電弧觸發器穩態溫度場計算及其優化設計

蔣心怡，姚高飛，莊勁武

?

電弧觸發器穩態溫度場計算及其優化設計

蔣心怡，姚高飛，莊勁武

(海軍工程大學電氣工程學院，武漢 430033)

為了計算電弧觸發器穩態溫升，本文建立了電弧觸發器二維穩態溫度場模型，采用matlab自編程方法計算電弧觸發器穩態溫度場，并通過溫升實驗驗證模型的正確性。針對圓孔型電弧觸發器，本文通過保持狹頸總截面不變，來保證弧前時間一致，并在此條件下研究不同狹頸數對電弧觸發器穩態溫升的影響規律，以此對電弧觸發器進行優化設計。

電弧觸發器 穩態溫度場 溫升 狹頸數

0 引言

電弧觸發器是電弧觸發式混合型限流熔斷器的關鍵部件，擔任著檢測短路電流并及時產生觸發信號的任務，其性能直接關系到熔斷器的分斷速度。電弧觸發器的設計要求其在額定通流下溫升最小，在短路電流下弧前時間最短，以使得熔斷器能夠對短路電流快速響應，及時分斷。目前，國內對大電流電弧觸發器的研究有戴超、陳搏等，戴超[1]通過有限元軟件Ansys對圓孔型電弧觸發器進行了仿真研究，分別分析了熔體結構對弧前時間和溫升的影響，但其優化設計時未進行變量的控制，因此優化方案不夠具體；陳搏[2]采用差分法和有限元軟件Ansys對矩形孔電弧觸發器進行仿真研究，得到了弧前時間一致條件下的熔體結構與電阻的關系。

圖1 電弧觸發器結構

本文建立了圓孔狹頸電弧觸發器二維穩態電熱耦合場模型，采用matlab自編程方法計算電弧觸發器穩態溫度場，通過溫升實驗驗證模型的正確性。最后，在弧前時間一致條件下，分析了恒定尺寸熔體狹頸數n與溫升的關系，其結果能直接指導工程實踐，具有較強的現實意義。

1 電弧觸發器建模

1.1物理模型

圖2 電弧觸發器示意圖

1.2 數學模型

穩態情況下，電弧觸發器滿足電場方程和溫度場方程：

1.3邊界條件

1）電場邊界條件

電流流過的端面滿足第一類邊界條件，即：

其余邊界滿足第二類邊界條件，即：

2）溫度場邊界條件

因為觸發器銀片部分面積很小，且一般被石英砂包裹，石英砂熱傳導系數很小，因此忽略其對石英砂熱傳導作用，視為絕熱邊界，即第二類邊界條件：

其余邊界皆與空氣接觸，視為大空間自然對流散熱，邊界條件為第三類邊界條件，即：

式中：，對流換熱系數；T，邊界面溫度；T，遠處空氣溫度。

2 方程離散與計算方法

2.1網格劃分

電弧觸發器各部分尺寸差別較大，為了減少計算量并保證計算準確性，網格劃分采用變網格，銀片部分采用小正方形網格（步長0.01 mm），接線端子采用較小正方形網格（步長0.1 mm），大銅排采用大矩形網格（長寬方向步長分別為10 mm、1 mm）。

2.2方程離散

電場方程離散采用中心差分法，溫度場方程離散根據單元體熱平衡法進行離散。

2.3計算方法

本文采用matlab自編程完成穩態場計算。計算流程為：先求解各節點的電位及溫度迭代方程，再更新物性參數，重復以上過程，當滿足計算精度時計算停止。

3 實驗驗證

為驗證穩態模型正確性，本文對銀片尺寸為：30 mm*6 mm*0.2 mm，含18個圓孔，圓孔直徑為1 mm的觸發器進行溫升試驗。實驗采用大電流發生裝置作為電源，外接3 m長100 mm×10 mm的銅排，通以恒定電流1200 A，經過約4個小時溫度基本穩定，記錄結果。

表1 穩態場實驗與計算結果對比

從表1可以看出實驗與計算一致性較好，證明了模型的正確性。

4 電弧觸發器優化設計

電弧觸發器兩個關鍵性性能為：a) 短路電流下的弧前時間；b) 額定通流下的溫升。在設計時，一般要求在其滿足溫升的前提下縮短弧前時間，以提高觸發器對短路電流的響應速度。本文通過控制弧前時間一致，來研究狹頸數對溫升的影響，以此完成對觸發器優化設計。

以額定通流1600 A觸發器為例，研究狹頸數對溫升的影響。大短路電流上升率下，電弧觸發器的弧前時間只與熔體狹頸截面積有關。因此，為保證弧前時間的一致，在改變狹頸數目的同時，調整狹頸寬度，以保證銀片狹頸總截面積相等。

銀片長（電流方向）6 mm，寬30 mm，厚0.2 mm。使用穩態溫度場模型對不同狹頸數的觸發器進行穩態溫升計算，表2為計算結果。

表2 不同狹頸數下的狹頸溫升

以狹頸數n為橫坐標，以狹頸溫升為縱坐標，繪制狹頸溫升——狹頸數n關系圖。

從圖3可以看出，狹頸溫升隨狹頸數目的增加而減小，在孔數15-25之間減小速度較快，25-32之間基本不變，32之后緩慢減小，因為>32之后，狹頸寬度將小于0.16 mm，加工難度增大且狹頸連接強度下降，可靠性降低，因此狹頸數取25為宜。

5 結論

本文對圓孔型電弧觸發器建立二維穩態溫升模型，并通過溫升實驗驗證了模型正確性。以該模型為工具，通過保證狹頸總面積不變來控制弧前時間一致，改變狹頸數目，得出了狹頸溫升隨狹頸數目的增加而減小的規律，并提出了最優狹頸數目。

[1] 戴超, 莊勁武. 艦船低壓大電流電弧觸發式混合型限流熔斷器研究[D]. 武漢: 軍工程大學, 2010.

[2] 陳搏, 莊勁武. 高壓大電流電弧觸發式混合型限流熔斷器研究[D]. 武漢: 海軍工程大學, 2012.

[3] 戴鍋生. 傳熱學[M]. 北京: 高等教育出版社. 2011

[4] 王晨, 張曉鋒, 莊勁武, 等．新型混合式限流斷路器設計及其可靠性分析[J]．電力系統自動化．2008, 32(12): 61-67．

[5] Kerstin K, Martin K, Lars K．Integration of fast acting electronic fault current limiters (EFCL) in medium- voltage systems[C]. 17th International Conference on Electricity Distribution. Barcelona: CIRED press, 2003: 1-6.

[6] 余躍聽, 徐國順. 艦船電力系統新型限流保護技術的仿真分析[J]. 低壓電器, 2011, 24: 1-5.

[7] Hoshino T, Muta I, Tsukiji H, et al. Recovery time of superconducting non-inductive reactor type fault current limiter[J]. IEEE Trans. on Magnetics, 1996, 32（4）: 2403–2406.

[8] 袁志方, 莊勁武, 王晨, 等. 石英砂對于電磁斥力高速開斷器介質恢復特性的影響[J]. 高電壓技術, 2014, 40(1): 294-299.

[9] 顧雪晨, 王晨. 直流電力系統短路限流裝置研究[J]. 船舶, 2012, 23(3): 60-62.

[10] Petranovic R, Miri M．Modeling of the transient behavior of a resistive type high Tc fault current limiter[J]. IEEE Trans. on Applied Superconductivity, 2003, 13（2）: 2036–2039.

[11] 王季梅．高壓交流熔斷器及其應用[M]. 北京: 機械工業出版社, 2005: 151.

[12] 陳剛, 江道灼, 吳兆麟. 固態短路限流器的研究與發展[J]. 電力系統自動化．2003, 27（10）: 89-94.

[13] Slade P, Wu L, Stacey J, et al. The utility requirements for a distribution fault current limiter. IEEE Trans on Power Delivery, 1992, 7(2): 507-515.

[14] 陳博, 莊勁武, 肖翼洋, 等. 10 kV/2 kA混合型限流熔斷器用電弧觸發器的分析與設計[J]. 高電壓技術, 2012, 38(8): 1948-1955.

Optimization Design and Calculation on Steady-state Temperature Field of Arc Trigger

Jiang Xinyi, Yao Gaofei, Zhuang Jinwu

(Naval University of Engineering College of Electrical Engineering, Wuhan 430033, China)

TM563

A

1003-4862（2014）08-0028-03

2014-06-06

蔣心怡（1960-），女，副教授。研究方向：電力系統安全運行。