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做座低压限流断路器背后击穿现象的数值模拟研究

发布时间:2021-10-10 14:55:14 阅读: 来源:煤气过滤器厂家
做座低压限流断路器背后击穿现象的数值模拟研究

低压限流断路器背后击穿现象的数值模拟研究

分类号:TM561.1 文献标识码:A

文章编号: (2000) RESEARCH ON SIMULATION OF THE BACK COMMUTATION

IN LOW-VOLTAGE CURRENT-LIMITING CIRCUIT BREAKERCHEN Xu CHEN Degui

(Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049,China)ABSTRACT:Low-voltage current-limiting circuit breaker is widely used in industrial and domestic installations. With a chutes arc quenching chamber, current limiting circuit breaker can lift the arc voltage to a high value through polar voltage drop and limit the short circuit current while interrupting circuit. Now the back commutation, during which arc moves in and out of chutes, leads to arc voltage drop and worsen the performance of circuit breaker. In the paper, a back commutation mathematical model based on heat restrike is built according to the interrupting process. Solving differential equations for the mass, momentum and heat balance, the back commutation of low voltage current limiting并可储存、打印、示值相对误差为±1% circuit breaker is simulated.

KEY WORDS:circuit breaker; arc; back commutation▲1 引言 低压断路器是低压配电支路的主开关。随着电力事业的发展,节能、环保和循环经济等方面的研究对其数量要求越来越大,对其开断性能要求也越来越高,但低压断路器的设计长期以来凭借经验,通过样机制作和大量试验来确定设计方案,需要耗费大量人力、物力,并且新产品开发周期很长,不能适应我国电力事业的发展。近年来,由于计算机技术的发展和开关电弧数学模型研究方面的成就,使低压断路器开断特性的计算机数值分析成为可能。人们开始探索以磁流体动可以实现下降实验误差的目的力学为基础的低压电器开关电弧动态模型的建立,原先这种模型在高压喷口电弧的描述方面国内外都有一些工作,因为喷口电弧是轴对称问题,边界条件比较简单,而低压开关电弧在自由空间受磁场驱动而运动,计算条件比喷口电弧复杂得多。从1996年开始国外才有这方面的报导,但计算的对象都限制在一个简单的空腔内,没有涉及实际的断路器灭弧室,也没有和整个开断过程结合起来。另外在低压限流断路器中也有其复杂的物理现象。

与一般断路器的灭弧室不同,低压限流断路器的灭弧室采用多个灭弧栅片。在开断过程中,首先动触头和静触头分开产生电弧,在电磁场和热场、流场的作用下运动至灭弧栅片。当电弧进入栅片后,由于被分成的多个短弧的近极压降,使电弧电压迅速上升,从而达到限流的目的。但也正是为了有较高的电弧电压,限流断路器灭弧室的栅片数比一般的断路器要多,并且排列得更紧密。电弧进入栅片瞬间,它的背后区域,即跑弧道上仍存在一定的游离气体,由于突然产生较高的电弧电压会使背后区域发生击穿而出现新的电弧,这一新的电弧通道短接了栅片中的电弧,而使已进入栅片的电弧消失,这就是被称为电弧背后击穿现象,这种现象在断路器开断过程会反复出现多次,存在反复背后击穿现象的断路器开断波形如图1所示,它降低了限流断路器的限流特性,使燃弧时间增长。图1 限流断路器的典型波形

Fig.1 Typical characteristics of

currentlimiting circuit breaker 1988年日本名古屋大学Yoshiyuki Ikuma等人首次用快速摄象机观察到电弧的背后击穿现象[1]。他们还采用微波穿透技术发现在低压断路器开断过程中,电弧电压发生突降前,将要发生背后击穿的间隙都出现温度的上升,这是由于电弧的热气流经过灭弧室的后壁的反射进入相应区域的结果。游离气体进入和温度的上升,使相应区域的临界电场强度降低,容易导致背后击穿。法国的evet等人也发现[2],在电弧经过区域的温度仍然还较高,存在有剩余电流,会以热击穿的形式导致背后击穿。德国的Manfred Lindmayer教授初步提出了基于热击穿的背后击穿模型[3],这个模型采用热场,对背后击穿进行了初步的模拟。

本文就是在这些工作的基础上进行更加深入的研究,主要对象为单相限流开断的微型断路器,以磁流体动力学为基础,综合流场、电磁场、温度场等计算,建立低压断路器开断电弧的动态数学模型。与国外的简单空腔几何模型为对象不同,本课题直接以实际低压断路器的灭弧室为研究对象。与国外工作相比,充分利用电磁场和气流场数值计算求解,考虑了较多影响开断特性的因素,使电弧的数学模型更符合实际。利用建立的电弧动态数学模型,对目前低压断路器中影响开断性能的背后击穿现象进行理论“强国梦要从强企开始分析。这样不仅为断路器数学模型,也对背后击穿现象这一难题提出了理论上的依据。2 考虑

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