基于EDEM的高壓熔斷器填料密實度研究

趙森　張敏良　郭東升　丁寧

摘 ?要： 高壓熔斷器是一種用在高壓線路和配電系統中的保護裝置，可對故障電路予以安全保護。其結構中石英砂填料的密實度對熔斷器的安全性能至關重要，為此本文探究了一種徑向沖擊旋轉熔管的方式來解決熔斷器中填料的密實度問題。石英砂顆粒在沖擊作用下進行位置的重新排列來降低孔隙率，進而提高填充密實度。本文采用離散元素法，建立了顆粒接觸過程的動力學方程，應用EDEM軟件模擬了石英砂的振動過程，并通過石英砂填料的填充實驗進行了驗證。結果證明：徑向沖擊旋轉熔管方式可以使熔管填料的平均密實度達到1.65?g/cm3的密實度要求，同時隨著振動時間的增加填充密實度表現出先增加后穩定的規律。

關鍵詞：?高壓熔斷器;徑向沖擊;填充密實度;離散元法;EDEM

中圖分類號：?TM563.3????文獻標識碼：?A????DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.02.054

【Abstract】： High-voltage fuse is a kind of protective device used in high-voltage line and distribution system， which can provide safety protection for fault circuit. The density of quartz sand filler in its structure is very important to the safety of fuse. Therefore， this paper explores a way of radial impact rotating cartridge to solve the problem of packing density in fuse. Quartz sand particles are rearranged under impact to reduce porosity and improve filling compactness. In this paper， the discrete element method is used to establish the dynamic equation of the contact process of particles. EDEM software is used to simulate the filling process of quartz sand， which is verified by the filling experiment of quartz sand filler. The results show that the average density of the filler can reach the requirement of 1.65?g/cm3?by radial impact rotating cartridge. At the same time， the compactness of the filler increases first and then stabilizes with the increase of vibration time.

【Key words】： High-voltage fuse; Radial impact; Filling density; Discrete element method; EDEM

0??引言

高壓熔斷器是高壓電網系統的重要組成部件，如圖1所示為一種有填料管式高壓熔斷器，主要由熔絲支架1、熔管2、石英砂填料3、熔絲4和銅帽5構成。一些學者對熔斷器填料做過相關的研究，Saqib等比較了熔斷器裝填不同種填料的分斷效果，結果表明石英砂是用作熔斷器填料的最佳選擇[1]。Намитоков等進行了石英砂密實度對熔斷器功效影響的研究，得出增大石英砂密實度可以改善熔斷器的動作性能[2]。現實應用也表明石英砂具有較好的滅弧、防爆、熱傳導性能，可以有效提高被保護電氣設備的熱穩定性和動穩定性[3-4]。

除石英砂種類、粒徑配比的因素影響，填料密實度對熔斷器的分斷性能有較大影響[5]。目前微型熔斷器的填料裝填采用的是垂直方向的振動、水平方向的振動或垂直碰撞振動[6]。王運維[7]、李國軍[8]等人提出的單維振動式熔斷器自動灌砂機，其振動單元原理如圖2所示，將熔斷器外殼4利用夾具2、3固定在振動臺1上進行垂直或水平振動來進行填料的密實灌裝。楊智春等[9]設計的熔斷器多維振動注砂機以及由杭魯濱等[10]提出的一維垂向振動及兩維轉動的三自由度振動方式，實現了石英砂填料在多維度下的振動裝填。

通過實驗發現單維、多維式振動對提高大型管式高壓熔斷器填料密實度的效果不佳，難以達到1.65?g/cm3的使用要求[11]。主要原因在于小型熔斷器的熔管體積小，所需石英砂裝填數目少，固定約束在激振臺上進行振動時，外殼內各顆粒均能獲得足夠的能量進行位置重排使石英砂達到密實排布。而大型高壓熔斷器所需填充的顆粒數目較多，由激振臺帶動熔管與填料振動時，能量經由石英砂顆粒之間傳遞衰減，在能量獲得較少的位置處，顆粒的運動程度較小而不能充分進行移位充填，導致填料密實度達不到要求。為此本文探究了一種徑向沖擊旋轉熔管的方式來解決填料密實度問題。

本文建立了顆粒接觸過程中的動力學方程，通過EDEM軟件模擬了石英砂顆粒的運動狀況，并分析了密實度變化規律。進而通過實驗分析了徑向沖擊旋轉熔管作用下的石英砂填料密實度特性。

1??填料顆粒的接觸模型

高壓熔斷器石英砂填料顆粒的運動分析采用離散單元法，為方便分析作如下假設：1）所有顆粒接觸變形的總和為整個系統的變形;2）顆粒之間的接觸為發生在很小的區域內的點接觸;3）顆粒接觸特性為軟球接觸;4）在每個時間步內，擾動不能從顆粒同時傳播到其他的相鄰顆粒。

依據離散元法，將填料顆粒的運動分解為法向和切向運動，相應的動力學方程如下：

通過公式（7）得到顆粒更新后位置的數據，再將該數據代入力-位移關系式中可以計算作用力， ?多次循環迭代就可以獲取到任意時刻的顆粒運動 ?軌跡。

2 ?模型仿真

2.1??顆粒模型

石英砂顆粒為白色多棱形球狀結晶體，在EDEM軟件中采用球形顆粒形態對不規則的石英砂顆粒進行幾何簡化，如圖3所示。為使仿真盡可能接近于實際情況，對石英砂顆粒作分級篩分，統計得直徑介于0.3?mm（50目）和0.21 mm（70目）之間的占比95%，石英砂顆粒的平均直徑為0.25 mm，符合高壓熔斷器填料的粒度值標準。同時為便于觀察石英砂的分布情況以及方便計算，幾何體采用亞克力材質，實驗材料的物性參數見表1。

在EDEM中，對接觸模型類型的選擇以及材料參數的設定在前處理模塊里完成，顆粒和顆粒之間以及顆粒和管體之間的接觸模型均采用Hertz-Mindlin（no-slip）模型。重力設置為z軸負方向，其值設置為9.8m/s2。具體的Partical to Particle和Partical to Geometry接觸模型參數見表2。

2.2??顆粒工廠設置

由于石英砂顆粒的粒徑較小而所需顆粒量較大，同時亞克力管的內徑較小限制了顆粒工廠的大小，致使顆粒的生成速度較慢。在仿真中選取了在軸線方向上的20?mm高石英砂柱作仿真分析。用一個plate（外接圓接近管內徑的八邊形）作為顆粒工廠，設置于平行幾何體頂部且距離頂部1?mm處的位置。石英砂顆粒粒徑設置按分級篩選的比重進行相應的設定。在factory中選擇動態生成方式生成40000個顆粒，同時設置每秒鐘產生的顆粒為5000個，在simulator標簽下設置分析步長與顆粒生成時間，點擊progress start按鈕開始生成顆粒。

2.3??顆粒系統仿真分析

在幾何體標簽下刪除顆粒工廠并為幾何體設置運動參數，選擇幾何體后在dynamics下添加sinusoidal translation。設置振動方向為x方向，振動參數值測量均值（振動頻率為2.33?Hz，振動幅度為0.26?mm）。設置開始時間為8?s，結束時間為60?s。

在求解器模塊中設定的時間步長為固定時間步長的30%。同時需要設置仿真的網格尺寸，需要注意盡量使網格單元總數不超過10000個。由于顆粒較多，分析步不宜設置過大，設定總的振動時間為60?s，仿真完成后分析計算填料的填充密度。

3 ?仿真結果分析

EDEM中的仿真結果分析是在后處理模塊中實現，在Geometry Bin中添加孔隙率數據，依據此參數則可以推導出石英砂填料的填充密實度。即：

圖5是振動過程中的石英砂顆粒的狀態圖，振幅的測試試驗獲取到在沖擊徑向的方向上的振動幅值最大，在仿真效果上顯示出了在該方向上的顆粒運動速度較其他方向的顆粒速度要大。靠近沖擊點的位置較同高度的其他位置的獲取能量更大。在熔管旋轉狀態下，整個顆粒系統可獲取的能量分布會更為均勻，也更有助于提高填料的填充密實度。

經過統計計算的密實度變化曲線由圖6所示，60?s穩定狀態下的石英砂顆粒填充密度大于1.65?g/cm3，以此驗證管中的整體密實度可以達到安全使用要求。在沖擊作用下，顆粒間進行位置的替換重新排列，破壞“拱橋”，較小的顆粒落在大顆粒之間占據空隙，增大密實度。同時隨著沖擊時間的增加，石英砂的填充密度逐漸趨于穩定。

4??實驗分析

圖7所示為實驗裝置及其原理簡圖，沖擊頭往復運動沖擊作旋轉運動的熔管，使內部填料密實。

采用逐步測量法分析石英砂填料在徑向沖擊下隨時間的密度變化。

（1）實驗采用的是粒徑均值為0.25mm石英砂，實驗前需在真空干燥箱中將其表面水分除去，測量空管質量及自由填充石英砂質量;（2）將自由填充填料的管子放置在沖擊裝置上，設定工藝參數。 ?（3）打開沖擊裝置，每隔10s測試一次總質量，直到總質量不變。（4）記錄實驗數據，計算密度并分析其變化趨勢。將所得的實驗數據作處理，得到的密實度結果見表3，填料密度變化曲線如圖8。

從石英砂密度變化曲線可以看出，在開始的20?s時間內，石英砂填料的密度上升較快，此時的石英砂顆粒吸收由管壁傳遞沖擊頭的能量，進行位置的重新排列，由開始的自由填充狀態迅速充實。在50?s之后，密實度上升緩慢。在220?s時，密實度達到了極限狀態，之后隨著沖擊的繼續進行，密實度則不再發生變化。此時，顆粒之間的填充也達到了最穩定的狀態。與仿真密實度曲線相比，實測值較大些，其原因在于真實的實驗顆粒粒徑值分布更大，更易使空隙填充。

5??結論

徑向沖擊旋轉熔管方式可以通過顆粒重新排列來提高石英砂的填充密實度。應用EDEM軟件的仿真分析以及實驗條件下測得的石英砂填充密實度狀態，結果表明：

（1）徑向沖擊旋轉熔管的方式可以使石英砂填料的灌裝達到所要求的密實度標準。

（2）在徑向沖擊旋轉熔管作用方式下，約50?s可以達到石英砂填料密實度要求，220?s可以使密實度達到極限穩定值。

（3）隨著沖擊時間的增加，石英砂填料的密實度總體呈現先增加后穩定的密實規律。

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