【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及低压开关，尤其是一种直流电磁开关串联多断口电弧的仿真方法。
技术介绍
1、电力系统正朝着更加高效、清洁、智能的方向发展。在这个过程中，直流输电技术因其高效、灵活等优势得到了广泛应用。直流开关作为直流系统中的重要组成部分，其性能直接影响到系统的安全性和稳定性，但是开关受到结构、灭弧条件、灭弧手段等多因素限制，分断能力受到制约。为了提高开关电器的容量，多断口开关串联技术是一种有效解决方案，串联电磁开关承担电压包含稳态电压和开断过程中的动态电压，稳态电压分布由各断口电阻决定，动态电压受阻容分布的影响。
2、磁流体动力学是研究等离子体等导流体与电磁场的相互作用的物理学分支。通过模拟电弧等离子体在磁场中的行为，可以深入理解电弧的熄灭过程，为开关的分断控制提供科学依据。近年来，串联多断口开关因其在提高额定电压和电流承载能力、增强灭弧能力等方面的优势，逐渐成为研究的热点。然而，如何准确模拟串联多断口开关在分断过程中的电弧行为，评估其性能优劣，仍是一个具有挑战性的课题。综上所述，本专利技术的技术背景是基于当前新能源领域对高效、可靠直流开关的迫切需求，以及磁流体动力学在开关仿真领域的应用价值。通过多物理场仿真技术得到串联多断口电弧仿真模型，旨在研究直流电磁开关多断口电弧特性，揭示串联扩容能力的影响因素和极限。
技术实现思路
1、本专利技术提出一种直流电磁开关串联多断口电弧的仿真方法，可以分析不同参数(断口数量、异步分断时间、分断速度、磁感应强度分布、气体物性参数、不同负载等
2、本专利技术采用以下技术方案。
3、一种直流电磁开关串联多断口电弧的仿真方法，所述方法包括以下步骤；
4、步骤s1、电磁系统仿真与机械动力学耦合，即通过电磁系统仿真得到电磁吸力与线圈电流和铁心位移的二维插值表格，导入机械动力学仿真模型，得到直流电磁开关触头的分断速度；
5、步骤s2、通过磁吹系统模型得到不同位置的磁感应强度大小，基于磁流体动力学理论，耦合物理场建立单个断口的电弧仿真模型；
6、步骤s3、通过耦合外电路的手段进行串联多断口的电弧仿真。
7、所述仿真方法用于分析不同断口数量、异步分断时间、分断速度、磁感应强度分布、气体物性参数、不同负载对串联多断口电弧演化过程的影响。
8、步骤s1在构建机械动力学仿真模型时，先建立包括动静铁心，线圈和铁轭的几何模型，然后设计几何模型的材料属性和运动属性，对几何模型划分网格，最后添加激励和反力参数得到电磁系统仿真结果。
9、步骤s1中，若电磁系统仿真结构中，电磁吸力与铁心位移和线圈电流基本呈现单调关系，则利用参数化扫描，得到不同线圈电流与不同铁心位移的电磁吸力二维插值表格，并通过搭建机械动力学仿真模型，利用得到的电磁吸力插值表格以及弹簧的反力，计算电磁开关各部件的运动特性以及各部件之间的作用力，最终得到触头的分断速度。
10、simulink搭建的耦合仿真如图2，主要包括输入模块，输出模块，控制电路，电磁-机械耦合模块和结果可视化模式。
11、步骤s2中，先建立磁吹系统模型，再设置样机永磁体的安装位置和尺寸，然后通过场计算器得到不同位置的磁吹磁感应强度，再基于磁流体动力学理论建立单断口触头开断直流电弧仿真模型；单断口触头开断直流电弧仿真模型的仿真计算过程需要的条件为：电弧等离子体在仿真计算过程中始终处于局部热力学平衡状态、不考虑电弧弧根对触头烧蚀产生的金属蒸汽。
12、所述单断口触头开断直流电弧仿真模型包括：
13、质量守程：
14、式中：ρ为气体密度；u为流体粒子速度；
15、动量守恒方程：
16、
17、式中：p为流体微元压力；μ为动态粘度；f为电弧受到的洛伦兹力；j为传导电流密度；b为电弧受到的磁感应强度；
18、能量守恒方程：
19、
20、式中：h为焓；λ为热导率；srad为总体积辐射；为电子焓传递；kb为玻尔兹曼常数；cp为定压比热容；
21、气体状态方程
22、p＝ρrt 公式六；
23、式中，r为理想气体常数；
24、电磁场maxwell方程组
25、
26、式中，σ是电导率；是电位；a是矢量磁位；e是电场强度；
27、阴极热通量方程：
28、
29、上述方程公式中各项表达式为：
30、|jion|＝|j·n|-|jelec| 公式九；
31、|jelec|＝jr(t) 公式十；
32、
33、式中：λarc是电弧的热导率；λcu是铜触头的热导率；；vion是电弧的电离电位；φcu是铜触头的功函数；jion是离子的电流密度；jelec是电子流密度；|j·n|是外部输入总的电流密度模；ar是理查森常数，是电极表面有效逸出功；
34、阳极热通量方程：
35、
36、步骤s2中的物理场，包括电、磁、热、层流。
37、步骤s3中，采用电弧磁流体动力学仿真模型进行电弧仿真，模型包括温度场、层流场、电场、磁场等物理场的相互耦合；具体耦合关系见图3。
38、耦合关系中，电弧以其温度的变化影响气体的电导率、热导率、定压比热容的物性参数，从而影响电场、电流、电流密度分布；不同气体的物性参数通过“气体放电等离子数据库”得到。
39、耦合关系中，通过外加磁场引入非均匀磁场，以反映实际工况下磁场对电弧行为的影响，具体为：根据磁吹系统模型获得的磁吹磁感应强度分区域导入电弧模型中，相邻区域磁感应强度大小的差值保证在5％以内。
40、步骤s3中，通过耦合外电路的手段进行串联多断口的电弧仿真时，假设在仿真初始时刻，电弧就已经处于燃烧的状态，以忽略电弧的起弧过程，若不同断口打开的时间存在差异，后分断的断口电弧起弧时先分断的断口电弧已处于燃弧中，且起弧过程会对外电路造成影响，则通过调整仿真模型耦合的外电路对起弧过程进行等效处理。
41、本专利技术的优点在于：
42、1、通过在模型中引入非均匀磁场，能够更真实地反映实际工况下磁场对电弧行为的影响，如磁吹效应导致的电弧形态变化、运动轨迹偏移以及熄灭速度加快等。这对于优化电磁开关设计，减少电弧对开关的损害具有重要意义。
43、2、在单个电弧的基础上通过耦合外电路的手段得到了串联多断口电弧的模型，模型能够准确模拟不同断口间电压波动以及异步分断对整体燃弧过程的影响。
44、3、该仿真方法对不同电磁开关都具有适用性。通过综合考虑多个因素(如触头分断速度、磁感应强度分布、气体物性参数、负载类型、触头形状、断口数量和异步分断时间)，能够实现对不同电磁开关电弧行为的全面、准确模拟。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种直流电磁开关串联多断口电弧的仿真方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤；
2.根据权利要求1所述的一种直流电磁开关串联多断口电弧的仿真方法，其特征在于：所述仿真方法用于分析不同断口数量、异步分断时间、分断速度、磁感应强度分布、气体物性参数、不同负载对串联多断口电弧演化过程的影响。
3.根据权利要求1所述的一种直流电磁开关串联多断口电弧的仿真方法，其特征在于：步骤S1在构建机械动力学仿真模型时，先建立包括动静铁心，线圈和铁轭的几何模型，然后设计几何模型的材料属性和运动属性，对几何模型划分网格，最后添加激励和反力参数得到电磁系统仿真结果。
4.根据权利要求3所述的一种直流电磁开关串联多断口电弧的仿真方法，其特征在于：步骤S1中，若电磁系统仿真结构中，电磁吸力与铁心位移和线圈电流基本呈现单调关系，则利用参数化扫描，得到不同线圈电流与不同铁心位移的电磁吸力二维插值表格，并通过搭建机械动力学仿真模型，利用得到的电磁吸力插值表格以及弹簧的反力，计算电磁开关各部件的运动特性以及各部件之间的作用力，最终得到触头的分断速度。
5.根据权利要求
6.根据权利要求5所述的一种直流电磁开关串联多断口电弧的仿真方法，其特征在于：所述单断口触头开断直流电弧仿真模型包括：
7.根据权利要求6所述的一种直流电磁开关串联多断口电弧的仿真方法，其特征在于：步骤S3中，采用电弧磁流体动力学仿真模型进行电弧仿真，模型包括温度场、层流场、电场、磁场等物理场的相互耦合。
8.根据权利要求7所述的一种直流电磁开关串联多断口电弧的仿真方法，其特征在于：耦合关系中，电弧以其温度的变化影响气体的电导率、热导率、定压比热容的物性参数，从而影响电场、电流、电流密度分布；不同气体的物性参数通过“气体放电等离子数据库”得到。
9.根据权利要求7所述的一种直流电磁开关串联多断口电弧的仿真方法，其特征在于：耦合关系中，通过外加磁场引入非均匀磁场，以反映实际工况下磁场对电弧行为的影响，具体为：根据磁吹系统模型获得的磁吹磁感应强度分区域导入电弧模型中，相邻区域磁感应强度大小的差值保证在5％以内。
10.根据权利要求7所述的一种直流电磁开关串联多断口电弧的仿真方法，其特征在于：步骤S3中，通过耦合外电路的手段进行串联多断口的电弧仿真时，假设在仿真初始时刻，电弧就已经处于燃烧的状态，以忽略电弧的起弧过程，若不同断口打开的时间存在差异，后分断的断口电弧起弧时先分断的断口电弧已处于燃弧中，且起弧过程会对外电路造成影响，则通过调整仿真模型耦合的外电路对起弧过程进行等效处理。
...【技术特征摘要】
1.一种直流电磁开关串联多断口电弧的仿真方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤；
2.根据权利要求1所述的一种直流电磁开关串联多断口电弧的仿真方法，其特征在于：所述仿真方法用于分析不同断口数量、异步分断时间、分断速度、磁感应强度分布、气体物性参数、不同负载对串联多断口电弧演化过程的影响。
3.根据权利要求1所述的一种直流电磁开关串联多断口电弧的仿真方法，其特征在于：步骤s1在构建机械动力学仿真模型时，先建立包括动静铁心，线圈和铁轭的几何模型，然后设计几何模型的材料属性和运动属性，对几何模型划分网格，最后添加激励和反力参数得到电磁系统仿真结果。
4.根据权利要求3所述的一种直流电磁开关串联多断口电弧的仿真方法，其特征在于：步骤s1中，若电磁系统仿真结构中，电磁吸力与铁心位移和线圈电流基本呈现单调关系，则利用参数化扫描，得到不同线圈电流与不同铁心位移的电磁吸力二维插值表格，并通过搭建机械动力学仿真模型，利用得到的电磁吸力插值表格以及弹簧的反力，计算电磁开关各部件的运动特性以及各部件之间的作用力，最终得到触头的分断速度。
5.根据权利要求1所述的一种直流电磁开关串联多断口电弧的仿真方法，其特征在于：步骤s2中，先建立磁吹系统模型，再设置样机永磁体的安装位置和尺寸，然后通过场计算器得到不同位置的磁吹磁感应强度，再基于磁流体动力学理论建立单断口触头开断直流电弧仿真模型；单断口触头开断直流电弧仿真模型的仿真计算过程需要的条件为：电弧等离子体在仿真计算过程中始终处...
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。