学术简报：气流场驱动下栅片中弧压提升特性的数值分析
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大连理工大学电气工程学院、大连供电公司的研究人员张明、王永兴、田宇、董恩源、丛宇，在2019年第13期《电工技术学报》上撰文，建立了以磁流体动力学（MHD）理论为基础的气吹灭弧室电弧被气流吹入栅片过程的三维数值分析模型。
与当前空气断路器普遍研究的采用磁场驱动电弧进入铁磁栅片区域并被切割为若干短弧相比，主要研究在灭弧室的进气口处施加气流来驱动电弧运动，并采用绝缘栅片来拉长和冷却空气电弧以提高电弧电压。
基于商业软件包ANSYS FLUENT并对其进行二次开发，对气吹灭弧室中的多物理场耦合进行数值计算，仿真分析了不同材料栅片下电弧的运动和电压变化情况，采用全绝缘栅片可以获得最大的电弧电压；并比较分析了栅片间距和入口气压对电弧电压提升的影响，为开关电器中基于提升弧压应用场合的研究提供一定的指导作用。
断路器是电力系统中重要的设备之一，在系统中承担着控制和保护设备及线路的任务。空气断路器在触头打开时会产生电弧，电弧受外力作用沿着跑弧道向栅片区域运动并进入栅片导致电弧电压迅速上升，从而实现转移限流或熄灭电弧的目的。如何使电弧更快进入栅片和达到尽量大的电弧电压是研究的重点。
国内外学者对空气断路器电弧的运动和弧压的提升做了很多研究，由于计算机的发展，对电弧发展和运动进行数值分析成为电弧研究的重要手段。当前普遍的研究内容为利用线路电流或外电路产生的磁场驱动电弧进入铁磁栅片区，利用较大数量栅片产生的电弧近极压降累加和电弧的拉长来提高电弧电压[5-8]。若采用绝缘栅片，由于电弧不能形成新的弧根，会给电弧进入栅片带来困难。
当前国内外直接利用气流驱动电弧运动的研究还不多见。本文以磁流体动力学理论为基础，建立气吹灭弧室的数值分析模型。主要研究在灭弧室进气口施加较大的气流，考虑电弧的流体特性，用气流将电弧吹入绝缘栅片区域的缝隙内，使得电弧弧柱长度增长，配合栅片对电弧的冷却使得电弧电压迅速提高。
本文分别对相同数量的不同材料组合栅片的灭弧室进行仿真，分析了不同栅片材料下电弧在气吹驱动下的运动和电压提升情况。对不同入口压强和不同栅片间距的灭弧室进行数值计算，比较分析了入口压强和栅片间距对电弧电压运动和电压变化的影响。
图1 灭弧室简化的几何模型
本文建立了基于磁流体动力学理论的灭弧室多物理场耦合数值计算模型，对灭弧室入口气流驱动电弧向栅片区域移动并最终进入栅片，被栅片拉长和冷却使得电弧电压提升的过程进行数值计算，仿真分析了不同材料栅片下电弧的运动和电压变化情况，并比较了栅片间距和入口气压对气吹灭弧室电弧电压提升的影响，得到以下结论：
1）在气吹的条件下，气流场对电弧作用远大于铁磁栅片产生的磁场作用，相同栅片数量结构下电弧被吹入栅片所用的时间相差不大，采用全绝缘栅片可以得到最大的电弧电压。
2）栅片数量增多，栅片间距变小，会阻碍气流流动，使电弧进入栅片所用时间变长。过大的栅片间距提升电弧电压能力饱和，过小间距不利于电弧能量耗散，限制电弧电压提升。弧道间距250mm的灭弧室在同一入口压强条件下，11个栅片的电弧电压最大。
3）电弧运动和进入栅片的时间随入口压强的增大而减小，电弧电压达到的最大值随入口压强增大而增大。随着气压进一步增大，气压增大对电弧弧压增大的影响会变小。