基于Fluent軟件動網格法的瓦斯繼電器內部流場模擬

李勝男，劉明亮，周 鑫，張思青，蘭 昊，韓冬冬

（1. 云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650000；2. 昆明理工大學 冶金與能源工程學院，云南 昆明 650093）

2015年4月11日東莞橫瀝站 3臺500 kV主變重瓦斯保護區外故障誤動，造成東莞大面積停電。三菱公司500 kV主變除在廣東電網發生橫瀝站事件外，還發生過滄江站3#主變、上寨站3#主變及嘉應站2#主變區外短路時重瓦斯跳閘事件。針對上述問題廣東電網已制定并實施了防范措施，但未徹底杜絕該類型故障的發生。瓦斯繼電器由于其保護原理、機械結構存在固有缺陷，瓦斯保護誤動作、拒動時有發生。而我國繼電器重瓦斯流速整定值的相關標準的制定依據是20世紀50年代前蘇聯推薦的實驗結果參考值［1］，后續的理論成果一直未在標準中更新、增補。

云南電網有限責任公司設備部對瓦斯繼電器誤動的歷史數據進行了分析，提出對差動保護、瓦斯保護的死區進行詳細的分析，但現有實驗條件無法滿足研究要求。因此對瓦斯繼電器動作特性的模擬計算十分重要。本文基于Fluent軟件動網格法模擬某國產瓦斯繼電器重瓦斯報警的過程，為瓦斯繼電器整定值的確定提供參考。

1 問題描述

瓦斯繼電器安裝在變壓器本體和油枕的連接管道上，安裝位置如圖1所示。瓦斯繼電器的工作原理如圖2所示。當變壓器本體內發生短路等嚴重故障時，短時間內故障點處產生大量的瓦斯氣體，體積膨脹，推動變壓器油流過瓦斯繼電器到油枕泄壓。這個過程中油流會沖擊繼電器中速度探測元件擋板，致使擋板開啟至一定角度，使擋板上附帶的磁鐵吸附干簧管中的觸點，進而觸發繼電器開關，發出報警信號。即擋板開啟至既定的角度時就會觸發重瓦斯報警。

圖1 瓦斯繼電器安裝位置Fig.1 Installation location of Buchholz relay

圖2 瓦斯繼電器工作原理Fig.2 Working principle of Buchholz relay

2 計算方法

2.1 計算方法概述

本文應用Fluent軟件動網格模型進行模擬。動網格通過網格重構實現，網格重構依賴于對運動區域的定義。利用Fluent軟件提供的用戶自定義函數（UDF），將自定義功能用C語言寫入UDF中，借助內部編譯器或第三方編譯軟件編譯成動態鏈庫（DLL），動態連接到Fluent求解器上，從而實現擴展的求解功能。由于本文僅涉及擋板定軸轉動，采用的UDF函數為DEFINE_CG_MOTION。

2.2 運動部件受力分析

圖3為利用ProE軟件繪制的瓦斯繼電器三維裝配圖和繼電器的內部擋板。繼電器中擋板繞轉軸的運動可視為剛體定軸轉動，所受力矩有三種：重力矩、彈簧張緊力矩以及油流對擋板的沖擊力矩。

圖3 三維裝配圖及擋板模型Fig.3 3D assembly drawing and baffle model

擋板重心剛好位于轉軸下方，因此重力矩為

圖4 計算簡圖Fig.4 Calculation sketch

繼電器內部為湍流，擋板周圍流場變化劇烈，存在油流對擋板正面的沖擊以及擋板背面低壓漩渦區的吸附作用等，這使油流總作用力矩無法通過理論計算求解。通過Fluent軟件可計算瞬時流場，再求取該瞬態流場下擋板受到的油流總作用力矩。通過宏函數Compute_Force_And_Moment提取計算面域上的力矩。通過在該宏函數參數中指定擋板轉動慣量及轉軸，計算并返回擋板所受總沖擊力矩。

圖5 彈簧張緊力矩特性Fig.5 Characteristics of the spring tensioning moment

將式（1）～（5）用C語言寫入宏函數DEFINE_CG_MOTION中，計算出擋板瞬時角速度并返回Fluent求解器，移動計算面域，更新動網格，進而完成擋板的運動控制。

3 計算模擬

3.1 幾何模型

利用ANSYS軟件中DM模塊抽取流體計算域模型，如圖6（a）所示。利用ICEM-CFD生成非結構網格，如圖6（b）所示。計算域左邊為入口邊界，右邊為出口邊界，中間為可轉動擋板。基于文獻［3-4］中的方法以進出口壓差與網格無關為判據，生成數量為140萬的網格。對擋板進行局部加密處理，提高核心過流部件計算精度。

圖6 流體計算域和計算機網絡Fig.6 Fluid domain and computing grid

3.2 邊界條件

氣體繼電器檢測臺通過變頻調速實現油流速度調節，模擬重瓦斯報警時油流速度，進而標定氣體繼電器速度整定值。本文以ZCQT-301型試驗臺數據對比仿真結果，選取試驗臺的測試工況（如表1所示）為計算工況（如表2所示）。為簡化計算，將試驗臺中瓦斯繼電器油流運動視為勻加速運動。

入口邊界條件選擇“速度入口”，用UDF宏函數RP_Get_Real獲取系統時間，將起始速度和加速度寫入宏函數中作為自定義速度入口邊界條件。出口邊界條件因速度、壓力未知，且經試算，滿足無回流條件，故選用“自由出流”條件。流場計算時采用SIMPLEC算法，梯度項、壓力及動量方程均用二階格式以提高精度。動網格計算時對時間步長的選取較敏感，設置偏大會產生負網格，偏小會增加計算量。本文時間步長取0.000 5 s，計算200步，即計算0.1 s內流場的變化。

表1 某國產瓦斯繼電器動作檢測結果（27.3℃）Tab.1 Action detection results of domestic Buchholz relay(27.3℃)

表2 繼電器平均動作特性Tab.2 Average action characteristic of the relay

3.3 結果及分析

仿真動作時間與實驗動作時間對比如表3所示。依據實測數據，重瓦斯報警時擋板開度為21.33°。表3中時間相對誤差小于5%，可滿足一般工程計算需要，證明該方法比較可靠。

表3 仿真動作時間與實驗動作時間對比Tab.3 Comparison between simulation action time and experimental action time

依據試驗臺油流加速原理，由重瓦斯實際動作時間倒推油流所需加速度應為2.6 m·s-2。受設備性能限制，該加速度只能利用CFD（計算流體力學）模擬計算得到。在加速度為2.6 m·s-2、速度為0.1 m·s-1下利用UDF捕捉結果。圖7（a）為擋板所受力矩隨時間的變化。受卡門渦影響，油流沖擊力矩存在周期性。擋板所受力矩中起主導作用是油流沖擊力矩。由于擋板開度不大，Mg和Ms均在小范圍內變化。擋板作為超速檢測原件，由于迎流面過大，在檢測油流速度的同時會破壞測量流場，且易受油流擾動影響，存在誤動可能。圖7（b）為θ和ω隨時間的變化。通過線性插值可得，擋板達到報警開度（21.33°）時，對應時刻為0.092 7 s，符合瓦斯保護切除故障需80～120 ms的實際情況。這在一定程度上驗證了本文計算方法的自洽性。

圖7 擋板所受力矩、擋板轉角和角速度隨時間的變化Fig.7 Relationship between baffle moment,baffle rotation angle as well as angular velocity and time

文獻［6-7］中阻力系數隨擋板角度的變化是基于穩態計算結果。本文中來流速度隨時間不斷變化，擋板開啟時間極短，各時刻流場未充分發展，故不宜直接應用穩態計算結果。這也體現出CFD計算的優勢所在，它可以彌補人工手算整定值［2,8］、校驗儀校驗整定值［9］及試驗臺校驗整定值所得結論的不足。

4 結 論

本文基于Fluent軟件動網格法搭建了瓦斯繼電器整定值校驗計算平臺，并對瓦斯繼電器內部流場進行了定量描述，主要結論為：①給定工況下，100 ms內變壓器油流速度由0 m·s-1增加至1.3 m·s-1，即平均加速度為13 m·s-2時，瓦斯繼電器所需的報警時間為0.092 7 s。②當繼電器內流動為高雷諾數時會產生卡門渦，擋板開啟總力矩呈周期波動，依據穩態計算確定整定值會帶來誤差。

由于繼電器理論計算難度大，國內外這方面的實驗研究較少，導致整定值的計算方法標準進展緩慢。對瓦斯繼電器流場進行仿真模擬不僅可以實現常規實驗無法測試的狀態，而且可以較低成本獲取大量流場內部細節，為瓦斯繼電器整定值的確定提供參考。