CN116842874A - 一种直流断路器灭弧优化方法及系统 - Google Patents

一种直流断路器灭弧优化方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种直流断路器灭弧优化方法及系统，方法包括步骤：1)建立初始的三维动态电弧仿真模型，采用混合划分网格的方式耦合直流断路器触头的运动过程，再根据场路耦合模型耦合外部电路特性，得到最终的三维动态电弧仿真模型；2)基于三维动态电弧仿真模型，综合分析得到影响直流断路器开断可靠性的因素；其中影响直流断路器开断可靠性的因素包括时间常数、拉弧速度和吹弧磁场；3)基于影响直流断路器开断可靠性的因素来得到直流断路器灭弧优化方案。本发明具有优化精准可靠等优点。

Description

一种直流断路器灭弧优化方法及系统
技术领域
本发明主要涉及直流断路器技术领域，具体涉及一种直流断路器灭弧优化方法及系统。
背景技术
目前对于断路器动态电弧特性的研究主要有实验观测与计算机仿真两种方法。断路器电弧实验的方法主要是指设计实验样机，搭建实验平台，运用高速摄像机以及信息采集设备获取电弧形态及分断电压电流等波形，从而研究其动态特性以及调控机理。
目前在实验研究方面，有学者设计了一种断路器灭弧室光纤阵列采集系统，能够以较高的频率捕捉电弧的光信号。有学者凭借高速摄像机拍摄了不同开断速度下的直流接触器动态过程，并研究了不同磁场条件下电弧的移动速度以及弧根分布的情况。有学者拍摄了氮气和氢气、氮气混合气体中的直流电弧运动情况，获得了不同气体组分的电弧特性。
在仿真方面，有学者基于磁流体动力学理论并结合动网格技术，建立了带转动触头的简化低压开关灭弧室中的电弧模型，得到了灭弧室内电弧转移的过程。有学者建立了小型交流断路器中的MHD电弧模型，在不考虑触头运动的情况下，得到了电弧运动变化的过程。有学者考虑蒸发喷溅烧蚀机制，仿真了二维熔池MHD模型，定量分析了触头材料、电流、触头尺寸和触头形状对烧蚀的影响。有学者基于磁流体动力学理论，仿真分析了电流中的直流分量对于于SF6自膨胀断路器开关电弧特性的影响。有学者建立了二维直流空气断路器电弧数学模型，采用移动网格技术实现了灭弧室内动触头的匀速圆周运动，对于电弧等离子鞘层条件进行了假设，研究了直流空气断路器在分断不同负载(阻感性、阻容性)类型情况下电弧的整个运动过程。有学者通过建立金属栅片式直流接触器中的分断电弧磁流体动力学模型，仿真获得了分断电弧的整个演变过程，发现灭弧室气流场扰动使高温气体向磁场力逆方向快速扩散是引起电弧背后击穿的根本原因。弧根停滞和电弧重击穿现象的产生，会延迟电弧熄灭、增加灭弧系统的烧蚀。
到目前为止，国内外学者对于电弧的数学模型建立以及仿真的研究工作已经有了很大的进展。然而还有以下几点局限性：(1)现有的仿真研究多是采用二维电弧模型，然而小型直流断路器本身并非平面对称或轴对称的，建立三维的模型将更接近真实情况；(2)现有的仿真研究多是针对电弧运动过程中的某一阶段进行研究，然而小型直流断路器的电弧运动主要包括4个过程：电弧跳转即电弧从动静触头跳离到跑弧道上、电弧沿跑弧道向栅片运动、电弧进入铁磁栅片并被切割为短弧、电弧被金属栅片切割冷却而导致熄灭，这些过程具有连续性且各阶段的时间跨度较大，忽略任何一个阶段都会对整个仿真研究造成误差。(3)现有的对于直流电弧的研究多应用于直流大电流领域，对于直流小电流情况下的研究较少。
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技术问题，本发明提供一种精准可靠的直流断路器灭弧优化方法及系统。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种直流断路器灭弧优化方法，包括步骤：
1)建立初始的三维动态电弧仿真模型，采用混合划分网格的方式耦合直流断路器触头的运动过程，再根据场路耦合模型耦合外部电路特性，得到最终的三维动态电弧仿真模型；
2)基于三维动态电弧仿真模型，综合分析得到影响直流断路器开断可靠性的因素；其中影响直流断路器开断可靠性的因素包括时间常数、拉弧速度和吹弧磁场；
3)基于影响直流断路器开断可靠性的因素来得到直流断路器灭弧优化方案。
优选地，在步骤1)中，建立初始的三维动态电弧仿真模型的具体过程为：
在基于假设条件下，建立电弧磁流体动力学模型，即初始三维动态电弧仿真模型，其中电弧磁流体动力学模型的质量守恒方程表述为微元控制体内质量的增加率与进入微元控制体内的净质量流率相等，等式经变形化简可得：
式中：ρ为密度；t为时间；为速度矢量；
其中电弧磁流体动力学模型的动量守恒方程表述为微元控制体的动量随时间的增加率与微元控制体所受的合力相等，电弧所受外力为电磁力，等式经变形化简可得：
式中：υk为x、y和z轴速度分量，k＝1,2,3，分别表示x、y和z轴正方向；为速度矢量；η为粘度系数；p为静压；xk为空间x、y和z轴方向；/>为电流密度矢量；/>为空间磁感应强度矢量；/>为洛伦兹力项；
其中电弧磁流体动力学模型的能量守恒方程表述为微元控制体能量的变化率等于进入微元控制体的净热量与体积力表面力对微元控制体所做的功之和，电弧本身是一段电阻，会产生欧姆热，此外电弧温度极高，向外辐射能量，等式经变形化简可得：
式中：h为热焓；λ为热导率；cp为定压比热；σ为电导率；E为电场强度；σE2为欧姆热项；SR为辐射项。
优选地，在建立电弧磁流体动力学模型的过程中，其中采用净辐射系数来计算断路器燃弧过程中的辐射项，表达式为：
SR＝4πεN
式中：εN为辐射系数；
其中灭弧室内磁场为电流自生磁场和永磁体外加磁场的叠加，而自生磁场通过磁矢位方程来计算，表达式为：
式中：为矢量磁位；μ0为真空中磁导率，μ0＝4π×10-7H/m；/>为电弧自生磁场磁感应强度；
其中电弧等离子体中电场麦克斯韦方程组表述为：
式中：为电位，/>为电场强度矢量。
优选地，其中假设条件为：灭弧室内空气处于热力学平衡状态；电弧等离子体是层流；不考虑触头烧蚀所产生的金属蒸气带来的影响。
优选地，在步骤1)中，根据场路耦合模型耦合外部电路特性，再耦合多物理场，得到最终的三维动态电弧仿真模型；其中多物理场包括电场、磁场和温度辐射场。
优选地，在耦合温度辐射场的过程中，采用净辐射系数模型，将电弧分为三个区：高温区、重吸收区和低温区；其中电弧温度大于0.83倍弧心温度为高温区，该区域为能量净辐射区域，不计能量的重吸收；电弧温度在4000K到0.83倍弧心温度为重吸收区域，电弧辐射能量的80％被该区域所吸收；电弧温度小于4000K以下的区域为低温区，其辐射能量和重吸收能量可忽略不计。
优选地，在步骤3)中，对应时间常数的优化方案为：在线路中尽可能减小导线的弯曲与缠绕度来减小燃弧时间；对应拉弧速度的优化方案为：增大分断速度以提高电弧运动的过程，使其能够更早进入灭弧栅片区域。
优选地，在步骤3)中，对应吹弧磁场的优化方案为：在跑弧道处添加永磁体来提供吹弧磁场以加快电弧运动的速度，并且使得电弧在切割初期能够被更多栅片所切割以提高近极压降，来促使电弧电流迅速降低以提高灭弧效率。
本发明还公开了一种计算机可读存储介质，其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方法的步骤。
本发明进一步公开了一种直流断路器灭弧优化系统，包括相互连接的存储器和处理器，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方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明通过对小型直流断路器分断后电弧从产生到熄灭的全动态演变过程进行研究采用混合划分网格的方式耦合了触头运动过程，根据场路耦合模型耦合了外部电路特性，进一步耦合气流场、电磁场、温度场等多物理场，建立准确的三维动态电弧仿真模型；通过分析小型直流断路器的开断特性的影响因素及内在机理：基于对磁场大小、灭弧室结构、负载类型等多种因素对于开断可靠性影响的综合分析，掌握小型直流断路器电弧开断内在机理，在此基础上分析了不同因素与灭弧结构对小型直流断路器开断特性的影响，并进行了优化设计，得到优化方案。上述整体优化过程基于三维动态电弧仿真模型来实现，同时对电弧运动的全过程进行分析，使得整体优化方法更加接近真实情况，精准可靠。
附图说明
图1为本发明的优化方法在实施例的流程图。
图2为本发明中的直流小型断路器分断过程等效电路图。
图3为本发明中直流电弧稳定燃烧点示意图。
图4本发明中空气不同压力和温度下的物性参数曲线图。
图5为本发明中的断路器实验电路图。
图6为本发明中的净辐射系数法示意图。
图7为本发明中小型直流断路器灭弧室三维结构图。
图8为本发明中灭弧栅片结构示意图。
图9为本发明中灭弧装置出气口示意图。
图10为本发明中层铺面与滑移面示意图(y＝0.0086平面)。
图11为本发明中边界条件示意图。
图12为本发明中电弧全动态演变过程温度分布云图。
图13为本发明中燃弧过程电弧电压电流波形图。
图14为本发明中电弧被栅片切割前电弧温度分布云图。
图15为本发明中电弧被栅片切割前电弧电流电压波形图。
图16为本发明中电弧被栅片切割后电弧温度分布云图。
图17为本发明中电弧被栅片切割后电弧电流电压波形图。
图18为本发明中分断速度为1.75m/s时电弧被栅片切割前电弧温度分布云图。
图19为本发明中分断速度为3.75m/s时电弧被栅片切割前电弧温度分布云图。
图20为本发明中电弧被栅片切割前不同开断速度下电弧电压电流对比波形图。
图21为本发明中电弧被栅片切割前不同时间常数下电弧电流对比分析图。
图22为本发明中灭弧磁场添加示意图。
图23为本发明中外加磁场0.2mT下电弧被切割前电弧温度分布云图。
图24为本发明中电弧被栅片切割前有无外加磁场电弧电压对比图。
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，本发明实施例提供的直流断路器灭弧优化方法，包括步骤：
1)建立初始的三维动态电弧仿真模型，采用混合划分网格的方式耦合直流断路器触头的运动过程，再根据场路耦合模型耦合外部电路特性，得到最终的三维动态电弧仿真模型；
2)基于三维动态电弧仿真模型，综合分析得到影响直流断路器开断可靠性的因素；其中影响直流断路器开断可靠性的因素包括时间常数、拉弧速度和吹弧磁场；
3)基于影响直流断路器开断可靠性的因素来得到直流断路器灭弧优化方案。
具体地，在步骤1)之前，先对直流电弧产生和熄灭的原理进行分析如下：
其中灭弧技术对直流电弧的调控机理为：
电弧具有可稳定燃烧的特性(稳定不是指电弧不再变化，而是指电弧处于动态的平衡)。弧柱中间存在两种粒子运动，游离过程和去游离过程，电弧之所以可以趋于熄灭是因为去游离过程逐渐大于游离过程。导致去游离主要有两种原因，复合及扩散，导致去游离的根本原因是设备内部的正粒子与带负电的电子相互吸引从而进行中和。复合是两个带相反电荷的粒子相互碰撞，其能量在碰撞中进行相互交换或者损耗，从而形成中性粒子的过程；扩散是由于空间中存在温度梯度或者是密度梯度，带电粒子会从属性高的地方向低的地方移动。如果想熄灭电弧，其关键是要加强去游离过程，这就会使得空间的带电粒子数目下降，从而使得电弧电导下降，电流随之产生的热量也会下降，最终使得电弧熄灭。
直流小型断路器分段过程的等效电路如图2所示。其中us为电源电压，R和L分别为电路中的电阻和电感，ua为电弧电压；ic为电弧电流。
当直流小型断路器分断时，此回路满足下列微分方程：
电弧的熄灭过程是电弧电流的逐渐减小过程，满足此时us-ua-Ric<0。对应的直流电弧熄灭原理如图3所示。其中，a为电弧静态伏安特性曲线，b为ua＝us-Ric的曲线，c为us-ua-Ric<0曲线。
因此，想要满足的条件，就需要提升直流电弧的伏安特性曲线即从曲线a提升到曲线c。在工程中常常采用的有以下几点措施：1、增大回路电阻R的值；2、增加电弧电压即增大近极压降、增大电弧长度等方法。
其中空气等离子体物性参数分析：
由于直流断路器灭弧室内的压强较大、温度较高，因此常用的理想气体模型不再适用。灭弧介质空气物性参数的获取是电弧仿真计算的前提，在特定温度和压力条件下介质气体的密度、热焓、声速、粘度、热导率和电导率等物性参数的获取显得尤为重要。气体的物性参数是反应真实状态下气体属性的一组数据，前人在物性参数计算方面已经做了大量工作，可认为气体的物性参数是关于温度T和压力p有关的非线性函数f(p,T)，将物性参数用二位差值法插值法编程，导入到FLUENT求解器中，该过程就是建立真实气体模型的过程。表中给出了空气物性参数和理想气体模型的表达式，可以看出，理想气体模型并非气体真实属性的体现，在计算过程中会引起较大的误差。故真实气体模型的通用性更强，更能反应气体的真实属性，将会使得计算结果更为精确。
表3-1空气真实气体模型与理想气体模型
除了以上物性参数，在电弧电场方程求解过程中需要引入电导率物性参数，气体的电导率也可以认为是温度和压力的有关函数。不同压力下空气等离子体物性参数随温度变化曲线如图4所示。
从图4可以看出，各物理量随温度的变化是非线性的。气压越大，焓值和声速越小。对于热导率，在15000K以上，随着压力的增加而增加，热导率的增加有利于电弧的冷却，从而使电弧更易熄灭。对于电导率，在温度6000K以下基本为0，这是因为温度较低时，气体分子只分解，并未电离，因此电导率较小。随后，随着温度的增加快速增加，温度在25000K以上，由于气体基本完全电离，电导率变化率减小。随着压力的增大，电导率增大。对于粘性系数，在10000K附件达到峰值，在10000K以上，粘性系数随着压力的增加而增加，粘性的增加，不利于电弧的快速运动。定压比热表示单位质量的气体温度升高1K所需要的能量。定压比热随着温度变化在大约7000K和15000K分别出现了两个峰值，峰值随着压力的增加而减小。
在步骤1)中，其中建立初始三维动态电弧仿真模型基于以下假设：
1)灭弧室内空气处于热力学平衡状态(LTE)；
2)电弧等离子体是层流；
3)不考虑触头烧蚀所产生的金属蒸气带来的影响。
在上述假设条件下，建立电弧磁流体动力学模型(即初始三维动态电弧仿真模型)，其中电弧磁流体动力学模型的质量守恒方程表述为微元控制体内质量的增加率与进入微元控制体内的净质量流率相等，等式经变形化简可得：
式中：ρ为密度；t为时间；为速度矢量。
动量守恒方程表述为微元控制体的动量随时间的增加率与微元控制体所受的合力相等，电弧所受外力为电磁力，等式经变形化简可得：
式中：υk为x、y和z轴速度分量，k＝1,2,3，分别表示x、y和z轴正方向；为速度矢量；η为粘度系数；p为静压；xk为空间x、y和z轴方向；/>为电流密度矢量；/>为空间磁感应强度矢量；/>为洛伦兹力项。
能量守恒方程表述为微元控制体能量的变化率等于进入微元控制体的净热量与体积力表面力对微元控制体所做的功之和，电弧本身是一段电阻，会产生欧姆热，此外电弧温度极高，向外辐射能量，等式经变形化简可得：
式中：h为热焓；λ为热导率；cp为定压比热；σ为电导率；E为电场强度；σE2为欧姆热项；SR为辐射项。
其中采用净辐射系数来计算断路器燃弧过程中的辐射项，表达式为：
SR＝4πεN (5)
式中：εN为辐射系数。
其中灭弧室内磁场为电流自生磁场和永磁体外加磁场的叠加，而自生磁场通过磁矢位方程来计算，表达式为：
式中：为矢量磁位；μ0为真空中磁导率，μ0＝4π×10-7H/m；/>为电弧自生磁场磁感应强度。
其中电弧等离子体中电场麦克斯韦方程组表述为：
式中：为电位，/>为电场强度矢量。
再进一步根据场路耦合模型耦合外部电路特性，具体地：小型直流断路器中电弧和外部线路存在一定相互作用，考虑这种实时作用时，需要对电弧模型进行扩展，建立MHD模型和外部路电路耦合的三维动态电弧仿真模型。其中建立外部电路耦合模型的难点在于需要解决灭弧室多物理场和外部电路的实时耦合问题。目前开关电弧仿真中常用的Mayr及其改进电弧模型为一数学表达式，较易实现与外部电路方程的耦合。在直流断路器电弧仿真中，灭弧室多物理场和外部电路处于较强的相互作用之中，电弧电流是根据电路方程计算得到的。宏观而言，MHD模型中电弧电压可由电位方程求得，和电流的函数关系可简写为：
ua＝f(ia) (11)
式中：ua为断路器两端电压，即电弧电压；ia为电弧电流。
图5所示为断路器实验电路图，根据基尔霍夫电压和电流定律，小型直流断路器所包含的电路满足以下方程：
式中：L为线路等效电感值设为10.05Mh；R为线路电阻值设为10.05Ω；us电源电压取值850V；ic为线路电流，其值等于电弧电流。
以上方程的求解采用数值法实现，因此推导出其离散格式：
式中：Δt为离散时间步长；i当前时间步；i+1为下一时间步。
由当前时间步电弧电压和电流可得到下一时间步电弧电流，实现外部电路方程与磁流体动力学电弧模型的耦合计算。
上述三维动态电弧仿真模型再耦合多物理场，如电场、磁场和温度辐射场等，具体地：对应温度辐射场为辐射模型，在直流断路器中，电弧燃弧温度可达上万度，电弧向外界辐射的能量成为能量耗散的重要组成部分。热辐射是以电磁波为载体传输能量，一切温度高于绝对零度的物体均会辐射能量，温度越高，辐射能量越多。对开关电弧而言，一方面，电弧高温区向外辐射能量，冷却电弧，周围介质气体受热温度升高；另一方面，辐射的能量可以烧蚀触头或喷口材料，产生的蒸气向介质气体中扩散。由于当前技术手段很难对辐射能量进行精准地测量，辐射模型都是根据实际情况所作出一定的合理假设来近似模拟辐射能量。本发明采用净辐射系数(NEC)模型。该模型将电弧分为三个区：高温区、重吸收区和低温区。电弧温度大于0.83倍弧心温度为高温区，该区域为能量净辐射区域，不计能量的重吸收。电弧温度在4000K到0.83倍弧心温度为重吸收区域，电弧辐射能量的80％被该区域所吸收。电弧温度小于4000K以下的区域为低温区，其辐射能量和重吸收能量可忽略不计,辐射如图6所示。
在步骤2)中，基于一款小型直流断路器进行仿真分析。实际的小型直流断路器的灭弧室结构主要包括灭弧栅片和动静触头等主要结构。其中建立与实际模型相对应的三维模型如图7所示。该模型在x,y,z三个方向上的长度分别为67.7mm、16.9mm和29.9mm，仿真模型中栅片个数为13个，栅片间距为0.98mm，均与实际结构保持一致。
灭弧栅片的结构如图8所示，在x,y,z三个方向上的尺寸分别为24.87mm，13.3mm和0.73mm。灭弧装置出气口设计如图9所示，共有12个出气口，出气口宽4.75mm，高0.98mm。
为了提高计算的收敛性，提高划分网格的质量，对于灭弧室模型做了以下几点简化：
1、将触头运动系统改为直动式，这样能够通过层铺法与滑移网格技术实现网格的重构，提高了网格的质量。
2、为了提高计算的效率，去除了灭弧室外壳的厚度。
3、为了提高计算的收敛性，在出气口外侧添加了高为2cm的外加空气域。
由于动触头在线路开断过程中做直线运动以拉开电弧，其中包括固体域的移动与流体域的重构，故需要采用动网格模型。为保证触头运动过程中网格质量不会降低，采用层铺法和滑移网格技术来建立动网格模型。层铺法动网格适用于六面体结构性网格，设置网格高度h、裂变因子αs和坍塌因子αc的值分别为0.0002、0.4和0.2。当网格高度hm>(1+αs)h时，该层网格将裂变为两层网格；当网格高度hm<αch时，该层网格将坍塌到相邻的一层网格中，实现网格的合并。网格变形重构过程中，层铺面与滑移面如图10所示，所取平面为y＝0.0086平面。
为使得所有控制方程封闭，使用了以下边界条件：
1)速度边界条件：所有壁面均为无滑移壁面，动触头运动速度设为2.75m/s；
2)压力边界条件：初始灭弧室内绝对压强为101325Pa；
3)温度边界条件：环境温度为300K，固体表面均设为绝热面；
4)电流边界条件：在静触头左端面为采用平均电流密度法设置电流密度边界，初始电流值为80A，动触头上表面以及下跑弧道表面设为零电位面；平均电流密度表达式为：
式中：Jave为电流入口面电流密度；S为电流入口面面积。
5)磁位边界条件：将远端一处平面设为零磁位面。
电流入口平面、出口平面和磁位远场平面如图11所示，静触头左侧面为电流流入平面，动触头上表面及为电流流出平面，即零电位面，磁位面选择动触头中心下方一远场作为零电位平面。
图12为小型直流断路器开断电流过程中电弧运动的温度分布云图。从图12中可以看出，随着动静触头分离，电弧首先在动静触头之间产生；接着，在气流场以及磁场的作用下，电弧弯曲拉长并向下运动，电弧弧根由动静触头之间跳转到静触头与跑弧道之间；随后，电弧沿着跑弧道向栅片曲运动，电弧长度继续拉长，并在拐角处发生停滞；在此之后，电弧被灭弧栅片切割，电弧下半部分先被切割，随后上弧根运动到静触头头部，电弧被完全切割，电弧电压逐级上升，电弧电流迅速下降；最终电弧熄灭，总的燃弧时间为11ms。
图13为燃弧过程中电弧电压电流的波形图，可以看出电弧电压整体呈上升趋势，电弧电流整体呈下降趋势。
由于栅片较多，在近极压降的作用下电弧电压上升较高，因此将电弧运动过程分为栅片切割前与栅片切割后两部分进行分析。
栅片切割前电弧运动过程如图14所示，其电弧电压电流的波形如图15所示，对应的时间为0ms-5.4ms。在这段时间内电弧的运动大致分为以下几个阶段：
阶段(1)：0-1.5ms，电弧起弧并拉长。电弧起弧后，在洛伦兹力和气流场的作用下，电弧向下运动并拉长，电弧电压增加。
阶段(2)：1.5-3ms，电弧沿着跑弧道向着栅片区域运动。在此阶段，电弧在磁场以及气流场的作用下，沿着跑弧道向着栅片区域运动，弧柱被不断拉长，电弧电压整体呈上升趋势。到3ms时刻电弧长度达到最长，电弧电压也上升到一个短期的峰值。
阶段(3)：3ms-5.4ms，电弧沿着栅片开口处继续向内运动。此时，电弧弧柱变粗，一部分电弧被缺口两侧栅片所切割，由于栅片的电导率远高于等离子区以及弧柱等效半径的增大，导致电弧电压有个明显的减小。
随后，电弧被栅片所切割。栅片切割后电弧运动过程如图16所示，其电弧电压电流的波形图如图17所示，对应的时间为5.4ms-11ms。在这段时间内电弧的运动大致分为以下几个阶段：
阶段(1)：5.4ms-6ms。此时由于出气口的位置在灭弧室的下侧，因此电弧下半段的运动速度更快，电弧首先先被下侧6个栅片所切割为一段段短弧，由于近极压降的作用，电弧电压迅速升高，电弧电流迅速降低；
阶段(2)：6ms-7.2ms。此阶段，电弧继续向里侧运动，被更多的栅片所切割，另外静触头上的弧根也继续运动，直至引弧板边端，电弧被拉长，这上述两种情况的综合作用下，电弧电压继续升高，且上升速率越来越快。
阶段(3)：7.2ms-11ms。此阶段，上引弧板的弧根继续向上运动直至脱离引弧板，电弧电压上升速率达到最高。此阶段，电弧电流迅速降低，从而导致电弧弧柱温度降低，直至11ms电弧电流降为0，电弧熄灭。
在电弧电压上升过程中，有几次明显的电压降落，这是由于电弧向周围冷空气运动，导致电弧变粗，电压降低，但是随后由于近极压降的增加，电弧电压马上又开始增加。
上述对小型直流断路器电弧运动过程进行了探究。首先，在不同压力和温度下对空气的物性参数进行了研究，对该实际产品灭弧室内部采用了混合方式划分网格；然后，考虑了动触头的运动过程，建立了场路耦合的电弧磁流体动力学模型，施加相应的边界条件，求解控制方程组，得到了电弧在灭弧内部的运动过程以及对应的电弧电压电流波形。
在步骤2)中，其中灭弧室结构和开断能力的关系包括：
不同开断速度对于电弧运动过程的影响。上述模型设置的动触头的运动速度为2.75m/s，为了研究不同开断速度对于电弧运动特性的影响，建立了运动速度为1.75m/s和3.75m/s的两个计算模型，其对应电弧温度分布云图如图18和图19所示。
同过对比两者的电弧温度分布云图，可以发现随着分断速度的提高，电弧会在更短的时间内被拉长，这一点可以对比T＝0.9ms时刻的温度分布云图可知，分断速度为3.75m/s时电弧明显被拉的更长。这一点的好处在于，电弧能够在更短的时间内从动触头跳跃到跑弧道上，从而能够更快地运动到灭弧栅片区域，使得电弧电压提高，电弧电流降低，电弧熄灭。
图20为分断速度分别为1.75m/s、2.75m/s和3.75m/s情况下，三者电弧被栅片切割前电弧电压的对比分析。从图中可以看出三者整体的变化趋势较为一致，但是随着分断速度的提高，在电弧电压达到峰值前，相同时间下电弧电压更高，可以理解为电弧电压整体变化趋势前移了。从这一现象也可以发现分断速度的提高，可以加快整个电弧运动过程，使得电弧能够更早的运动到灭弧装置处。
其中不同时间常数对于电弧运动过程的影响
直流断路器在开断线路前，处于稳定状态，线路电源电压与线路等效电阻决定着开断电流值的大小。而线路的时间常数是由外部线路的等效电阻值与等效电感值共同决定，线路导线中存在着寄生电感，随着导线的弯曲和缠绕度增大而增大。在相同的电源电压和开断电流条件下，时间常数越大，等效电感值越大。其中仿真了时间常数为0.003ms和0.005ms时电弧的燃弧过程。上述两种不同时间常数下电弧运动差异较小，在此不再展示燃弧过程中电弧运动轨迹。
图21为时间常数分别为0.001ms、0.003ms和0.005ms情况下，三者电弧被栅片切割前电弧电流的对比分析。由图中可以发现外部线路时间常数越大，电弧电流下降的速率越低，正是由于时间常数越大，线路感值越大，对线路电流变化的阻碍能力越强，电流变化得越缓慢。然而，由于目前仿真的电弧电流较小，电弧所受洛伦兹力较小，因此电弧电流的略微增大对于电弧的运动情况影响不大。
由上述内容可知，电弧在进入栅片之后，由于出气口开在灭弧室下方，电弧下半部分先被灭弧栅片所切割，这样导致在切割初期电弧电压升高较少，电弧电流下降较少。在步骤3)中针对这种情况，提出了添加灭弧磁场的方案。磁场的添加能够加速电弧运动，如在如图22所示的位置添加磁感应强度为0.2mT的磁场。
添加灭弧磁场后，电弧的运动分布云图如图23所示。从图中可以看出，磁场的添加加速了电弧的运动。在3.3ms时电弧便以运动至栅片区域，比没有添加磁场的5.4ms提高了2ms左右。另外，由T＝3.6ms时刻达到温度分布云图可知，此时弧柱在磁场的驱动下，这个直立在栅片中，各个部分运动程度相近，从而可以使得电弧在切割初期便能够被切割为更多的短弧，电弧电压在灭弧初期便会得到较大的提高，从而加快了灭弧的速度。
图24为有无外加磁场对于电弧电压的对比，由图中可以看出，由于外加磁场的增加，电弧在未被栅片切割前电弧电压也更高，上升的速率更快，从而可以验证外加磁场的增加能有有效提高断路器的开断性能
本发明使用仿真的方式探究了不同因素对燃弧时间的影响，分析了各种因素对电弧行为影响的内在原因，根据电弧在灭弧室内的运动路径，提出了优化方案：
1、考虑的因素有：时间常数和拉弧速度。外部线路时间常数的增大，线路感值越大，对电流的阻碍作用越强，时间常数从0.001ms增加到0.005ms时，使得电流下降速率降低，故在线路中应尽可能减小导线的弯曲与缠绕度来减小燃弧时间；分断速度的增大，能够提高电弧运动的过程，使其能够更早进入灭弧栅片区域。
2、灭弧结构主要是在跑弧道处添加永磁体来提供吹弧磁场，这种方案能够加快电弧运动的速度，并且使得电弧在切割初期能够被更多栅片所切割，从而提高了近极压降，促使电弧电流迅速降低，提高灭弧效率。
本发明通过对小型直流断路器分断后电弧从产生到熄灭的全动态演变过程进行研究采用混合划分网格的方式耦合了触头运动过程，根据场路耦合模型耦合了外部电路特性，进一步耦合气流场、电磁场、温度场等多物理场，建立准确的三维动态电弧仿真模型；通过分析小型直流断路器的开断特性的影响因素及内在机理：基于对磁场大小、灭弧室结构、负载类型等多种因素对于开断可靠性影响的综合分析，掌握小型直流断路器电弧开断内在机理，在此基础上分析了不同因素与灭弧结构对小型直流断路器开断特性的影响，并进行了优化设计，得到优化方案。上述整体优化过程基于三维动态电弧仿真模型来实现，同时对电弧运动的全过程进行分析，使得整体优化方法更加接近真实情况，精准可靠。
本发明还公开了一种计算机可读存储介质，其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方法的步骤。本发明进一步公开了一种直流断路器灭弧优化系统，包括相互连接的存储器和处理器，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方法的步骤。本发明的介质及系统与上述方法相对应，同样具有如上方法所述的优点。
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)

1.一种直流断路器灭弧优化方法，其特征在于，包括步骤：
1)建立初始的三维动态电弧仿真模型，采用混合划分网格的方式耦合直流断路器触头的运动过程，再根据场路耦合模型耦合外部电路特性，得到最终的三维动态电弧仿真模型；
2)基于三维动态电弧仿真模型，综合分析得到影响直流断路器开断可靠性的因素；其中影响直流断路器开断可靠性的因素包括时间常数、拉弧速度和吹弧磁场；
3)基于影响直流断路器开断可靠性的因素来得到直流断路器灭弧优化方案。
2.根据权利要求1所述的直流断路器灭弧优化方法，其特征在于，在步骤1)中，建立初始的三维动态电弧仿真模型的具体过程为：
在基于假设条件下，建立电弧磁流体动力学模型，即初始三维动态电弧仿真模型，其中电弧磁流体动力学模型的质量守恒方程表述为微元控制体内质量的增加率与进入微元控制体内的净质量流率相等，等式经变形化简可得：
式中：ρ为密度；t为时间；为速度矢量；
其中电弧磁流体动力学模型的动量守恒方程表述为微元控制体的动量随时间的增加率与微元控制体所受的合力相等，电弧所受外力为电磁力，等式经变形化简可得：
式中：υk为x、y和z轴速度分量，k＝1,2,3，分别表示x、y和z轴正方向；为速度矢量；η为粘度系数；p为静压；xk为空间x、y和z轴方向；/>为电流密度矢量；/>为空间磁感应强度矢量；为洛伦兹力项；
其中电弧磁流体动力学模型的能量守恒方程表述为微元控制体能量的变化率等于进入微元控制体的净热量与体积力表面力对微元控制体所做的功之和，电弧本身是一段电阻，会产生欧姆热，此外电弧温度极高，向外辐射能量，等式经变形化简可得：
式中：h为热焓；λ为热导率；cp为定压比热；σ为电导率；E为电场强度；σE2为欧姆热项；SR为辐射项。
3.根据权利要求2所述的直流断路器灭弧优化方法，其特征在于，在建立电弧磁流体动力学模型的过程中，其中采用净辐射系数来计算断路器燃弧过程中的辐射项，表达式为：
SR＝4πεN
式中：εN为辐射系数；
其中灭弧室内磁场为电流自生磁场和永磁体外加磁场的叠加，而自生磁场通过磁矢位方程来计算，表达式为：
式中：为矢量磁位；μ0为真空中磁导率，μ0＝4π×10-7H/m；/>为电弧自生磁场磁感应强度；
其中电弧等离子体中电场麦克斯韦方程组表述为：
式中：为电位，/>为电场强度矢量。
4.根据权利要求2或3所述的直流断路器灭弧优化方法，其特征在于，其中假设条件为：灭弧室内空气处于热力学平衡状态；电弧等离子体是层流；不考虑触头烧蚀所产生的金属蒸气带来的影响。
5.根据权利要求1或2或3所述的直流断路器灭弧优化方法，其特征在于，在步骤1)中，根据场路耦合模型耦合外部电路特性，再耦合多物理场，得到最终的三维动态电弧仿真模型；其中多物理场包括电场、磁场和温度辐射场。
6.根据权利要求5所述的直流断路器灭弧优化方法，其特征在于，在耦合温度辐射场的过程中，采用净辐射系数模型，将电弧分为三个区：高温区、重吸收区和低温区；其中电弧温度大于0.83倍弧心温度为高温区，该区域为能量净辐射区域，不计能量的重吸收；电弧温度在4000K到0.83倍弧心温度为重吸收区域，电弧辐射能量的80％被该区域所吸收；电弧温度小于4000K以下的区域为低温区，其辐射能量和重吸收能量可忽略不计。
7.根据权利要求1或2或3所述的直流断路器灭弧优化方法，其特征在于，在步骤3)中，对应时间常数的优化方案为：在线路中尽可能减小导线的弯曲与缠绕度来减小燃弧时间；对应拉弧速度的优化方案为：增大分断速度以提高电弧运动的过程，使其能够更早进入灭弧栅片区域。
8.根据权利要求7所述的直流断路器灭弧优化方法，其特征在于，在步骤3)中，对应吹弧磁场的优化方案为：在跑弧道处添加永磁体来提供吹弧磁场以加快电弧运动的速度，并且使得电弧在切割初期能够被更多栅片所切割以提高近极压降，来促使电弧电流迅速降低以提高灭弧效率。
9.一种计算机可读存储介质，其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1～8中任意一项所述方法的步骤。
10.一种直流断路器灭弧优化系统，包括相互连接的存储器和处理器，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1～8中任意一项所述方法的步骤。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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