黎 鵬,阮江軍,黃道春,徐國(guó)順,龍明洋,魏夢(mèng)婷
封閉容器內(nèi)部短路燃弧爆炸壓力效應(yīng)計(jì)算*
黎 鵬1,阮江軍1,黃道春1,徐國(guó)順2,龍明洋1,魏夢(mèng)婷1
(1.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院,湖北 武漢430072;2.海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院,湖北 武漢430033)
中壓開關(guān)設(shè)備內(nèi)部短路燃弧爆炸對(duì)設(shè)備、建筑物以及工作人員的安全帶來了嚴(yán)重威脅。為提出合適的數(shù)值計(jì)算方法對(duì)短路爆炸引起的壓力效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算,對(duì)開關(guān)設(shè)備內(nèi)部短路燃弧的能量平衡機(jī)制進(jìn)行了分析;通過分析燃弧過程的熱-力效應(yīng),提出了基于CFD法的間接耦合分析方法,并開展了實(shí)際封閉容器內(nèi)部短路燃弧實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了算法的可行性。研究結(jié)果表明:實(shí)驗(yàn)測(cè)量與模擬計(jì)算獲得的平均壓強(qiáng)僅相差2%左右;電弧尺寸對(duì)壓力升的影響較小;封閉容器內(nèi)部壓力升隨電弧能量的增大近似線性增大;安裝負(fù)壓室后燃弧室的壓強(qiáng)可降低60%左右,因此,增設(shè)負(fù)壓室可有效抑制開關(guān)設(shè)備內(nèi)部短路爆炸引起的壓力升。
開關(guān)設(shè)備;內(nèi)部短路燃?。环忾]容器;CFD;壓力升
中壓開關(guān)設(shè)備距居民區(qū)較近,操作頻繁,其安全問題相比其他高壓開關(guān)設(shè)備更應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注[1],特別是內(nèi)部電弧故障引起的爆炸事故時(shí)有發(fā)生[2]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),全國(guó)平均每年因手車柜電弧短路故障燒毀的開關(guān)柜多達(dá)200多個(gè)[3];據(jù)德國(guó)精密機(jī)械和電工技術(shù)職業(yè)協(xié)會(huì)的事故統(tǒng)計(jì)表明,電弧故障引起的事故約占電流事故的25%[4],可見電弧故障為中壓開關(guān)設(shè)備中不可忽視的一大安全隱患,一旦發(fā)生,其產(chǎn)生的高壓及高溫效應(yīng)將對(duì)工作人員、設(shè)備以及建筑物的安全造成巨大威脅[5-6]。
為減少中壓開關(guān)設(shè)備內(nèi)部短路爆炸事故的發(fā)生,國(guó)外針對(duì)簡(jiǎn)易小尺寸封閉容器開展了較多數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[6-8]中介紹了開關(guān)設(shè)備內(nèi)部短路燃弧壓力升的多種簡(jiǎn)化數(shù)值計(jì)算方法,比較了不同方法的差異,并通過實(shí)驗(yàn)與計(jì)算分析了簡(jiǎn)易開關(guān)模型內(nèi)部的壓力效應(yīng);CIGRE A3.24工作組[9]在假設(shè)隔間內(nèi)壓力均勻分布的條件下,提出了簡(jiǎn)化數(shù)值計(jì)算模型,對(duì)不同介質(zhì)下開關(guān)設(shè)備內(nèi)部短路燃弧引起的壓力升進(jìn)行了計(jì)算;文獻(xiàn)[10-12]中對(duì)封閉容器內(nèi)部短路燃弧引起的壓力升開展了數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究,分析了熱轉(zhuǎn)換系數(shù)kp在不同條件下的變化規(guī)律。國(guó)內(nèi)針對(duì)該問題開展的研究較少,文獻(xiàn)[13]針對(duì)開關(guān)柜內(nèi)部短路燃弧問題,提出了獲得各隔室壓力及溫度整體分布的簡(jiǎn)化數(shù)值計(jì)算方法;文獻(xiàn)[14-15]開展了模擬開關(guān)柜相間燃弧實(shí)驗(yàn),測(cè)量了電弧燃燒過程中柜體內(nèi)部的壓力變化,并對(duì)柜體整體的壓力升進(jìn)行了計(jì)算。目前,對(duì)開關(guān)設(shè)備內(nèi)部短路爆炸壓力效應(yīng)的計(jì)算,仍以簡(jiǎn)化算法獲得整體的壓力變化為主,而對(duì)于利用CFD法獲得設(shè)備內(nèi)部壓力的空間分布缺乏系統(tǒng)研究。文獻(xiàn)[16-17]提出的磁流體動(dòng)力學(xué)(MHD)法可建立與實(shí)際接近的電弧等離子模型,獲得的壓力數(shù)值精度較高,但計(jì)算量較大,對(duì)實(shí)際開關(guān)設(shè)備的應(yīng)用有限。因此,有必要對(duì)開關(guān)設(shè)備內(nèi)部短路爆炸壓力升的計(jì)算開展進(jìn)一步研究。
本文中對(duì)開關(guān)設(shè)備內(nèi)部短路燃弧的能量平衡機(jī)制進(jìn)行分析,利用L-C振蕩回路開展了實(shí)際短路燃弧實(shí)驗(yàn),分析短路燃弧故障時(shí)的壓力及溫度效應(yīng),據(jù)此提出基于CFD的間接耦合分析方法;建立小尺寸簡(jiǎn)易模型,通過實(shí)際封閉容器內(nèi)部短路燃弧實(shí)驗(yàn)對(duì)算法的可行性進(jìn)行驗(yàn)證,并分析相關(guān)規(guī)律,為后續(xù)實(shí)際開關(guān)設(shè)備內(nèi)部短路爆炸壓力升的數(shù)值模擬計(jì)算提供參考。
當(dāng)開關(guān)設(shè)備內(nèi)部發(fā)生短路燃弧故障時(shí),燃弧功率可達(dá)60MW左右,產(chǎn)生的壓力升也可達(dá)MPa級(jí),電弧釋放的能量將以多種機(jī)制進(jìn)行傳遞;假設(shè)電弧釋放的總能量為Qarc,電弧在金屬電極間燃燒的過程中,弧根與電極之間會(huì)發(fā)生熱傳導(dǎo)(Qe),從而使電極溫度升高;由于弧根位置的溫度可達(dá)上萬度,在高溫作用下,電極與弧根接觸部位會(huì)出現(xiàn)熔化,并形成金屬蒸氣攜帶能量Qmv;同時(shí),釋放的金屬蒸氣會(huì)與周圍空氣發(fā)生吸熱或放熱反應(yīng),吸收或釋放能量Qchem;電弧釋放的熱量還會(huì)以電磁波的形式輻射至固體壁面(Qrad),使其溫度升高;除了上述能量傳遞之外,大部分能量被周圍空氣吸收(Qtherm),使空氣受熱膨脹,從而引起開關(guān)設(shè)備內(nèi)部壓力上升。上述能量之間的關(guān)系可用下式表示:
為描述使容器內(nèi)部壓力上升的能量占電弧總能量的比例,系數(shù)“kp-因子”被提出[6-7],其定義如下:
通常情況下,由于式(1)各部分能量很難直接獲得,因此“kp-因子”主要通過計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比來確定[10-11],kp與氣體類型、電極材料、容器尺寸以及氣體密度等有關(guān)[18]。目前針對(duì)設(shè)備內(nèi)部短路燃弧壓力升的計(jì)算主要基于“kp-因子”,具體表達(dá)式為[7-8]:,
該式忽略了壓力波的傳播特性,假設(shè)電弧釋放的能量在容器內(nèi)部均勻分布,且不考慮氣體狀態(tài)的變化。
實(shí)際開關(guān)設(shè)備發(fā)生內(nèi)部短路燃弧故障時(shí),由于殼體的影響,很難觀察到內(nèi)部的燃弧現(xiàn)象,因此,為了對(duì)短路燃弧過程進(jìn)行分析,利用電容C與電抗器L振蕩提供工頻大電流,開展了開放環(huán)境下的短路燃弧實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)回路如圖1所示,包括:SP-銅電極,直徑為2cm;CB-合閘斷路器,初始狀態(tài)為分;電壓探頭HV-測(cè)量弧壓的大??;Rog-羅氏線圈,用于測(cè)量回路電流的大小。銅電極的間距d=5cm,間隙用焊錫絲短接,當(dāng)回路接通時(shí),焊錫絲在電流作用下被熔斷從而引燃電弧。
圖1 實(shí)驗(yàn)布置圖Fig.1Diagram of test arrangement
圖2 短路燃弧爆炸過程Fig.2Explosion process of short-circuit arcing
短路燃弧爆炸現(xiàn)象如圖2所示,整個(gè)燃弧過程僅持續(xù)50ms,其中電流峰值約為5kA,弧壓約為200V;CB閉合瞬間,回路接通將焊錫絲熔斷,間隙之間形成電弧,產(chǎn)生巨大聲響并出現(xiàn)耀眼亮光,與爆炸過程類似;在電弧穩(wěn)定燃燒階段,電弧燃燒釋放強(qiáng)烈的光和熱,出現(xiàn)耀眼的白色弧光,如圖2(a)所示;隨著燃弧的進(jìn)行,間隙亮度明顯降低,如圖2(b)所示,這時(shí)燃弧過程已接近尾聲,間隙出現(xiàn)了大量線條形熾熱顆粒,并向四周噴射,這主要由于電弧弧根溫度較高,造成與其接觸的金屬電極熔化,而產(chǎn)生大量金屬液滴所致;當(dāng)電流過零熄弧時(shí),弧光消失,但間隙仍出現(xiàn)了大量熾熱的金屬顆粒與明亮的火光,并產(chǎn)生了較多白煙,如圖2(c)所示,說明銅電極發(fā)生了熔化、蒸發(fā),并與周圍空氣發(fā)生了劇烈的化學(xué)反應(yīng),釋放大量熱量;隨著電弧的熄滅,銅電極表面的溫度逐漸降低,金屬液滴的噴射現(xiàn)象逐漸減弱,火光與白煙也逐漸消散,如圖2(d)~(f)所示。
由上述短路燃弧現(xiàn)象,以及前期研究[13-19]表明,開關(guān)設(shè)備內(nèi)部發(fā)生短路燃弧故障時(shí),主要會(huì)經(jīng)歷以下4個(gè)階段:壓縮、膨脹、噴射以及熱效應(yīng)階段,各階段對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)變化如圖3所示。由圖可知,設(shè)備內(nèi)部發(fā)生短路燃弧故障時(shí),壓力及熱效應(yīng)的影響時(shí)間段并不相同;燃弧5~15ms期間,設(shè)備內(nèi)部壓力急劇增大,而內(nèi)部?jī)H電弧區(qū)域附近的溫度較高,開關(guān)設(shè)備泄壓裝置開啟后,內(nèi)部壓力迅速下降至大氣壓,此時(shí)溫度的影響才逐漸凸顯;即熱效應(yīng)僅在燃弧末期影響較大,而對(duì)開關(guān)設(shè)備來說壓力形成的破壞力對(duì)殼體以及建筑物的影響極大。因此,為了簡(jiǎn)化計(jì)算,同時(shí)獲得較為準(zhǔn)確的壓力分布,提出了圖4所示基于CFD法的間接解耦方法;該方法將電弧等離子體等效為理想氣體,忽略了電弧本身的物理特性,同時(shí)不考慮電弧在磁場(chǎng)、流體場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)特性,僅將電弧當(dāng)作熱源,采用有限體積法進(jìn)行溫度-流體場(chǎng)耦合求解;由于該方法忽略了電磁場(chǎng)與溫度-流體場(chǎng)的相互耦合作用,可大大減少計(jì)算量,并可對(duì)設(shè)備內(nèi)部的壓力升實(shí)現(xiàn)局部化求解。其中,加載熱源功率P可根據(jù):
獲得。式中:U為電弧弧壓,I為電弧電流。
圖3 燃弧過程的各個(gè)階段Fig.3Phases of the arcing process
圖4 壓力升間接耦合算法Fig.4Indirect coupling analysis method of pressure rise
為了驗(yàn)證數(shù)值模擬算法的準(zhǔn)確性,建立了如圖5所示的模型,容器直徑0.7m、高0.8m,電極為圓柱形銅電極,其直徑為2cm,位于容器正中央,電極間距為5cm;利用圖1所示L-C振蕩回路提供短路電流,實(shí)驗(yàn)方法與2.1部分一致,實(shí)驗(yàn)過程對(duì)電弧電流、弧壓以及容器內(nèi)表面的壓力進(jìn)行測(cè)量,壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于容器側(cè)壁dp所示位置。通過電弧功率及燃弧時(shí)間可獲得電弧釋放的總能量約為8.246kJ,采用CFD法計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲得監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖6所示。
圖5 實(shí)驗(yàn)?zāi)P虵ig.5Experimental model
由圖6可知,數(shù)值模擬獲得的壓強(qiáng)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)測(cè)量完全一致,但實(shí)驗(yàn)獲得的壓強(qiáng)曲線波動(dòng)較大,基本以計(jì)算波形為中心上下振蕩,這主要與實(shí)驗(yàn)過程電弧的劇烈變化有關(guān)。電弧燃燒過程中,由于弧壓的波動(dòng),使得電弧功率的波動(dòng)較大,并非為規(guī)則的正弦波,而數(shù)值計(jì)算中,假設(shè)電弧功率隨時(shí)間呈正弦函數(shù)規(guī)律變化。因此,計(jì)算獲得的壓強(qiáng)曲線整體波動(dòng)較小,波動(dòng)頻率與電弧功率一致;當(dāng)燃弧至60ms時(shí),計(jì)算與實(shí)驗(yàn)獲得的相對(duì)壓強(qiáng)最大值分別為:5.636和6.339kPa,兩者相差達(dá)到了12.5%,但實(shí)驗(yàn)測(cè)量的平均壓強(qiáng)為5.75kPa,兩者僅相差2%左右;考慮到實(shí)驗(yàn)測(cè)量過程中電弧能量的波動(dòng),結(jié)果應(yīng)參考平均壓強(qiáng)的大小。因此,模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致,證明了計(jì)算的有效性。
圖6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.6Comparison of calculated and experimental results
實(shí)際開關(guān)設(shè)備發(fā)生內(nèi)部短路燃弧故障時(shí),電弧在磁場(chǎng)力、熱浮力以及氣流等的影響下,燃弧位置、長(zhǎng)度均會(huì)發(fā)生較大變化,因此,數(shù)值計(jì)算中電弧尺寸的選擇成為重點(diǎn)問題。該部分就電弧尺寸對(duì)模擬結(jié)果的影響進(jìn)行分析,建立了如圖5所示的圓柱形封閉容器數(shù)值模型,同時(shí)為簡(jiǎn)化分析,容器直徑與長(zhǎng)度均減小為0.3m;燃弧部位(能量輸入部位)為圖中電弧區(qū)域,該區(qū)域的大小與電弧電流以及電弧的運(yùn)動(dòng)形態(tài)有關(guān),燃弧間距設(shè)為5cm。由于燃弧時(shí)間較短,壁面與空氣熱交換的能量較少,因此,模擬過程將電極與容器壁面均設(shè)為絕熱邊界,容器內(nèi)部氣體為理想可壓縮氣體,初始溫度為25℃,相對(duì)壓強(qiáng)為0。假設(shè)電弧為圓柱形,直徑分別設(shè)置為1和2cm;加載的熱源功率為:
式中:t為燃弧時(shí)間,s。
利用圖4所示方法計(jì)算獲得熱源直徑為1和2cm的截面壓強(qiáng)分布如圖7所示。圖中分別為時(shí)刻0.4和10ms的結(jié)果,可以看出,壓強(qiáng)在截面基本呈現(xiàn)對(duì)稱分布,說明壓力波以電弧為中心向四周對(duì)稱發(fā)展,能量的釋放過程與爆炸過程類似,氣體熱浮力的影響較小;兩種電弧直徑獲得的壓強(qiáng)分布較為接近,如燃弧至10ms時(shí),其對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)最大值分別為94.3和94.6kPa,兩者僅相差0.3%左右,同時(shí)壓力波由電弧區(qū)域傳遞至壁面的時(shí)間均約為0.4ms,說明壓力波的傳播速度也基本一致,約為375m/s;雖然圖中最大值出現(xiàn)的位置有所不同,但其數(shù)值并無較大差異;可見當(dāng)熱源在容器內(nèi)部占的空間較小時(shí),其尺寸大小對(duì)壓力的分布及傳播特性影響較小;而實(shí)際開關(guān)設(shè)備發(fā)生內(nèi)部短路燃弧故障時(shí),電弧占的區(qū)域均較小,因此,電弧尺寸對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響較小。
圖7 不同電弧尺寸下壓強(qiáng)分布Fig.7Pressure distribution in different arc sizes
為分析電弧能量對(duì)容器內(nèi)部壓力升的影響,對(duì)上述模型在不同電弧能量下的壓力升進(jìn)行了計(jì)算,并考慮空氣比熱容隨溫度的變化,其變化規(guī)律可用文獻(xiàn)[20]中的多項(xiàng)式進(jìn)行描述;電弧能量Q分別為:9、18、36和56.7kJ。圖8所示為計(jì)算獲得的容器內(nèi)部平均壓強(qiáng)隨電弧能量的變化規(guī)律。由圖8可知,壓強(qiáng)隨電弧能量的增加近似線性增大,但增大速率并非為固定值,而是有減緩的趨勢(shì);壓強(qiáng)增長(zhǎng)率的平均值約為9.33kPa/kJ,當(dāng)Q由9kJ增大到18kJ時(shí),壓強(qiáng)的增長(zhǎng)速率約為9.98kPa/kJ;而當(dāng)Q 由36kJ增大到56.7kJ時(shí),壓強(qiáng)增長(zhǎng)率低于初始增長(zhǎng)率;分析認(rèn)為,隨著電弧能量的增加,容器內(nèi)部空氣溫度增大,導(dǎo)致空氣比熱容的波動(dòng)較大;而當(dāng)溫度低于3 000K時(shí),空氣比熱容隨溫度的增加而增大;在上述電弧能量的作用下,空氣的平均溫度均低于3 000K,所以隨著電弧能量的增加,空氣的比熱容也會(huì)有所增大,而壓強(qiáng)與空氣比熱容呈負(fù)相關(guān),從而使得壓強(qiáng)的增長(zhǎng)速率減緩。由于空氣比熱容隨溫度和壓強(qiáng)的變化較為復(fù)雜,對(duì)于更大電弧能量下壓強(qiáng)的變化規(guī)律還需開展進(jìn)一步的分析。
由式(3)可知,容器內(nèi)部的壓強(qiáng)隨容積的增大而減小,因此,為抑制開關(guān)設(shè)備內(nèi)部的壓力升,提出了圖9所示的泄壓通道優(yōu)化措施。在燃弧室外部安裝負(fù)壓室,負(fù)壓室與外部環(huán)境相連,當(dāng)燃弧室的壓力達(dá)到泄壓蓋A的閾值開啟壓力時(shí),泄壓蓋A開啟,燃弧室中部分高溫氣體瞬間被吸入負(fù)壓室,此時(shí)負(fù)壓室內(nèi)壓力升高出現(xiàn)超壓。當(dāng)其壓力達(dá)到泄壓蓋B的開啟壓力時(shí),內(nèi)部氣體被排至外界環(huán)境中,燃弧室中的壓力將快速下降,可有效降低燃弧室出現(xiàn)爆裂的風(fēng)險(xiǎn)。假設(shè)燃弧室為邊長(zhǎng)50cm的正方體,負(fù)壓室尺寸為20cm×20cm×40cm,初始相對(duì)壓強(qiáng)為-10kPa,泄壓蓋A和B的閾值開啟相對(duì)壓強(qiáng)分別為10和0kPa。采用上述方法計(jì)算燃弧室的壓力分布發(fā)現(xiàn):增加負(fù)壓室后,燃弧室中的最大壓強(qiáng)降低了約60%,可見負(fù)壓室的降壓效果較好,可應(yīng)用于實(shí)際開關(guān)設(shè)備中,但具體應(yīng)用方案有待進(jìn)一步深入研究。
圖8 壓強(qiáng)隨電弧能量的變化Fig.8Variation of pressure with arc energy
圖9 泄壓通道優(yōu)化措施Fig.9Optimization measure of pressure relief channel
分析了容器內(nèi)部短路燃弧引起的熱-力效應(yīng),提出了基于CFD法的壓力升間接耦合分析方法,通過小尺寸模型的實(shí)驗(yàn)與仿真分析,對(duì)該方法的可行性和有效性進(jìn)行了驗(yàn)證,并分析了相關(guān)規(guī)律,得到了如下結(jié)論:
(1)基于CFD數(shù)值計(jì)算與實(shí)際實(shí)驗(yàn)獲得的壓力升僅相差2%左右,驗(yàn)證了該計(jì)算方法的有效性,但如何獲得較為準(zhǔn)確的溫度分布以及在實(shí)際開關(guān)設(shè)備中的應(yīng)用將在后續(xù)開展進(jìn)一步研究;
(2)電弧尺寸對(duì)開關(guān)設(shè)備內(nèi)部壓力升分布規(guī)律的影響較?。蝗萜鲀?nèi)部壓力升隨電弧能量的增加近似線性增大,隨容器體積的增大而快速減?。?/p>
(3)在燃弧室外部加裝負(fù)壓室可有效降低容器內(nèi)部的壓力升,因此對(duì)于實(shí)際開關(guān)設(shè)備,可通過增設(shè)負(fù)壓室來減弱短路爆炸產(chǎn)生的沖擊波對(duì)設(shè)備的影響。
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Pressure effect calculation of internal short-circuit arcing explosion in a closed container
Li Peng1,Ruan Jiangjun1,Huang Daochun1,Xu Guoshun2,Long Mingyang1,Wei Mengting1
(1.School of Electrical Engineering,Wuhan University,Wuhan 430072,Hubei,China;2.School of Electrical Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,Hubei,China)
Internal short-circuit arcing explosion in a medium-voltage(MV)switchgear poses a serious hazard to the safety of equipments,buildings and personnel.In the present work,to find out an appropriate method to calculate the pressure effect resulting from the internal arcing explosion,we analyzed the energy balance mechanism of the internal arcing in the switchgear,presented an indirect coupling analysis method based on CFD through the analysis of the thermal-mechanical effect of the arcing process,and verified the method by the actual arcing in a closed container.The results show that the relative error of the average pressure rise between measurement and calculation is about 2%.The arc size has less effect on the pressure rise.In the closed container,the pressure rise approximately increases linearly with the increase of the arc energy.The installation of a negative pressure room can reduce the pressure in the arcing room 60%,thereby effectively restraining the pressure rise in the switchgear caused by the internal short-circuit arcing explosion.
switchgear;internal short-circuit arcing;closed container;CFD;pressure rise
O389 國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼:13035
A
10.11883/1001-1455(2017)06-1065-07
2016-04-12;
2016-10-19
國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2009BAA19B05);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金項(xiàng)目(2042016gf0008)
黎 鵬(1989— ),男,博士研究生,lipeng19891102@126.com。
(責(zé)任編輯 曾月蓉)