CN116522719A - 一种适用于开关电弧起弧过程的磁流体动力学仿真建模方法 - Google Patents
一种适用于开关电弧起弧过程的磁流体动力学仿真建模方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116522719A CN116522719A CN202310454688.XA CN202310454688A CN116522719A CN 116522719 A CN116522719 A CN 116522719A CN 202310454688 A CN202310454688 A CN 202310454688A CN 116522719 A CN116522719 A CN 116522719A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- arc
- interface
- simulation
- node
- geometric model
- 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.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 57
- 230000008569 process Effects 0.000 title claims abstract description 34
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 title claims abstract description 14
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims abstract description 46
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 21
- 238000011160 research Methods 0.000 claims abstract description 8
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 claims abstract description 5
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 20
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 19
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 19
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 19
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 17
- 238000010791 quenching Methods 0.000 claims description 9
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 claims description 9
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 5
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 4
- 238000002224 dissection Methods 0.000 claims description 2
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 abstract description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 39
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 1
- 230000001808 coupling effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 230000000452 restraining effect Effects 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
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
- G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/10—Geometric CAD
-
- 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
- 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
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Geometry (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Pure & Applied Mathematics (AREA)
- Mathematical Analysis (AREA)
- Mathematical Optimization (AREA)
- Computational Mathematics (AREA)
- Algebra (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)
Abstract
本发明公开了一种适用于开关电弧起弧过程的磁流体动力学仿真建模方法，属于交直流电弧仿真建模领域。首先在仿真软件中建立磁流体动力学仿真模型电路结构与几何模型，并绘制电极和电弧等离子体的求解域。然后根据所研究的开关电弧放电条件，在几何模型中添加电机材料和灭弧气体材料，并对灭弧气体材料的物性参数添加约束条件，使得电弧在起弧过程中能够形成自持放电。最后对几何模型进行网格剖分，对网格剖分后的几何模型添加两个暂态研究步骤，对通电过程进行多帧仿真，获得温度梯度连续变化的电弧温度初始值，完成模型的仿真。本发明突破了对电弧几何尺寸的限制，解决了低温下电路无法导通的问题，减少仿真模型的调试时间，提高仿真的准确性。
Description
技术领域
本发明属于交直流电弧仿真建模领域，涉及气体电弧物性参数及磁流体动力学理论，具体涉及一种适用于开关电弧起弧过程的磁流体动力学仿真建模方法。
背景技术
开关电弧是一种在交直流供配电系统中由于机械开关动静触头分断动作产生的电气现象，常见的开关电弧包括真空电弧和气体电弧，真空电弧是指机械开关的动静触头密封于真空中，依靠较低的电弧电压降低燃弧过程中的电弧能量，当系统产生电流过零点时，电弧自动熄灭。气体电弧是指机械开关的动静触头密封于一定压力的气氛环境之中，燃弧过程中的能量会使灭弧室内的气体分子电离，形成电弧等离子体，电弧等离子体的物性参数会使得电弧电压升高，当电弧电压超过系统电压时，电弧自动熄灭。
开关动作过程中产生的电弧会延迟供配电系统的断开时间，严重情况下会造成电气事故，因此对开关的灭弧性能需要进行充分的研究。常规的研究方法包括直接实验法和建模仿真法。直接实验法就是将开关串接入系统中进行多次的开断实验从而得到实际的灭弧性能，这种方法在时间成本和金钱成本上消耗较大，制约了开关设备的研发效率。随着近些年建模仿真技术以及计算机硬件的发展，基于磁流体动力学理论通过有限元软件对开关电弧进行建模的研究方法被越来越多的研究人员所关注。使用有限元仿真软件基于磁流体动力学理论所得到的电弧等离子体演化特性是在电场、磁场、气流场和温度场之间的强耦合作用下的仿真结果，会受初始条件及边界条件设置的差异产生不同的仿真结果。
目前，现有的开关电弧起弧过程的建模方法是将机械开关阴阳极之间设置有一定的距离，用以等效电弧的初始长度并规定电弧的初始直径，使电弧在起弧过程中拥有确定的初始放电通道。由于电弧的电导率与电弧的温度呈正相关，需要对电弧导电通道设置较高的初始温度以满足电路的导通条件。电弧初始温度通常设置在15000～20000K之间。求解仿真模型的过程中，电弧初始温度与环境温度在电弧初始放电通道的边缘产生极大的温度梯度，使仿真模型初始化的过程中产生奇异值导致无法进行后续的计算，因此需要进行大量的调试工作以获得能够使模型稳定收敛的初始条件。通常初始条件的设置受到研究人员的主观经验因素限制，难以反映真实的电弧起弧过程。
因此，针对以上不足，需要提出一种不考虑电弧初始几何尺寸且适用于开关电弧起弧过程的磁流体动力学仿真建模方法。
发明内容
本发明所提出的一种适用于开关电弧起弧过程的磁流体动力学仿真建模方法，在电弧起弧阶段不对电弧的几何尺寸进行限制，基于实验数据对电弧等离子体物性参数进行约束，使机械开关阴阳极之间的灭弧气体能够维持电路的导通，进而产生自持放电，将电弧等离子体自持放电的温度分布作为初始条件进行后续的仿真，解决电弧初始温度与环境温度间较大的温度梯度问题，具有更容易得到收敛结果的优势。
一种适用于开关电弧起弧过程的磁流体动力学仿真建模方法，具体步骤如下：
步骤1：在仿真软件中，根据待研究的开关电弧的几何特性，选择二维或三维的空间维度，建立磁流体动力学仿真模型电路结构与几何模型；
磁流体动力学仿真模型中物理场接口和物理场之间的耦合接口包括：电路(cir)接口、层流(spf)接口、流体传热(ht)接口和电流(ec)接口，同时选择耦合层流(spf)与流体传热(ht)的非等温流动(nitf)接口，以及耦合电流(ec)和流体传热(ht)的平衡放电热源(phs)接口。
几何模型中，开关电弧的阴极和阳极之间保持非电气接触状态；
电路结构为：在电路(cir)接口中添加电压源(V)节点、接地节点(GND)、电阻器(R)、电感器(L)和外部I vs.U(IvsU)节点，并将各节点连接成串联结构，具体为：将电压源(V)的‘Un’节点与接地节点(GND)连接，将电压源(V)的‘Up’节点与电阻器(R)的‘Rn’节点连接，将电阻器(R)的‘Rp’节点与电感器(L)的‘Ln’节点连接，将电感器(L)的‘Lp’节点与外部Ivs.U(IvsU)的‘Wp’节点连接，将外部I vs.U(IvsU)的‘Wn’节点与接地节点(GND)连接。
电路结构与几何模型的耦合关系为：
在电流(ec)接口中添加“端子”节点，端子类型选择为“电路”，对端子名称命名为‘1’，从几何模型中选择电极阳极的边界，实现电流接口与几何模型的耦合。随后在电路(cir)接口外部I vs.U(IvsU)节点中，电势选择‘端子电压(ec/term1)’后，实现电路接口与几何模型间的耦合。
在电流(ec)接口中添加“端子”节点，从几何模型中选择电极阴极的边界，实现电路接地与几何模型接地间的耦合。
步骤2：基于所建立的磁流体动力学仿真模型，绘制电极和电弧等离子体的求解域，包括电极部分和灭弧气体区域。
将层流(spf)设置为弱可压缩流动，并选择灭弧气体作为层流(spf)接口的求解域。选择灭弧气体作为流体传热(ht)接口的求解域。选择灭弧气体和电极阴、阳极作为电流(ec)接口的求解域。
在平衡放电热源(phs)接口中的热源分量设为包含焦耳热，可根据公式(1)求解等离子体各参数随时间的变化规律。
其中，密度ρ(T)、恒压热容Cp(T)和导热系数k(T)选择来自于材料，流体运动速度u通过层流(spf)接口求解，等离子体温度T通过流体传热(ht)接口求解，电场强度E和电流密度J通过电流(ec)接口求解。
步骤3：根据所研究的开关电弧放电条件，在几何模型中添加电机材料和灭弧气体材料，并对灭弧气体材料的物性参数添加约束条件，使得电弧在起弧过程中能够形成自持放电。
所述灭弧气体材料填充在开关阴阳两极之间的非电气接触区域，灭弧气体物性参数包含密度ρ(T)、恒压热容Cp(T)、导热系数k(T)、动力粘度μ(T)、电导率σgas(T)和比热容γ。
对灭弧气体材料物性参数中的电导率σgas(T)进行约束，添加最小电导率σmin，约束条件为if(σgas(T)<σmin,σmin,σgas(T))。
最小电导率σmin根据气体分子的电离能和电弧电压-电流实验数据进行估算，具体为：
根据灭弧气体物性参数中的电导率σgas(T)确定最低生弧温度Tmin，当求解域温度小于最低生弧温度时，即T(x,y)<Tmin，求解域中的灭弧气体电导率被设置为σmin。
步骤4：对几何模型进行网格剖分，将网格设置的序列类型选择为根据物理场控制网格，将单元格大小设置为较细化后自动构建网格；
步骤5：对网格剖分后的几何模型添加两个暂态研究步骤，对通电过程进行多帧仿真，获得温度梯度连续变化的电弧温度初始值，完成模型的仿真。
通电时，电流流经开关电弧产生焦耳热，使电弧等离子体温度升高，通过调整仿真时间使开关阴阳极之间的电弧形成自持放电，最终获得温度梯度连续变化的电弧温度初始值。
本发明的优点在于：
1、本发明在初始条件下无需对电弧的几何尺寸进行限制，能够解决求解有限元仿真模型过程中当电弧初始温度设置为低温时，电路无法满足导通条件；同时解决了当电弧初始温度设置为高温时，电弧初始放电通道的边界上极大的温度梯度导致模型无法获得收敛解。
2、本发明通过添加单独的仿真步骤，使电弧在起弧过程中形成自持放电，最终获得温度梯度连续变化的电弧温度初始值，将温度梯度连续变化的结果作为新的初始条件进行其他研究步骤的仿真，能够减少仿真模型的调试时间并提高电弧等离子体仿真结果的准确性。
附图说明
图1为本发明仿真建模过程中使用的各接口和节点间连接关系示意图；
图2为本发明实施例中磁流体动力学仿真模型电路结构与几何模型示意图；
图3为本发明实施例的开关电弧起弧过程的电路等效示意图；
图4为本发明实施例所提出的开关电弧起弧过程的仿真建模方法流程图；
图5为本发明实施例获得的电弧温度初始值；
图6为现有方法设置的电弧温度初始值。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明的目的在于提供一种适用于开关电弧起弧过程的磁流体动力学仿真建模方法，具体实施方式可通过以下步骤进行说明，以便本领域的技术人员更好的理解本发明。
一种适用于开关电弧起弧过程的磁流体动力学仿真建模方法，如图4所示，具体步骤如下：
步骤1：本实施例以COMSOL Multiphysics有限元仿真软件举例，根据研究的需要选择二维或三维的空间维度，建立磁流体动力学仿真模型电路结构与几何模型；
磁流体动力学仿真模型电路结构与几何模型，如图1和图2所示，几何模型为：
电极的阳极由A-B-C-D-E-F所包围的区域等效，电极的阴极由G-H-I-J-K-L所包围的区域等效。特别地，电极阳极的A-F边界定义为端口1，电极阴极的G-L边界定义为端口2。灭弧气体区域由A-B-C-D-E-F-N-O-L-K-J-I-H-G-P-M所包含的区域等效，且电极的阴、阳极保持非电气接触。
电路结构为：
在电路(cir)接口中添加电压源(V)节点、接地节点(GND)、电阻器(R)、电感器(L)和外部I vs.U(IvsU)节点，并将各节点连接成串联结构，具体为：将电压源(V)的‘Un’节点与接地节点(GND)连接，将电压源(V)的‘Up’节点与电阻器(R)的‘Rn’节点连接，将电阻器(R)的‘Rp’节点与电感器(L)的‘Ln’节点连接，将电感器(L)的‘Lp’节点与外部Ivs.U(IvsU)的‘Wp’节点连接，将外部I vs.U(IvsU)的‘Wn’节点与接地节点(GND)连接。
在电流(ec)接口中添加“端子”节点，端子类型选择为“电路”，对端子名称命名为‘1’，从几何模型中选择电极阳极的A-F边界，实现电路接口与几何模型的耦合。随后在电路(cir)接口外部I vs.U(IvsU)节点中，电势选择‘端子电压(ec/term1)’后，实现电路接口与几何模型间的耦合。
在电流(ec)接口中添加“端子”节点，从模型中选择电极阴极的G-L边界，实现电路接地与几何模型接地间的耦合。
磁流体动力学仿真模型中物理场接口和物理场之间的耦合接口包括：电路(cir)接口、层流(spf)接口、流体传热(ht)接口和电流(ec)接口，同时选择耦合层流(spf)与流体传热(ht)的非等温流动(nitf)接口，以及耦合电流(ec)和流体传热(ht)的平衡放电热源(phs)接口；
各物理场接口的初始值设置为电势V＝0；层流(spf)接口的初始值设置为u＝0；流体传热(ht)接口的初始值设置为T＝293.15K。
步骤2：基于所建立的磁流体动力学仿真模型，绘制电极和电弧等离子体的求解域，包括电极部分和灭弧气体区域。
将层流(spf)设置为弱可压缩流动，并选择灭弧气体作为层流(spf)接口的求解域。选择灭弧气体作为流体传热(ht)接口的求解域。选择灭弧气体和电极阴、阳极作为电流(ec)接口的求解域。在平衡放电热源(phs)接口中的热源分量设为包含焦耳热，可根据公式(1)求解等离子体各参数随时间t的变化规律。
其中，密度ρ(T)、恒压热容Cp(T)和导热系数k(T)选择来自于材料，流体运动速度u通过层流(spf)接口求解，等离子体温度T通过流体传热(ht)接口求解，电场强度E和电流密度J通过电流(ec)接口求解。
步骤3：在仿真模型中添加电机材料和灭弧气体材料及其材料属性；
本实施例中电极材料选择铜，应包含电导率σCu。
灭弧气体可根据需要选择不同类型的气体，材料属性应包含密度ρ(T)、恒压热容Cp(T)、导热系数k(T)、动力粘度μ(T)、电导率σgas(T)和比热容γ。
步骤4：对灭弧气体物性参数中的电导率σgas(T)进行约束，增加最小电导率σmin参数并添加约束条件if(σgas(T)<σmin,σmin,σgas(T))。
约束条件的含义为求解域中温度低于最低生弧温度Tmin位置保持导通的材料电导率设置为最小电导率σmin，解决了低温情况下灭弧气体无法导通电路的问题。
由于在几何模型中未绘制电弧的初始尺寸，因此所述电极阴、阳极之间的灭弧气体均可以最小电导率σmin的条件维持电路的导通，在电路上可等效为如图3所示的若干个并联的电阻Ri。根据公式(2)可得到电极间等效电阻R与电极间的距离l成正比：
因此电极阴、阳极间的导通电阻小于电极周边区域，即Ri+1～Rj-1小于Ri和Rj，因此所耦合的外电路电流更大的比例流经电极阴、阳极间的Ri+1～Rj-1区域。电流所产生的焦耳热会进一步加热等离子区域，使电极间的电弧达到自持放电。
本实施例中选择灭弧气体为氢气，最小电导率σmin设置为1S，对应的最低生弧温度为5100K，电极阴、阳极之间的初始距离选择为3mm，电极中心区域宽度10mm。
步骤5：使用较细化单元大小对几何模型进行网格剖分，将单元格大小设置为较细化后自动构建网格，将网格设置的序列类型选择为根据物理场控制网格。
步骤6：添加两个暂态研究步骤，对通电过程进行仿真，获得仿真模型电弧自持放电时的初始温度，完成模型的仿真。
本实施例中选择计算输出时间为0.1ms，步长为20ms。通电时，电流流经开关电弧产生焦耳热，使电弧等离子体温度升高，通过调整仿真时间使开关阴阳极之间的电弧形成自持放电，最终获得温度梯度连续变化的电弧温度初始值。
温度梯度连续变化指的是在某一时刻，空间坐标系内温度梯度连续变化，因为仿真设置的是瞬态求解器，最终获得的结果是以某个时间段为步长，通过多帧仿真结果形成了动态的过程。
此步骤中不考虑电弧等离子体在磁场作用下的运动趋势，可获得温度梯度连续变化的电弧温度初始值，本实施例使用本发明所提出的方法获得的电弧温度初始值如图5所示。
结果表示：
对比如图6所示现有方法设置的电弧温度初始值，在本发明所得图5所示的自持放电条件下的燃弧状态，电弧与环境边界间的温度梯度连续，无温度阶跃变化现象。通过图5和图6的对比可知，本发明解决了电弧仿真过程中由于初始电弧温度梯度大模型无法继续求解以及依据经验设定电弧初始温度导致仿真结果不准确的问题。
步骤7：进一步利用电弧温度初始值进行后续仿真，耦合计算流体传热和层流接口仿真运动特性，并对仿真结果进行数据处理。
Claims (5)
1.一种适用于开关电弧起弧过程的磁流体动力学仿真建模方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一：在仿真软件中，根据待研究的开关电弧的几何特性，选择二维或三维的空间维度，建立磁流体动力学仿真模型的电路结构与几何模型；
磁流体动力学仿真模型中物理场接口和物理场之间的耦合接口包括：电路(cir)接口、层流(spf)接口、流体传热(ht)接口和电流(ec)接口，同时选择耦合层流(spf)与流体传热(ht)的非等温流动(nitf)接口，以及耦合电流(ec)和流体传热(ht)的平衡放电热源(phs)接口；
几何模型中，开关电弧的阴极和阳极之间保持非电气接触状态；
电路结构为：在电路(cir)接口中添加电压源(V)节点、接地节点(GND)、电阻器(R)、电感器(L)和外部Ivs.U(IvsU)节点，并将各节点连接成串联结构；
步骤二：基于所建立的磁流体动力学仿真模型，绘制电极和电弧等离子体的求解域，包括电极部分和灭弧气体区域；
将层流(spf)设置为弱可压缩流动，并选择灭弧气体作为层流(spf)接口的求解域；选择灭弧气体作为流体传热(ht)接口的求解域；选择灭弧气体和电极阴、阳极作为电流(ec)接口的求解域；
在平衡放电热源(phs)接口中的热源分量设为包含焦耳热，可根据公式(1)求解等离子体各参数随时间的变化规律；
其中，密度ρ、恒压热容Cp和导热系数k选择来自于材料，流体运动速度u通过层流(spf)接口求解，等离子体温度T通过流体传热(ht)接口求解，电场强度E和电流密度J通过电流(ec)接口求解；
步骤三：根据开关电弧放电条件，在几何模型中添加电机材料和灭弧气体材料，并对灭弧气体材料的物性参数添加约束条件，使得电弧在起弧过程中能够形成自持放电；
所述灭弧气体材料填充在开关阴阳两极之间的非电气接触区域，灭弧气体物性参数包含密度ρ、恒压热容Cp、导热系数k、动力粘度μ、电导率σgas(T)和比热容γ；
对灭弧气体材料物性参数中的电导率σgas进行约束，添加最小电导率σmin，约束条件为if(σgas(T)<σmin,σmin,σgas(T))；
步骤四：对几何模型进行网格剖分，将网格设置的序列类型选择为根据物理场控制网格，将单元格大小设置为较细化后自动构建网格；
步骤五：对网格剖分后的几何模型添加两个暂态研究步骤，对通电过程进行多帧仿真，获得温度梯度连续变化的电弧温度初始值，完成模型的仿真。
2.根据权利要求1所述的一种适用于开关电弧起弧过程的磁流体动力学仿真建模方法，其特征在于，所述电路接口中各节点的串联结构具体为：
将电压源(V)的‘Un’节点与接地节点(GND)连接，将电压源(V)的‘Up’节点与电阻器(R)的‘Rn’节点连接，将电阻器(R)的‘Rp’节点与电感器(L)的‘Ln’节点连接，将电感器(L)的‘Lp’节点与外部I vs.U(IvsU)的‘Wp’节点连接，将外部I vs.U(IvsU)的‘Wn’节点与接地节点(GND)连接。
3.根据权利要求1所述的一种适用于开关电弧起弧过程的磁流体动力学仿真建模方法，其特征在于，所述步骤一中电路结构与几何模型的耦合关系为：
在电流(ec)接口中添加“端子”节点，端子类型选择为“电路”，对端子名称命名为‘1’，从几何模型中选择电极阳极的边界，实现电流接口与几何模型的耦合；随后在电路(cir)接口外部I vs.U(IvsU)节点中，电势选择‘端子电压(ec/term1)’后，实现电路接口与几何模型间的耦合；
在电流(ec)接口中添加“端子”节点，从几何模型中选择电极阴极的边界，实现电路接地与几何模型接地间的耦合。
4.根据权利要求1所述的一种适用于开关电弧起弧过程的磁流体动力学仿真建模方法，其特征在于，所述步骤三中，最小电导率σmin根据气体分子的电离能和电弧电压-电流实验数据进行估算，具体为：
根据灭弧气体物性参数中的电导率σgas确定最低生弧温度Tmin，当求解域温度小于最低生弧温度时，即T(x,y)<Tmin，求解域中的灭弧气体电导率被设置为σmin。
5.根据权利要求1所述的一种适用于开关电弧起弧过程的磁流体动力学仿真建模方法，其特征在于，所述步骤五中，获得温度梯度连续变化的电弧温度初始值的过程具体为：
通电时，电流流经开关电弧产生焦耳热，使电弧等离子体温度升高，通过调整仿真时间使开关阴阳极之间的电弧形成自持放电，进行多帧仿真，最终获得温度梯度连续变化的电弧温度初始值。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310454688.XA CN116522719A (zh) | 2023-04-25 | 2023-04-25 | 一种适用于开关电弧起弧过程的磁流体动力学仿真建模方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310454688.XA CN116522719A (zh) | 2023-04-25 | 2023-04-25 | 一种适用于开关电弧起弧过程的磁流体动力学仿真建模方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116522719A true CN116522719A (zh) | 2023-08-01 |
Family
ID=87391525
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310454688.XA Pending CN116522719A (zh) | 2023-04-25 | 2023-04-25 | 一种适用于开关电弧起弧过程的磁流体动力学仿真建模方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116522719A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117350137A (zh) * | 2023-12-05 | 2024-01-05 | 山东理工大学 | 一种放电等离子体通道瞬态特性的有限元仿真方法 |
-
2023
- 2023-04-25 CN CN202310454688.XA patent/CN116522719A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117350137A (zh) * | 2023-12-05 | 2024-01-05 | 山东理工大学 | 一种放电等离子体通道瞬态特性的有限元仿真方法 |
| CN117350137B (zh) * | 2023-12-05 | 2024-03-01 | 山东理工大学 | 一种放电等离子体通道瞬态特性的有限元仿真方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Wu et al. | Numerical analysis of arc plasma behaviour during contact opening process in low-voltage switching device | |
| CN116522719A (zh) | 一种适用于开关电弧起弧过程的磁流体动力学仿真建模方法 | |
| Jadidian | A compact design for high voltage direct current circuit breaker | |
| CN112507583A (zh) | 一种sf6断路器触头开启过程电弧等离子体多物理场有限元仿真分析方法 | |
| Schlitz et al. | Gas dynamics and electromagnetic processes in high-current arc plasmas. Part I. Model formulation and steady-state solutions | |
| Wang et al. | Three-dimensional time-dependent model and simulation of high-current vacuum arc in commercial axial magnetic fields vacuum interrupters | |
| Hartmann et al. | The 3D numerical simulation of a transient vacuum arc under realistic spatial AMF profiles | |
| Yin et al. | Simulation analysis of arc evolution process in multiple parallel contact systems | |
| Hamidieh et al. | Simulation and analysis of initial stages of negative discharges in air for needle-plane electrode configuration | |
| Wu et al. | Numerical analysis of the effect of the chamber width and outlet area on the motion of an air arc plasma | |
| Wu et al. | Calculation of electric and magnetic fields in simplified chambers of low-voltage circuit breakers | |
| Qian et al. | 3-D simulation of high-current vacuum arcs under combined effect of actual magnetic field and external transverse magnetic field | |
| WO2023226113A1 (zh) | 直流电弧仿真方法、装置、计算机设备和存储介质 | |
| CN115329688A (zh) | 低频电流条件下的大电流真空电弧参数的获取方法及系统 | |
| Yaguang et al. | Research on the energy consumption mechanism and characteristics of the gallium indium tin liquid metal arcing process | |
| Hartmann et al. | Development of a FEM simulation of axial magnetic field vacuum arcs | |
| Iturregi et al. | Analysis of the electric arc in low voltage circuit breakers | |
| Cheng et al. | Influence of the vapor shield potential control on the post-arc sheath development in vacuum interrupters | |
| Sun et al. | Simulation of the temperature field distribution in medium-voltage vacuum interrupter and experimental verification | |
| Jing et al. | Study on the influence of breaking parameters and load characteristics on arc energy | |
| Yundong et al. | Research on the influence factors of arc characteristics in the arc extinguish chamber in DC contactor breaking process | |
| Wang et al. | 3D time-dependent model and simulation of high-current vacuum arc in commercial axial magnetic fields vacuum interrupters | |
| Kharin | The method of majorant functions for the calculation of arc erosion | |
| Shibata et al. | Relationship between arc behavior and parameters of the arc root model in the arc gas flow analysis | |
| CN117648883A (zh) | 一种机械开关燃弧过程及弧后过程融合模型仿真方法 |
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 |