機構緩沖對斷路器非對稱電流長燃弧開斷的影響

，

(西安西電高壓開關有限責任公司，陜西 西安 710018)

1 引言

開斷短路電流對斷路器的開斷性能的考核是最苛刻的情況之一[1]。與對稱電流開斷相比，非對稱電流的開斷條件則更為苛刻。特別是當非對稱度較大以及額定電壓較高時，所以斷路器開斷非對稱短路電流的能力是考核斷路器開斷性能的重要指標[2]。

非對稱電流開斷過程中，由于非對稱分量的存在會使開斷條件有變化，小半波時，開斷條件比對稱電流容易；大半波時，開斷電流有效值及半波持續時間明顯增大，恢復電壓雖有所下降，但降低不多[2]。在此階段，對于斷路器屬于長燃弧階段。因此，確保斷路器在此階段成功開斷是決定其能否順利通過非對稱電流開斷試驗的關鍵。

2 試驗及改進措施

2.1 非對稱電流開斷試驗失敗原因分析

以某型斷路器非對稱電流開斷試驗為例,在進行長燃弧開斷試驗時，瞬態恢復電壓在接近峰值位置發生擊穿。通過對斷路器不同燃弧時間的位移-時間特性曲線進行比對(如圖1所示)，分析如下：

(1)隨著燃弧時間的增大，運動速度逐漸減小，在長燃弧時刻(21.5ms)處，速度幾乎停滯。其原因在于當電弧存在時，由于電弧能量作用，壓氣缸內氣體壓力上升很快，對操動機構的反力增大[3]，導致運動速度變慢，甚至停滯；

(2)速度停滯時刻，靜弧觸頭已出噴口下游區，噴口處于完全打開階段。在這一階段，氣流的吹拂作用使得噴口上下游壓力差縮小，不足以形成強烈的氣吹作用熄滅電弧，所以在電流過零時未開斷。

2.2 改進思路

提高斷路器開斷能力的途徑一般是：①增大機構操作功即可增加氣吹壓力；②改進滅弧室尺寸及噴口結構，取得最佳吹弧效果[4]。然而，調整滅弧室結構需要重新進行全套型式試驗；整體增大機構操作功會縮短燃弧區間，不滿足試驗區間要求。結合前文斷路器試驗失敗分析，確定通過調節長燃弧階段的機構緩沖的方式改進。因為在這一階段，操動機構處于分閘運動過程的后期，機構緩沖器已吸收一些運動能量，在不縮短燃弧區間的前提下，通過改善緩沖，調節緩沖器對機構的阻尼引動以獲得足夠的動能和壓力差，并最終實現氣吹熄弧。

圖1 不同燃弧時間的位移-時間特性曲線

3 緩沖器流場仿真及分析

3.1 緩沖器結構及工作原理

該型斷路器的操動機構緩沖器模型結構示意圖如圖2所示。該緩沖器主要由活塞桿、缸體、分閘彈簧等元件組成，以航空液壓油作為緩沖介質。分閘時，活塞桿在分閘彈簧作用下向右運動，此時，缸體內的航空液壓油由阻尼孔及活塞桿與缸體之間的配合間隙流向分閘缸活塞缸的動能轉化為緩沖缸的液壓能，從而使分閘中后期速度逐步降低，達到緩沖目的，避免運動系統在分閘終了時，沖擊大造成操動機構或滅弧室的損壞而產生運動阻力。

3.2 緩沖流場仿真模型的確定

在建立FLUENT仿真模型前，對緩沖器模型作如下假設：

圖2 某型斷路器用液壓緩沖缸模型示意圖

(1)由于航空液壓油的優良性能，可認為工作過程中液壓油的粘性和密度不變，并忽略液壓油的壓縮性[5]；

(2)由于斷路器分閘時間很短，可認為緩沖器工作過程為絕熱過程[6]；

(3)忽略緩沖器中各運動副之間的間隙和摩擦。

根據對模型的假設，以斷路器長燃弧時刻(21.5ms)對應的緩沖器活塞桿運動位置建立仿真模型。采用k-ε兩方程湍流模型和壁面函數法確定邊界條件。

3.3 仿真結果分析

運用FLUENT仿真軟件對緩沖器阻尼孔改進前后的油液壓力進行仿真。得到長燃弧時刻緩沖器缸體內部壓力場分布云圖(如圖3所示)。由壓力分布云圖可知，通過對緩沖器阻尼孔進行調整(長燃弧位置增加阻尼孔)，可使缸體內的壓力降低。活塞桿繼續運動時受到的油液阻力減小，導致活塞桿運動速度提高，操動機構輸出速度增大。

3.4 結構優化后的驗證

由于斷路器在短路開斷過程中，存在著電弧對滅弧室氣流的堵塞作用，使得開斷中速度趨于零的位置較空載下提前。因此，對結構改進前后斷路器的空載位移-時間特性曲線進行比對是間接確定加載時位移-時間特性曲線是否改善的有效途徑。緩沖器阻尼孔調節前后的位移-時間特性曲線如圖4所示。從特性曲線中看到，經緩沖器調節后，在原速度趨于零的位置，緩沖投入緩慢，速度有所提升。

4 滅弧室流場仿真及試驗驗證

通過調節緩沖器阻尼孔的位置或大小，實現了空載位移-時間特性曲線的改善預期。而特性曲線的改善能否切實提升滅弧室的短路開斷能力，就需要對斷路器滅弧室進行流場仿真及試驗驗證。

4.1 斷路器分閘流場仿真

在FLUENT仿真模擬前，對斷路器分閘操作進行簡單分析：依據能量守恒定律，在斷路器分、合閘操作過程中任意位置，由操動機構輸出的功，應等于克服運動系統的各種反力功及運動系統的動能的增量。結合前文仿真及空載位移-時間特性曲線，可將斷路器分閘流場仿真問題轉化為如何建立分閘時壓氣室壓力數學模型。

圖3 緩沖器缸體內部壓力場分布云圖

圖4 緩沖器阻尼孔調節前后的位移-時間特性曲線

為了便于分析，對壓氣室壓力數學模型進行如下假設：

(1)由于斷路器分閘時間很短，可認為SF6氣體與氣缸壁來不及進行熱交換，將這一過程看作絕熱過程；

(2)在斷路器分閘過程中假定壓氣室壓力和溫度分布均勻且相等；

(3)壓氣缸中的氣體為變質量系統。利用變質量系統熱力學第一定律與氣體狀態方程，確定氣缸中氣體溫度變化率。

根據前文仿真及以上分析與假設，確定斷路器長燃弧時刻(21.5ms)的壓氣室壓力仿真模型及邊界條件，運用FLUENT仿真軟件，對緩沖器阻尼孔調節前后的壓氣室流場進行仿真(流程圖，如圖5所示)。

圖5 滅弧室流場仿真流程

4.2 仿真分析及試驗驗證

從壓氣室仿真分析結果(如圖6、7所示)分析：緩沖器阻尼孔改進前后，壓氣室氣流的速度和壓力均有明顯提升。壓氣室體積的壓縮率提高可以用于補償噴口流出氣體引起的壓力降[7]，有利于電弧可靠熄滅。

圖6 緩沖改進前滅弧室壓力、速度分布云圖

圖7 緩沖改進后滅弧室壓力、速度分布云圖

仿真分析從理論上驗證了緩沖器阻尼孔改進思路的正確性。然而，改進思路的可行性需要通過試驗驗證。對改進后的斷路器進行了非對稱電流開斷試驗，在長燃弧相同時刻點，斷路器成功開斷。試驗后，對兩次試驗的加載狀態下的位移-時間特性曲線進行了比對(如圖8所示)。從圖中看到，緩沖改善后，在原擊穿位置速度有所提升。在保證噴口必要壓力降的前提下，該速度可以維持氣吹階段壓氣室壓力不變，使壓氣室氣體高速(超音速)噴出，吹拂電弧，最終實現電弧熄滅。

圖8 兩次試驗的位移-時間特性曲線

5 總結

通過對長燃弧對應位置緩沖器的阻尼孔進行調節，在不影響燃弧區間的前提下，實現了斷路器長燃弧階段速度的調整。同時，對這一調整涉及到的緩沖缸和壓氣室進行了仿真模擬并試驗驗證，最終得出：在開斷非對稱電流的長燃弧階段，由于緩沖器吸收了機構輸出的一些運動能量，使得在壓氣室內不可能建立起較高的壓力以使電弧熄滅。通過適當調整這一階段的緩沖，可有效改善這一狀況，實現電弧可靠熄滅。