PDF《封闭容器内部短路燃弧爆炸压力效应计算》

建立小尺寸 简易模型, 通过实际封闭容器内部短路燃弧实验对算法的可行性进行验证, 并分析相关规律, 为后续实 际开关设备内部短路爆炸压力升的数值模拟计算提供参考.

1 开关设备内部短路燃弧能量平衡机制 当开关设备内部发生短路燃弧故障时, 燃弧功率可达6

0 MW 左右, 产生的压力升也可达 MP a级, * 收稿日期:

2 0

1 6 -

0 4 -

1 2;

修回日期:

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1 9 基金项目:国家科技支撑计划项目(

2 0

0 9 B AA

1 9 B

0 5 ) ;

中央高校基本科研业务费专项基金项目(

2 0

4 2

0 1

6 g f

0 0

0 8 ) 第一作者:黎鹏(

1 9

8 9― ) , 男, 博士研究生, l i p e n g

1 9

8 9

1 1

0 2@1

2 6. c o m. 电弧释放的能量将以多种机制进行传递;

假设电弧释放的总能量为Qa r c, 电弧在金属电极间燃烧的过程 中, 弧根与电极之间会发生热传导( Qe) , 从而使电极温度升高;

由于弧根位置的温度可达上万度, 在高 温作用下, 电极与弧根接触部位会出现熔化, 并形成金属蒸气携带能量Qm v;

同时, 释放的金属蒸气会与 周围空气发生吸热或放热反应, 吸收或释放能量 Qc h e m ;

电弧释放的热量还会以电磁波的形式辐射至固 体壁面( Qr a d) , 使其温度升高;

除了上述能量传递之外, 大部分能量被周围空气吸收( Qt h e r m ) , 使空气受热 膨胀, 从而引起开关设备内部压力上升.上述能量之间的关系可用下式表示: Qa r c ±Qc h e m =Qe +Qm v +Qt h e r m +Qr a d (

1 ) 为描述使容器内部压力上升的能量占电弧总能量的比例, 系数 k p - 因子 被提出[

6 -

7 ] , 其定义如下: k p =Qt h e r m / Qa r c (

2 ) 通常情况下, 由于式(

1 ) 各部分能量很难直接获得, 因此 k p - 因子 主要通过计算与实验结果的对比 来确定[

1 0 -

1 1] , k p与气体类型、 电极材料、 容器尺寸以及气体密度等有关[

1 8] .目前针对设备内部短路燃弧 压力升的计算主要基于 k p - 因子 , 具体表达式为[

7 -

8 ] : , Δ p= κ- ( )

1 k p Qa r c / V (

3 ) 该式忽略了压力波的传播特性, 假设电弧释放的能量在容器内部均匀分布, 且不考虑气体状态的变化.

2 开关设备内部短路燃弧压力升间接耦合计算 图1 实验布置图 F i g .

1 D i a g r a mo f t e s t a r r a n g e m e n t 2.

1 短路燃弧现象 实际开关设备发生内部短路燃弧故障时, 由于 壳体的影响, 很难观察到内部的燃弧现象, 因此, 为 了对短路燃弧过程进行分析, 利用电容 C 与电抗器 L振荡提供工频大电流, 开展了开放环境下的短路 燃弧实验.实验回路如图1所示, 包括: S P - 铜电极, 直径为2c m;

C B - 合闸断路器, 初始状态为分;

电压 探头 HV - 测量弧压的大小;

R o g - 罗氏线圈, 用于测 量回路电流的大小.铜电极的间距d=5c m, 间隙 用焊锡丝短接, 当回路接通时, 焊锡丝在电流作用下 被熔断从而引燃电弧. 短路燃弧爆炸现象如图2所示, 整个燃弧过程仅持续5

0 m s , 其中电流峰值约为5k A, 弧压约为

2 0 0V;

C B闭合瞬间, 回路接通将焊锡丝熔断, 间隙之间形成电弧, 产生巨大声响并出现耀眼亮光, 与爆 炸过程类似;

在电弧稳定燃烧阶段, 电弧燃烧释放强烈的光和热, 出现耀眼的白色弧光, 如图2( a ) 所示;

随着燃弧的进行, 间隙亮度明显降低, 如图2( b) 所示, 这时燃弧过程已接近尾声, 间隙出现了大量线条 图2 短路燃弧爆炸过程 F i g .