雙斷口結構對特高壓SF6斷路器氣流場影響分析

劉曉明，孫寶龍，王爾智

(沈陽工業(yè)大學電氣工程學院，遼寧 沈陽 110870)

1 引言

隨著我國經濟社會的發(fā)展，特高壓長距離輸電的重要性越來越突出。研制1100kV特高壓斷路器以成為必不可少的任務，對實現(xiàn)特高壓長距離輸電起決定性作用。提高六氟化硫斷路器的開斷能力，多斷口串聯(lián)是重要方式。國內外SF6斷路器的研究方向主集中在單斷口SF6斷路器，而對多斷口串聯(lián)SF6斷路器研究還很不足［1，2］。

多斷口串聯(lián)SF6斷路器氣流流路發(fā)生改變。流路的變化對滅弧室內SF6氣體的溫度、壓力、密度及馬赫數(shù)產生影響，對斷路器的開斷能力造成影響。本文以1100kV“T”型結構的雙斷口SF6斷路器為模型，應用動網格技術［3，4］，采用有限體積方法［5，6］進行氣流場仿真計算。通過1100kV雙斷口兩個滅弧單元之間的氣流場的對比及其與單斷口550kV SF6滅弧室氣流場對比，得出雙斷口結構對斷路器氣流場的影響。

2 仿真原理

2.1 動網格技術

動網格模型是在每一個時間迭代之前，根據(jù)邊界或物體的運動、變形更新和重新構建計算域的網格，從而達到計算各種非定常的計算域隨時間、變形變化的問題。動網格的含義就是計算域的網格是運動的、不斷更新變化的。

動網格重新構建的計算方法有三種，即彈性光順法、動態(tài)層技術和局部網格重剖劃法。本文采用彈性光順法與局部網格重剖劃法，進行滅弧室的動弧觸頭、動主觸頭、噴口、壓氣缸開斷過程中移動的動態(tài)仿真。

彈性光順法是將網格系統(tǒng)看作是節(jié)點間用彈簧相互鏈接的網格系統(tǒng)，初始網格就是系統(tǒng)保持平衡的彈簧網絡系統(tǒng)。任意一個網格節(jié)點的位移都會導致與之相互連接的彈簧中產生彈性力，進而導致臨近網格節(jié)點上的力的平衡被打破。由此波及出去，經過反復迭代，最終整個彈簧網絡系統(tǒng)達到新的平衡時，就可以得到一個變性后的、新的網格系統(tǒng)。

局部網格重劃法是對彈性光順法的補充。在網格系統(tǒng)是由三角形或四面體網格等非結構網格組成時，如果邊界的移動和變形過大，可能導致局部網格發(fā)生嚴重的畸變，甚至出現(xiàn)網格體積為負的情況。在這種情況下，一個簡單的處理辦法就是去掉原來網格系統(tǒng)中經過彈性光順法得到的新網格，在被去掉網格的位置上重新劃分新的網格。

動網格示意圖如圖1所示。

圖1 動網格示意圖

網格初始狀態(tài)如圖1(a)所示，當邊發(fā)生移動，其周圍網格將按照彈性光順法發(fā)生形變，如圖1(b)。變繼續(xù)移動使得網格產生嚴重畸變時，網格將按照局部網格重劃法重新劃分網格，如圖1(c)。

2.2 有限體積法

有限體積法(Finite Volume Method)，又稱控制體積法，有限體積法的基本思想是:將計算區(qū)域劃分為網格，并使每個網格點周圍有一個互不重合的控制體積，將待解的微分方程(控制方程)對每一個控制體積積分，得出一組離散方程。其中的未知數(shù)是網格點上的因變量φ的數(shù)值。為求出控制體積的積分，必須假定φ值在網格點的變化規(guī)律，即設定變量值的分段的分布剖面。從積分區(qū)域的選取方法看來，有限體積法屬于加權余量法中的子域法;從未知解的近似方法看來，有限體積法屬于采用局部近似的離散方法。簡言之，有限體積法的基本方法就是子域法加離散。

有限體積法的一般式的控制微分方程為:

對公式(1)在控制體積內積分:

式(2)利用高斯散度公式轉化為:

式(3)中左邊第一項表明變量φ的總量在控制體積內隨時間的變化量，左邊第二項表示變量φ因對流引起的沿控制體表面外法線方向n的流出率。右邊第一項是擴散項的積分，它的物理意義就是控制體內變量因擴散引起的凈增加量，右邊第二項是源項的積分，它的物理意義就是控制體內由于產生、耗散、反應或者其他原因源項引起的變量凈增加量。用控制體求解上述控制方程時，首先要把求解區(qū)域用網格分割成有限個控制體積，把非線性的偏微分方程轉變成為控制體單元上的代數(shù)方程組，然后通過求解代數(shù)方程組，得出流場的解。其中時間上的偏導數(shù)采用一階隱式格式，空間上的偏導數(shù)采用一階迎風格式。

2.3 氣流場求解模型

2.3.1 控制方程組

斷路器氣流場求解是計算流體動力學中非常復雜的問題。在斷路器開斷短路電流過程中，由于存在電弧能量與氣流之間相互作用，且伴隨著激波、湍流等復雜的流動現(xiàn)象，是一個非定常、跨音速、可壓縮、有粘性、有源、具有復雜流路的變邊界條件氣流場問題。因此，本文氣流場控制方程采用 Navier-Stokes方程組［7－9］，其二維軸對稱微分形式如下。

質量守恒方程:

軸向動量守恒方程:

能量守恒方程:

氣體狀態(tài)方程:

公式中各參數(shù)及物理量說明見表1。

表1 各物理量說明

2.3.2 湍流方程

對于斷路器氣流場的研究，湍流所引起的擴散、阻力、能量的耗散和輸運，以及對斷路器開斷的影響不容忽視，合理選擇湍流模型是斷路器氣流場數(shù)值計算的關鍵問題之一。本文采用k-ε兩方程模型［10］。湍動能k和湍流耗散率ε滿足以下微分方程組:

湍動能k方程:

湍流耗散率ε方程:

μt為湍流粘性，由下式給出:本湍流模型方程中的常數(shù)為:

Cμ=0.09;C1=1.43;C2=1.92;σk=1.0;σε=1.3。

3 氣流場仿真

3.1 仿真對象

由于滅弧室在圖2中給出了550kV SF6斷路器在閉合位置結構圖。

圖2 550kV SF6斷路器氣流分析模型

在圖3中給出了1100kV SF6斷路器在閉合位置的結構圖。

圖3 1100kV SF6斷路器氣流分析模型

3.2 邊界條件加載

動側運動法是壓氣缸、動弧觸頭和噴口一起向右運動，其運動速度遵循圖4所示的速度曲線。

圖4 分閘行程速度曲線

入口邊界條件:氣缸活塞設為壓強入口邊界，入口壓強隨行程曲線變化如圖5所示。

圖5 空載氣缸壓強行程曲線

出口邊界條件:將噴口下游和輔助噴口下游設為壓強出口邊界，出口壓強為基壓，即P=0.6MPa。

對稱軸:在對稱軸邊界上，滿足徑向速度為零，其它物理量的值在邊界內外相等。

固體壁面邊界:固體壁面上速度為零，由于斷路器的開斷時間極短，所以可以忽略氣體與固體壁面間的熱交換，按絕熱邊界處理。

初始條件:氣流初始速度為零，氣體基壓為0.6MPa，初始溫度為300K。

3.3 計算結果

通過對550kV SF6斷路器滅弧室與1100kV SF6斷路器滅弧室開斷過程的仿真，得到開斷過程中各典型行程下的溫度、密度、馬赫數(shù)及溫度的分布。如表2～5所示。

表2 各典型行程下壓力范圍

表3 各典型行程下密度范圍

表4 各典型行程下馬赫數(shù)范圍

表5 各典型行程下溫度范圍

通過表2～5對比可得，550kV SF6斷路器滅弧室與1100kV SF6斷路器滅弧室間氣流流路變化，但滅弧室內氣流的壓力、密度及溫度的整體分布基本不變。1100kV SF6斷路器與550kV SF6斷路器相比，前者在行程小于總行程的50%時馬赫數(shù)最小值更小，馬赫數(shù)最大值更大;在行程大于總行程的50%時馬赫數(shù)最小值更大，馬赫數(shù)最大值更小。表明1100kV SF6斷路器在總行程的50%之前氣體的激波效果更明顯，在總行程的50%之后激波效果明顯減弱。

由于氣流的熄弧能力體現(xiàn)于氣流在噴口上游區(qū)域、噴口喉部區(qū)域、噴口下游區(qū)域、動弧觸頭中間區(qū)域及靜弧觸頭附近區(qū)域的吹弧作用，因此在550kV SF6斷路器滅弧室與1100kV SF6斷路器兩滅弧單元滅弧室流路中分別選取噴口上游區(qū)域、噴口喉部、噴口下游、動弧觸頭中間及靜弧觸頭附近5個位置進行對比。

對比位置采樣點說明如圖6所示。

對比采樣點處壓力、密度、馬赫數(shù)與溫度結果如圖7～10所示。

圖7 采樣點壓強比較

圖8 采樣點密度比較

由圖7、8可知，流路的變化對噴口上游區(qū)域、噴口下游區(qū)域的氣流的壓強、密度影響不大。在動弧觸頭中間區(qū)域與靜弧觸頭附近區(qū)域，1100kVSF6斷路器滅弧室比550kVSF6斷路器滅弧室中壓強、密度增大，而在噴口喉部區(qū)域壓強、密度減小。

圖9 采樣點馬赫數(shù)比較

圖10 采樣點溫度比較

由圖9、10可知，流路的變化對噴口上游區(qū)域、動弧觸頭中間區(qū)域與靜弧觸頭附近區(qū)域的氣流的馬赫數(shù)與溫度影響不大。在噴口喉部區(qū)域與噴口下游區(qū)域，1100kVSF6斷路器滅弧室比550kV SF6斷路器滅弧室處馬赫數(shù)增加，溫度降低。

4 結論

本文對“T”型結構的1100kV雙斷口SF6斷路器與550kV單斷口SF6斷路器氣流場仿真，通過對比雙斷口滅弧室與單斷口滅弧室的壓力、密度、馬赫數(shù)及溫度總體與在噴口上游區(qū)域、噴口喉部區(qū)域、噴口下游區(qū)域、動弧觸頭中間區(qū)域及靜弧觸頭附近區(qū)域的分布趨勢得出:

(1)只考慮流路變化情況下，雙斷口結構由于對稱性，滅弧室1與滅弧室2之間壓強、密度、馬赫數(shù)及溫度一致。

(2)550kVSF6斷路器滅弧室與1100kVSF6斷路器間滅弧室氣流流路變化，但滅弧室內氣流的壓力、密度及溫度的整體分布基本不變。1100kVSF6斷路器滅弧室與550kVSF6斷路器滅弧室相比，前者在行程小于總行程的50%時激波效果更強，在總行程的50%之后激波效果更弱。

(3)在動弧觸頭中間區(qū)域與靜弧觸頭附近區(qū)域，1100kVSF6斷路器滅弧室比550kVSF6斷路器滅弧中壓強、密度增大，而在噴口喉部區(qū)域壓強、密度減小。

(4)在噴口喉部區(qū)域與噴口下游區(qū)域，1100kVSF6斷路器滅弧室比550kVSF6斷路器滅弧室處馬赫數(shù)增加，溫度降低。

(5)由上述激波、壓強、密度、馬赫數(shù)與溫度的變化可知，氣流流路的改變使得SF6氣體更多的從動弧觸頭中間的出口流出，用于吹弧的SF6氣體變少，故雙斷口“T”型結構的SF6斷路器的氣流熄弧能力比單斷口SF6斷路器下降，開斷失敗風險增大，有必要對1100kVSF6斷路器的滅弧室噴口與動弧觸頭進行優(yōu)化處理。

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