PDF《封闭容器内部短路燃弧爆炸压力效应计算》

当燃弧至6 0m s时, 计算 与实验获得的相对压强最大 值分别为: 5.

6 3

6 和6.

3 3 9k P a , 两者相差达到了1 2. 5%, 但实验 测量的平均压强为5.

7 5k P a , 两者仅相差2% 左右;

考虑到实验测量过程中电弧能量的波动, 结果应参考平均压强的大小.因此, 模拟结果 与实验结果基本一致, 证明了计算的有效性.

3 封闭容器内部短路燃弧压力升数值模拟分析 3.

1 电弧尺寸对压力升计算的影响 实际开关设备发生内部短路燃弧故障时, 电弧在磁场力、 热浮力以及气流等的影响下, 燃弧位置、 长 度均会发生较大变化, 因此, 数值计算中电弧尺寸的选择成为重点问题.该部分就电弧尺寸对模拟结果 的影响进行分析, 建立了如图5所示的圆柱形封闭容器数值模型, 同时为简化分析, 容器直径与长度均 减小为0. 3m;

燃弧部位( 能量输入部位) 为图中电弧区域, 该区域的大小与电弧电流以及电弧的运动形 态有关, 燃弧间距设为5c m.由于燃弧时间较短, 壁面与空气热交换的能量较少, 因此, 模拟过程将电 极与容器壁面均设为绝热边界, 容器内部气体为理想可压缩气体, 初始温度为2

5 ℃, 相对压强为0.假 设电弧为圆柱形, 直径分别设置为1和2c m;

加载的热源功率为: P= k p U I=0.

5 5*2

0 0*5 2*s i n (

1 0

0 π t ) W 式中: t为燃弧时间, s . 利用图4所示方法计算获得热源直径为1和2c m 的截面压强分布如图7所示.图中分别为时刻 0. 4和1 0m s的结果, 可以看出, 压强在截面基本呈现对称分布, 说明压力波以电弧为中心向四周对称 发展, 能量的释放过程与爆炸过程类似, 气体热浮力的影响较小;

两种电弧直径获得的压强分布较为接 近, 如燃弧至1 0m s时, 其对应的压强最大值分别为9 4. 3和9 4. 6k P a , 两者仅相差0. 3%左右, 同时压 力波由电弧区域传递至壁面的时间均约为0. 4m s , 说明压力波的传播速度也基本一致, 约为3

7 5m / s ;

虽然图中最大值出现的位置有所不同, 但其数值并无较大差异;

可见当热源在容器内部占的空间较小 时, 其尺寸大小对压力的分布及传播特性影响较小;

而实际开关设备发生内部短路燃弧故障时, 电弧占 的区域均较小, 因此, 电弧尺寸对计算结果的影响较小. 图7 不同电弧尺寸下压强分布 F i g .

7 P r e s s u r ed i s t r i b u t i o n i nd i f f e r e n t a r cs i z e s

8 6

0 1 爆炸与冲击第3 7卷3.

2 电弧能量的影响 为分析电弧能量对容器内部压力升的影响, 对上述模型在不同电弧能量下的压力升进行了计算, 并 考虑空气比热容随温度的变化, 其变化规律可用文献[

2 0 ] 中的多项式进行描述;

电弧能量 Q 分别为:

9、

1

8、

3 6和5 6. 7k J .图8所示为计算获得的容器内部平均压强随电弧能量的变化规律.由图8可知, 压 强随电弧能量的增加近似线性增大, 但增大速率并非为固定值, 而是有减缓的趋势;

压强增长率的平均 值约为9.

3 3k P a / k J , 当Q 由9k J增大到1 8k J时, 压强的增长速率约为9.

9 8k P a / k J ;

而当 Q 由3 6k J 增大到5 6. 7k J时, 压强增长率低于初始增长率;

分析认为, 随着电弧能量的增加, 容器内部空气温度增 大, 导致空气比热容的波动较大;

而当温度低于30

0 0K 时, 空气比热容随温度的........