不同旋气槽数对SF6 断路器三维气流场影响

曹云东 刘 阳 刘晓明 王尔智 付 思

（沈阳工业大学电气工程学院 沈阳 110178）

1 引言

随着高压输电线路电压等级的逐渐提高，为适应SF6断路器向特高压领域发展及提高开断容量、电器设备小型化的发展[1-5]，本文提出旋气吹弧技术[6]，研究旋气结构对开断能力的影响，给出了旋气喷口设计方法，丰富旋气吹弧设计理论。由于旋气槽的存在，使SF6气体在吹到电弧之前，将轴向运动变为旋转运动。从轴向看，气流不再垂直于平面往外射出，而是沿轴向呈一定旋转角度向所在的电弧区域流动。

断路器的介质恢复特性由灭弧室内的电场和流场两个因素决定，对SF6高压断路器的研究可归结为如何提高断路器开断时实际的介质恢复特性。本文着重研究喷口上游内腔平直段增开的旋气曲线槽给灭弧室内气流场带来的影响。旋气SF6高压断路器是在断路器喷口处构造众多凹槽，令气流在吹弧过程中能够自能地旋转起来[6]，加快熄弧。开断过程中依靠高速流动的气流吹弧和拉弧，将电弧能量输运出去，在电流过零时，将电弧熄灭。本文在保证灭弧室内气体流量不变情况下，改变旋气槽的槽数，得到不同旋气结构的速度变化规律，并着重研究旋气槽对气流切向速度的影响，为SF6高压断路器喷口的优化设计及灭弧室小型化设计，为开发新型旋气式SF6断路器提供依据和设计方法。

2 三维气流场数学模型

SF6高压断路器开断过程中吹弧气体的流动是一种非定常、有粘可压缩流动，而且流动过程中气流场域的边界是变动的[7-10]。计算断路器流场的数学模型采用可压缩N-S 方程[11-14]：

（1）连续方程

（2）运动方程

轴向动量守恒 径向动量守恒

（3）能量方程

（4）气体状态方程

式中 ρ,p,T ——气体密度，压力和温度；

vr,vz——气体轴向速度和径向速度；

λ——导热系数；

R——气体常数；

γ E2-η ——考虑电弧影响的源项；

w——单位质量的总内能。

（5）本构方程

式中 σij—粘性应力张量的各个分量；

μ——粘度。

3 气流场数值计算

SF6断路器气流场属于可压缩、非定常、有黏性、跨音速的流场问题，且在开断过程中存在湍流和激波等复杂流动现象，在开断电弧时，超音速气流对电弧弧柱起着控制作用，由此可见SF6断路器灭弧室内的结构对气流场影响是至关重要[15-17]的。

本文以110kV SF6断路器为研究对象，总行程为130mm，超程为24mm，分断时间为16ms，灭弧室充压0.5MPa，针对于气体通道喷口上游增开的旋气槽对气流场影响，进行了不同开距下的气流场仿真，进行不同灭弧室结构气流速度参数随时间及空间动态变化的研究。灭弧室基本结构如图1 所示。

图1 110kV 断路器流场计算结构示意图 1—压气缸 2—动弧触头 3—静弧触头 4—喷口 Fig.1 Structure of arc quenching chamber of 110kV SF6 circuit breaker

3.1 旋气槽结构对气流运动的影响

新型喷口设计满足如下条件：①基本保持喷口平直段外径尺寸不变；②保证喷口具有足够的机械强度；③在开槽后使流体通过气隙和槽的总截面积与原来气隙的截面积大致相同。图2 所示为有旋气槽的喷口三维模型，喷口上游内腔槽数18 个，梯形槽与主轴偏25°。

图2 新型旋气式SF6 断路器喷口旋气槽结构示意图 Fig.2 Structure diagram of novel nozzle with rotary-gas grooves

如图3 所示，由于喷口上游增开曲线槽，SF6气体在吹到电弧之前，将轴向运动吹弧变为旋转运动吹弧，且旋转气流立刻进入电弧所在区域，加速了电弧能量扩散，从而通过改进喷口上游结构，提高断路器熄弧能力。

图3 无槽和有槽情况下动触头端部截面上的 速度分布图 Fig.3 Velocity distribution in the arc-quenching chamber and movable contact section of different structures

图4 为吹弧气体粒子运动轨迹示意图，从轴向看，气流不再垂直于平面往外射出，而是沿轴向呈一定旋转角度向电弧区域流动，有别于传统的轴向吹弧方式，有利于电弧能量的耗散。

图4 无槽和有槽结构粒子速度轨迹图 Fig.4 Trace of particles in flow field of different structures

3.2 旋气槽结构对速度场的影响

为研究断路器中速度场分布情况，将各点速度分解为三个速度分量：轴向、径向、切向。在旋气式断路器中，这三个速度中切向分量速度最重要。因为切向速度决定着灭弧室中气体旋转强弱，切向速度可以产生离心力，旋转产生的力可以使电弧随之旋转，破坏电弧的稳定性，提高断路器的拉弧和吹弧能力。

在喷口上游中选取一个有代表性的点，进行气流场参数的比较。截点位置如图5 所示。

图5 灭弧室内截点位置示意图 Fig.5 Structural diagram with the point in the arc-quenching chamber

在不同的吹弧方式下，气流场绝对速度以及各速度分量值比较见表1。

表1 有、无旋气槽截点速度值 Tab.1 Velocity of the point of different structures （单位：m/s）

由表1 可见：在小开距下，有槽结构的绝对速度小于无槽结构的绝对速度，这是因为小开距下，从压气缸流入灭弧室内的气体有限，旋气槽这时未表现出明显的旋气作用，反而加长了气体流动的路径，则使得有槽结构的绝对速度较小。当开距增大，灭弧室内气体迅速增加，从压气缸流入的高速气体流经喷口上游，旋气槽旋气作用明显，气体高速旋转，各个方向的速度分量合成，使得有槽结构的绝对速度加大。由上表反映出，其中速度切向分量，表现的尤为突出，随着旋气作用的增强，有槽结构的切向速度分量有着明显的提升。图6 所示，在开断过程中，两种不同结构的切向速度变化曲线图。

图6 有槽和无槽结构切向速度随开距变化对比 Fig.6 Comparison of the tangential velocity variation of different structures during the opening stroke

在整个开断过程中，该截点有槽结构切向速度值明显高于无旋气槽结构。较大的切向速度使电弧能量消散，说明有槽结构能够更好的吹弧，快速带走能量。

虽然气体切向速度大，由能量守恒原理，必然会对轴向、径向速度也有一定影响。在整个开断过程中，该截点上有槽结构径向速度值小于无旋气槽结构，如图7 所示。

图7 有槽和无槽结构径向速度随开距变化对比 Fig.7 Comparison of the radial velocity variation of different structures during the opening stroke

从上述分析可得到，旋气喷口结构既可保持气体径向速度无大的减小，又可产生很强的切向速度分量，从而使得在原断路器结构尺寸无大更改的前提下提高开断能力。

4 不同槽数的旋气槽对气流场切向速度的影响

保证流量不变，旋气槽倾角为25°和开槽的深度不变的情况下，本文建立了五种不同旋气槽数的高压SF6断路器灭弧室模型，对其灭弧室结构内的气流场进行数值模拟与分析，得到旋气槽数对断路器灭弧室气流场的影响规律。

曲线槽旋气吹弧增大了切向速度分量，较大的切向速度使电弧能量更易动荡消散，有利于电弧能量的耗散。由图8 可看出，在流量不变条件下，18槽结构的切向速度最大，16 槽、14 槽、12 槽依次减小，8 槽结构切向速度最小。说明槽数多，切向速度增大。

切向速度大小决定着灭弧室中产生的旋转作用的强弱。图9 所示为不同槽数结构动触头端部截面上的速度矢量分布图，以8 个旋气槽和18 槽结构断路器为例，分析表明槽数越多气体旋弧能力越强。气体旋转作用强，可以在短时间内带走更多的电弧能量，有利于电弧熄灭。

图8 五种不同结构切向速度随开距变化的曲线 Fig.8 Tangential velocity variation among five different grooved structures during the opening stroke

图9 不同槽数结构动触头端部截面上的速度分布图 Fig.9 Velocity distribution of movable contact section of different grooves

8 槽和18 槽结构喷口上游槽截面及槽中气流场分布如图10 所示。8 槽结构在沟槽中存在无规则的小型气体环流，从而增加气流通过沟槽区域阻力，使气流能量减弱，吹弧效果差。

槽数少的结构，SF6气体在旋气槽内流动速度发生差别，在切向速度方向上产生一个渐变的速度场，速度梯度大。当SF6气体具有速度梯度时，产生了黏性力，该力随速度梯度的加大而增大，从而导致槽数少的结构切向速度小，正如图10 局部放大图示，8 槽结构切向速度较18 槽结构小。

5 不同槽数的旋气槽对气流场质量流量的影响

如表2 所示，16 个槽、14 个槽、12 个槽和8个槽的断口间质量流量几乎相等，只有18 个槽的质量流量最低。在保证气体流量不变情况下，同时在喷口上游增开不同数量的旋气槽，旋气槽的数量越多，槽型的截面积相对越小，而槽型截面积越小阻力越大，从而降低了旋气槽内气体流量。通过以上分析表明，槽数多可以增大旋转作用，但质量流量却得不到提高。

表2 不同槽数质量流量随开距变化比较 Tab.2 Mass flow rate of different grooved structures during opening stroke （单位：kg/s）

6 结论

本文结合高压SF6断路器灭弧室跨音速气流流动特点，基于N-S 方程，采用有限体积方法进行有旋气结构的高压断路器气流场数值求解。研究结果表明，旋气槽的存在对断口间速度有明显的提高，有助于提高断路器的介质恢复强度。

通过对不同槽数下旋气槽气流场动态仿真，仿真结果表明，槽数越多，槽型截面积相对减小，阻力增大，断口间质量流量减小。但由于其旋转作用最强，切向速度最大，短时间内又可以带走更多的电弧能量。所以过多或过少的槽数均不好，需要综合多方面因素确定最佳的喷口旋气槽数，更有利于电弧熄灭。

[1] 郭剑波.我国电力科技现状与发展趋势[J].电网技术,2006,30(18):1-7.

Guo Jianbo.Present situation and development trend of power science and technology in China[J].Power System Technology,2006,30(18):1-7.

[2] 吴敬儒,徐永禧.我国特高压交流输电发展前景[J].电网技术,2005,29(3):1-4.

Wu Jingru,Xu Yongxi.Development prospect of UHV AC power transmission in China[J].Power System Technology,2005,29(3):1-4.

[3] 王尔智,陶瑞民.SF6断路器吹弧气体流动的边界元数值计算中基本解的求取[J].中国电机工程学报,2006,26(1):146-150.

Wang Erzhi,Tao Ruimin.Investigation of basic solution for numerical calculation of gas blast flow in SF6circuit breaker by boundary element method[J].Proceeding of the CSEE,2006,26(1):146-150.

[4] 曹云东,王尔智,刘晓明.Tabu 算法的改进及其在压气式SF6断路器中的应用[J].电工技术学报,2000,15(4):32-35.

Cao Yundong,Wang Erzhi,Liu Xiaoming.The improvement of Tabu algorithm and its application in the puffer SF6circuit breaker[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2000,15(4):32-35.

[5] 曹云东,刘晓明,王尔智.能量流电弧模型及 SF6断路器在短路开断下的应用研究[J].中国电机工程学报,2005,25(2):93-97.

Cao Yundong,Liu Xiaoming,Wang Erzhi.Energy flow arc modelling and applied investigation in short circuit interrupting for SF6circuit breaker[J].Proceedings of the CSEE,2005,25(2):93-97.

[6] 刘砚菊,曹云东,刘晓明,等.旋气吹弧式SF6断路器及其三维气流场特性的仿真[J].高压电器,2008,44(2):100-103.

Liu Yanjiu,Cao Yundong,Liu Xiaoming,et al.A rotary-gas structure SF6circuit breaker and 3-Dimen- sional simulation of its gas flow characteristics[J].High Voltage Apparatus,2008,44(2):100-103.

[7] 郭鹏程,罗兴锜,覃延春.基于计算流体动力学的混流式水轮机性能预估[J].中国电机工程学报,2006,26(17):132-137.

Guo Pengcheng,Luo Xingqi,Qin Yanchun.Numerical performance prediction for a francis turbine based on computational fluid dynamics stage simulation[J].Proceedings of the CSEE,2006,26(17):132-137.

[8] 贺博,林辉,符强.交流污闪电弧动态特征探究[J].中国电机工程学报,2006,26(21):177-182.

He Bo,Lin Hui,Fu Qiang.Dynamic characters exploring of flashover arc for AC contaminated insulators[J].Proceedings of the CSEE,2006,26(21):177-182.

[9] 徐长江,张河.基于三维流场数值计算的引信用侧进气涡轮发电机的设计研究[J].中国电机工程学报,2006,26(15):144-149.

Xu Changjiang,Zhang He.Research on the design for turbine alternator with side intake ducts based on numerical calculation of 3D flow field[J].Proceedings of the CSEE,2006,26(15):144-149.

[10] Aubin J,Fletcher D F,Xuereb C．Modeling turbulent flow in stirred tanks with CFD:The influence of the modeling approach[J].Turbulence Model and Numerical Scheme,Experimental Thermal and Fluid Science,2004,28(5):431-445.

[11] 曹云东,王尔智.高压断路器气流场有限体积及TVD 格式法的研究[J].电工技术学报,2002,17(1):68-73.

Cao Yundong,Wang Erzhi.Study on finite volume method and TVD scheme for calculating the flow field of high voltage circuit breaker[J].Transaction of China Electrotechnical Society,2002,17(1):68-73.

[12] Lowke J J,Ludwig H C.A simple model for high current arc stabilized by forced convection[J].J.Appl.Phys.1975,46(12):3325-3329.

[13] 曹云东,王尔智,姜毅.高压 SF6断路器总变差减小方法流场求解研究[J].中国电机工程学报,2001,21(11):19-23.

Cao Yundong,Wang Erzhi,Jiang Yi.Investigation on flow field computing of high voltage SF6circuit breaker using the total variation diminishing scheme[J].Proceedings of the CSEE,2001,21(11):19-23.

[14] Verstecg H K,Mulalasekela W.An introduction to computational fluid dynamites:the finite volume method[M].New York:Wiley,1995.

[15] 苏铭德,Friedrich R.用大涡模拟检验湍流模型[J].应用数学和力学,1994,15(11):991-997.

Su Mingde,Friedrich R.The examination of turbulence modeling with LES database[J].Applied Mathematics and Mechanics,1994,15(11):991-997.

[16] 佟立柱,王其平,王尔智.SF6断路器无载开断过程中气流特性的计算机模拟[J].电工技术学报,1996,11(3):16-20.

Tong Lizhu,Wang Qiping,Wang Erzhi.The computer simulation of the gas flow in no load switching SF6circuit breaker[J].Transactions of China Electrotechnical Society,1996,11(3):16-20.

[17] Tadashi Mori,Hiromichi Kawano,Katsuharu Iwamoto.Gas-flow simulation with contact moving in GCB considering high-pressure and high-temperature transport properties of SF6gas[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2005,20(4):2466-2472.