SF6高压断路器介质恢复特性数值模拟耦合计算及相关问题的研究

论文摘要

SF6高压断路器作为最重要的一类电器设备,它既承担着开断和关合输电线路的正常电流,也承担着在规定时间内开断输电线路中故障电流的任务。因此,开断特性是衡量SF6高压断路器产品性能的最基本和最重要的技术指标。而SF6高压断路器在开断过程中的介质恢复特性又是衡量其开断特性的重要依据之一,因而成为对SF6高压断路器产品考核及现代化产品设计的重要组成部分。SF6高压断路器开断过程中的介质恢复特性取决于液压操动机构的输出特性、灭弧室内电场、气流场的分布以及电弧等离子体能量的输运过程。传统的方法对介质恢复特性的数值模拟是将决定介质恢复强度的上述几部分分别计算,然后求出介质强度的恢复特性。本论文将机构动力学、电场、磁场及气流场的数学模型通过介质恢复特性联系起来,开展了介质恢复特性耦合数值模拟及其相关问题的研究。在操动机构与灭弧室更加理想配合的仿真研究方面:分析了储压筒、缓冲机构及液压缸的动力输出特性,研究了分闸速度与触头不同分断行程的关系。以分闸速度特性为目标函数,将操动机构输出特性与灭弧室触头运动位置联系起来,对液压操动机构的分闸速度特性进行了优化仿真,实现了液压操动机构与灭弧室之间更为合理的配合。在空载开断介质恢复特性的数值模拟方面:根据确立的机构动力学、电场以及气流场的耦合关系,建立了以介质恢复强度为联系纽带的数学模型;研究了电场和气流场剖分网格的耦合方法,使在介质恢复强度的数值模拟中,电场和流场的数值计算能够采用同一套剖分网格,在输入已知数据后,可实现介质恢复特性的全自动数值模拟;为了提高计算效率,开展了介质恢复特性数值模拟的并行计算及可视化研究。考虑到灭弧室内喷口对吹弧气体的控制作用,研究了喷口型面、结构对介质恢复特性的影响;根据激波形成理论,研究了利用激波提高介质强度恢复速度的喷口型面结构。在短路开断介质恢复特性的数值模拟方面:建立了短路开断下的机构动力学、电场及磁流体动力学的数学模型,确立了对短路开断介质恢复特性进行数值模拟的耦合关系。在输入已知数据后,可实现短路开断介质恢复特性全自动耦合数值模拟;分析和比较了Lorentz力对电弧形态及介质恢复特性的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 6高压断路器的发展概况及研究现状'>1.1 SF₆高压断路器的发展概况及研究现状
• 6高压断路器的发展概况'>1.1.1 SF₆高压断路器的发展概况
• 6高压断路器的研究现状'>1.1.2 SF₆高压断路器的研究现状
• 6高压断路器灭弧室内气流场的求解及电弧模型的研究'>1.2 SF₆高压断路器灭弧室内气流场的求解及电弧模型的研究
• 6高压断路器灭弧室内气流场的求解'>1.2.1 SF₆高压断路器灭弧室内气流场的求解
• 1.2.2 断路器电弧模型的研究
• 1.3 介质恢复特性的数值模拟
• 1.4 课题的研究背景及意义
• 1.5 论文的研究工作
• 第二章 操动机构与灭弧室配合的研究
• 2.1 概述
• 2.2 研究对象简介
• 2.3 液压操动机构主要部件的动力特性分析
• 2.3.1 储压系统回路特性分析
• 2.3.2 缓冲回路特性分析
• 2.3.3 液压缸设计
• 2.4 平均分闸速度的计算
• 2.5 灭弧室内触头开距及全行程设计
• 2.6 压气缸直径设计
• 2.7 灭弧室结构与分闸速度的关系
• 2.8 液压操动机构与灭弧室配合的研究
• 2.9 本章小结
• 第三章 SF6高压断路器空载开断介质恢复特性耦合数值模拟的研究
• 6高压断路器空载开断的意义'>3.1 SF₆高压断路器空载开断的意义
• 3.2 空载开断下介质恢复特性数值模拟数学模型的建立
• 6高压断路器液压操动机构模型的建立'>3.2.1 SF₆高压断路器液压操动机构模型的建立
• 6高压断路器灭弧室气流场非定常可压缩气体流动的N-S方程'>3.2.2 描述SF₆高压断路器灭弧室气流场非定常可压缩气体流动的N-S方程
• 6高压断路器灭弧室电场分布的数学模型'>3.2.3 描述SF₆高压断路器灭弧室电场分布的数学模型
• 6高压断路器介质恢复特性计算模型'>3.2.4 SF₆高压断路器介质恢复特性计算模型
• 6高压断路器空载介质恢复特性耦合仿真计算'>3.3 SF₆高压断路器空载介质恢复特性耦合仿真计算
• 6高压断路器空载介质恢复特性仿真计算的耦合关系'>3.3.1 SF₆高压断路器空载介质恢复特性仿真计算的耦合关系
• 6高压断路器空载介质恢复特性耦合计算流程'>3.3.2 SF₆高压断路器空载介质恢复特性耦合计算流程
• 6高压断路器空载介质恢复特性耦合数值模拟已知条件'>3.4 SF₆高压断路器空载介质恢复特性耦合数值模拟已知条件
• 6高压断路器空载介质恢复特性耦合仿真结果及分析'>3.5 SF₆高压断路器空载介质恢复特性耦合仿真结果及分析
• 3.6 介质恢复特性数值模拟并行算法的研究
• 3.6.1 采用并行计算的必要性
• 3.6.2 FLUENT并行计算平台的搭建
• 3.6.3 并行计算过程中的网格分割问题
• 3.6.4 负载平衡问题的探讨
• 3.6.5 可视化的研究
• 3.6.6 并行计算实例
• 3.7 本章小结
• 6高压断路器喷口型面及尺寸对介质恢复特性影响的研究'>第四章 SF₆高压断路器喷口型面及尺寸对介质恢复特性影响的研究
• 4.1 激波的形成及对介质强度恢复的影响
• 4.2 改变喷口下游仰角和长度对介质恢复特性影响的研究
• 4.3 改变喷口型面对介质恢复特性影响的研究
• 4.3.1 利用激波提高介质强度恢复速度
• 4.3.2 利用喷口下游区两段式喷口型面提高介质强度恢复速度
• 4.4 本章小结
• 6高压断路器短路开断介质恢复特性耦合数值模拟的研究'>第五章 SF₆高压断路器短路开断介质恢复特性耦合数值模拟的研究
• 6高压断路器短路开断概述'>5.1 SF₆高压断路器短路开断概述
• 6高压断路器短路开断机构动力学模型'>5.2 SF₆高压断路器短路开断机构动力学模型
• 6高压断路器短路开断磁流体数学模型'>5.3 SF₆高压断路器短路开断磁流体数学模型
• 6高压断路器短路开断电弧模型'>5.4 SF₆高压断路器短路开断电弧模型
• 6高压断路器短路开断介质恢复特性数值模拟的耦合关系'>5.5 SF₆高压断路器短路开断介质恢复特性数值模拟的耦合关系
• 6高压断路器短路开断仿真结果及分析'>5.6 SF₆高压断路器短路开断仿真结果及分析
• 5.7 Lorentz力对气流参数分布及介质恢复特性的影响
• 5.8 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢