T為炸藥的爆溫,K;黑索今的爆溫為3 700 K;M為炸藥的質(zhì)量,kg;V為爆炸小室的容積,m3;α為爆炸產(chǎn)物的余容(參見范德華爾斯氣體狀態(tài)方程),即單位質(zhì)量炸藥爆炸氣體產(chǎn)物的分子總體積與固體產(chǎn)物體積之和,m3/kg,根據(jù)黑索今爆炸的化學(xué)方程式,黑索今爆炸沒有固體產(chǎn)物,每1 mol黑索今產(chǎn)生9 mol氣體,氣體分子體積約為氣體在標準狀態(tài)下體積的1/1 000;因此,

n為單位質(zhì)量炸藥產(chǎn)生的氣體的物質(zhì)的量,mol/kg

據(jù)此可得

然后,再計算高壓氣體對活塞產(chǎn)生的推力

式中:S為活塞受力截面積,m2.忽略摩擦阻力,推力N1完全用于克服4根特制螺栓的抗拉力N2

式中:σb為螺栓材料的抗拉強度,Pa;D為特制螺栓細部直徑.當(dāng)N1＞N2時,炸藥即可驅(qū)動活塞頂斷壓緊螺栓,實現(xiàn)觸頭分離.

以直流380 V/2 000 A的某套裝置為例,計算的臨界斷裂炸藥量為240 mg,試驗中取300 mg藥量時實現(xiàn)了觸頭分離,而取200 mg時未實現(xiàn)觸頭分離,驗證了上述計算方法的準確性.

1.4 爆炸氣缸、氣缸蓋及活塞的設(shè)計

炸藥量確定以后,需要設(shè)計爆炸氣缸、氣缸蓋的厚度,使之具有足夠的強度而不被炸斷、損壞或者變形.可采用有限元顯式動力分析軟件ANSYS/LS-DYNA進行計算機仿真輔助設(shè)計[8].

為節(jié)省仿真的建模時間和計算時間,必須對模型進行合理的簡化.本模型僅考慮爆炸氣缸及氣缸蓋、活塞、炸藥、空氣44個部分,仿真模型如圖2 a)所示,模型中的四個部分各定義為一個PART,均采用solid164單元類型.在算法選擇上,采用歐拉-拉格朗日耦合算法(ALE),其中炸藥和空氣使用歐拉算法,爆炸氣缸-氣缸蓋、活塞使用拉格朗日算法.

由于模型是軸對稱結(jié)構(gòu),為節(jié)省計算時間,僅建立1/4模型,計算完畢再進行鏡像對稱輸出結(jié)果.約束定義中,爆炸氣缸低面使用全自由度約束,限制它的運動,對稱邊界面進行對稱約束,炸藥部分采用0.1 mm尺寸劃分網(wǎng)格,其他部分采用0.2 mm 尺寸劃分網(wǎng)格.仿真時間100 μ s,步長0.5 μ s.

由于黑索今長期放置會發(fā)生部分分解,實際裝置中必須裝填多于能使觸頭分離臨界藥量的黑索今,為保證足夠的可靠性,可選擇臨界藥量的2倍作為裝填藥量.以裝填藥量進行仿真建模,不斷調(diào)整氣缸壁的厚度,尋找氣缸不發(fā)生明顯變形的合適厚度.

圖2 仿真模型爆炸前后的對比

同時在仿真中發(fā)現(xiàn),高壓爆轟波可使活塞底面發(fā)生變形而陷入氣缸壁中,從而阻礙了活塞的運動.后經(jīng)試驗證實了這一現(xiàn)象,由于變形只發(fā)生在活塞底部區(qū)域,因此只需在活塞底部做一倒角(見圖1),即可解決問題.

仍以額定值直流380 V/2 000 A的裝置為例,取600 mg裝填藥量,仿真結(jié)果得,氣缸壁厚度應(yīng)選擇為10 mm.

2 爆破試驗

爆破試驗是對裝置爆破性能的檢驗.設(shè)計了如圖3所示的試驗測量方案.

圖3 爆破試驗測量裝置原理圖

測量裝置中,由動靜觸頭與10 kΩ電阻R,9 V干電池U串聯(lián)組成回路,測量電阻電壓,在動觸頭正下方10 mm處安置兩片銅片,與動靜觸頭并聯(lián),當(dāng)點火爆炸后,動觸頭與靜觸頭分離,然后經(jīng)過一段很短的時間后動觸頭接觸到銅片,可根據(jù)R上電壓的變化來獲得動靜觸頭分離時刻及動觸頭接觸兩片銅片的時刻,從而也可推算出動觸頭分離初始階段的平均速度.

直流380 V/2 000 A裝置樣機的試驗照片和波形如圖4.從波形圖中可以看出,點火后,600 mg藥量下,分斷時間116ms,分離后10mm開距內(nèi)平均速度8.5 m/s.可見,裝置具有迅速有效切斷主回路的能力.

圖4 爆破試驗波形圖

3 結(jié) 論

1)從法國FERRAZ公司開發(fā)的限流開斷器獲得啟發(fā),設(shè)計了一種新型爆炸活塞式高速開關(guān),它繼承了限流開斷器裝藥部位溫度低的優(yōu)點,同時通過把斷裂部位從觸頭改變?yōu)樘刂坡菟ㄖ胁考氼i,降低了使用成本.

2)使用ANSYS熱電耦合仿真對裝置額定電流下的穩(wěn)態(tài)溫升進行分析,設(shè)計了合理的結(jié)構(gòu)和合適的觸頭預(yù)緊力,根據(jù)預(yù)緊力計算得特制螺栓細頸的直徑.

3)給出了炸藥量的計算方法并得到了特制螺栓細徑斷裂所需的最小藥量,并通過試驗驗證.

4)利用LS-DYNA對裝填藥量對應(yīng)的結(jié)構(gòu)強度進行了仿真計算,并通過試驗進行了驗證.

5)該裝置距離實用化尚有較大差距,仍需在整體電氣性能、結(jié)構(gòu)緊湊性及經(jīng)濟性等方面做進一步的分析和設(shè)計.

[1]莊勁武,徐國順,張曉鋒,等.多相發(fā)電機整流供電系統(tǒng)短路限流裝置設(shè)計與分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報:交通科學(xué)與工程版,2006,30(2):194-197.

[2]李品德.一種實用化的混合式高壓限流開斷器[J].西北電力技術(shù),2000,28(2):24-25.

[3]DTI.Development of a saffty case for the use of current limiting devices to manage short circuit currents on electrical distribution networks[R].UK,2004.

[4]Bowden F P,Tabor D.Friction and lubrication of solids[M].Vol II.Oxford:Oxford University Press,1964.

[5]榮命哲.電接觸理論[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004.

[6]陳厚和,諸呂鋒,孟慶剛,等.一種用于強電流環(huán)境的鈍感炸藥與應(yīng)用[J].含能材料,2005(12):60-62.

[7]歐育湘.炸藥學(xué)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2006.

[8] 史黨勇,李裕春,張勝民.基于ANSYS/LS-DYNA8.1進行顯式動力分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.