12_kV喷射式熔断器动力学特性分析_王飞鸣.pdf

2023 1期 喷射式熔断器动力学特性分析王飞鸣，赵义松，刘松，林莘，李冰，徐建源（国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 ；沈阳工业大学电气工程学院，辽宁 沈阳 ）摘要：喷射式熔断器是 配电网中最常用的一种短路保护开关，能在规定时间内切断电源以保护设备。熔断器在开断故障电流时，熔管内产生的高气压会对关键部件形成较大的冲击力，导致结构损坏、开断失败。建立 喷射式熔断器多物理场耦合电弧数学模型，计算得到在开断额定短路电流 时，不同电弧缩短杆尺寸的熔管内压强变化曲线。基于气流场计算结果，对熔断器进行三维瞬态动力学仿真，探明不同缩短杆对熔断器动力学特性的影响规律，综合分析结构整体应力分布，确定结构薄弱环节。研究结果表明：在 电流开断条件下，随着电弧缩短杆长度变长，熔管内压强逐渐变小；在强大冲击力作用下，熔断器应力最大值主要集中在触头片、弹簧和下支撑件三个关键部件上，电弧缩短杆为 时的应力分布优于其他两种情况。研究结果可为之后改进熔断器结构提供理论依据，尽量避免因熔断器自身结构问题而导致的停电问题和大面积跳闸。关键词：喷射式熔断器；动力学；有限元分析中图分类号：，（，；，）：，：；基金项目：国网辽宁省电力有限公司科技项目（编号 ）收稿日期：作者简介：王飞鸣（），工学博士，从事高压电器瞬态特性计算分析、电弧等离子体开断特性研究、电力系统暂态计算、配电设备检测技术等方向研究工作。概述 喷射式熔断器是 配电网中最常用的一种短路保护开关，具有维护方便、经济实用、适应户外环境能力强等特点，被广泛应用于 配电线路和配电变压器一次侧作为保护和设备投、切操作。近年来，针对配电变压器高压端口近区短路故障、低压侧突发短路故障、长期过载运行故障等配电系统高频次故障类型，跌落式熔断器保护特性存在严重缺陷及选型配合等问题。根据辽宁省公司设备部统计，年辽宁省内由 跌落式熔断器引发的停电故障有 起，由熔断器失效引起的配电变压器故障有 起，合计占配电总故障的，其中跌落式熔断器质量问题是引发配电变压器爆理论研究电工技术 中国电工网炸、越级跳闸停电等恶性故障的主要原因。熔断器在实际运行中的运动过程如图所示，主要由四个时刻构成，即熔断器正常工作时刻、燃弧时刻、熔管跌落时刻和完全跌落时刻。（a）正常工作时刻（b）燃弧时刻（c）熔管跌落时刻（d）完全跌落时刻图 1 熔断器运动过程熔断器在没有开断故障电流的情况下处于正常工作状态；开断故障电流时，熔丝在故障电流的作用下熔断，熔管内壁产气层在电弧的作用下产生大量高分子气体，燃弧区域上游迅速建立高气压，使燃弧区域上下游存在明显的压强差，在气吹的作用下熔管被道向上运动与触头片产生冲击碰撞；之后随着能量交换带走大量的高温气体，熔管因重力作用向下跌落，最后呈现完全跌落状态。目前，国内还没有相关科研机构及学者对 喷射式熔断器动力学特性进行研究。辽宁省电力有限公司在对熔断器进行开断试验时发现，熔断器结构中最容易被破坏的部件是触头片、与触头片相连的弹簧和熔断器下端位置支撑部件的下支撑件。如图所示，触头片在强大的冲击动力下严重变形，与触头片相连的弹簧被弹飞，下支撑件结构因无法承受瞬态冲击动力而直接断裂。经分析，这是由于熔断器在燃弧过程产生的强大压强对熔断器结构产生较大的瞬态动力，导致结构受损。而熔断器熔管内压强主要受故障电流、燃弧时间等开断工况及电弧缩短杆等相关零部件结构影响。图 2 熔断器开断试验失败试品状态图本文以配电网通用的单端排气式熔断器为研究对象，探讨在开断额定电流 时只考虑改变电弧缩短杆尺寸对熔断器压强的影响，通过气流场仿真计算出不同长度电弧缩短杆压强随时间变化曲线，根据压强曲线对熔断器三维模型进行瞬态动力学求解，通过计算熔断器整体应力分布变化，找到熔断器结构薄弱环节，并对其进行细化分析；通过对比三种不同长度电弧缩短杆情况下关键构件应力结果，分析得到熔断器在三种不同电弧缩短杆情况下最佳尺寸和结构，以减少甚至避免因熔断器自身结构和质量问题引发的故障。计算模型本文以 喷射式熔断器为研究对象，建立熔断器三维模型。建模过程中考虑熔断器各个零件之间铰接关系、各个结构尺寸、在实际工况下模型的位置等建模细节，尽量做到与实物完全匹配，以保证计算结果的准确性。建立的熔断器三维模型如图所示。其中组成熔断器的主要部件包括中间钢角、电瓷绝缘子、上支撑件、弹簧、触头片、灭弧管、下支撑件和耳轴。图 3 喷射式熔断器几何模型1中间钢角;2电瓷绝缘子;3上支撑件;4弹簧;5触头片;6灭弧管;7下支撑件;8耳轴熔断器气流场分析计算 气流场计算模型本文以 喷射式熔断器三种不同长度电弧缩短杆情况为研究对象，在 电流开断条件下通过仿真计算压强分布。根据熔断器灭弧管内部情况，建立的计算模型如图所示。在气流场计算中主要考虑熔管、软铜绞线、电弧缩短杆和气体域构成。图 4 计算模型零电势熔管压力出口较铜绞线气体域燃弧区域电弧缩短杆电流密度对称轴电工技术理论研究2023 1期 气流场计算分析熔断器电弧开断过程涉及电、磁、热、压强、密度、气流等多场叠加的问题，腔体内气体运动状态遵循流体力学守恒方程，电弧的发展规律遵循电磁场等理论 。通过流 体 力 学 基 本 控 制 方 程 中 能 量 守 恒 和 动 量 守 恒 方程 ，对熔断器压强进行仿真计算，得到 工况条件下三种不同长度电弧缩短杆压强随时间变化曲线，如图所示。图 5 12.5 kA 工况条件下压强随时间变化曲线压强/MPa从图中可看出，不同长度电弧缩短杆弧区上游压强变化趋势相同，在 电流开断条件下，电弧缩短杆越长，弧区上游空间越大；在相同燃弧条件下，电弧缩短杆越长，弧区上游压强越小。当燃弧时间达到 时，电弧能量变小，弧区上游压强减小，但由于 电弧缩短杆弧区上游空间体积大，燃弧过程中有更多的热气进入弧区上游，因此压强下降速度低于 和 。熔断器动力学分析 动力学理论基础本文采用的研究方法为结构动力学。结构动力学主要求解结构在动力载荷作用下的结构应力和形变量，需考虑惯性力和阻尼力的作用，主要应用在承受各种冲击载荷的结构、承受各种随时间变化的结构、承受撞击和颠簸的设备，所建立的力学平衡方程式是瞬时的，载荷和结构都是时间的函数表达方式 。结构动力学运动方程的建立主要有三种表达形式。一是利用达朗伯原理引入惯性概念，将惯性力与质点结合，由结构上受到的全部作用力直接列出运动方程，根据求解静力学的方式来解决动力学问题。二是通过广义坐标法，利用动能、势能和广义力列出方程式，再根据拉格朗日方程导出所求运动学方程。三是利用虚功原理将结构上负载力建立起运动方程。结构的动力学方程将结构的质量、刚度、阻尼转化为广义坐标矩阵的形式，用来表达非线性瞬态动力学的控制方程 ：（）（）（）（）（）式中，（）为广义坐标矢量；为结构总体质量矩阵；为阻尼矩阵；为结构总体刚度矩阵；为结构外载荷矢量矩阵；为载荷的作用时间。材料参数设置将建立的三维模型导入仿真计算软件，通过前处理对熔断器各个结构材料杨氏模量、密度、泊松比进行参数赋值，所用材料及参数见表 。表熔断器材料参数材质密度（）弹性模量 泊松比 高压聚乙烯 材料属性赋予后，需按照熔断器的实际工作状态在每个构件之间添加束缚关系以限制各个构件和铰接处的运行状态，最终达到使熔断器精准运行的目的。本模型主要运用低副中的旋转副（）和固定副（）进行约束，旋转副是指被约束的两个构件之间只能围绕共同的轴进行旋转，固定副是将构件与地面之间建立连接关系。考虑不同零件之间及同一部位之间的接触，以评估任何可能发生的接触碰撞行为。假定所有的部件都处于良好的润滑状态，仿真中采用库伦摩擦模型，摩擦系数设置为 ：.（）式中，为静摩擦系数；为动摩擦系数。熔断器动力学计算结果分析 熔断器整体应力分析通过前处理阶段进行材料赋予后，根据上述所求熔断器喷口处压强，对三种不同长度下电弧缩短杆产生的压强进行拟合，将得到的时间压强曲线带入仿真计算。根据实际运行状态和整体动力学仿真结果，得到的熔断器整体应力变化云图如图所示。图 6 熔断器整体应力变化云图由图可知，熔断器受瞬态冲击动力时关键部件为触头片、弹簧，而根据实际运行工况和试验分析，同时需考虑下支撑件应力情况对熔断器结构的影响。为此需抑制其他部位，对触头片、弹簧和下支撑件三处关键构件进行细化分析，分别得到其在不同长度电弧缩短杆情况下所受应力情况，并根据仿真结果，结合实际结构特点进行理论研究电工技术 中国电工网计算，分析导致应力变化的原因，找到三种不同电弧缩短杆情况下最优方案。触头片应力结果分析图为三种不同电弧缩短杆情况下触头片应力分布云图。图 7 不同电弧缩短杆尺寸的触头片应力分布云图（a）110 mm（b）130 mm（c）150 mm由图可知，触头片应力最大值出现在触头片向下弯曲拐角处，而且此位置应力梯度较大，说明此位置出现了应力集中现象，极易出现瞬态应力过大导致的疲劳破坏问题。其原因是吹弧过程产生的强大喷射动力推动熔断器熔管向上运动与触头片产生碰撞，而触头片一端与上支撑件一端固定，触头片自身结构较薄，在弯曲处极易产生很大的应力集中，建议适当增加触头片厚度以减小所受应力。而三种不同电弧缩短杆结构下触头片应力分布云图分析结果显示，电弧缩短杆情况下触头片最大应力为 ，电弧缩短杆情况下触头片最大应力为 ，而 电弧缩短杆情况下最大应力为 ，可明显看出 电弧缩短杆情况下最大应力远小于其他两种情况。在 内三种不同电弧缩短杆情况下应力随时间变化曲线如图所示。由此可知，电弧缩短杆情况下各时刻的触头片应力都远小于其他两种情况。图 8 不同电弧缩短杆情况下触头片应力随时间变化曲线 弹簧应力结果分析弹簧作为一种缓冲零件与触头片和上支撑件相连，在受到应力的情况下压缩起到缓冲的作用，以减小触头片所受应力，使触头片在受到强大的瞬态动力时不会出现结构瞬间破坏现象。三种不同电弧缩短杆情况下弹簧应力分布云图如图所示。由此可知，电弧缩短杆情况下弹簧所受最大应力为 ，电弧缩短杆情况下弹簧所受最大应力为 ，电弧缩短杆情况下弹簧所受最大应力为 ，电弧缩短杆情况下弹簧应力优于其他两种情况。图 9 不同电弧缩短杆尺寸的弹簧应力分布云图（c）150 mm（a）110 mm（b）130 mm三种不同电弧缩短杆情况下弹簧应力随时间变化曲线如图 所示。由此可知，弹簧应力随着电弧缩短杆的增长而不断变小，在 电弧缩短杆情况下所受应力明显低于其他两种情况，弹簧在一定时间后由于惯性力的作用而出现反复振荡。图 10 不同电弧缩短杆情况下弹簧应力随时间变化曲线 下支撑件应力结果分析熔断器应力另一个关键构件是下支撑件，一端通过螺母固定在点瓷绝缘子上，另一端作为耳轴的支撑部件，将耳轴悬挂于下支撑件弧形结构中，熔丝熔断，熔管向上运动，带动耳轴沿着下支撑件弧形区域运动，并在下支撑件与耳轴连接处产生碰撞应力和疲劳磨损。三种情况下的下支撑件应力分布云图如图 所示。由此可知，电图 11 不同电弧缩短杆尺寸的下支撑件应力分布云图（a）110 mm（b）130 mm（c）150 mm电工技术理论研究2023 1期 弧缩短杆情况下的下支撑件所受最大应力为 ，而在 电弧缩短杆情况下的下支撑件所受最大应力为 ，电弧缩短杆情况下的下支撑件所受最大应力为 ，电弧缩短杆情况仍优于另外两种情况。三种不同电弧缩短杆情况下的下支撑件应力随时间变化曲线如图 所示。由此可知，刚开始出现较大应力时间长于其他两种情况，且各时刻的应力均小于其他两种情况。图 12 不同电弧缩短杆情况下的下支撑件应力随时间变化曲线 结语本文以 喷射式熔断器为研究对象，对 工况条件下三种不同长度电弧缩短杆所产生的压强进行仿真计算，并建立考虑熔断器各个结构之间铰接关系的三维模型；根据压强随时间变化曲线计算三种不同电弧缩短杆情况下熔断器结构应力集中单元部件，对其细化分析，并加以对比，得出以下结论。（）在 电流开断条件，相同燃弧条件下，随着电弧缩短杆变长，弧区上游压强变小；当燃弧时间达到 时，电弧缩短杆压强下降速度低于 和 两种情况。（）根据熔断器整体应力仿真结果分析，熔断器在瞬态冲击动力作用下，其应力集中在触头片、弹簧和下支撑件三个关键部件上。（）通过对比三种不同长度电弧缩短杆情况下，触头片、弹簧和下支撑件应力分布云图及应力随时间变化曲线可知，电弧缩短杆情况是三种情况中最优方案，其应力最小，应力集中现象较其他两种情况更不明显，零部件相比于其他两种情况不易造成疲劳磨损现象。但是在 电弧缩短杆情况下触头片、弹簧和下支撑件应力最大值仍较大，建议可对其结构和材料进行改进，以极力避免因熔断器结构问题造成的一系列恶性情况。参考文献 林莘 现代高 压 电 器技术 版 北 京：机 械 工 业 出 版社，王飞鸣 高压 断路器非平衡态电弧机理及开断特性研究沈阳：沈阳工业大学，王飞鸣，张彬，田勇，等 基于场路耦合方法的特高压开关站接地系统环流计算分析 东北电力技术，（）：王飞鸣，张彬，田勇，等 特高压电容器组开关触头烧蚀对开断特性的影响研究东北电力技术，（）：徐广令，郑雪钦，翁颖蕾，等 高压喷射式熔断器熔断件的弧前温度场仿真分析 机电技术，（）：焦琳，徐肖伟，赵海波，等 跌落式熔断器熔丝异常熔断故障原因分析电工技术，（）：，王金辉，王飞鸣，赵义松，等 户外跌落式喷射熔断器开断试验失败原因分析 东北电力技术，（）：，崔浩 杆上跌落式熔断器故障分析及改进措施供用电，（）：，王飞鸣，李冰，伊文龙，等 跌落式熔断器运行特性及试验研究东北电力技术，（）：夏亚龙 断路器中非平衡态等离子体电弧弧后介质恢复特性研究 沈阳：沈阳工业大学，王飞鸣，林莘，徐建源高压 断路器非平衡态等离子体电弧的熄弧特性高电压技术，（）：李冲，郭建炎，翁剑清，等基于有限元分析的高压喷射式熔断器弧前时间仿真计算水电能源科学，（）：林莘，庚振新，谭盛武，等 单断口自能式断路器短路开断过程数值计算与分析高压电器，（）：张朝科 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修正了电流检测环节存在的误差，使其对电压控制和系统补偿不产生影响，具有优异的补偿性能。参考文献 张培远，蒋伟，吴应华，等谐波电流的分频检测与分频控制策略电力电容器与无功补偿，（）：，王佳浩，潘欢，纳春宁电网电压不平衡和谐波畸变下新型并网锁 相 环 设 计 电 力 系 统 保 护 与 控 制，（）：，（）：涂娟，汤宁平基于改进型 的电网电压同步信号检测中国电机工程学报，（）：，（）：，（）：杨杰负载不平衡下级联桥 补偿策略研究 株洲：湖南工业大学，蒋晨，薛士龙，耿攀，等单极性 调制方式下逆变器效率对比电源学报，（）：，（上接第 页）舰船科学技术，（）：李浩东 吊管机工作装置的多刚体动力学仿真研究 天津：河北工业大学，杨敏新型自动垂直输送分拣设备的设计与仿真分析南京：南京航空航天大学，郑建荣 虚拟样机技术入门与提高 北京：机械工业出版社，袁世杰，昌哲勤多刚体系统动力学基础北京：北京理工大学出版社，郝勇刚基于多体系统的配气机构动力学特性研究杭州：浙江大学，电工技术理论研究