利用開斷模型分析引弧板對低壓斷路器電弧運動的影響

季良,劉穎異,周翔,蘇玲,王家凱

(1.西安交通大學電氣工程學院,710049,西安;2.全球能源互聯網研究院,102200,北京;3.北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院,100191,北京;4.國家電網公司,100031,北京)

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利用開斷模型分析引弧板對低壓斷路器電弧運動的影響

季良1,2,劉穎異3,周翔4,蘇玲2,王家凱2

(1.西安交通大學電氣工程學院,710049,西安;2.全球能源互聯網研究院,102200,北京;3.北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院,100191,北京;4.國家電網公司,100031,北京)

為了描述電弧在跑弧道上運動的動態過程,得出引弧板對低壓斷路器滅弧性能的影響規律,提出了一種基于開斷模型的描述電弧在跑弧道(含引弧板)上運動全過程的分析方法。首先建立了一種基于多場耦合的對低壓斷路器開斷過程進行仿真的方法,該方法通過對多體動力學仿真軟件ADAMS進行二次開發,實現了開斷過程中電路、電弧、氣吹、電動斥力、復雜機械運動等多場域的相互耦合;然后以某帶引弧板的低壓斷路器為分析對象,利用所提出的仿真方法,對電弧從起燃、運動、轉移到熄滅的全過程進行了計算仿真,分析了不同引弧板形狀對低壓斷路器開斷性能的影響,并通過實驗驗證。計算與實驗結果表明,鉤狀引弧板的弧形輪廓在迎著電弧運動方向上具有更大的接觸面積,且弧角朝柵片方向彎曲符合電弧的整體運動趨勢,有利于電弧在弧根轉移后進一步進入滅弧柵片,從而減少觸頭的燒蝕和提升電弧進入柵片的效果。

低壓斷路器;引弧板;開斷模型

開斷能力作為考核低壓斷路器性能的關鍵指標,一直是低壓斷路器的主要研究方向。長期以來,為了提高低壓斷路器的開斷性能,許多學者作了大量的研究工作。文獻[1-2]研究了弧柱壓降對低壓斷路器限流性能的影響,分析了利用雙向斥開觸頭系統提高低壓斷路器限流性能的機理。文獻[3]分析了低壓斷路器的大電流開斷技術,并分別研究了橫向磁場及觸頭材料對其開斷性能的影響。文獻[4-5]不考慮機構運動,分別研究了柵片形狀和出氣孔對低壓斷路器開斷大電流時電弧特性的影響。除了優化滅弧室結構參數外,大量研究工作還從優化設計操作機構的角度,提出了各種提升低壓斷路器開斷性能的方法。文獻[6-7]研究了分斷彈簧、關鍵軸位置、桿件質心位置和質量等對操作機構性能的影響,并通過對這些參數的優化設計,提高了機構的打開速度。文獻[8-10]研究了電動斥力等對操作機構打開速度的影響。在不考慮短路電流作用的情況下,文獻[11-12]通過改進操作機構中的連桿參數,提出了一種提高低壓斷路器在小電流下開斷性能的優化方法。實際上,除了上述影響因素外,滅弧室中經特殊設計的引弧板,同樣對低壓斷路器的開斷性能產生非常重要的影響。關于這方面的研究工作,國內外的文獻報道并不多見,尤其是利用數值方法描述電弧在跑弧道(含引弧板)上運動的全過程,從而得出引弧板對低壓斷路器滅弧性能的影響規律的相關研究更是鮮有開展。

在低壓斷路器的開斷過程中,電弧從起燃、運動、轉移到熄滅的動態過程受操作機構與動導桿相互運動關系、滅弧室結構、電動斥力、吹弧磁場和氣吹滅弧等多種因素的影響。其中,電動斥力、吹弧磁場和氣吹滅弧等又通過電流、電壓、氣流等參數受到電路瞬態、電磁場、電弧過程等的影響。因此,為了描述電弧在跑弧道(含引弧板)上運動的全過程,必須首先建立適用的低壓斷路器多場耦合開斷仿真模型,以綜合考慮以上因素。

圍繞低壓斷路器的開斷模型,很多學者做了大量的工作。一些學者利用磁流體動力學(MHD)電弧數學模型,研究了固定平板電極間的電弧運動特性,得出了開斷過程中電弧電壓、電流等動態參數的變化規律[13-18]。最近,研究人員成功將觸頭運動過程與電弧數學模型相耦合,建立了基于MHD電弧模型的低壓斷路器動態開斷模型[19-21]。但是,考慮到觸頭運動過程(受操作機構等因素影響)的復雜性,上述研究工作將觸頭運動速度假設為恒定值。對于包含碰撞、連桿轉換、凸輪運動等復雜形態的低壓斷路器操作機構的運動過程,尚不能實現與MHD電弧數學模型的耦合計算。因此,雖然MHD電弧模型是當前公認的最接近電弧實際形態的數學模型,但是由于其計算比較復雜、耗時過長,且不能實現與復雜機械運動的耦合,并不適用于含復雜機械運動的低壓斷路器開斷過程的仿真。也就是說,對于諸如電弧在跑弧道(含引弧板)上運動的全過程仿真,考慮到其受觸頭運動的影響較大,不適合采用MHD電弧模型來描述電弧動態特性。

一種可行的解決辦法是利用鏈式電弧模型替代MHD電弧模型。鏈式電弧模型由文獻[22]首先提出,假定電弧由許多圓柱形的電流元連接而成,電弧的運動由各個電流元的單獨運動、電流元之間的相互作用所共同決定。以此形象地模擬電弧在滅弧室中被拉長和彎曲的過程,較接近電弧的實際形態。鏈式電弧模型雖然在本質上不是一種場的方法,但它能較好地模擬電弧在滅弧室中的運動過程,是除MHD電弧模型外最接近電弧實際形態的數學模型。值得指出的是,MHD電弧模型的某些缺點恰好是鏈式電弧模型的優點。例如,鏈式電弧模型具有簡單、靈活、計算速度快,且能夠實現與復雜機械運動相耦合等特點,因而作為實際應用來說,仍是目前最適合描述電弧性態的數學模型。

圍繞基于鏈式電弧模型的低壓斷路器開斷過程仿真,同樣開展了大量的研究工作。文獻[23]基于Horinouchi的鏈式電弧模型,采用自開發程序,實現了考慮電磁機構、開關機構和電弧運動的低壓斷路器開斷過程仿真。但是,上述模型的機械運動部分只適用于某種特定結構的斷路器,程序可移植性稍差,且對于具有更為復雜機械系統的計算(例如運動中有碰撞、凸輪運動等)不易實現。文獻[24]通過對多體動力學軟件ADAMS的二次開發,成功解決了復雜機械運動與鏈式電弧模型的相互耦合問題,建立了耦合鏈式電弧模型、復雜機械運動、電磁場和電路瞬態的低壓斷路器開斷模型。但是,作為組成開斷過程的物理過程之一,在開斷模型中未能考慮氣吹滅弧過程,需進一步完善。

本文以某帶引弧板的微型斷路器為研究對象,在文獻[24]的基礎上,通過對ADAMS和有限元軟件ANSYS進行二次開發,實現了低壓斷路器開斷過程中,氣流場模型、鏈式電弧模型和復雜機械運動的相互耦合,建立了一種可耦合復雜機械運動、電路瞬態、電磁場、氣流場以及電弧過程的低壓斷路器開斷模型。利用該模型,仿真了電弧從起燃、運動、轉移到熄滅的全過程,分析了引弧板形狀對斷路器開斷過程的影響,并通過實驗驗證。

圖3 耦合氣流場模塊的低壓斷路器開斷過程綜合仿真模型

1 分析對象

本文的分析對象為某型號微型斷路器(MCB),圖1為該斷路器的滅弧室與觸頭系統結構。圖2給出動導桿打開過程中隨著弧根的轉移引起的電流走向變化。在動導桿運動過程的初始階段、電弧未轉移到引弧板之前,電流在觸頭系統中的流向如圖2a所示;當動導桿打開到一定角度時,電弧發生弧根轉移,當弧根脫離動觸頭轉移到引弧板時,電流的流向如圖2b所示。

圖1 某型號微型斷路器的滅弧室與觸頭系統結構圖

(a)弧根未轉移到上引弧板 (b)弧根轉移到上引弧板圖2 開斷過程的電流走向

2 分析方法

2.1 開斷過程綜合仿真模型

低壓斷路器的開斷過程涉及機械運動、電弧、電路、磁場、氣流場等多種物理量的變化。開斷過程中的各個物理量之間并不是相互孤立的,而是存在相互影響和耦合的關系。本文對這些物理量以及它們之間的相互作用關系進行了綜合考慮,建立起如圖3所示的低壓斷路器開斷過程的綜合仿真模型。在該模型中,復雜機械運動利用ADAMS求解,而各個物理過程之間的耦合則通過對ADAMS用戶子程序進行二次開發的方法解決。在ADAMS用戶子程序中,將各個物理過程組成綜合微分方程組,并調用ANSYS的CFD模塊求解氣流場模型的控制方程組。

如圖3所示,通過二次開發接口,可從ADAMS中獲得某時刻t對應的動導電桿轉角θt;在ADAMS用戶子程序中調用ANSYS/CFD模塊并計算相關的氣流參數,連同此時刻的電弧電流等參數,利用ADAMS用戶子程序求解微分方程組,計算出t+Δt時刻的動導桿受力Ft+Δt,并返回到ADAMS中。通過這種雙向迭代計算,即可仿真出低壓斷路器的整個開斷過程。同時,利用ADAMS用戶子程序,將數據結果動態保存在本地文件中,通過自行編寫的可視化后處理程序,可實時觀看電弧的運動軌跡以及電弧電壓和電流的變化規律。

2.2 各物理場的子模型

圖4 電流元鏈 圖5 單個電流元

在開斷過程中,組成鏈式電弧模型的各個電流元在磁吹力和氣吹力的綜合作用下,以不同的速度朝各個方向運動,從而引起整個鏈條的拉長和彎曲。考慮到電弧運動的實際情況,在計算電流元的運動過程時作以下近似處理。

(1)每段電流元的長度不超過0.5 mm,當超過時將此電流元分裂為兩個新的電流元,這一限制可及時對電弧的彎曲和拉長狀態作出反應。

(2)當任意兩個電流元之間的距離過近時,依據電流元的導體性質,這兩個電流元將發生短路,而鏈接在它們之間的其他電流元將消失。

(3)電流元鏈的兩端應始終位于動、靜觸頭或跑弧道表面。當不是電流元鏈端部的某個電流元與觸頭或跑弧道表面接觸時,依據電流元的導體性質,這個電流元將和觸頭或跑弧道發生短路,在此電流元和鏈條端部之間的所有電流元將不復存在,這個電流元將成為新的鏈條端部,并直接與短路點接觸,從而發生弧根的轉移。

電弧等離子體的溫度以弧柱中心為最高,并沿徑向逐漸降低。在弧柱內部區域,電弧能量以熱傳導和輻射方式從弧柱中心沿徑向傳遞。在弧柱邊界面上,由于弧柱和空氣之間存在較高的相對運動速度及較大的溫度差,電弧能量主要以對流的方式向周圍空氣傳遞。為了描述電弧在滅弧室中運動的物理過程,如圖6所示,將空氣介質中的電流元劃分為3個區域:區域Ⅰ為導電圓柱體區域,其電導率σ為溫度的函數;區域Ⅱ為圍繞區域Ⅰ的高溫熱邊界層,電導率為零;區域Ⅲ為包圍在區域Ⅱ之外的空氣。

圖6 電流元的區域劃分

對于區域Ⅰ和區域Ⅱ,其控制方程如下

區域Ⅰ

(1)

區域Ⅱ

(2)

對于區域Ⅲ,采用ANSYS的CFD模塊求解其控制方程組,并作如下假定:

(1)不考慮因化學反應導致的滅弧室氣體組分變化;

(2)電弧作為一個對滅弧室氣體進行能量輸入的源項;

(3)滅弧室內的氣體為理想氣體;

(4)忽略重力加速度。

在開斷過程中,電弧與滅弧室氣流場相互耦合作用。首先,電弧是引起滅弧室氣流場波動的強擾動源。電弧產生后,由于將外電路能量輸入到滅弧室氣體中,導致其所在位置的氣體壓力、溫度等急劇上升,即電弧對周圍氣體產生了很強的擾動。其次,滅弧室氣流場的強烈波動會反過來影響電弧的運動。如圖7所示,對于組成鏈式電弧模型的各個電流元,運動情況受周圍氣體的壓力、溫度、流速等參數的影響:在t時刻,電弧在位置Lt處將部分能量(KpPel)t輸入給滅弧室氣體,導致滅弧室氣流參數由(pc,Tc,uc)t變為(pc,Tc,uc)t+Δt,新的氣流參數將驅動電弧運動到新的位置Lt+Δt;在t+Δt時刻,電弧在Lt+Δt處繼續將部分能量(KpPel)t+Δt往滅弧室輸送,導致滅弧室氣流參數再一次改變,并且反過來驅動電弧運動到更新的位置。以上過程周而復始,直到整個開斷過程結束。

圖7 電弧與氣流場之間的耦合作用關系

單個電流元在洛倫茲力和空氣阻力的綜合作用下的運動速度為

[23]

(3)

式中:k為滅弧室氣體絕熱指數;pc、Tc和uc分別為滅弧室內的氣壓、溫度和流速;I為電弧電流;Bz為電流元重心處磁場的z方向分量。

歐姆定律的積分形式為

(4)

聯合求解控制方程組,即可得到每個電流元的電導率σi和電場強度Ei,從而得到電弧電壓的計算式

(5)

式中:M為電弧被柵片切割的段數;U0為近極壓降;N為電流元數量;Li為每個電流元的長度。

2.2.2 其他物理場的子模型 在ADAMS用戶子程序中,除氣吹滅弧過程外,將組成開斷過程的其他物理場的子模型用一套微分方程組表達,并采用四階龍格庫塔法計算電路的微分方程,采用積分方程法求解滅弧室的三維磁場分布,采用控制容積法求解鏈式電弧模型,并根據最終求解到的下一時刻的電流和從ADAMS獲得的動導電桿位移等數據,利用ANSYS提前計算的數據網格插值求出下一時刻動導電桿的電動斥力。

3 仿真結果

在微型斷路器中,引弧板的作用是將停留在觸頭上的弧根轉移到跑弧道上。一方面,有利于減少觸頭燒蝕;另一方面,弧根轉移到跑弧道后有利于電弧進入柵片,從而提高低壓斷路器的限流能力。對于圖1所示的研究對象,本文研究了不同引弧板形狀對開斷過程電弧運動的影響。如圖8所示,在其他條件相同的情況下,分別取引弧板形狀為平板狀和鉤狀,并利用第2節所述的分析方法,計算得到兩種情形下的電弧運動結果。

(a)平板狀引弧板 (b)鉤狀引弧板圖8 兩種引弧板結構

3.1 平板狀引弧板的電弧運動情況

如前所述,借助于自行開發的后處理程序,可以觀看開斷過程中電弧在滅弧室內的運動過程。圖9為在8 kA預期短路電流下,采用平板狀引弧板的電弧在滅弧室中的運動情況,圖中選取了電弧運動過程中4個具有代表性時刻的運動情況。為便于觀察,僅繪制了電弧軸線的形狀及其弧柱中心在滅弧室中的位置,并未畫出整個電弧弧柱。從圖中可以看出,隨著動靜觸頭的分離,電弧在觸頭間產生并被拉長,同時在磁吹和氣吹的作用下向滅弧柵片的方向深入。靜觸頭上的弧根沿著跑弧道逐漸向滅弧柵片的方向移動,而動觸頭上的弧根由于沒能被引弧板轉移,所以始終停留在動觸頭上。弧根長時間停留在動觸頭上會造成觸頭的燒蝕;另外,由于滅弧柵片距離觸頭有一定距離,電弧無法進入柵片,限制了MCB的開斷性能。

(a) t=2.3 ms電弧 (b) t=2.5 ms弧根 產生初期 在靜觸頭上

(c) t=2.85 ms弧根 (d) t=3.05 ms弧根 進入跑弧道 運動到最大距離圖9 平板狀引弧板的電弧運動情況(8 kA)

圖10給出對應上述開斷過程的電弧電流及電壓波形。從電壓波形可以看到,由于電弧未能進入柵片,所以電弧電壓基本上由弧柱壓降組成,弧壓波形呈現隨電流大小和電弧長度變化的饅頭狀。

(a)電弧電流

(b)電弧電壓圖10 平板狀引弧板的開斷計算波形(8 kA)

3.2 鉤狀引弧板的電弧運動情況

圖11為當預期短路電流等于8 kA時,帶鉤狀引弧板MCB的電弧在滅弧室中的運動情況。從圖中可以看到,由于鉤狀引弧板的引弧作用,當動導桿斥開到某一角度,且電弧距離引弧板足夠近時,弧根將離開動觸頭表面轉移到引弧板的圓弧段。接著,在磁吹和氣吹力的共同作用下,電弧弧根進一步跳到引弧板的平板上,使電弧幾乎全部進入滅弧柵片。圖12為對應上述開斷過程的電弧電流及電壓波形。

3.3 對比分析

(a) t=3.03 ms電弧 (b) t=3.37 ms電弧 產生初期 拉長、彎曲

(c) t=3.51 ms弧根 (d) t=3.65 ms弧根 跳到圓弧段 進一步轉移

(e) t=3.73 ms弧根 (f) t=3.82 ms弧根 跳到平板 到最終位置圖11 鉤狀引弧板的電弧運動情況(8 kA)

(a)電弧電流

(b)電弧電壓圖12 鉤狀引弧板的開斷計算波形(8 kA)

對比帶平板狀和鉤狀引弧板MCB的電弧運動過程可以發現,鉤狀引弧板相對于平板狀引弧板更易于將弧根轉移到跑弧道上,從而減少觸頭的燒蝕和提升電弧進入柵片的效果。這是因為:電弧在磁吹和氣吹的作用下,整體朝著滅弧柵片的方向運動。在迎著電弧運動的方向上,鉤狀引弧板的弧形輪廓具有更大的接觸面積,增加了與電弧接觸的幾率,有利于弧根的轉移;另一方面,鉤狀引弧板的弧角朝著柵片方向彎曲,符合電弧的整體運動趨勢,有利于電弧在弧根轉移后進一步進入滅弧柵片。因此,在開斷某些中等大小的預期短路電流,且電弧無法完全依靠電流的作用使弧根轉移時,鉤狀引弧板可利用其結構上的特點,將某些無法在平板狀引弧板上轉移的弧根成功轉移到跑弧道上。表1為采用兩種引弧板結構的MCB開斷參數對比。由表可見,鉤狀引弧板的電弧電壓峰值明顯比平板狀引弧板的高,且燃弧時間更短。這說明,對于微型斷路器而言,設計良好的引弧板結構對提高其開斷性能有非常重要的作用。

表1 采用兩種引弧板結構的開斷計算結果對比

4 實驗驗證

為了對以上計算結果進行驗證,本文以某類似結構的實際微型斷路器產品為對象,對其分別采用平板狀和鉤狀引弧板時的開斷過程進行了實驗研究。實驗在大電流合成實驗回路上進行,圖13給出短路電流開斷實驗的實驗線路及原理圖。實驗前,斷開主合閘開關S2,閉合充電回路開關S1,調節調壓器T通過整流硅堆對電容器組C充電;充電至所需實驗電壓后調壓器T回零斷開充電回路,實驗準備就緒。實驗中,接通主合閘開關S2,由電容器組C、電感L、試品SP、分流器F構成典型的單頻振蕩放電回路。電弧電壓由高壓探頭(TektronixP6015A)接在試品兩端測得,電弧電流由分流器(90 μΩ)測得。

(a)大電流合成實驗回路

(b)單頻振蕩回路原理圖13 實驗線路及其原理圖

實驗取預期短路電流為8 kA,得到采用平板狀和鉤狀引弧板時的開斷實驗波形如圖14所示。將其與圖10、圖12的計算波形對比,容易發現計算波形的形態與實驗波形基本一致。

(a)平板狀引弧板

(b)鉤狀引弧板圖14 采用不同引弧板的開斷實驗波形(8 kA)

表2為對實驗波形的統計情況,對比表1的計算結果,同樣可以發現兩者對于反映不同引弧板帶來的開斷性能差異仍表現出較好的一致性。

表2 采用兩種引弧板結構的開斷實驗結果對比

圖15為采用兩種引弧板的柵片燒蝕情況的對比,可以看到,采用鉤狀引弧板的柵片燒蝕情況明顯比平板狀引弧板的嚴重,從而從另一個角度進一步驗證了仿真結果。總的來說,雖然實驗樣機與計算樣機存在一些結構上的細小差異,但就定性的角度驗證計算結果而言,實驗結果仍能較好地說明本文所提分析方法的有效性。

(a)平板狀引弧板 (b)鉤狀引弧板圖15 采用不同引弧板的柵片燒蝕情況

5 結 論

通過對多體動力學軟件ADAMS進行二次開發,本文建立了基于改進型鏈式電弧模型的低壓斷路器開斷過程仿真模型,實現了鏈式電弧模型、復雜機械運動、氣流場、電磁場和電路瞬態的相互耦合。利用該模型,分析了引弧板形狀對某型號微型斷路器開斷過程的影響,并得出以下結論。

(1)對于帶平板狀引弧板的滅弧室,由于動觸頭上的弧根沒能被引弧板轉移,所以始終停留在動觸頭上,一方面造成觸頭燒蝕,另一方面導致電弧無法進入柵片,限制了開斷性能的提升。

(2)相比較平板狀引弧板,鉤狀引弧板的弧形輪廓在迎著電弧運動方向上具有更大的接觸面積,增加了與電弧接觸的幾率,有利于弧根轉移;另外,鉤狀引弧板的弧角朝著柵片方向彎曲,符合電弧的整體運動趨勢,有利于電弧在弧根轉移后進一步進入滅弧柵片,從而減少觸頭的燒蝕和提升電弧進入柵片的效果。

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(編輯 杜秀杰)

Influence of Different Arc Run-on End Tab on the Arc Movement Process of Low Voltage Circuit Breaker with Interruption Model

JI Liang1,2,LIU Yingyi3,ZHOU Xiang4,SU Ling2,WANG Jiakai2

(1. School of Electrical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 2. Global Energy Interconnection Research Institute, Beijing 102200, China; 3. School of Automation Science and Electrical Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China; 4. State Grid Corporation, Beijing 100031, China)

To describe the dynamic process of electric arc on the arc run-on plate to yield the influencing law of the arc run-on end tab on the breaker interruption performance, an analysis strategy based on the interruption model of low voltage circuit breaker is proposed for arc movement on the arc runner with arc run-on end tab. Firstly, a multi-field coupled calculation model that enables to simulate the interruption process of low voltage circuit breaker is constructed. Secondly developing the multi-body dynamic simulation software ADAMS, a set of differential equations describing the coupling relations among electric circuit, magnetic field, puffer effect, complex mechanical movement and dynamic arc model are established. This model is used to simulate the arc movement process undergoing arc striking, moving, transferring and extinguishing. The influences of different structures of arc run-on end tabs on the interruption performance of low voltage circuit breaker are analyzed and verified by the tests. Both calculation and experiment results demonstrate that the hook-like arc run-on end tab has a larger contact area than the flat end tab towards the arc movement direction, that the arc angle of the hook-like end tab bends to the direction of splitter plates conforming to the overall movement trend of the electric arc, and the arc root on hook-like end tab is thus easier to jump onto the arc run-on plate than on the flat end tab to consequently decrease the contact erosion.

low voltage circuit breaker; arc run-on end tab; interruption model

2016-01-15。

季良(1979—),男,高級工程師;劉穎異(通信作者),女,講師。

北京市自然科學基金資助項目(3163038);國家自然科學基金資助項目(51207005)。

時間:2016-07-14

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160714.1730.018.html

10.7652/xjtuxb201610005

TM561

A

0253-987X(2016)10-0027-09