采用流注先导理论计算断路器弧后电击穿临界电压的方法技术

本发明专利技术公开了一种采用流注先导理论计算断路器弧后电击穿临界电压的方法，通过建立断路器开断过程中的气体电弧的磁流体动力学仿真模型，计算灭弧室内部弧后某一时刻的温度和压强分布；得到电子能量分布函数，确定不同温度和不同压强下不同气体介质的临界击穿场强；将灭弧室内部弧后某一时刻的温度和压强分布与临界击穿场强，线性差值得到灭弧室内部临界击穿场强分布；计算弧后某一时刻灭弧室内部静电场分布；判断灭弧室内部容易发生弧后电击穿部位，选取断路器灭弧室内部动静触头之间目标路径；根据流注和先导起始判据，计算断路器弧后电击穿临界电压。该方法对弧后介质强度恢复和电弧重燃情况做出评估，适用于不同结构、不同电压等级的断路器。同电压等级的断路器。同电压等级的断路器。

【技术实现步骤摘要】
采用流注先导理论计算断路器弧后电击穿临界电压的方法


[0001]本专利技术涉及高压开关断路器操作机构
，特别是一种采用流注
‑
先导理论计算断路器弧后电击穿临界电压的方法。

技术介绍

[0002]断路器开断电流的过程可以分为两个阶段：燃弧阶段和弧后阶段。由于在开断电流过程中的弧后阶段，断路器上会承受暂态恢复过电压，如果此时灭弧室内部的介质强度小于恢复过电压，则有可能发生击穿，如何通过优化灭弧室设计和操作机构的运动特性，来提升其弧后介质恢复强度是目前高压开关领域的一个热点问题。近些年来，由于温室效应的加强，SF6的使用被逐步限制，1997年各国签订的《京都议定书》中就把它规定为重点关注且未来限制使用的气体，研究SF6替代气体在高压断路器中应用以及对这些气体开断性能的评估也是高压电器领域目前的热点问题。
[0003]目前有一些方法可以间接考察弧后介质恢复强度，李兴文等人在2015年提出了一种SF6断路器弧后热气体电击穿发生概率的评估方法，在SF6气体环境中，可以评估灭弧室内各点发生电击穿的概率，但是仍然无法给出具体的击穿电压，从而对介质恢复强度进行量化比较，更无法对不同路径的击穿难易程度进行对比。除此之外，该方法针对的气体介质局限于SF6气体。近些年来，SF6气体在电力系统设备中逐步被C4
‑
PFK、C4
‑
PFN、C5
‑
PFN等强电负性气体以及CO2、N2等常规气体替代。强电负性气体往往具有很高的毒性，不能够单独使用，单一常规气体的介质强度和灭弧能力又远不及SF6，因此高压电器领域常见的解决方案是利用常规气体与强电负性气体混合使用。也有研究表明，提高充气压力可以提升气体的开断能力。
[0004]因此，目前急需一种可以针对不同气体介质、不同结果断路器的方法对弧后介质恢复强度进行量化评估从而确定混合气体的种类、最佳的比例以及使用时的充气压力等，显然，只考虑灭弧室内部各点的击穿概率是远远不够的，而进行实验得出临界击穿电压的方式需要花费大量人力物力。

技术实现思路

[0005]为解决现有技术中存在的上述缺陷，本专利技术的目的在于提供一种采用流注
‑
先导理论计算断路器弧后电击穿临界电压的方法，该方法能够针对不同气体、不同断路器结构，针对具体路径通过仿真计算其临界击穿场强，该方法通过弧后阶段的温度和压强分布，可以计算其临界电击穿电压，从而对弧后介质强度恢复和电弧重燃情况做出评估。
[0006]本专利技术是通过下述技术方案来实现的。
[0007]本专利技术提供了一种采用流注先导理论计算断路器弧后电击穿临界电压的方法，包括：
[0008]考虑在给定温度和压强范围下不同气体组分，得到真实不同气体的物性参数；
[0009]利用数据库生成真实气体模型，建立断路器开断过程中的气体电弧的磁流体动力
学仿真模型，计算灭弧室内部弧后某一时刻的温度和压强分布；
[0010]通过波尔兹曼方程求解得到电子能量分布函数，确定不同温度和不同压强下不同气体介质的临界击穿场强E
cr,data
；
[0011]将灭弧室内部弧后某一时刻的温度和压强分布与临界击穿场强，利用线性差值得到某一时刻灭弧室内部临界击穿场强E
cr
分布；
[0012]结合磁流体动力学仿真模型，计算弧后某一时刻灭弧室内部的静电场分布E
a
；
[0013]根据灭弧室内部临界击穿场强E
cr
和静电场分布E
a
，判断灭弧室内部容易发生弧后电击穿部位，选取断路器灭弧室内部动静触头之间的一条或几条路径作为目标路径；
[0014]针对不同目标路径，根据流注
‑
先导模型中的流注和先导起始判据，计算断路器弧后电击穿临界电压。
[0015]优选的，不同气体包括CO2、SF6或C4
‑
PFK及其混合气体。
[0016]优选的，真实不同气体的物性参数包括电导率、热导率、粘性系数和扩散系数。
[0017]优选的，建立断路器开断过程中的气体电弧的磁流体动力学仿真模型包括质量守恒方程、轴向动量守恒方程、径向动量守恒方程、能量守恒方程和电磁场方程。
[0018]优选的，利用ANSYS Fluent自带的SIMPLE算法，迭代求解灭弧室内部弧后某一时刻的压强和速度分布，将求解得到的结果通过能量守恒方程得到灭弧室内部弧后的温度分布。
[0019]优选的，根据波尔兹曼方程，得到电子能量分布函数f(r,v,t)，确定不同温度和不同压强下不同气体介质的临界击穿场强E
cr,data
；包括：
[0020]由等离子体动力学理论可知电子能量分布函数f(r,v,t)满足Boltzmann方程；
[0021]计算各电子
‑
重粒子碰撞反应系数和各碰撞的反应系数k
k
；
[0022]当电离产生的电子数和吸附消耗的电子数达到平衡时，使各电子
‑
重粒子碰撞反应系数中的电离系数和吸附系数相等时的电场E即为临界击穿场强E
cr,data
。
[0023]优选的，利用ANSYS Fluent软件计算弧后某一时刻灭弧室内部的静电场E
a
分布，包括：基于建立的磁流体动力学模型，在Fluent软件中将电势φ设置为用户自定义变量UDS0，通过求解输运方程得到电势φ，从而得到静电场E
a
，数值上等于电势的梯度。
[0024]优选的，步骤(6)，根据灭弧室内部临界击穿场强E
cr
和静电场E
a
分布得到E
cr
/E
a
的分布，若E
cr
/E
a
<1，则说明此处容易发生击穿，为介质强度薄弱点，在选择击穿路径时，应该使路径经过该介质强度薄弱点。
[0025]优选的，根据流注
‑
先导模型中的流注和先导起始判据，计算断路器弧后电击穿临界电压，包括：
[0026]根据流注放电的起始判据和先导放电的起始判据，当沿着放电通道的压降ΔU
c
小于背景场的电压升高ΔU0时，施加在间隙上的电压为先导起始电压。
[0027]本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
[0028]1)建立的真实气体模型可以针对包括任意比例的混合气体在内的不同种类的气体进行建模，计算300～30000K、0.1～100个大气压内的物性参数，提供了大量的数据和可选范围，增加了该方法的普适性。
[0029]2)计算弧后静电场分布，考虑了温度和压力的变化带来的电导率的变化，使静电场的计算更加准确。
[0030]3)综合考虑了静电场E
a
和灭弧室内部临界击穿场强E
cr
的分布来选取目标路径，节省了不本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种采用流注先导理论计算断路器弧后电击穿临界电压的方法，其特征在于，包括：考虑在给定温度和压强范围下不同气体组分，得到真实不同气体的物性参数；利用数据库生成真实气体模型，建立断路器开断过程中的气体电弧的磁流体动力学仿真模型，计算灭弧室内部弧后某一时刻的温度和压强分布；通过波尔兹曼方程求解得到电子能量分布函数，确定不同温度和不同压强下不同气体介质的临界击穿场强E
cr,data
；将灭弧室内部弧后某一时刻的温度和压强分布与临界击穿场强，利用线性差值得到某一时刻灭弧室内部临界击穿场强E
cr
分布；结合磁流体动力学仿真模型，计算弧后某一时刻灭弧室内部的静电场分布E
a
；根据灭弧室内部临界击穿场强E
cr
和静电场分布E
a
，判断灭弧室内部容易发生弧后电击穿部位，选取断路器灭弧室内部动静触头之间的一条或几条路径作为目标路径；针对不同目标路径，根据流注
‑
先导模型中的流注和先导起始判据，计算断路器弧后电击穿临界电压。2.根据权利要求1所述的采用流注先导理论计算断路器弧后电击穿临界电压的方法，其特征在于，不同气体包括CO2、SF6或C4
‑
PFK及其混合气体。3.根据权利要求1所述的采用流注先导理论计算断路器弧后电击穿临界电压的方法，其特征在于，真实不同气体的物性参数包括电导率、热导率、粘性系数和扩散系数。4.根据权利要求1所述的采用流注先导理论计算断路器弧后电击穿临界电压的方法，其特征在于，建立断路器开断过程中的气体电弧的磁流体动力学仿真模型如下：质量守恒方程：轴向动量守恒方程：径向动量守恒方程：能量守恒方程：电磁场方程：电磁场方程：式中：z为轴向；r为径向；θ为角向；t为时间/s；ρ为密度；为速度矢量；v
’
为径向速度；
为径向速度矢量；为速度梯度；w为轴向速度；μ
l
为层流粘度；μ
t
为湍流粘度；q为辐射项；k
l
为层流热导率；k
t
为湍流热导率；h为焓值；c
p
为定压比热；p为气压；λ
l
为层流热导率；λ
t
为湍流热导率；σ为电导率；E为电场；为电势；B
θ
为磁感应强度角向分量；J
z
为轴向电流密度；J
r
为径向电流密度；μ0为真空磁导率；H为焓值；为黏性项；为黏性耗散项。5.根据权利要求4所述的采用流注先导理论计算断路器弧后电击穿临界电压的方法，其特征在于，利用ANSYS Fluent自带的SIMPLE算法，迭代求解灭弧室内部弧后某一时刻的压强和速度分布，将求解得到的结果通过能量守恒方程得到灭弧室内部弧后的温度分布。6.根据权利要求1所述的采用流注先导理论计算断路器弧后电击穿临界电压的方法，其特征在于，根据波尔兹曼方程，得到电子能量分布函数f(r,v,t)，确定不同温度和不同压强下不同气体介质的临界击穿场强E
cr,data
；包括以下步骤：由等离子体动力学理论可知，电子能量分布函数f(r,v,t)满足Boltzmann方程：式中，v为电子速度，r表示位置，t表示时间，e为电子电荷量，m
e
为电子质量，E为电场，为速度梯度，C为与f有关的碰撞项；计算各电子
‑
重粒子碰撞反应系数，各碰撞的反应系数k
k
可以通过下面积分得到：其中，γ＝(2e/m
e

【专利技术属性】
技术研发人员：周然，张博雅，李兴文，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：