李 靜 易晨曦 彭世東 曹云東 于龍濱

高海拔環(huán)境下大容量直流空氣斷路器滅弧性能研究

李 靜1易晨曦1彭世東1曹云東1于龍濱2

（1. 沈陽工業(yè)大學(xué)特種電機(jī)與高壓電器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 沈陽 110870 2. 遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院 沈陽 110006）

高原軌道交通和電工產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型對起關(guān)鍵保護(hù)作用的大容量直流空氣斷路器（LC-DCCB）提出了更高要求，但現(xiàn)有產(chǎn)品在高海拔地區(qū)的開斷仍存在一定問題。該文以軌道交通用LC-DCCB為研究對象，首先基于磁流體動力學(xué)（MHD）理論，考慮湍流效應(yīng)的影響，對其在高海拔環(huán)境下開斷18 kA短路電流進(jìn)行仿真；然后對電弧形態(tài)及滅弧室內(nèi)溫度場、電磁場、氣流場進(jìn)行分析，得出高海拔地區(qū)空氣電弧開斷困難的主要原因；最后根據(jù)仿真與理論分析，考慮采用合理數(shù)量和布局的間插式U型柵片改善電弧開斷特性。結(jié)果表明：隨著海拔的升高，電弧前期運(yùn)動速度加快，但斷路器的滅弧性能降低；在高海拔環(huán)境下電弧存在嚴(yán)重的弧根粘滯和弧根拖尾現(xiàn)象，弧根拖尾畸變空間電場，不利于熄??；同時(shí)，在不同海拔環(huán)境下，電弧會產(chǎn)生不同程度的反向運(yùn)動現(xiàn)象，易導(dǎo)致弧后重燃。該研究深入揭示了高海拔環(huán)境下LC-DCCB電弧演變過程及復(fù)雜開斷現(xiàn)象背后的物理本質(zhì)，可為該類產(chǎn)品研發(fā)提供理論指導(dǎo)。

高海拔 大容量直流空氣斷路器 弧根拖尾 電弧反向 弧后重燃

0 引言

大容量直流空氣斷路器（Large-Capacity Direct Current air Circuit Breaker, LC-DCCB）滅弧室與大氣連通，抗震能力強(qiáng)，無漏氣風(fēng)險(xiǎn)，作為車載斷路器廣泛應(yīng)用于城市軌道交通領(lǐng)域[1]。由于城市化進(jìn)程加快，機(jī)車編組增長、功率增加，車載直流空氣斷路器逐步向大電流、大容量方向發(fā)展[2]。近年來，我國中西部高海拔城市大力推進(jìn)城市軌道交通建設(shè)，直流空氣斷路器工作環(huán)境也轉(zhuǎn)向高海拔地區(qū)。海拔每升高1 km氣壓約下降10 kPa，當(dāng)直流空氣斷路器在高海拔地區(qū)開斷短路電流時(shí)，開斷失敗的概率增加，嚴(yán)重影響高海拔地區(qū)城市軌道交通運(yùn)行的可靠穩(wěn)定性。因此，新國標(biāo)[3]對高海拔開關(guān)設(shè)備提出了更高要求，高海拔環(huán)境下的開斷問題受到研究者的關(guān)注，逐漸成為城市軌道交通領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

直流空氣斷路器的開斷過程可通過電弧動態(tài)演化過程表征，因此建立電器電弧數(shù)值仿真模型，模擬電弧演變過程中相互耦合的多物理場，獲得影響開斷的關(guān)鍵因素及調(diào)控措施，提升開斷能力，是當(dāng)前直流空氣斷路器的研究重點(diǎn)[4-5]。國內(nèi)外學(xué)者對直流空氣斷路器滅弧性能進(jìn)行了大量研究，Huo Jindong等研究了材料產(chǎn)氣作用下斷路器滅弧特性，并考慮了Stefan流的影響，結(jié)果表明使用產(chǎn)氣材料可為直流快速開斷提供新的解決思路[6]。彭世東等使用耦合永磁體磁場的磁流體動力學(xué)（Magneto-Hydro Dynamics, MHD）模型研究了柵片材料與結(jié)構(gòu)對滅弧性能的影響，發(fā)現(xiàn)柵片傾角與材料的優(yōu)化可以加速電弧開斷過程[7]。趙杰等將磁流體仿真與正交實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，通過仿真實(shí)驗(yàn)與優(yōu)化算法，從跑弧道形狀、柵片數(shù)量等角度出發(fā)對滅弧性能進(jìn)行優(yōu)化[8]。Ma Ruiguang等建立大容量直流空氣斷路器三維模型，發(fā)現(xiàn)隨著滅弧室寬度增加，燃弧時(shí)間增長[9]。楊茜等發(fā)現(xiàn)滅弧室內(nèi)弧根拖尾現(xiàn)象，認(rèn)為滅弧室內(nèi)氣流場是導(dǎo)致弧根拖尾的主要原因[10]。Huo Jindong等通過改進(jìn)的MHD模型，發(fā)現(xiàn)了滅弧室內(nèi)電弧的反向運(yùn)動現(xiàn)象[11]。本課題組也通過高速攝像機(jī)拍攝到了磁吹直流空氣斷路器中弧根躍遷時(shí)的雙弧根現(xiàn)象，證明鞘層是引起雙弧根的主要原因，觸頭熔蝕產(chǎn)生的銅蒸氣并不總是對開斷起阻礙作用[12]。但上述研究都是針對0 km海拔環(huán)境下的開關(guān)電器滅弧性能研究。

高海拔（低氣壓）環(huán)境下的分?jǐn)嚯娀∵^程與 0 km海拔環(huán)境不同，由于高海拔環(huán)境氣壓低，放電發(fā)生時(shí)電子碰撞的平均自由程更長，電弧的形成和發(fā)展與低海拔存在明顯區(qū)別。在航空航天領(lǐng)域，研究者對極低氣壓環(huán)境下的表面放電、電暈放電等問題進(jìn)行了相關(guān)研究[13-14]，其中對航空直流開關(guān)電器電弧的研究主要集中在電弧侵蝕[15]和磁場調(diào)控[16]方面。此外，在其他設(shè)備中的低氣壓電弧研究方面，文獻(xiàn)[17-19]研究了高海拔環(huán)境下氣體間隙放電特性、擊穿特性和電弧發(fā)展規(guī)律；文獻(xiàn)[20-21]研究了弓網(wǎng)電弧在高海拔環(huán)境下的運(yùn)動特性和發(fā)展規(guī)律。在高海拔環(huán)境下的開關(guān)電器電弧開斷研究方面，研究者對電力系統(tǒng)開關(guān)設(shè)備[22]、微型空氣斷路器[23]和塑殼斷路器[24]的工作狀態(tài)進(jìn)行了研究，得出海拔環(huán)境對開關(guān)電器的操作性能、熱電性能、溫升、電接觸壽命等參數(shù)的影響規(guī)律，并對高海拔用低壓開關(guān)設(shè)備的工作電壓等參數(shù)進(jìn)行了修正。但上述研究主要涉及高海拔環(huán)境微型/小型直流空氣斷路器，且對高海拔環(huán)境下開關(guān)設(shè)備滅弧性能的研究不足。關(guān)于LC-DCCB在高海拔環(huán)境下的開斷問題和滅弧性能研究目前還未見報(bào)道。

為此，本文建立高海拔環(huán)境下LC-DCCB瞬態(tài)電弧模型，考慮湍流效應(yīng)的影響，對其在不同海拔環(huán)境下短路電流分?jǐn)噙^程中的電弧動態(tài)運(yùn)動特性進(jìn)行仿真，并分析了弧根粘滯和弧根拖尾現(xiàn)象的成因以及其對滅弧性能的影響，得出高海拔環(huán)境下LC-DCCB分?jǐn)喽搪冯娏骼щy的根本原因。結(jié)合仿真結(jié)果與理論分析，考慮采用間插式U型柵片改善電弧特性。該研究可為高海拔用LC-DCCB的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供理論依據(jù)和參考。

1 仿真模型和邊界條件

本文以城市軌道交通用LC-DCCB為研究對象，根據(jù)不同海拔環(huán)境下相應(yīng)空氣介質(zhì)的物性參數(shù)，建立磁流體動力學(xué)（MHD）電弧模型，進(jìn)行高海拔環(huán)境下LC-DCCB分?jǐn)?8 kA（實(shí)際產(chǎn)品開斷短路電流參數(shù)）短路電流過程的電弧仿真。

1.1 幾何模型

本文所采用的LC-DCCB滅弧室?guī)缀文Ｐ腿鐖D1所示，幾何尺寸在圖中標(biāo)注。其中金屬柵片和跑弧道為銅質(zhì)材料，絕緣器壁為石英材料。滅弧室內(nèi)含柵片60個(gè)，柵片間距為5 mm。

圖1 滅弧室?guī)缀文Ｐ?/p>

1.2 基本假設(shè)

LC-DCCB分?jǐn)喽搪冯娏鲿r(shí)，電弧首先在觸頭間產(chǎn)生，弧根在觸頭上短暫停留后即在磁吹力的作用下迅速跳躍至跑弧道并向柵片運(yùn)動。當(dāng)電弧跳躍至跑弧道后，大電流電弧強(qiáng)烈的熱效應(yīng)作用在大容量滅弧室內(nèi)形成湍流[25]，電弧燒蝕產(chǎn)生的金屬蒸氣迅速在滅弧室內(nèi)擴(kuò)散。由于滅弧室體積大，金屬蒸氣濃度在整個(gè)燃弧期間均較低。柵片切割電弧是空氣斷路器滅弧的關(guān)鍵，因此本文主要關(guān)注電弧運(yùn)動及柵片切割電弧過程，不考慮弧前過程與觸頭打開過程。基于此，本文作出如下假設(shè)：①電弧弧柱區(qū)完全電離，處于局部熱力學(xué)平衡狀態(tài)；②忽略金屬材料相變過程和滅弧室內(nèi)金屬蒸氣的影響；③滅弧室內(nèi)流體流動為湍流且為不可壓縮流動；④電弧等離子體的物性參數(shù)視為僅與溫度和壓強(qiáng)相關(guān)的函數(shù)[26]。

1.3 控制方程

本文以考慮湍流效應(yīng)的MHD模型為基礎(chǔ)，建立LC-DCCB在不同海拔環(huán)境下電弧瞬態(tài)數(shù)學(xué)模型。MHD模型控制方程可以用統(tǒng)一的形式表示為

式中，為電弧等離子體密度，大小與溫度、壓強(qiáng)相關(guān)；為時(shí)間；為等離子體速度矢量；為場變量；Γ為電弧等離子體對應(yīng)場的物性參數(shù)；S為對應(yīng)場的源項(xiàng)。式（1）中的變量與參數(shù)見表1。表中，和分別為方向和方向的氣體流速；為流體動力粘度；為焓；為熱導(dǎo)率；c為比定壓熱容；為電位；為電導(dǎo)率；為矢量磁位。

表1 式（1）中的變量與參數(shù)

Tab.1 Variables and parameters of Equ.(1)

本文采用-湍流模型描述滅弧室內(nèi)的剪切流輸運(yùn)，模型包含關(guān)于湍流動能和湍流耗散率的兩個(gè)輸運(yùn)方程[27]。

描述湍流動能的輸運(yùn)方程為

描述湍流耗散率的輸運(yùn)方程為

由于電弧溫度高，其輻射散熱不可忽略。本文根據(jù)文獻(xiàn)[28]采用簡化計(jì)算公式描述電弧輻射散熱過程，有

1.4 邊界條件

來自陽極的正離子在電場的加速下運(yùn)動到陰極被陰極吸收，并在陰極表面產(chǎn)生熱量。隨著陰極被逐漸加熱，更多的電子在陰極發(fā)射，將導(dǎo)致陰極冷卻。陰極熱平衡方程為

陰極發(fā)射的電子在電場的作用下向陽極加速運(yùn)動并碰撞產(chǎn)生電子，電子運(yùn)動到陽極被吸收并在陽極產(chǎn)生熱量。陽極只考慮電子加熱，其熱平衡方程為

本文研究對象為自激吹弧式斷路器，根據(jù)文獻(xiàn)[29]的研究，在整個(gè)模型計(jì)算區(qū)域施加均勻分布的20 mT橫向磁場模擬外部磁吹裝置的作用，邊界條件的設(shè)置見表2。

表2 邊界條件

Tab.2 Boundary conditions

1.5 主要參數(shù)設(shè)置

本文根據(jù)GB/T 20645—2021《特殊環(huán)境條件高原用低壓電器技術(shù)要求》相關(guān)規(guī)定[3]，將海拔0～5 km劃分為5個(gè)等級，見表3。

物性參數(shù)是求解MHD方程的基礎(chǔ)，不同海拔環(huán)境下的空氣物性參數(shù)顯著不同，各海拔環(huán)境下空氣物性參數(shù)使用文獻(xiàn)[26]提供的方法計(jì)算得到。

表3 不同海拔環(huán)境下大氣壓強(qiáng)和溫度

Tab.3 Air pressure and ambient temperature at different altitudes

為了提高模型收斂性并保證計(jì)算精度，模型網(wǎng)格采用三角形網(wǎng)格剖分。根據(jù)滅弧室內(nèi)近壁面湍流特性，在空氣和金屬交界面使用矩形邊界層網(wǎng)格。

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 不同海拔環(huán)境下LC-DCCB的開斷過程

海拔0 km滅弧室內(nèi)溫度及氣流場分布如圖2所示。圖中滅弧室中線左側(cè)為溫度分布，右側(cè)為氣流場分布。5 ms時(shí)，電弧尚未進(jìn)入柵片區(qū)，弧根由水平跑弧道經(jīng)過跑弧道彎角，電弧逐漸拉長；7 ms時(shí)，電弧即將進(jìn)入柵片，此時(shí)弧根已完全經(jīng)過跑弧道彎角處，電弧形態(tài)呈倒“C”字型；10 ms時(shí)，電弧被柵片切割，滅弧室中線處電弧運(yùn)動速度最快，兩側(cè)運(yùn)動較慢，同時(shí)弧根沿水平跑弧道分別向左右兩側(cè)運(yùn)動，弧根后部有高溫氣體殘留；14 ms時(shí)，弧根運(yùn)動速度減慢，出現(xiàn)弧根粘滯現(xiàn)象，有明顯的高溫氣體在弧根后部停留（弧根拖尾）；18 ms時(shí)電弧完全進(jìn)入柵片，柵片利用率達(dá)100%，同時(shí)電弧中心部分沖出柵片區(qū)；22 ms時(shí)，電弧弧根通過熱擊穿完成由水平跑弧道向豎直跑弧道上的弧根轉(zhuǎn)移，此時(shí)電弧形態(tài)呈多峰狀態(tài)，位于滅弧室中線兩側(cè)附近電弧發(fā)生反向運(yùn)動，且水平跑弧道上仍然存在弧根產(chǎn)生的高溫氣體；26 ms后電弧溫度快速下降，電弧趨于熄滅。

圖2 海拔0 km滅弧室內(nèi)溫度及氣流場分布

海拔2～5 km滅弧室內(nèi)溫度分布如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)弧根在水平跑弧道上運(yùn)動時(shí)，海拔高度對電弧形態(tài)影響不大，電弧都是由倒“C”字型演變?yōu)槎喾鍫顟B(tài)；但電弧進(jìn)入柵片時(shí)刻隨著海拔升高而提前，海拔0 km時(shí)，電弧在7 ms時(shí)刻進(jìn)入柵片，海拔5 km時(shí)，電弧在4.8 ms時(shí)刻進(jìn)入柵片，表明海拔越高，電弧在進(jìn)入柵片前運(yùn)動速度越快。這是由于海拔越高，空氣密度越小，動力粘度越小，越有利于電弧運(yùn)動[30]。

圖3 海拔2～5 km滅弧室內(nèi)溫度分布

海拔環(huán)境對電弧開斷過程的影響在弧根由水平跑弧道轉(zhuǎn)移至豎直跑弧道后更顯著。圖4為不同海拔高度電弧電流、電弧電壓及電弧功率隨時(shí)間變化曲線。由圖4可得，海拔0 km下，23.5 ms時(shí)電弧電壓上升至電源電壓，電弧電流和電弧功率下降至0，電弧熄滅。海拔2 km和3 km下，電弧燃弧后期電弧功率下降更為緩慢，在40 ms后電弧熄滅，其燃弧時(shí)間長于海拔0 km下電弧的燃弧時(shí)間，且在70 ms后發(fā)生電弧重燃（電弧電壓由電源電壓陡然下降，電弧電流由0突變）。海拔高度4 km和5 km下，電弧未能成功熄滅，斷路器開斷失敗。這是由于隨著海拔的升高，空氣熱導(dǎo)率下降，不利于電弧能量耗散。根據(jù)巴申定理，在一定范圍內(nèi)，氣壓減小，擊穿電壓下降，電弧重燃的概率增大，同時(shí)高海拔環(huán)境會削弱空氣介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度，導(dǎo)致海拔2 km和3 km易發(fā)生電弧重燃。海拔4 km和5 km時(shí)，電弧行為與海拔0 km相比有顯著不同，因?yàn)楹０?5 km的氣壓只有海拔0 km下的一半，且空氣介質(zhì)物性參數(shù)有明顯區(qū)別，因此海拔升高，滅弧室熱量耗散能力下降，易于高溫電弧維持燃燒，導(dǎo)致海拔4 km和5 km環(huán)境下斷路器難以完成開斷。

圖4 不同海拔高度電弧電流、電弧電壓及電弧功率隨時(shí)間變化曲線

圖4中，電弧電流在20 ms左右存在一定程度的上升，對應(yīng)電弧電壓存在一定程度下降。結(jié)合圖3可知，這是弧根由水平跑弧道轉(zhuǎn)移至豎直跑弧道所致，這種弧根轉(zhuǎn)移現(xiàn)象導(dǎo)致電弧弧長突然變短，因此電弧電壓下降，電弧電流上升。

根據(jù)上述分析，將不同海拔環(huán)境下的電弧關(guān)鍵行為歸納為表4。由表4可得，隨著海拔高度的增加，電弧進(jìn)入柵片時(shí)刻提前，但燃弧時(shí)間反而增加。由于高海拔環(huán)境本身不利于電弧能量耗散，加之滅弧室密集的柵片結(jié)構(gòu)限制了電弧輻射散射，斷路器在高海拔環(huán)境下開斷時(shí)，電弧過早地進(jìn)入柵片區(qū)反而更利于電弧維持高溫燃燒狀態(tài)。同時(shí)，由于高海拔環(huán)境下的氣壓、熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率差異，將共同導(dǎo)致高海拔環(huán)境下燃弧時(shí)間增加。

表4 電弧關(guān)鍵行為及其發(fā)生時(shí)刻

綜上所述，電弧運(yùn)動過程中會出現(xiàn)弧根粘滯、弧根拖尾和電弧反向現(xiàn)象，這些現(xiàn)象會對不同海拔環(huán)境下LC-DCCB的開斷性能產(chǎn)生不同的影響，下文將結(jié)合仿真數(shù)據(jù)對這些現(xiàn)象進(jìn)行深入分析。

2.2 高海拔環(huán)境下電弧運(yùn)動特殊現(xiàn)象

2.2.1 高海拔環(huán)境下弧根粘滯和拖尾現(xiàn)象

本文將斷路器分?jǐn)嚯娀∵^程中，弧根長時(shí)間不運(yùn)動或運(yùn)動速度極為緩慢的現(xiàn)象稱為弧根粘滯現(xiàn)象，將弧根運(yùn)動過程中在所經(jīng)過區(qū)域產(chǎn)生的高溫氣體長時(shí)間難以消散的現(xiàn)象稱為弧根拖尾現(xiàn)象。為了更清晰地呈現(xiàn)弧根運(yùn)動狀態(tài)，提取滅弧室左側(cè)弧根在水平跑弧道運(yùn)動時(shí)，其與滅弧室中線的距離隨時(shí)間的變化如圖5所示，該時(shí)間段內(nèi)弧根處的溫度分布及氣流場分布如圖6所示。

由圖5可知，隨著時(shí)間增加，弧根與滅弧室中線距離變化率逐漸減緩，即弧根運(yùn)動速度逐漸降低。同時(shí)高海拔環(huán)境下弧根與滅弧室中線距離變化率更快，表明弧根運(yùn)動速度下降更快。由圖6可得，15 ms左右，弧根僅在水平跑弧道上小范圍運(yùn)動，發(fā)生弧根粘滯現(xiàn)象，且在弧根經(jīng)過區(qū)域，有明顯的高溫氣體聚集在水平跑弧道附近（藍(lán)色框線表示高溫氣體聚集區(qū)范圍），產(chǎn)生弧根拖尾現(xiàn)象。

圖5 弧根與滅弧室中線距離隨時(shí)間變化

圖6 電弧左側(cè)弧根溫度及氣流場分布

弧根由滅弧室入口轉(zhuǎn)移至水平跑弧道要經(jīng)過跑弧道彎角，導(dǎo)致弧根運(yùn)動速度減慢，有利于弧根附近高溫氣體的產(chǎn)生。當(dāng)弧根經(jīng)過跑弧道彎角后，在氣流場和電磁力的共同作用下，弧根將沿水平跑弧道運(yùn)動，但高溫氣體不能快速消散，形成圖6所示的高溫氣體聚集區(qū)。高溫氣體聚集形成溫度梯度差，溫度梯度差進(jìn)一步導(dǎo)致區(qū)域壓力差，進(jìn)而形成氣流漩渦。隨著時(shí)間的增加，該氣流漩渦不斷擴(kuò)大，攜帶高溫氣體向跑弧道入口處移動。同時(shí)，氣流漩渦會使弧根受到與其運(yùn)動方向相反的力，產(chǎn)生弧根粘滯現(xiàn)象。

不同海拔環(huán)境下弧根在水平跑弧道上運(yùn)動階段的方向電流密度如圖7所示?？梢?，海拔越高，同一時(shí)刻電弧電流密度越小。這是由于高海拔環(huán)境下氣壓低，空氣密度小，且同一溫度下動力粘度小，因此海拔越高，弧柱半徑越大，電流密度越小。由公式=×（為電磁力，為電流密度，為磁通密度）可知，電流密度越小，電磁力越小，越不利于弧根運(yùn)動，因此海拔5 km弧根粘滯最嚴(yán)重。海拔越高，電流密度下降速度越快，弧根運(yùn)動速度也下降越快。

圖7 左側(cè)弧根y方向電流密度

弧根拖尾會畸變空間電場。圖8為弧根轉(zhuǎn)移至豎直跑弧道前一時(shí)刻，不同海拔環(huán)境下弧根拖尾處的空間電場分布。海拔0 km時(shí)，弧根拖尾對滅弧室電場產(chǎn)生的畸變程度最??；隨著海拔高度增加，弧根拖尾處高溫氣體聚集區(qū)范圍擴(kuò)大，其對電場的畸變程度加大。電場畸變會導(dǎo)致電弧熄滅后，滅弧室入口處電場強(qiáng)度更大，加之滅弧室入口處高溫氣體聚集使該處電導(dǎo)率升高，因此在高海拔環(huán)境下滅弧室入口處易發(fā)生電弧重燃，這是高海拔環(huán)境下斷路器開斷困難的主要原因。

圖8 電弧左側(cè)弧根電場分布

2.2.2 高海拔環(huán)境下電弧反向現(xiàn)象

高海拔環(huán)境對LC-DCCB開斷的影響，不僅表現(xiàn)在弧根處，還表現(xiàn)在弧柱區(qū)，即被柵片切割的短弧產(chǎn)生不同程度的反向現(xiàn)象，這同樣影響斷路器的滅弧性能。

圖9a為局部電弧反向時(shí)滅弧室內(nèi)流場速度分布，流速大于0表示氣流方向沿軸向上，流速小于0表示氣流方向沿軸向下。圖9b為柵片間短弧受力分析示意圖。短弧所處位置不同，其產(chǎn)生的自生磁場磁通密度self方向不同，該自生磁場對短弧產(chǎn)生的電磁力記為self，其中位置靠上的短弧受到方向向上的self作用，位置靠下的短弧受到方向向下的self作用[11]。同時(shí)，柵片間位置靠下的短弧受到向下的氣流場作用力aif。雖然外部磁場對短弧的作用力ext始終向上，但當(dāng)aif+self＞ext時(shí)，短弧受到的合力方向向下，短弧向下運(yùn)動，即發(fā)生電弧反向現(xiàn)象；當(dāng)aif+self＜ext時(shí)，短弧受到的合力方向向上，短弧則向上運(yùn)動。

圖9 短弧反向運(yùn)動機(jī)理

由圖3可知，電弧反向現(xiàn)象在海拔2 km和 3 km時(shí)最嚴(yán)重。下面以海拔2 km為例分析電弧反向現(xiàn)象的成因。海拔2 km滅弧室內(nèi)溫度分布和氣流場分布如圖10所示?？梢?，12 ms時(shí)刻，水平跑弧道附近形成的氣流漩渦改變了柵片間氣體流速，柵片間短弧在不同流速氣流場作用下形成位置差。隨著氣流漩渦不斷擴(kuò)大，氣流漩渦中心氣體壓強(qiáng)較低，壓強(qiáng)差使部分柵片間形成反向氣流（如18 ms時(shí)刻），此時(shí)方向向下的aif開始作用。當(dāng)某一時(shí)刻方向向下的aif+self占主導(dǎo)時(shí)，電弧反向現(xiàn)象開始出現(xiàn)。隨后，部分反向電弧在28 ms時(shí)刻反向沖出柵片區(qū)（如圖10中綠色圈中所示），在氣流場的作用下，反向電弧高溫氣體向跑弧道彎角處移動。高溫氣體在滅弧室入口處累積，78 ms時(shí)刻，在畸變電場和高溫氣體的共同作用下，滅弧室入口處發(fā)生電弧重燃。

圖10 海拔2 km滅弧室內(nèi)溫度與氣流場分布

提取海拔0 km、3 km、5 km反向電弧即將沖出柵片區(qū)域時(shí)方向的自生磁場與外磁場電磁力合力exty+selfy分布以及氣流場分布分別如圖11和圖12所示，圖11中紅色箭頭代表該合力，圖12中白色箭頭代表滅弧室內(nèi)氣流方向，綠色虛線表示反向氣流場作用范圍（寬度）。由圖11可得，海拔0 km電弧反向沖出柵片時(shí)刻，電弧即將熄滅，電弧電流密度小，反向短弧所受合力exty+selfy較小。由圖12可得，海拔3 km時(shí)反向氣流場作用范圍最大，海拔5 km時(shí)反向氣流場作用范圍最小。海拔5 km電弧所受合力exty+selfy大于海拔3 km的情況，且海拔5 km反向氣流作用范圍小，因此海拔5 km電弧反向運(yùn)動最輕微，而海拔3 km電弧受大范圍反向氣流場的影響，因此海拔3 km電弧反向運(yùn)動最嚴(yán)重（見圖3）。

圖11 電弧電磁力局部分布

圖12 氣流場局部分布

2.3 滅弧室內(nèi)氣流場優(yōu)化：U型柵片的使用

根據(jù)2.2節(jié)仿真分析可知，高海拔地區(qū)電弧反向和弧根拖尾是影響其開斷性能的主要因素，而氣流場的分布是造成上述現(xiàn)象的重要原因。U型柵片的半封閉結(jié)構(gòu)能在空間場內(nèi)阻止氣流反向，因此，可利用U型柵片優(yōu)化滅弧室內(nèi)氣流場分布，改善電弧開斷能力，但柵片U型化會減少近極壓降，不利于電弧拉伸與電弧電壓的提升，這對于采用柵片近極壓降限流開斷的空氣斷路器又是不利的。因此針對本文研究對象，綜合考慮多種影響因素，對間插式U型柵片數(shù)量及分布進(jìn)行了仿真研究，最終發(fā)現(xiàn)3組間插式分布的U型柵片滅弧室滅弧性能最佳。3組間插式分布U型柵片滅弧室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖13 3組間插式U型柵片結(jié)構(gòu)滅弧室

圖14為相同時(shí)刻未使用間插式U型柵片（改進(jìn)前）和使用間插式U型柵片（改進(jìn)后）的方向氣流場分布，紅色箭頭表示氣流方向。改進(jìn)前，滅弧室中線兩側(cè)會出現(xiàn)沿方向向下的反向氣流；改進(jìn)后，由于U型柵片的半封閉結(jié)構(gòu)阻斷了反向氣流流通路徑，U型柵片附近區(qū)域氣流均沿方向向上流動，未出現(xiàn)反向氣流。通過對柵片結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，滅弧室內(nèi)氣流場流通路徑得到改善，從而有效地抑制了柵片間反向氣流的出現(xiàn)。

圖14 間插式U型柵片使用前后y方向氣流方向分布

滅弧室內(nèi)氣流場的改善會影響電弧運(yùn)動形態(tài)。海拔3 km和5 km電弧完全進(jìn)入柵片時(shí)刻，滅弧室溫度及氣流場分布如圖15所示。可以看出，結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，電弧多峰狀態(tài)消失，電弧反向現(xiàn)象不再出現(xiàn)，表明間插式U型柵片結(jié)構(gòu)可以抑制電弧反向，從而降低電弧重燃概率。

圖16為間插式U型柵片使用前后電弧電壓隨時(shí)間變化曲線。相比于未使用間插式U型柵片的結(jié)構(gòu)，使用間插式U型柵片后，電弧電壓提升速度更快，且開斷均在30 ms前完成。海拔5 km雖發(fā)生弧后重燃，但相比于未使用間插式U型柵片的結(jié)構(gòu)電弧不能熄滅的狀態(tài)，其滅弧性能已得到了較大改善。

圖15 間插式U型柵片使用前后溫度及氣流場分布

圖16 間插式U型柵片使用前后電弧電壓隨時(shí)間變化

3 結(jié)論

本文以城市軌道交通用LC-DCCB為研究對象，對其分?jǐn)?8 kA短路電流進(jìn)行仿真研究，分析了海拔環(huán)境對開斷的影響以及開斷過程中的電弧特殊行為，得出如下結(jié)論：

1）在電弧尚未進(jìn)入柵片前，電弧運(yùn)動速度隨著海拔升高而加快。由于高海拔環(huán)境下氣壓低，熱導(dǎo)率低，介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度弱，海拔越高電弧熄滅越困難。因此，海拔0 km時(shí)短路電流電弧正常熄滅；海拔 2 km和3 km時(shí)，電弧熄滅后發(fā)生重燃；海拔4 km以上時(shí)電弧難以熄滅。

2）LC-DCCB在分?jǐn)喽搪冯娏鲿r(shí)，弧根附近氣流漩渦與電磁力的共同作用導(dǎo)致跑弧道上出現(xiàn)弧根粘滯和弧根拖尾現(xiàn)象。海拔越高，弧根粘滯和弧根拖尾現(xiàn)象越顯著，其對電場造成的畸變越強(qiáng)烈?；「硿突「衔膊焕跀嗦菲鞣?jǐn)喽搪冯娏鳌?/p>

3）在氣流場和電磁力的共同作用下，電弧進(jìn)入柵片后，柵片間部分電弧發(fā)生反向運(yùn)動。海拔3 km時(shí)，電弧反向現(xiàn)象最嚴(yán)重，并且在海拔2 km和3 km時(shí)，高溫氣體反吹會導(dǎo)致滅弧室入口處發(fā)生電弧重燃，電弧反向會嚴(yán)重影響LC-DCCB高海拔滅弧性能。

4）采用合理數(shù)量和分布的間插式U型柵片可以在一定程度上改善滅弧室氣流場分布，抑制電弧反向運(yùn)動，加快電弧弧壓提升速率，提高LC-DCCB高海拔滅弧性能。

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Study on Interrupting Characteristics of Large Capacity DC Air Circuit Breaker at High Altitude

Li Jing1Yi Chenxi1Peng Shidong1Cao Yundong1Yu Longbin2

（1. Key Lab of Special Electric Machine and High Voltage Apparatus Shenyang University of Technology Shenyang 110870 China 2. Electric Power Research Institute of Liaoning Electric Power Limited Company Shenyang 110006 China）

In Recent years, with the rapid development of urban rail transit at plateau and transformation and booming of the electrotechnical industry in China, it has put higher requirements for large-capacity DC air circuit breaker (LC-DCCB) which plays a significant role in protection. But when the short-circuit current is interrupted in LC-DCCB at plateau, the probability of interrupting failure increase, which is harmful to the urban rail transit sustain its stability and reliability. So how to extinguish the arc in which generated between the contacts when the contacts opening in LC-DCCB at plateau quickly and reliably remains a critical issue to be resolved. This paper established a transient magnetohydrodynamics (MHD) arc model of LC-DCCB at plateau considering the turbulence effect, the dynamic characteristics and the key behavior of the arc during short-circuit current interrupted at different altitudes were studied, and the primary courses of difficulty of arc interruption in LC-DCCB at plateau were concluded. An improved model with interleaved U-shaped splitter plates was proposed combined with theoretical analysis which can improve the interruption performance of LC-DCCB at plateau. This study can provide a theoretical basis for design and improvement of LC-DCCB at plateau.

Through simulation results we can see that different altitudes can cause different environmental parameters and physical properties of air, which effects the arc behavior in LC-DCCB significantly. At 0 km altitude, the arc can extinguish successfully. At 2 km and 3 km altitudes, although the arc extinguish successfully, nevertheless, the arc will re-strike after a few milliseconds. At 4 km and 5 km altitudes, the arc can not extinguish. The physical parameters of air change with the altitude rases, which lead the arc enters the splitter plates in advance. One can found that the arc root viscous and trailing phenomena in LC-DCCB will appear during the full-dynamic arc simulation. When the arc root moves at the horizontal arc runner to a certain point, the movement speed of the arc root will decrease, and then the arc root will stop its moving or even move in reverse direction, while the high temperature gas adjacent to the arc root will cause the electric field distortion at the entrance of the arc chamber. The characteristics of arc root movement are different with altitude raise. Meanwhile, under the joint action of electromagnetic and airflow field, the reverse phenomenon of arc roots on both sides of the center line in the arc chamber will appear, the arc presents multi-peak shape. The reverse phenomenon of the arc between the splitter plates varies with the altitude, which is a key factor leading to the post-arc re-strike. An improved structure with interleaved U-shaped splitter plates in the arc chamber can restrain the arc reverse movement between splitter plates effectively.

Through simulation and analysis in this paper come to the following conclusions: (1) Arc re-strike will occur during LC-DCCB interrupts short-circuit current at plateau, which will lead to the difficulty of interruption. (2) The arc root viscous and trailing phenomena will intensify with the altitude raise. (3) The arc reverse movement in LC-DCCB is a key factor for post-arc re-strike. (4) The interleaved U-shaped splitter plates can restrain the arc reverse movement between splitter plates effectively, which improve the arc extinguishing performance at plateau of LC-DCCB to some extent.

High altitude, large-capacity DC air circuit breaker (LC-DCCB), arc root trailing, arc reverse movement, post-arc re-strike

TM561.1; TM85

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.222072

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51977132）、遼寧省重大科技專項(xiàng)（2020JH1/ 10100012）和遼寧省教育廳面上項(xiàng)目（LJKZ0126）資助。

2022-11-02

2022-11-28

李 靜 女，1977年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娖麟娀±碚摷案唠妷航^緣技術(shù)等。E-mail：lijing@sut.edu.cn

彭世東 男，1997年生，博士研究生，研究方向?yàn)殡娀》烹姷入x子體及直流開斷技術(shù)。E-mail：pengshidong@hotmail.com（通信作者）

（編輯 李 冰）