船舶中壓直流配電板電纜室燃弧壓力升特性數(shù)值研究

趙云杰，姜 楠，朱 磊，劉彪

應(yīng)用研究

船舶中壓直流配電板電纜室燃弧壓力升特性數(shù)值研究

趙云杰，姜 楠，朱 磊，劉彪

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

本文基于電弧能量熱等效壓力升計算模型對船舶中壓直流配電板電纜室內(nèi)燃弧壓力升特性進行了數(shù)值研究。計算了在不同弧壓梯度下發(fā)生燃弧故障時電纜室內(nèi)的壓力升變化，仿真結(jié)果表明：在弧壓梯度25～55 V/cm范圍內(nèi)，達到泄壓蓋開啟壓力時間為16～28 ms；燃弧初期壓力波傳至泄壓蓋及上部側(cè)板時間為4ms；受壓力波反射、疊加效應(yīng)影響，泄壓蓋開啟后室內(nèi)壓力出現(xiàn)二次幅值上升，上部側(cè)板二次峰值最大，建議此處安裝加強筋增強此處柜板強度。

配電板 燃弧故障 壓力升 CFD

0 引言

隨著船舶自動化和電氣化水平的不斷提高，船舶綜合電力系統(tǒng)總裝機容量越來越大，同時受斷路器短路電流分斷能力、發(fā)電機機組單機容量、發(fā)電機機組數(shù)量以及電纜載流量等因素的影響，船舶中壓直流配電板得到廣泛應(yīng)用[1]。

抗燃弧性能是船舶中壓直流配電板基本要求[2]。配電板在實際運行中，可能存在電氣元器件絕緣老化、工作電流大、操作次數(shù)多、過載運行、接地短路、誤操作等問題引發(fā)配電板發(fā)生燃弧故障。發(fā)生燃弧時，電弧極短時間內(nèi)釋放大量熱量，加熱并壓縮周圍空氣，引起室內(nèi)氣體膨脹、壓力驟增最后表現(xiàn)為氣體爆炸形式，對設(shè)備產(chǎn)生強大的壓力沖波，使柜體在強壓下結(jié)構(gòu)受損，甚至引發(fā)柜門、柜體發(fā)生爆裂事故，危害人員和設(shè)備安全。GB/T3906-2020和IEC62271-2003均將內(nèi)部燃弧故障試驗列為型式試驗[2,3]。

然而，燃弧型式試驗僅能對柜體強度進行定性校核，且試驗周期長，人力及物力耗費大，難以定量揭示燃弧產(chǎn)生壓力效應(yīng)對柜體的影響，多物理場仿真成為研究該極限問題的重要方法。但由于燃弧爆炸現(xiàn)象涉及了復(fù)雜的物理、化學(xué)過程，電弧等離子體等相關(guān)參數(shù)的高度非線性給仿真計算帶來較大困難，目前只有簡單封閉容器內(nèi)部以實際電弧等離子體模型仿真為主。針對實際配電板復(fù)雜模型，電弧能量等效熱模型簡化了電弧等離子體復(fù)雜物理過程，忽略電弧在磁場、流場中的運動特性，利用“kp因子”將電弧功率當(dāng)作熱源輸入[4]，通過溫度場-流場耦合求解獲得發(fā)生燃弧故障時室內(nèi)氣體壓力升的變化規(guī)律，與考慮電弧物理特性研究方法相比，大大減少計算量，可實現(xiàn)對配電板復(fù)雜模型內(nèi)部壓力升求解。

因此，本文基于電弧能量熱等效模型利用Fluent軟件對中壓直流配電板電纜室內(nèi)部燃弧壓力升進行數(shù)值計算，獲得配電板發(fā)生燃弧故障時電纜室內(nèi)部壓力分布，并根據(jù)壓力升規(guī)律提出船舶中壓直流配電板抗燃弧設(shè)計要點。

1 物理模型

船舶中壓直流配電板電纜室結(jié)構(gòu)如圖1所示，由電纜母排、頂部泄壓蓋、絕緣子、接地開關(guān)等部件構(gòu)成。頂部泄壓蓋通過尼龍螺栓和金屬螺栓與柜體相連，當(dāng)發(fā)生燃弧爆炸時，泄壓蓋在內(nèi)部壓力沖擊波的作用下，尼龍螺栓由于強度較低首先發(fā)生斷裂，泄壓蓋開啟釋放室內(nèi)壓力。

圖1 配電板電纜室結(jié)構(gòu)圖

室內(nèi)發(fā)生燃弧爆炸時，主要經(jīng)歷四個階段：壓縮階段、膨脹階段、噴射階段和熱階段[5～7]。壓縮階段：燃弧初期，電弧釋放大量熱量，加熱并壓縮周圍空氣，使隔室內(nèi)的壓力增大，并迅速上升至峰值；膨脹階段：當(dāng)隔室內(nèi)壓力增大到泄壓裝置的閾值開啟壓力時，泄壓裝置打開將壓力釋放，大量高溫氣體通過泄壓通道排出燃弧隔室；噴射階段：電弧能量的持續(xù)釋放使氣體溫度進一步升高，金屬電極會出現(xiàn)熔化、蒸發(fā)現(xiàn)象，隔室泄壓口將產(chǎn)生高溫、高速氣流，氣流中含有大量熾熱的金屬液滴，即產(chǎn)生弧光噴射現(xiàn)象；熱效應(yīng)階段：當(dāng)大量空氣被壓縮至隔室外后，隔室內(nèi)部剩余空氣被電弧進一步加熱，溫度大幅升高，導(dǎo)致周圍的絕緣材料出現(xiàn)起火、金屬部件出現(xiàn)變形、熔化等現(xiàn)象，開關(guān)柜外殼有被燒穿的危險。

圖2 燃弧四個階段

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 計算方法

由物理模型分析可知，室內(nèi)發(fā)生燃弧故障主要經(jīng)歷四個階段，其中壓縮階段以壓力升高為主，即在泄壓蓋開啟前，室內(nèi)壓力效應(yīng)影響較大，溫度影響較小；熱效應(yīng)階段壓力升已降至較小值，此時高溫效應(yīng)才逐漸凸顯。可見燃弧過程壓力及溫度的影響時間段并不相同。對中壓直流配電板而言，壓力沖擊效應(yīng)對設(shè)備的影響較大，因此本文忽略熱效應(yīng)的影響，僅考慮壓縮和膨脹階段，研究室內(nèi)燃弧爆炸引起的壓力效應(yīng)，獲得室內(nèi)較為準確的壓力分布。

本文采用電弧能量熱等效的壓力升計算模型[4]，將電弧等離子體等效為固定大小的熱源，根據(jù)熱轉(zhuǎn)換系數(shù)“k-因子”及電弧電流、弧壓等參數(shù)，獲得室內(nèi)燃弧時引起壓力上升的熱源功率P大小：

式中，，分別為弧壓和電弧電流的瞬態(tài)值；k為熱轉(zhuǎn)換系數(shù)[4]。

由熱等效的壓力升計算模型施加電弧熱源功率后，采用理想氣體模型和湍流模型，基于計算流體力學(xué)，通過溫度場-流場瞬態(tài)全隱式耦合求解獲得室內(nèi)壓力升的分布規(guī)律。

2.2 模型簡化

配電室內(nèi)燃弧爆炸壓力分布與其內(nèi)部空氣的流通情況密切相關(guān)，對空氣流動影響較小的部位可作簡化處理，基本簡化原則為：

1）去掉對隔室氣體流動影響不大的零部件（例如，柜壁和隔板上的螺栓），同時將這些零件去掉后剩余的孔隙作封閉處理；

2）去掉倒圓倒角，保證零件輪廓特征；

3）對于部分復(fù)雜的幾何，將表面平整，并保證流體空間域的體積相當(dāng)?shù)脑瓌t，進行合理簡化；

4）將柜體百葉窗及裝配等開口窄縫結(jié)構(gòu)做全封閉處理，認為氣體僅從泄壓蓋位置逸出；

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5）將電弧等效為一段小圓柱，放置在進線母排之間對母排進行短接，模擬母排發(fā)生短路燃弧故障。

簡化后電纜室內(nèi)部元器件如圖3。

圖3 電纜室內(nèi)部器件及流體仿真模型

2.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是數(shù)值計算的基礎(chǔ)，本文研究的電纜室結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。利用Workbench mesh進行網(wǎng)格劃分，全局尺寸設(shè)置為16 mm，熱源尺寸設(shè)置為4 mm。網(wǎng)格劃分情況如圖4所示。

圖4 電纜室網(wǎng)格示意

2.4 控制方程

CFD計算是基于流體動力學(xué)守恒定律：質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程和氣體狀態(tài)方程，對容器內(nèi)部能量及壓力進行離散化求解。對于可壓縮理想氣體，不考慮熱輻射和化學(xué)反應(yīng)，容器內(nèi)流動控制方程為：

質(zhì)量守恒方程：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

理想氣體狀態(tài)方程：

2.5 求解設(shè)置

中壓配電板電纜室內(nèi)部發(fā)生燃弧故障時，氣體的流動可看作是三維、可壓縮的湍流運動，采用標準兩方程k-e湍流模型模擬湍流，采用標準壁面函數(shù)模擬近壁運動。考慮到燃弧時間較短(ms級)，流體與固體壁面接觸時間較短，參與熱交換的能量較少，金屬外殼及固體壁容器壁面和電極表面均設(shè)置為絕熱邊界。對于泄壓蓋，在室內(nèi)壓力達到釋放壓力前設(shè)置為絕熱壁面，當(dāng)室內(nèi)壓力達到尼龍螺栓斷裂拉力時的臨界壓力時，泄壓蓋邊界改為Outlet條件，釋放室內(nèi)壓力。

3 燃弧壓力升特性

3.1 電弧能量參數(shù)

配電板電纜室發(fā)生燃弧時，電弧電流為短路電流有效值；而弧壓的隨機性較大，與間隙類型、電流大小、電弧長度、電機材料等有關(guān)[8,9]，本文設(shè)置以下5種弧壓梯度進行分析。計算得各工況加載熱源密度如表1：

表1 工況參數(shù)

3.2 壓力升特性

將電纜室三塊側(cè)板和背板分別命名為wall1～ wall4，如圖5，用于進行壁面壓力特性分析。

圖5 柜板命名

圖6示意了電纜室在不同弧壓梯度下，燃弧爆炸過程中泄壓蓋開啟前后各柜板所受壓力隨時間的變化情況。由圖可知，弧壓梯度越大，達到臨界壓力所需時間越短，弧壓梯度為25、30、35、45、55 V/cm時，達到泄壓蓋開啟壓力的時間分別為28、27、26、18、16 ms；燃弧初期4 ms內(nèi)，位于上部的板wall1及泄壓蓋outlet壓力幾乎為0，這是由于壓力波由電弧中心傳遞至各柜板需要一定時間，該時間與電弧距離成正比，可知傳遞至泄壓蓋及上部側(cè)板時間為4 ms；各弧壓梯度下室內(nèi)壓力變化規(guī)律基本一致，泄壓蓋開啟前室內(nèi)壓力隨燃弧時間的增加近似線性增大，但出現(xiàn)較大幅度的波動，泄壓蓋打開后，泄壓蓋出口降為大氣壓力，但室內(nèi)壓力并未立即下降，而是出現(xiàn)了多次幅值上升后才逐漸下降，位于上層側(cè)板的wall1二次壓力幅值最大，達到7 atm，這主要是受三面拐角處壓力波反射、疊加效應(yīng)的影響顯著，所以要重點關(guān)注wall1板的強度問題，必要時在此處布置加強筋進行強度加強。

圖6 各柜板處壓力隨時間變化

考慮到各工況壓力特性相似，下面重點對工況3即35 V/cm弧壓梯度在不同時刻的壓力云圖進行分析。圖7分別示意了為泄壓蓋開啟時刻各柜板處的壓力云圖，從圖中可以看到：泄壓蓋壓力分布是非均勻，最大值與最小值相差1.4 kPa；柜板整體側(cè)板壓力較背板大，上部柜板壓力較下部大，整個配電板柜板壓力存在接近16 kpa壓差，需要重點關(guān)注側(cè)板上部即wall1位置的強度。

圖7 泄壓蓋開啟時刻柜板壓力分布

圖8依次示意了電纜室在泄壓蓋開啟時刻及泄壓蓋開啟后的三個峰值時刻壓力分布情況，從圖中可以看到：泄壓蓋開啟時刻，柜體下部壓力較小，上部壓力較大，可以知道室內(nèi)氣體受熱膨脹，熱氣體向上流動，導(dǎo)致上部壓力越來越大，并且左側(cè)泄壓蓋壓力較右側(cè)大，左側(cè)泄壓蓋先達到泄壓臨界值；當(dāng)泄壓蓋開啟后，泄壓蓋附近壓力迅速降低，在第一個峰值時刻，室內(nèi)壓力較為均勻，處于泄壓蓋打開后的迅速變化響應(yīng)時刻；在第二個峰值時刻，室內(nèi)下部壓力較大，上部壓力較小，主要是由于柜體下部燃弧位置持續(xù)加載熱量，壓力波還未及時傳至柜體頂部；在第三個峰值時刻，室內(nèi)壓力波傳至頂部，從頂部泄壓蓋釋放出去，壓力最大值集中在柜體上部壁面附近。

4 結(jié)論

本文基于電弧能量熱等效壓力計算方法建立了船舶中壓直流配電板電纜室內(nèi)燃弧壓力升三維瞬態(tài)數(shù)值模型。計算了電纜室在不同弧壓梯度下燃弧壓力升變化，主要得到以下結(jié)論：

1）弧壓梯度越大，達到臨界壓力所需時間越短，在弧壓梯度為25～55 V/cm范圍內(nèi)，達到泄壓蓋開啟壓力的時間在16～28 ms。

2）壓力波由電弧中心傳遞至各柜板的時間與電弧距離成正比，傳遞至泄壓蓋及上部側(cè)板的時間為4 ms。

3）室內(nèi)壓力升變化規(guī)律：泄壓蓋開啟前室內(nèi)壓力隨燃弧時間增加近似線性增大，但由于爆炸工況的極端不穩(wěn)定會出現(xiàn)較大幅度的波動；泄壓蓋打開后，室內(nèi)壓力并未立即下降，而是出現(xiàn)多次幅值上升后才逐漸下降，受壓力波反射、疊加效應(yīng)的影響，上部側(cè)板的二次壓力幅值最大，需重點關(guān)注該板的強度問題，設(shè)計時建議安裝加強筋增強此柜板強度。

[1] 楊青.船舶中壓配電板的特點及發(fā)展趨勢[J]. 船舶工程, 2011, 33(06): 45-48.

[2] GB3906-2020. 3.6 kV～40.5 kV交流金屬封閉開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備[S].2020.

[3] IEC62271-2003. 1kV～52 kV交流金屬封閉開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備[S].2003.

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Numerical study on the characteristics of arcing pressure rise in marine medium-voltage DC switchboard cable vault

Zhao Yunjie, Jiang Nan, Zhu Lei

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion，Wuhan 430064, China）

TM561

A

1003-4862（2022）11-0006-05

2022-01-04

趙云杰（1993-），女，研究方向：電機熱設(shè)計。E-mail：1942635133@qq.com