不同旋氣槽數對SF6 斷路器三維氣流場影響

曹云東 劉 陽 劉曉明 王爾智 付 思

（沈陽工業大學電氣工程學院 沈陽 110178）

1 引言

隨著高壓輸電線路電壓等級的逐漸提高，為適應SF6斷路器向特高壓領域發展及提高開斷容量、電器設備小型化的發展[1-5]，本文提出旋氣吹弧技術[6]，研究旋氣結構對開斷能力的影響，給出了旋氣噴口設計方法，豐富旋氣吹弧設計理論。由于旋氣槽的存在，使SF6氣體在吹到電弧之前，將軸向運動變為旋轉運動。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角度向所在的電弧區域流動。

斷路器的介質恢復特性由滅弧室內的電場和流場兩個因素決定，對SF6高壓斷路器的研究可歸結為如何提高斷路器開斷時實際的介質恢復特性。本文著重研究噴口上游內腔平直段增開的旋氣曲線槽給滅弧室內氣流場帶來的影響。旋氣SF6高壓斷路器是在斷路器噴口處構造眾多凹槽，令氣流在吹弧過程中能夠自能地旋轉起來[6]，加快熄弧。開斷過程中依靠高速流動的氣流吹弧和拉弧，將電弧能量輸運出去，在電流過零時，將電弧熄滅。本文在保證滅弧室內氣體流量不變情況下，改變旋氣槽的槽數，得到不同旋氣結構的速度變化規律，并著重研究旋氣槽對氣流切向速度的影響，為SF6高壓斷路器噴口的優化設計及滅弧室小型化設計，為開發新型旋氣式SF6斷路器提供依據和設計方法。

2 三維氣流場數學模型

SF6高壓斷路器開斷過程中吹弧氣體的流動是一種非定常、有粘可壓縮流動，而且流動過程中氣流場域的邊界是變動的[7-10]。計算斷路器流場的數學模型采用可壓縮N-S 方程[11-14]：

（1）連續方程

（2）運動方程

軸向動量守恒 徑向動量守恒

（3）能量方程

（4）氣體狀態方程

式中 ρ,p,T ——氣體密度，壓力和溫度；

vr,vz——氣體軸向速度和徑向速度；

λ——導熱系數；

R——氣體常數；

γ E2-η ——考慮電弧影響的源項；

w——單位質量的總內能。

（5）本構方程

式中 σij—粘性應力張量的各個分量；

μ——粘度。

3 氣流場數值計算

SF6斷路器氣流場屬于可壓縮、非定常、有黏性、跨音速的流場問題，且在開斷過程中存在湍流和激波等復雜流動現象，在開斷電弧時，超音速氣流對電弧弧柱起著控制作用，由此可見SF6斷路器滅弧室內的結構對氣流場影響是至關重要[15-17]的。

本文以110kV SF6斷路器為研究對象，總行程為130mm，超程為24mm，分斷時間為16ms，滅弧室充壓0.5MPa，針對于氣體通道噴口上游增開的旋氣槽對氣流場影響，進行了不同開距下的氣流場仿真，進行不同滅弧室結構氣流速度參數隨時間及空間動態變化的研究。滅弧室基本結構如圖1 所示。

圖1 110kV 斷路器流場計算結構示意圖 1—壓氣缸 2—動弧觸頭 3—靜弧觸頭 4—噴口 Fig.1 Structure of arc quenching chamber of 110kV SF6 circuit breaker

3.1 旋氣槽結構對氣流運動的影響

新型噴口設計滿足如下條件：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械強度；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，噴口上游內腔槽數18 個，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構示意圖 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，將軸向運動吹弧變為旋轉運動吹弧，且旋轉氣流立刻進入電弧所在區域，加速了電弧能量擴散，從而通過改進噴口上游結構，提高斷路器熄弧能力。

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

圖4 為吹弧氣體粒子運動軌跡示意圖，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角度向電弧區域流動，有別于傳統的軸向吹弧方式，有利于電弧能量的耗散。

圖4 無槽和有槽結構粒子速度軌跡圖 Fig.4 Trace of particles in flow field of different structures

3.2 旋氣槽結構對速度場的影響

為研究斷路器中速度場分布情況，將各點速度分解為三個速度分量：軸向、徑向、切向。在旋氣式斷路器中，這三個速度中切向分量速度最重要。因為切向速度決定著滅弧室中氣體旋轉強弱，切向速度可以產生離心力，旋轉產生的力可以使電弧隨之旋轉，破壞電弧的穩定性，提高斷路器的拉弧和吹弧能力。

在噴口上游中選取一個有代表性的點，進行氣流場參數的比較。截點位置如圖5 所示。

圖5 滅弧室內截點位置示意圖 Fig.5 Structural diagram with the point in the arc-quenching chamber

在不同的吹弧方式下，氣流場絕對速度以及各速度分量值比較見表1。

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

由表1 可見：在小開距下，有槽結構的絕對速度小于無槽結構的絕對速度，這是因為小開距下，從壓氣缸流入滅弧室內的氣體有限，旋氣槽這時未表現出明顯的旋氣作用，反而加長了氣體流動的路徑，則使得有槽結構的絕對速度較小。當開距增大，滅弧室內氣體迅速增加，從壓氣缸流入的高速氣體流經噴口上游，旋氣槽旋氣作用明顯，氣體高速旋轉，各個方向的速度分量合成，使得有槽結構的絕對速度加大。由上表反映出，其中速度切向分量，表現的尤為突出，隨著旋氣作用的增強，有槽結構的切向速度分量有著明顯的提升。圖6 所示，在開斷過程中，兩種不同結構的切向速度變化曲線圖。

圖6 有槽和無槽結構切向速度隨開距變化對比 Fig.6 Comparison of the tangential velocity variation of different structures during the opening stroke

在整個開斷過程中，該截點有槽結構切向速度值明顯高于無旋氣槽結構。較大的切向速度使電弧能量消散，說明有槽結構能夠更好的吹弧，快速帶走能量。

雖然氣體切向速度大，由能量守恒原理，必然會對軸向、徑向速度也有一定影響。在整個開斷過程中，該截點上有槽結構徑向速度值小于無旋氣槽結構，如圖7 所示。

圖7 有槽和無槽結構徑向速度隨開距變化對比 Fig.7 Comparison of the radial velocity variation of different structures during the opening stroke

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

4 不同槽數的旋氣槽對氣流場切向速度的影響

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的高壓SF6斷路器滅弧室模型，對其滅弧室結構內的氣流場進行數值模擬與分析，得到旋氣槽數對斷路器滅弧室氣流場的影響規律。

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槽結構的切向速度最大，16 槽、14 槽、12 槽依次減小，8 槽結構切向速度最小。說明槽數多，切向速度增大。

切向速度大小決定著滅弧室中產生的旋轉作用的強弱。圖9 所示為不同槽數結構動觸頭端部截面上的速度矢量分布圖，以8 個旋氣槽和18 槽結構斷路器為例，分析表明槽數越多氣體旋弧能力越強。氣體旋轉作用強，可以在短時間內帶走更多的電弧能量，有利于電弧熄滅。

圖8 五種不同結構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 不同槽數結構動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 槽結構噴口上游槽截面及槽中氣流場分布如圖10 所示。8 槽結構在溝槽中存在無規則的小型氣體環流，從而增加氣流通過溝槽區域阻力，使氣流能量減弱，吹弧效果差。

槽數少的結構，SF6氣體在旋氣槽內流動速度發生差別，在切向速度方向上產生一個漸變的速度場，速度梯度大。當SF6氣體具有速度梯度時，產生了黏性力，該力隨速度梯度的加大而增大，從而導致槽數少的結構切向速度小，正如圖10 局部放大圖示，8 槽結構切向速度較18 槽結構小。

5 不同槽數的旋氣槽對氣流場質量流量的影響

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

表2 不同槽數質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 結論

本文結合高壓SF6斷路器滅弧室跨音速氣流流動特點，基于N-S 方程，采用有限體積方法進行有旋氣結構的高壓斷路器氣流場數值求解。研究結果表明，旋氣槽的存在對斷口間速度有明顯的提高，有助于提高斷路器的介質恢復強度。

通過對不同槽數下旋氣槽氣流場動態仿真，仿真結果表明，槽數越多，槽型截面積相對減小，阻力增大，斷口間質量流量減小。但由于其旋轉作用最強，切向速度最大，短時間內又可以帶走更多的電弧能量。所以過多或過少的槽數均不好，需要綜合多方面因素確定最佳的噴口旋氣槽數，更有利于電弧熄滅。

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