CN114021496A - 智能直流断路器灭弧分析方法 - Google Patents
智能直流断路器灭弧分析方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114021496A CN114021496A CN202111293369.2A CN202111293369A CN114021496A CN 114021496 A CN114021496 A CN 114021496A CN 202111293369 A CN202111293369 A CN 202111293369A CN 114021496 A CN114021496 A CN 114021496A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- arc
- parameters
- current
- characteristic
- direct current
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 title claims abstract description 34
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims abstract description 30
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 claims abstract description 29
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 claims abstract description 25
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 claims abstract description 14
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 14
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 12
- 238000007664 blowing Methods 0.000 claims abstract description 11
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims abstract description 10
- 230000008844 regulatory mechanism Effects 0.000 claims abstract description 7
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 claims abstract description 4
- 230000000452 restraining effect Effects 0.000 claims abstract description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 33
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 claims description 28
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 18
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 16
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 16
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 14
- 238000004590 computer program Methods 0.000 claims description 12
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 claims description 10
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 10
- 238000011161 development Methods 0.000 claims description 9
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 claims description 9
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 8
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 8
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 8
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 7
- 230000006870 function Effects 0.000 claims description 7
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 7
- 230000008033 biological extinction Effects 0.000 claims description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 6
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 6
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 claims description 6
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims description 6
- 238000005457 optimization Methods 0.000 claims description 6
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 5
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 5
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 5
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims description 4
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 4
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 claims description 4
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 3
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 claims description 3
- 238000005315 distribution function Methods 0.000 claims description 3
- 238000004134 energy conservation Methods 0.000 claims description 3
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000010606 normalization Methods 0.000 claims description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 3
- 239000011541 reaction mixture Substances 0.000 claims description 3
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 claims description 3
- 230000005764 inhibitory process Effects 0.000 claims description 2
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 3
- 238000010921 in-depth analysis Methods 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 3
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 description 2
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 2
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 2
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 2
- 108091006146 Channels Proteins 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 101000694017 Homo sapiens Sodium channel protein type 5 subunit alpha Proteins 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000000295 emission spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000002068 genetic effect Effects 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000021715 photosynthesis, light harvesting Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000001502 supplementing effect Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
- G06F30/28—Design optimisation, verification or simulation using fluid dynamics, e.g. using Navier-Stokes equations or computational fluid dynamics [CFD]
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
- G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
- H01H73/00—Protective overload circuit-breaking switches in which excess current opens the contacts by automatic release of mechanical energy stored by previous operation of a hand reset mechanism
- H01H73/02—Details
- H01H73/06—Housings; Casings; Bases; Mountings
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
- H01H73/00—Protective overload circuit-breaking switches in which excess current opens the contacts by automatic release of mechanical energy stored by previous operation of a hand reset mechanism
- H01H73/02—Details
- H01H73/18—Means for extinguishing or suppressing arc
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2113/00—Details relating to the application field
- G06F2113/08—Fluids
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
- G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Geometry (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Algebra (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Mathematical Analysis (AREA)
- Mathematical Optimization (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Pure & Applied Mathematics (AREA)
- Arc-Extinguishing Devices That Are Switches (AREA)
Abstract
本发明公开了一种智能直流断路器灭弧分析方法，包括步骤：1)直流电弧动态特性及调控机理分析：1.1)建立磁流体动力学仿真模型；1.2)仿真分析不同极性方向下电弧动态特性的调控特性及影响规律；1.3)获取永磁体和产气材料对电弧的调控机理；2)弧后重击穿特性评估分析：2.1)计算多组分非平衡态下空气等离子体的物性参数和输运参数；2.2)分析弧后电弧衰减特性；2.3)获取抑制弧后重击穿措施；3)灭弧室结构与开断能力的匹配特性分析，确定灭弧室的最佳结构参数和增强气吹和磁吹方案、弧后重击穿抑制措施。本发明具有实现智能型小型直流断路器的高开断能力等优点。
Description
技术领域
本发明主要涉及断路器技术领域，具体涉及一种智能直流断路器灭弧分析方法。
背景技术
随着我国经济社会的不断发展，越来越多的区域采用直流微电网(包括高档小区、直流充电桩、光伏、电铁控制系统等)，直流微网具有没有无功问题、没有相位问题、切换快捷、稳定性强、充供电功率大等优点。目前国内直流断路器市场，尤其是高电压(>1500V)直流断路器大部分市场被ABB、西门子、美国GE、施耐德等大型跨国公司占据。国内很多企业如北京人名电器、上海良信电器、常熟开关制造有限公司等也研发出了一些直流断路器，但是核心开断技术处于保密或者并未被市场大范围的认可和接受。因此对于直流断路器大部分场合还在使用进口产品，不仅价格和维护费用昂贵，而且不利于后期产品的升级和更新换代。因此，直流断路器核心技术的自主化和产品国产化是十分必要的。综上，现有国产小型直流断路器由于体积较大且分断能力不高，很少能满足使用要求。国外产品造价高，灭弧效果差强人意，远程控制等方面不能满足国内需求。小型直流断路器主要存在分断电弧大、不能远程分合闸控制等问题，影响了产品的国产化进程。我国对智能型小型直流断路器技术研究无论是在理论上还是在实际应用上都起步较晚，目前尚处于初级阶段。直流开断技术直接影响了直流断路器的开断能力，所以对直流开断技术及应用的研究具有非常重要的理论和实际意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种实现高性能直流开断的智能直流断路器灭弧分析方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种智能直流断路器灭弧分析方法，包括步骤：
1)直流电弧动态特性及调控机理分析：
1.1)耦合多个物理场，建立燃弧期间小型直流断路器磁流体动力学仿真模型；其中物理场包括电磁场、温度场、气流场、辐射特性中的一个或者多个；
1.2)在磁流体动力学仿真模型的基础上，仿真分析不同永磁体布置位置和布置方式对不同极性方向下电弧动态特性的调控特性及影响规律；
1.3)通过分析不同产气材料蒸气对电弧动态演变特性的调控，并与仿真结果相结合，建立宏观参数与微观参数之间的相互作用关系，获取永磁体和产气材料对电弧的调控机理；
2)弧后重击穿特性评估分析：
2.1)在以上得到燃弧期间电弧动态特性的基础上，计算电流过零期间多组分非平衡态下空气等离子体的物性参数和输运参数；
2.2)以物性参数为输入参数，建立电流过零期间非平衡态磁流体动力学模型，分析弧后电弧衰减特性；
2.3)建立弧后热击穿特性评估方法和电击穿特性评估方法，结合光谱测量系统和电流零区测试系统诊断技术，得到抑制弧后重击穿措施；
3)灭弧室结构与开断能力的匹配特性分析：
3.1)在获取燃弧阶段电弧动态特性、弧后重击穿评估参数和方法的基础上，建立灭弧室结构参数和开断能力的匹配关系；
3.2)以表征开断能力的物理量为目标函数，以灭弧室结构参数为变量，建立多目标多参数的匹配数学模型；
3.3)通过建立的匹配数学模型，根据约束条件，确定灭弧室的最佳结构参数和增强气吹和磁吹方案、弧后重击穿抑制措施，完成灭弧室的优化设计以满足直流小型断路器大电流无极性开断需求。
优选地，在步骤1.1)中，建立燃弧期间小型直流断路器磁流体动力学仿真模型的具体过程为：在获取空气等离子体局部热力学平衡态条件，压力范围、温度范围、不同比例金属蒸气及产气材料蒸气的空气等离子体的热力学物性参数和输运参数的基础上，耦合流体动力学计算模块ANSYS Fluent软件与计算模块ANSYS Emag，通过对Fluent软件进行二次开发以及借助MpCCI接口软件，通过APDL语言编写的数据双向实时传输程序，同时耦合外部短路电路方程，采用动网格技术来模拟动触头的打开运动过程，建立燃弧期间小型直流断路器磁流体动力学仿真模型。
优选地，在步骤1.2)中，利用磁流体动力学仿真模型，计算不同永磁体形状和位置情况下，不同极性的电弧在发展全过程中紧密耦合的温度场、气流场、电磁场在整个灭弧室内随时间的分布；以此来分析电弧在灭弧室内的动态演变特性，并重点获取永磁体形状和放置位置对燃弧阶段电弧在灭弧室内的动态特性的调控机理和电弧能量高效耗散机制。
优选地，在步骤1.2)中，空气等离子体电弧动态特性采用MHD方法计算并分析，在计算中，空气等离子体视为一种流体，其中等离子体由以下方程来描述，流体模型中的
质量守恒方程：
动量守恒方程：
能量守恒方程：
气体状态方程：ρ＝ρ(p,T) (4)；
式(2)中，
是整个电流回路中产生的洛伦磁力，在电弧仿真中，弧柱的运动不仅受气流场的作用，同时也受洛伦磁力的作用，尤其在大电流情况下；式(3)中Sh代表的是能量源项，其中σE2为焦耳热，表示注入电弧的能量，qrad为辐射项，采用净辐射系数求解时，辐射项可用下式计算：qrad＝4πεN (5)；
式中，εN为净辐射系数；
计算不同频率下电弧动态特性，采用瞬态场进行求解；电磁场通过以下Maxwell方程进行求解；
式中，
采用以下磁矢位法对电弧自身产生磁场进行求解：
为了确保磁矢位方程求解的唯一性，磁矢位需满足库伦规范：
联立式(6)到式(7)可以得到以下磁矢位方程：
式中，ρ-密度；
-速度矢量；t-时间；T-温度；vk-速度；三维模型中指vx,vy,vz；η-粘度系数；p-压力；
-电流密度矢量；
-磁通量密度矢量；h-焓值；λ-热导率；cp-定压比热；σ-电导率；E-电场强度；qη-粘性耗散；
-磁场强度；
-电流密度，包括传导电流密度和涡流密度；μ-磁导率；
-磁矢位；φ-电位。
优选地，在步骤2.1)中，在燃弧阶段电弧各物理量的变化基础上，根据双温度计算模型，计算得到电弧电流过零期间非平衡态下空气等离子体的双温度物性参数及输运系数，以电流过零前一段时间的平衡态下各物理量分布为初始条件，建立电弧非平衡态磁流体动力学模型，即考虑电子温度和重粒子温度的不同，在Fluent软件中，加入自定义标量方程，分别求解电子温度和重粒子温度，同时耦合动量守恒和质量守恒方程，完成对电弧过零期间电弧气流场、电子数密度、整个灭弧室内部电场分布和剩余电流物理量的求解。
优选地，在步骤2.3)中，对电流过零后灭弧室间隙重击穿特性进行评估，首先确定热击穿评估指标，以剩余电流作为评价热击穿的指标，结合采用零区系统对弧后剩余电流衰减过程测量实验，对弧后热击穿特性进行评估；对于电击穿评估，采用折合临界击穿场强作为评估指标；首先建立电子能量分布函数，求解得到电离反应系数、吸附反应系数和电子漂移速率；在此基础上，结合仿真计算得到的灭弧室内部电场分布，采用玻尔兹曼分析法对弧后电击穿特性进行评估；再根据以上评估结果，得到易发生重击穿的部分，提出抑制重击穿的措施。
优选地，在步骤3.2)中，在燃弧特性和弧后特性的基础上，以表征电弧开断能力的参数，以表征灭弧室结构的特征参数，构建以灭弧室结构参数为变量，以表征开断能力的物理量为目标函数的匹配数学模型，通过归一化处理形成灭弧室结构与电弧开断能力的匹配原则。
优选地，所述表征电弧开断能力的参数包括开断电压大小、开断电流大小、燃弧时间、剩余电流和临界击穿场强。
优选地，所述表征灭弧室结构的特征参数包括灭弧室体积、栅片个数、栅片间距和触头开距。
本发明还公开了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的智能直流断路器灭弧分析方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明对直流开断理论及相关技术进行深入分析，为后续智能小型直流断路器新产品产品的研发提供理论指导，最终可实现高性能直流开断，从而实现智能型小型直流断路器的高开断能力，而且成本低；研制的智能小型化直流断路器可应用于光伏发电、交直流混合配电网，数据中心，智慧园区以及智慧楼宇等场合。
附图说明
图1为本发明的分析方法在实施例的流程图。
图2为本发明中的激光补光电弧测试实验装置结构示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图1所示，本发明实施例的智能小型直流断路器灭弧分析方法，针对小型断路器直流无极性开断技术及应用，从灭弧室性能提升方面，重点从增加气吹(产气材料)和磁吹(永磁体)两个关键的开断方面进行深入分析，再从灭弧技术对直流电弧动态特性(弧根转移、栅片切割等)的调控机理、弧后重击穿特性评估及灭弧室结构与开断能力的匹配特性三个方面分阶段、依次深入分析，具体包括步骤：
1)直流电弧动态特性及调控机理分析：
1.1)耦合电磁场、温度场、气流场、辐射特性等多物理场，建立燃弧期间小型断路器磁流体动力学(MHD)模型；
1.2)在建立的磁流体动力学仿真模型的基础上，仿真分析不同永磁体布置位置和布置方式对不同极性方向下电弧动态特性的调控特性及影响规律；
1.3)搭建直流电弧开断实验平台，结合激光阴影、CCD、光谱和动态气压测试系统等诊断技术，基于MCB现有开关产品，重点研究不同产气材料蒸气对电弧动态演变特性的调控，与仿真结果相结合，建立宏观参数与微观参数之间的相互作用关系，全面了解并掌握永磁体和产气材料对电弧的调控机理，从而为高电压灭弧室的优化设计提供理论依据；
2)弧后重击穿特性评估分析；
2.1)在以上得到燃弧期间电弧特性的基础上，计算电流过零期间多组分非平衡态下空气等离子体的物性参数和输运参数；
2.2)以计算得到的物性参数为输入参数，建立电流过零期间非平衡态磁流体动力学模型，分析弧后电弧衰减特性；
2.3)建立弧后热击穿特性评估方法和电击穿特性评估方法，结合光谱测量系统、电流零区测试系统等诊断技术，提出抑制弧后重击穿措施；
3)灭弧室结构与开断能力的匹配特性；
3.1)在掌握了燃弧阶段电弧特性、弧后重击穿评估参数和方法的基础上，建立灭弧室结构参数和开断能力的匹配关系；
3.2)以表征开断能力的物理量如开断电流、燃弧时间、剩余电流、临界击穿场强为目标函数，以灭弧室结构参数如栅片个数、栅片间距、触头开距、出气口大小等为变量，建立多目标多参数的匹配数学模型；
3.3)通过建立的数学模型，根据约束条件，确定灭弧室的最佳结构参数和增强气吹和磁吹的方案、弧后重击穿抑制措施等；并最终实现灭弧室的优化设计，以满足直流小型断路器大电流无极性开断需求。
在一具体实施例中，在步骤1.1)中，建立燃弧期间小型直流断路器磁流体动力学仿真模型的具体过程为：直流电弧动态特性及调控机理分析中，在空气等离子体局部热力学平衡态(LTE)条件，压力范围0.1-0.8MPa、温度范围300-30000K、不同比例金属蒸气(银、铜和铁)及产气材料蒸气的空气等离子体的密度、焓值、定压比热等热力学物性参数和电导率、热导率、粘性系数等输运参数的基础上，耦合易于收敛、计算速度快、可考虑多组分混合参数的流体动力学计算模块ANSYS Fluent软件与可以计算瞬态电磁场的计算模块ANSYSEmag，通过对Fluent软件进行二次开发以及借助MpCCI接口软件，通过APDL语言编写的数据双向实时传输程序，同时耦合外部短路电路方程，采用动网格技术来模拟动触头的打开运动过程，建立小型断路器灭弧室空气电弧仿真磁流体动力学(MHD)模型。
在一具体实施例中，在步骤1.2)中，利用所建立的MHD模型，计算不同永磁体形状和位置情况下，不同极性的电弧在发展全过程中紧密耦合的温度场、气流场、电磁场等在整个灭弧室内随时间的分布。以此来分析电弧在灭弧室内的动态演变特性，并重点揭示永磁体形状和放置位置对燃弧阶段电弧在灭弧室内的动态特性的调控机理和电弧能量高效耗散机制。具体地，空气等离子体电弧动态特性采用MHD方法计算并分析，在计算中，空气等离子体视为一种流体，其中等离子体由以下方程来描述，流体模型中的
质量守恒方程：
动量守恒方程：
能量守恒方程：
气体状态方程：ρ＝ρ(p,T)(4)；
式(2)中，
是整个电流回路中产生的洛伦磁力，在电弧仿真中，弧柱的运动不仅受气流场的作用，同时也受洛伦磁力的作用，尤其在大电流情况下；式(3)中Sh代表的是能量源项，其中σE2为焦耳热，表示注入电弧的能量，qrad为辐射项，采用净辐射系数求解时，辐射项可用下式计算：qrad＝4πεN(5)；式中，εN为净辐射系数；
计算不同频率下电弧动态特性，采用瞬态场进行求解；电磁场通过以下Maxwell方程进行求解；
式中，
采用以下磁矢位法对电弧自身产生磁场进行求解：
为了确保磁矢位方程求解的唯一性，磁矢位需满足库伦规范：
联立式(6)到式(7)可以得到以下磁矢位方程：
式中，ρ-密度；
-速度矢量；t-时间；T-温度；vk-速度；三维模型中指vx,vy,vz；η-粘度系数；p-压力；
-电流密度矢量；
-磁通量密度矢量；h-焓值；λ-热导率；cp-定压比热；σ-电导率；E-电场强度；qη-粘性耗散；
-磁场强度；
-电流密度，包括传导电流密度和涡流密度；μ-磁导率；
-磁矢位；φ-电位。
在实验方面：基于MCB实际产品，对其进行改进，加入产气材料，在电弧特性测量技术方面：1.由于电弧会发出强光，在拍摄电弧图像时会导致周围栅片和触头部件等显示不清楚，不利于电弧切割过程的分析，因此，采用激光补光方法，将周围栅片和触头部件用激光照射，即利用一台连续波长的激光器与高速摄影仪配合拍摄电弧演变形态随时间的变化，如图2所示，这样就可以清楚地观察到灭弧室内各个部件，利于电弧动态特性的分析；2.利用高压探头、罗氏线圈、压力传感器分别测量电弧电压、电弧电流及灭弧室内关键位置的压力变化，和仿真得到的结果形成互补，以此分析产气材料蒸气和永磁体对电弧动态演变过程的调控机理。
在一具体实施例中，在步骤2.1)中，在得到以上燃弧阶段电弧各物理量的变化基础上，根据双温度计算模型，计算得到电弧电流过零期间非平衡态下空气等离子体的双温度物性参数及输运系数，以电流过零前200μs时刻的平衡态下各物理量分布为初始条件，建立电弧非平衡态磁流体动力学(MHD)模型，即考虑电子温度和重粒子温度的不同，在Fluent软件中，加入自定义标量方程，分别求解电子温度和重粒子温度，同时耦合动量守恒和质量守恒方程，完成对电弧过零期间电弧气流场、电子数密度、整个灭弧室内部电场分布和剩余电流等物理量的求解。实验方面：1.利用KEMA零区电流测量系统对弧后剩余电流进行测量。2.利用光谱仪与ICCD相机配合的时空分辨发射光谱系统，基于波尔兹曼斜率方法和斯达克展宽方法定量诊断电弧等离子体温度和电子数密度等参数的衰减过程，补充仿真结果。
在一具体实施例中，在步骤2.3)中，为了对电流过零后灭弧室间隙重击穿特性进行评估，首先确定热击穿评估指标，以剩余电流作为评价热击穿的指标，结合采用零区系统对弧后剩余电流衰减过程测量实验，对弧后热击穿特性进行评估。对于电击穿评估，采用折合临界击穿场强(E/N)cr作为评估指标。首先建立电子能量分布函数(EEDF)，求解得到电离反应系数、吸附反应系数和电子漂移速率等。在此基础上，结合仿真计算得到的灭弧室内部电场分布，采用玻尔兹曼分析法对弧后电击穿特性进行评估。根据以上评估结果，得到易发生重击穿的部分，提出抑制重击穿的措施。
在一具体实施例中，在步骤3)中，在以上燃弧特性和弧后特性研究的基础上，以开断电压大小、开断电流大小、燃弧时间、剩余电流、临界击穿场强为表征电弧开断能力的参数，以灭弧室体积、栅片个数、栅片间距、触头开距为表征灭弧室结构的特征参数，构建以灭弧室结构参数为变量，以表征开断能力的物理量为目标函数的数学模型，通过归一化处理形成灭弧室结构与电弧开断能力的匹配原则。以仿真和实验数据为基础，采用多目标遗传算法进行优化，从而得到MCB灭弧室各参数之间的最佳配合比例。
在开断技术方面，为了增加气吹，拟将动静触头结构设计为喷口结构以加速气流场运动，并在栅片腿部布置梯形形状的产气材料，即靠近触头区域部分气流通道较宽，靠近栅片部分收缩的形状，从而增强进入栅片时洛仑磁力，加速电弧被栅片切割过程；为了增加磁吹和消除永磁体极性影响，拟在栅片部分布置永磁体。如果电流流向是垂直纸面向里，磁场将加速其向其进入栅片上半部分区域，如果电流流向是垂直纸面向外，磁场将加速电弧进入栅片下半部分区域，从而消除了永磁体的极性影响，加速气流场运动速度和对流通量。结合以上匹配原则和开断技术，重点通过调控电弧动态特性以增强电弧能量耗散，确定出可实现小型断路器无极性直流电弧开断的优化设计方案，并通过实验来验证其有效性，最终实现小型断路器灭弧室的优化设计。
本发明对直流开断理论及相关技术进行深入分析，为后续智能小型直流断路器新产品产品的研发提供理论指导，最终可实现高性能直流开断，从而实现智能型小型直流断路器的高开断能力；研制的智能小型化直流断路器可应用于光伏发电、交直流混合配电网，数据中心，智慧园区以及智慧楼宇等场合。
本发明实施例还公开了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的智能直流断路器灭弧分析方法的步骤。本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一个计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。存储器可用于存储计算机程序和/或模块，处理器通过运行或执行存储在存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现各种功能。存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(SmartMedia Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其它易失性固态存储器件等。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种智能直流断路器灭弧分析方法，其特征在于，包括步骤：
1)直流电弧动态特性及调控机理分析：
1.1)耦合多个物理场，建立燃弧期间小型直流断路器磁流体动力学仿真模型；其中物理场包括电磁场、温度场、气流场、辐射特性中的一个或者多个；
1.2)在磁流体动力学仿真模型的基础上，仿真分析不同永磁体布置位置和布置方式对不同极性方向下电弧动态特性的调控特性及影响规律；
1.3)通过分析不同产气材料蒸气对电弧动态演变特性的调控，并与仿真结果相结合，建立宏观参数与微观参数之间的相互作用关系，获取永磁体和产气材料对电弧的调控机理；
2)弧后重击穿特性评估分析：
2.1)在以上得到燃弧期间电弧动态特性的基础上，计算电流过零期间多组分非平衡态下空气等离子体的物性参数和输运参数；
2.2)以物性参数为输入参数，建立电流过零期间非平衡态磁流体动力学模型，分析弧后电弧衰减特性；
2.3)建立弧后热击穿特性评估方法和电击穿特性评估方法，结合光谱测量系统和电流零区测试系统诊断技术，得到抑制弧后重击穿措施；
3)灭弧室结构与开断能力的匹配特性分析：
3.1)在获取燃弧阶段电弧动态特性、弧后重击穿评估参数和方法的基础上，建立灭弧室结构参数和开断能力的匹配关系；
3.2)以表征开断能力的物理量为目标函数，以灭弧室结构参数为变量，建立多目标多参数的匹配数学模型；
3.3)通过建立的匹配数学模型，根据约束条件，确定灭弧室的最佳结构参数和增强气吹和磁吹方案、弧后重击穿抑制措施，完成灭弧室的优化设计以满足直流小型断路器大电流无极性开断需求。
2.根据权利要求1所述的智能直流断路器灭弧分析方法，其特征在于，在步骤1.1)中，建立燃弧期间小型直流断路器磁流体动力学仿真模型的具体过程为：在获取空气等离子体局部热力学平衡态条件，压力范围、温度范围、不同比例金属蒸气及产气材料蒸气的空气等离子体的热力学物性参数和输运参数的基础上，耦合流体动力学计算模块ANSYS Fluent软件与计算模块ANSYS Emag，通过对Fluent软件进行二次开发以及借助MpCCI接口软件，通过APDL语言编写的数据双向实时传输程序，同时耦合外部短路电路方程，采用动网格技术来模拟动触头的打开运动过程，建立燃弧期间小型直流断路器磁流体动力学仿真模型。
3.根据权利要求2所述的智能直流断路器灭弧分析方法，其特征在于，在步骤1.2)中，利用磁流体动力学仿真模型，计算不同永磁体形状和位置情况下，不同极性的电弧在发展全过程中紧密耦合的温度场、气流场、电磁场在整个灭弧室内随时间的分布；以此来分析电弧在灭弧室内的动态演变特性，并重点获取永磁体形状和放置位置对燃弧阶段电弧在灭弧室内的动态特性的调控机理和电弧能量高效耗散机制。
4.根据权利要求3所述的智能直流断路器灭弧分析方法，其特征在于，在步骤1.2)中，空气等离子体电弧动态特性采用MHD方法计算并分析，在计算中，空气等离子体视为一种流体，其中等离子体由以下方程来描述，流体模型中的
质量守恒方程：
动量守恒方程：
能量守恒方程：
气体状态方程：ρ＝ρ(p,T) (4)
式(2)中，
是整个电流回路中产生的洛伦磁力，在电弧仿真中，弧柱的运动不仅受气流场的作用，同时也受洛伦磁力的作用，尤其在大电流情况下；式(3)中Sh代表的是能量源项，其中σE2为焦耳热，表示注入电弧的能量，qrad为辐射项，采用净辐射系数求解时，辐射项可用下式计算：
qrad＝4πεN (5)
式中，εN为净辐射系数；
计算不同频率下电弧动态特性，采用瞬态场进行求解；电磁场通过以下Maxwell方程进行求解；
式中，
采用以下磁矢位法对电弧自身产生磁场进行求解：
为了确保磁矢位方程求解的唯一性，磁矢位需满足库伦规范：
联立式(6)到式(7)可以得到以下磁矢位方程：
式中，ρ-密度；
-速度矢量；t-时间；T-温度；vk-速度；三维模型中指vx,vy,vz；η-粘度系数；p-压力；
-电流密度矢量；
-磁通量密度矢量；h-焓值；λ-热导率；cp-定压比热；σ-电导率；E-电场强度；qη-粘性耗散；
-磁场强度；
-电流密度，包括传导电流密度和涡流密度；μ-磁导率；
-磁矢位；φ-电位。
5.根据权利要求4所述的智能直流断路器灭弧分析方法，其特征在于，在步骤2.1)中，在燃弧阶段电弧各物理量的变化基础上，根据双温度计算模型，计算得到电弧电流过零期间非平衡态下空气等离子体的双温度物性参数及输运系数，以电流过零前一段时间的平衡态下各物理量分布为初始条件，建立电弧非平衡态磁流体动力学模型，即考虑电子温度和重粒子温度的不同，在Fluent软件中，加入自定义标量方程，分别求解电子温度和重粒子温度，同时耦合动量守恒和质量守恒方程，完成对电弧过零期间电弧气流场、电子数密度、整个灭弧室内部电场分布和剩余电流物理量的求解。
6.根据权利要求5所述的智能直流断路器灭弧分析方法，其特征在于，在步骤2.3)中，对电流过零后灭弧室间隙重击穿特性进行评估，首先确定热击穿评估指标，以剩余电流作为评价热击穿的指标，结合采用零区系统对弧后剩余电流衰减过程测量实验，对弧后热击穿特性进行评估；对于电击穿评估，采用折合临界击穿场强作为评估指标；首先建立电子能量分布函数，求解得到电离反应系数、吸附反应系数和电子漂移速率；在此基础上，结合仿真计算得到的灭弧室内部电场分布，采用玻尔兹曼分析法对弧后电击穿特性进行评估；再根据以上评估结果，得到易发生重击穿的部分，提出抑制重击穿的措施。
7.根据权利要求6所述的智能直流断路器灭弧分析方法，其特征在于，在步骤3.2)中，在燃弧特性和弧后特性的基础上，以表征电弧开断能力的参数，以表征灭弧室结构的特征参数，构建以灭弧室结构参数为变量，以表征开断能力的物理量为目标函数的匹配数学模型，通过归一化处理形成灭弧室结构与电弧开断能力的匹配原则。
8.根据权利要求7所述的智能直流断路器灭弧分析方法，其特征在于，所述表征电弧开断能力的参数包括开断电压大小、开断电流大小、燃弧时间、剩余电流和临界击穿场强。
9.根据权利要求7所述的智能直流断路器灭弧分析方法，其特征在于，所述表征灭弧室结构的特征参数包括灭弧室体积、栅片个数、栅片间距和触头开距。
10.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序在被处理器运行时执行如权利要求1～9中任意一项所述的智能直流断路器灭弧分析方法的步骤。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111293369.2A CN114021496B (zh) | 2021-11-03 | 2021-11-03 | 智能直流断路器灭弧分析方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111293369.2A CN114021496B (zh) | 2021-11-03 | 2021-11-03 | 智能直流断路器灭弧分析方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114021496A true CN114021496A (zh) | 2022-02-08 |
| CN114021496B CN114021496B (zh) | 2024-10-18 |
Family
ID=80059996
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111293369.2A Active CN114021496B (zh) | 2021-11-03 | 2021-11-03 | 智能直流断路器灭弧分析方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114021496B (zh) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114896935A (zh) * | 2022-05-06 | 2022-08-12 | 西安交通大学 | 一种基于能量密度评估高压气体断路器开断非对称短路电流结果的方法 |
| CN114925631A (zh) * | 2022-05-25 | 2022-08-19 | 中国南方电网有限责任公司超高压输电公司检修试验中心 | 直流电弧仿真方法、装置、计算机设备和存储介质 |
| CN115113032A (zh) * | 2022-06-29 | 2022-09-27 | 云南电网有限责任公司电力科学研究院 | 一种测量等离子体分布参数的方法、系统及装置 |
| CN117216885A (zh) * | 2023-11-08 | 2023-12-12 | 中国民航大学 | 基于comsol的航空直流接地电弧损伤模拟方法及系统 |
| WO2024007484A1 (zh) * | 2022-07-06 | 2024-01-11 | 中国南方电网有限责任公司超高压输电公司检修试验中心 | 灭弧室直流燃弧耐受能力的判断方法、装置和计算机设备 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104252559A (zh) * | 2014-08-29 | 2014-12-31 | 浙江中科电声研发中心 | 一种扬声器多场耦合的数值仿真分析方法 |
| WO2016082556A1 (zh) * | 2014-11-26 | 2016-06-02 | 国家电网公司 | 一种gis隔离开关高频电弧电阻模型建模方法 |
| CN106407501A (zh) * | 2016-08-18 | 2017-02-15 | 广州供电局有限公司 | 高压气体断路器开断性能评估方法和系统 |
| US20200356128A1 (en) * | 2019-05-10 | 2020-11-12 | Schweitzer Engineering Laboratories, Inc. | Load shedding system for both active and reactive power based on system perturbation |
-
2021
- 2021-11-03 CN CN202111293369.2A patent/CN114021496B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104252559A (zh) * | 2014-08-29 | 2014-12-31 | 浙江中科电声研发中心 | 一种扬声器多场耦合的数值仿真分析方法 |
| WO2016082556A1 (zh) * | 2014-11-26 | 2016-06-02 | 国家电网公司 | 一种gis隔离开关高频电弧电阻模型建模方法 |
| CN106407501A (zh) * | 2016-08-18 | 2017-02-15 | 广州供电局有限公司 | 高压气体断路器开断性能评估方法和系统 |
| US20200356128A1 (en) * | 2019-05-10 | 2020-11-12 | Schweitzer Engineering Laboratories, Inc. | Load shedding system for both active and reactive power based on system perturbation |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 程显;段雄英;廖敏夫;陈建华;邹积岩;: "混合断路器大电流开断过程中真空电弧与SF6电弧相互作用的仿真", 高电压技术, no. 06, 30 June 2012 (2012-06-30) * |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114896935A (zh) * | 2022-05-06 | 2022-08-12 | 西安交通大学 | 一种基于能量密度评估高压气体断路器开断非对称短路电流结果的方法 |
| CN114896935B (zh) * | 2022-05-06 | 2024-02-23 | 西安交通大学 | 一种基于能量密度评估高压气体断路器开断非对称短路电流结果的方法 |
| CN114925631A (zh) * | 2022-05-25 | 2022-08-19 | 中国南方电网有限责任公司超高压输电公司检修试验中心 | 直流电弧仿真方法、装置、计算机设备和存储介质 |
| WO2023226113A1 (zh) * | 2022-05-25 | 2023-11-30 | 中国南方电网有限责任公司超高压输电公司检修试验中心 | 直流电弧仿真方法、装置、计算机设备和存储介质 |
| CN114925631B (zh) * | 2022-05-25 | 2024-06-28 | 中国南方电网有限责任公司超高压输电公司检修试验中心 | 直流电弧仿真方法、装置、计算机设备和存储介质 |
| CN115113032A (zh) * | 2022-06-29 | 2022-09-27 | 云南电网有限责任公司电力科学研究院 | 一种测量等离子体分布参数的方法、系统及装置 |
| WO2024007484A1 (zh) * | 2022-07-06 | 2024-01-11 | 中国南方电网有限责任公司超高压输电公司检修试验中心 | 灭弧室直流燃弧耐受能力的判断方法、装置和计算机设备 |
| CN117216885A (zh) * | 2023-11-08 | 2023-12-12 | 中国民航大学 | 基于comsol的航空直流接地电弧损伤模拟方法及系统 |
| CN117216885B (zh) * | 2023-11-08 | 2024-02-20 | 中国民航大学 | 基于comsol的航空直流接地电弧损伤模拟方法及系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114021496B (zh) | 2024-10-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN114021496A (zh) | 智能直流断路器灭弧分析方法 | |
| Yang et al. | Low-voltage circuit breaker arcs—simulation and measurements | |
| Fubiani et al. | Modeling of secondary emission processes in the negative ion based electrostatic accelerator<? format?> of the International Thermonuclear Experimental Reactor | |
| Li et al. | Characteristics of secondary AC arc column motion near power transmission-line insulator string | |
| Yang et al. | Numerical analysis of arc characteristics of splitting process considering ferromagnetic plate in low-voltage arc chamber | |
| Doyle et al. | Magnetic equilibrium design for the SMART tokamak | |
| Schlitz et al. | Gas dynamics and electromagnetic processes in high-current arc plasmas. Part I. Model formulation and steady-state solutions | |
| Shidong et al. | Research on arc root stagnation when small current is interrupted in self-excited circuit breaker | |
| Mochalskyy et al. | Comparison of ONIX simulation results with experimental data from the BATMAN testbed for the study of negative ion extraction | |
| Shoji et al. | Simulation of impurity transport in the peripheral plasma due to the emission of dust in long pulse discharges on the large helical device | |
| Xingwen et al. | Simulation of the effects of several factors on arc plasma behavior in low voltage circuit breaker | |
| Wang et al. | Transient MHD modeling and simulation of high-current vacuum arc under three kinds of interruption processes | |
| Enami et al. | Simulation of arc in molded-case circuit breaker with metal vapor and moving electrode | |
| Na et al. | An analysis and preliminary experiment of the discharge characteristics of RF ion source with electromagnetic shielding | |
| Abbasi et al. | Impact of External Magnetic Field on Plasma Current Layer Deformation During Contact Opening in Medium-Voltage Puffer $\hbox {SF} _ {6} $ Circuit Breaker | |
| Li et al. | Ferromagnetic material effects on air arc behavior | |
| Yin et al. | Effect of frequency on arc motion in multiple parallel contacts’ system | |
| Fritz et al. | Results of 3D numerical simulations of high-current constricted vacuum arcs in a strong magnetic field | |
| Wright et al. | Modeling of electric arcs: A study of the non-convective case with strong coupling | |
| Chen et al. | Hybrid kinetic-MHD simulations of vacuum arc using field-circuit coupling method | |
| Peng et al. | Effect of Splitter Plates Material and Structure on Arc Characteristics Under the Action of Permanent Magnets | |
| Bekheit | Simulation of small size divertor tokamak plasma edge including self-consistent electric fields | |
| Dong et al. | Particle-in-Cell Investigation on Temporal Evolution of High-Voltage Sheath of Mixed Deuterium-Titanium Plasmas | |
| Yin et al. | Analysis of Arc Dynamic Characteristics in DC Disconnecting Switch | |
| Rong et al. | The research of electric arc simulation in low voltage switching devices |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |