CN108090271A - 一种用于气体断路器中自由阀片的运动模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种用于气体断路器中自由阀片的运动模拟方法，确定断路器灭弧室空间内的流体和固体区域以及自由阀片的打开与关闭位置，灭弧室和阀片的建模，将断路器产品结构转化为气流场计算模型；对断路器灭弧室及阀片模型进行网格剖分处理，匹配阀片的开关位置和网格宽度间的关系，建立气流场仿真方程组；将阀片的动作判据PF和阀片的动作阈值±δ％，导入计算模型和气流场仿真方程组中进行方程组的联立求解；根据联立求解进行气流场的动态仿真，并实时监测阀片两侧面受力情况，根据动作判据PF和动作阈值±δ％确定阀片的动作趋势，采用网格流、固属性替换和阀边界替换技术，实现阀片的开合运动模拟。仿真精度高、通用性强、对阀片运动模拟更有效。

Description

一种用于气体断路器中自由阀片的运动模拟方法
技术领域
本发明涉及气体断路器阀片的运动模拟，特别是适用于阀片未装弹簧时的运动模拟，具体为一种用于气体断路器中自由阀片的运动模拟方法。
背景技术
随着计算机技术和数值计算方法的发展，气流场的仿真模拟已成为辅助高压断路器产品结构设计的一个重要方法和手段。从空载冷气流场的计算到开断电弧热气流场的模拟，国内外研究人员进行了大量的研究工作。
在国内，王其平教授与其合作者开展了双喷口气流场和电弧热边界区研究，计算了断路器灭弧室内二维气流场的分布。马志瀛教授与其合作者进行了SF6空载介质恢复特性的计算，分析了压气式断路器的操动机构与灭弧室间的相互关系。王尔智等人通过耦合气流场、电场及操动机构的输出特性，研究了252kV高压SF6断路器空载开断下的介质恢复特性。林莘等人采用区域扩充法利用计算流体力学软件与自编程相结合的方式，计算了智能式断路器灭弧室内喷口部分的气流场。
在国外，J C Verite等人采用有限差分法对气流场求解，考虑了Laplace力对高速气流的影响，得到了旋弧断路器结构下的速度、马赫数及温度分布。J D Yan等人对自膨胀式断路器气流场进行了数值仿真，研究了喷口结构对电弧过零前的气流冷却过程造成的影响。R P P Smeets等人提出利用电流过零前200ns的电弧电导来预测断路器热开断能力的方法。Y Tanaka等人对SF6电弧等离子体化学非平衡态模型进行了研究，分析了气流场、温度场和化学粒子种类的瞬态变化规律。
综上所述，在气流场的研究方面，各国研究者重点关注电弧模型、过零阶段的气体物性参数，以及灭弧室内喷口结构和气室的优化工作，对于灭弧室中阀片的研究较少，尚无运动阀片的仿真方法的说明。然而，对于产品而言，阀片的设计是必不可少的环节，能否有效的模拟气流场作用下阀片的运动过程，直接关系到气室内的建压、泄压及灭弧过程。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于气体断路器中自由阀片的运动模拟方法，仿真精度高、通用性强、对阀片运动模拟更有效。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种用于气体断路器中自由阀片的运动模拟方法，包括以下步骤：
步骤1，根据气体断路器灭弧室及自由阀片的结构特点，确定该断路器灭弧室空间内的流体和固体区域，以及自由阀片的打开与关闭位置，利用网格前处理软件进行灭弧室和阀片的建模，将断路器产品结构转化为气流场计算模型；
步骤2，对断路器灭弧室及阀片模型进行网格的剖分处理，匹配阀片的开关位置和网格宽度间的关系，建立气流场仿真方程组；
步骤3，将阀片的动作判据PF和阀片的动作阈值±δ％，导入计算模型和气流场仿真方程组中，利用计算流体动力学软件，进行方程组的联立求解；
步骤4，根据方程组的联立求解，进行气流场的动态仿真，并实时监测阀片两侧面受力情况，根据动作判据PF和动作阈值±δ％确定阀片的动作趋势，采用网格流、固属性替换和阀边界替换技术，实现阀片的开合运动模拟。
优选的，步骤1中，气体断路器灭弧室及自由阀片的结构特点为，气体断路器中具有自由阀片结构的气体断路器灭弧室，阀片侧面上不安装弹簧，除了重力和摩擦阻力外，阀片不受其他外力束缚，在断路器开断电弧的过程中，阀片在其两侧面气压差的作用下自由移动。
优选的，步骤1中，当阀片处于打开位置时，阀片两侧气室内的气流得以流通，当阀片处于关闭位置时，阀片两侧气室内的气流无法流通。
优选的，步骤1中，利用网格前处理软件进行灭弧室和阀片的建模时，简化与气流场计算无关或相关性甚小能够忽略的零部件。
优选的，步骤2中，匹配阀片的开关位置和网格宽度间的关系时，由于在断路器开断过程中，自由阀片在气流的作用下打开或者关闭运动，可为阀片仅处于打开或关闭的单一位置，在网格剖分时，保证阀片打开和关闭两个位置间的距离大于等于一个网格宽度。
优选的，步骤3中，通过C语言编程，将阀片的动作判据PF和阀片的动作阈值±δ％，导入计算模型和气流场仿真方程组中，其中，δ为取值1～10的整数。
优选的，步骤3中，动作判据PF如下式所示，
其中，Fo为驱使阀片打开的力，Fc为驱使阀片关闭的力。
优选的，步骤4中，当PF>+δ％时，阀片闭合；当PF<-δ％时，阀片打开；当-δ％<PF<+δ％时，阀片不动作。
优选的，具体的，若在气压的作用下阀片打开，则处于关闭位置的阀片网格属性由固体变为流体，阀边界由墙边界变成内部边界，处于打开位置的阀片网格属性由流体变为固体，阀边界由内部边界变成墙边界；若在气压的作用下阀片关闭，则处于关闭位置的阀片网格属性由变流体为固体，阀边界由内部边界变成墙边界，处于打开位置的阀片网格属性由固体变为流体，阀边界由墙边界变成内部边界，替换过程中，新流体属性区域内，气压的初始值取新内部边界相邻网格内的实时气压值。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
(1)仿真精度高。对照现有阀片的运动特点，本发明对阀片运动的处理更为贴近、精确。
(2)运动更合理。装有弹簧的束缚阀片，每个时间步内，运动位移较小，阀片动作连续。仿真方法中采用滑移、动网格技术，结合气流场和弹簧力的作用来实现，模拟阀片的运动更为合理。
(3)通用性强，本发明所针对的阀片模拟方法不限于某一种特定的灭弧室结果，该方法适用于各种不同断路器灭弧室中具有束缚阀片结构情况下的阀片运动的模拟，具有一定的通用性。
(4)本发明为开断仿真中阀片动作模拟提供了一个有效途径，通过阀片动作判据PF及动作阈值的设定，可有效实现阀片的时变运动模拟，提高了计算效率，为气体断路器开断仿真建立了方法基础。
附图说明
图1为未装弹簧的自由阀片模型与周围气室的关系图。
图2为图1中阀片模型的放大结构图。
图3为燃弧过程中单向阀两侧压力曲线对比图。
图4为燃弧过程中回气阀两侧压力曲线对比图。
图5为不同开断电流下单向阀的PF曲线变化对比图。
图中：单向阀1，回气阀2，回气室3、压气室4、膨胀室5。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明一种用于气体断路器中自由阀片的运动模拟方法，特别适用于阀片未装弹簧时的运动模拟方法，通过考虑气流与阀片间的作用关系，提出了阀片的动作判据，通过设定阀片的动作阈值，采用网格流、固属性替换和阀边界的替换技术，实现阀片的开合运动模拟。根据产品的结构特点，阀片的动作阈值可在±1％～±10％之间微调设置，在断路器开断过程中，阀片的运动速度较快。与现有技术相比，本发明对高压断路器灭弧室中阀片运动的模拟具有准确性高、通用性强等优点。
其中，气体断路器中具有自由阀片结构的气体断路器灭弧室，阀片侧面上通常不安装弹簧，除了重力和摩擦阻力外，阀片不受其他外力束缚，在断路器开断电弧的过程中，阀片在其两侧面气压差的作用下自由移动。所述的方法包括以下步骤：
1)根据气体断路器灭弧室及自由阀片的结构特点，确定该断路器灭弧室空间内的流体和固体区域，以及自由阀片的打开与关闭位置，当阀片处于打开位置时，阀片两侧气室内的气流得以流通，当阀片处于关闭位置时，阀片两侧气室内的气流无法流通。利用网格前处理软件进行灭弧室和阀片的建模，简化与气流场计算无关或相关性甚小的零部件，实现由断路器产品结构向气流场计算模型的转化。
2)对断路器灭弧室及阀片模型进行网格的剖分处理，匹配阀片的开、关位置和网格宽度间的关系。由于在断路器开断过程中，自由阀片在气流的作用下打开或者关闭运动速度较快，可视为阀片仅处于打开或关闭的单一位置，在网格剖分时，保证阀片打开和关闭两个位置间的距离大于等于一个网格宽度。
3)通过C语言编程，将阀片的动作判据和阀片的动作阈值±δ％，见公式(1)，导入计算模型和气流场仿真方程组中，利用计算流体动力学软件，进行方程组的联立求解。阀片的动作由两个侧面上的受力差决定，忽略阀片重力和摩擦力的作用，或将重力与摩擦力归加到相应的阀片侧面上。Fo为驱使阀片打开的力，Fc为驱使阀片关闭的力，根据产品的结构特点，动作阈值可进行微调设置。
4)进行气流场的动态仿真，并实时监测阀片两侧面受力情况，根据判据阀片的动作趋势，采用网格流、固属性替换及阀边界替换技术，实现阀片的开合运动模拟，即若在气压的作用下阀片打开，则处于关闭位置的阀片网格属性由固体变为流体，阀边界由墙边界(Wall)变成内部边界(Interior)，处于打开位置的阀片网格属性由流体变为固体，阀边界由Interior变成Wall；若在气压的作用下阀片关闭，则处于关闭位置的阀片网格属性由变流体为固体，阀边界由Interior变成Wall，处于打开位置的阀片网格属性由固体变为流体，阀边界由Wall变成Interior。
本发明所述的方法包括气体断路器灭弧室各气室的建模、阀片的建模和阀片网格流、固属性替换及阀边界的Wall、Interior替换技术在阀片运动方面的功能实现。
本发明所述的方法包括阀片打开与关闭位置处，网格的绘制与材料属性及阀边界的变换，以及阀片在气体压力作用下的打开和关闭。对于有弹簧的阀片，可认为是阀片运动位移较小时的特殊情况，自由阀片的运动模拟方法同样适用。
具体的，在气体断路器的仿真中，阀片运动的处理对气流场的计算结果具有直接影响。未装弹簧的自由阀片模型与周围气室的关系，如图1和图2所示，图中Bc表示阀片闭合位置，Ao表示阀片打开位置，阀片打开和关闭两个位置间的距离为5个网格宽度，大于一个网格宽度。对应高压断路器灭弧室结构，附图中的自由阀片有两个，分别为单向阀1和回气阀2，分隔的气室分别为回气室3、压气室4和膨胀室5。
如图3所示为单向阀两侧压力曲线对比图，实线代表膨胀室侧压力变化曲线，虚线代表压气室侧压力变化曲线。阀的动作由两个侧面上的受力差决定。单向阀的初始状态处于打开位置，单向阀对应的Ao为固体属性，Bc为流体属性，Ao的实线边界为Wall，Bc的实线边界为Interior。当单向阀的PF值满足阀片动作的判据时，阀片运动。从气室内压力的关系可知，20ms左右，单向阀应由打开状态变为闭合状态，则单向阀对应的Ao替换为流体属性，Bc替换为固体属性，Ao的实线边界变为Interior，Bc的实线边界为Wall。替换过程中，新流体属性区域内，气压的初始值取新Interior边界相邻网格内的实时气压值，0.9MPa。
如图4所示为回气室两侧压力曲线对比图，实线代表回气室侧压力变化曲线，虚线代表压气室侧压力变化曲线。阀的动作由两个侧面上的受力差决定。回气阀的初始状态处于打开位置，回气阀对应的Ao为固体属性，Ao的实线边界为Wall，Bc为流体属性，Bc的实线边界为Interior。当回气阀的PF值满足阀片动作的判据时，阀片运动。从气室内压力的关系可知，14ms之前，回气阀就已应由打开状态变为闭合状态，则回气阀对应的Ao替换为流体属性，Bc替换为固体属性，Ao的实线边界变为Interior，Bc的实线边界为Wall。
如图5所示为燃弧过程中不同开断电流下单向阀的PF曲线变化对比图。仿真中取阀片的动作阈值为±3％，可以看出，不同短路电流条件下，单向阀的动作时刻不同。40kA短路电流下，单向阀动作时刻先于30kA，这与短路电流越大，膨胀室内气压升高越快，单向阀关闭时刻越早的规律相符合。
综上所述，仿真结果说明了本发明中提出的自由阀片运动模拟方法的准确、有效。

Claims (9)

1.一种用于气体断路器中自由阀片的运动模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，根据气体断路器灭弧室及自由阀片的结构特点，确定该断路器灭弧室空间内的流体和固体区域，以及自由阀片的打开与关闭位置，利用网格前处理软件进行灭弧室和阀片的建模，将断路器产品结构转化为气流场计算模型；
步骤2，对断路器灭弧室及阀片模型进行网格的剖分处理，匹配阀片的开关位置和网格宽度间的关系，建立气流场仿真方程组；
步骤3，将阀片的动作判据PF和阀片的动作阈值±δ％，导入计算模型和气流场仿真方程组中，利用计算流体动力学软件，进行方程组的联立求解；
步骤4，根据方程组的联立求解，进行气流场的动态仿真，并实时监测阀片两侧面受力情况，根据动作判据PF和动作阈值±δ％确定阀片的动作趋势，采用网格流、固属性替换和阀边界替换技术，实现阀片的开合运动模拟。
2.根据权利要求1所述的一种用于气体断路器中自由阀片的运动模拟方法，其特征在于，步骤1中，气体断路器灭弧室及自由阀片的结构特点为，气体断路器中具有自由阀片结构的气体断路器灭弧室，阀片侧面上不安装弹簧，除了重力和摩擦阻力外，阀片不受其他外力束缚，在断路器开断电弧的过程中，阀片在其两侧面气压差的作用下自由移动。
3.根据权利要求1所述的一种用于气体断路器中自由阀片的运动模拟方法，其特征在于，步骤1中，当阀片处于打开位置时，阀片两侧气室内的气流得以流通，当阀片处于关闭位置时，阀片两侧气室内的气流无法流通。
4.根据权利要求1所述的一种用于气体断路器中自由阀片的运动模拟方法，其特征在于，步骤1中，利用网格前处理软件进行灭弧室和阀片的建模时，简化与气流场计算无关或相关性甚小能够忽略的零部件。
5.根据权利要求1所述的一种用于气体断路器中自由阀片的运动模拟方法，其特征在于，步骤2中，匹配阀片的开关位置和网格宽度间的关系时，由于在断路器开断过程中，自由阀片在气流的作用下打开或者关闭运动，可为阀片仅处于打开或关闭的单一位置，在网格剖分时，保证阀片打开和关闭两个位置间的距离大于等于一个网格宽度。
6.根据权利要求1所述的一种用于气体断路器中自由阀片的运动模拟方法，其特征在于，步骤3中，通过C语言编程，将阀片的动作判据PF和阀片的动作阈值±δ％，导入计算模型和气流场仿真方程组中，其中，δ为取值1～10的整数。
7.根据权利要求1所述的一种用于气体断路器中自由阀片的运动模拟方法，其特征在于，步骤3中，动作判据PF如下式所示，
<mrow> <msub> <mi>P</mi> <mi>F</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>F</mi> <mi>o</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>F</mi> <mi>c</mi> </msub> </mrow> <msub> <mi>F</mi> <mi>c</mi> </msub> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <mn>100</mn> <mi>%</mi> <mo>;</mo> </mrow>
其中，Fo为驱使阀片打开的力，Fc为驱使阀片关闭的力。
8.根据权利要求1所述的一种用于气体断路器中自由阀片的运动模拟方法，其特征在于，步骤4中，当PF>+δ％时，阀片闭合；当PF<-δ％时，阀片打开；当-δ％<PF<+δ％时，阀片不动作。
9.根据权利要求1所述的一种用于气体断路器中自由阀片的运动模拟方法，其特征在于，具体的，若在气压的作用下阀片打开，则处于关闭位置的阀片网格属性由固体变为流体，阀边界由墙边界变成内部边界，处于打开位置的阀片网格属性由流体变为固体，阀边界由内部边界变成墙边界；若在气压的作用下阀片关闭，则处于关闭位置的阀片网格属性由变流体为固体，阀边界由内部边界变成墙边界，处于打开位置的阀片网格属性由固体变为流体，阀边界由墙边界变成内部边界，替换过程中，新流体属性区域内，气压的初始值取新内部边界相邻网格内的实时气压值。
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