基于格子玻尔兹曼方法的SF6断路器喷口电弧建模、仿真及应用研究

A new research on arc modeling and simulation with mesoscopic method is proposed for the arc dynamic characteristics and breaking mechanism of high voltage SF6 circuit breaker. It will contribute to the master of arc non-equilibrium effect and its influence mechanism on breaking characteristic of SF6 circuit breaker. In this project, an SF6 arc dynamic model, which combined the physical nature of arc and the coupled multi physics fields of electromagnetic and thermal during interruption, is established based on the Lattice Boltzmann method. The numerical simulation of interruption with mesoscopic method is studied for the SF6 circuit breaker. The arcing of high short circuit current and the dielectric recovery in the current zero are simulated under the condition of design parameters coupled. The velocity, density, temperature and energy of particles in arc are showed in mesoscopic scales, which reveal their non-equilibrium characteristics, spatial and temporal distribution, and evolution. The influences of non-equilibrium effect on the characteristics of arc dynamic and dielectric recovery are researched. Based on these results, the macro characteristics and extinguishing mechanism of arc and their control strategy are given under the influence of the non-equilibrium effect. These will provide a theoretical basis and a technical guidance to further improve the breaking capacity and the optimization of SF6 circuit breaker.

开展从介观尺度研究高压SF6断路器电弧动态特性及开断机理是一项全新的电弧建模和仿真工作，有助于推动掌握电弧的非平衡效应及其对开断特性的影响机制，目前尚未见到国内外相关研究成果报道。本项目从SF6断路器电弧的物理本质和开断过程电磁热等多物理场耦合出发，提出建立基于格子波尔兹曼方法的SF6电弧动态模型，开展SF6断路器开断过程的介观尺度数值模拟方法研究；在断路器多参数耦合的开断过程中，从介观层面上研究大电流燃弧阶段及零区介质恢复阶段喷口电弧粒子组分的速度、密度、温度及能量等的非平衡特征、时空分布和演化规律，以及非平衡效应对喷口电弧动态特性和介质恢复特性影响的关键因素，深入揭示非平衡效应影响下电弧宏观特性的变化规律、灭弧机理及调控策略，为进一步提高SF6断路器的开断能力和优化断路器性能提供理论依据和技术指导。

SF6断路器电弧动态特性及开断机理一直是电器领域的关键科学与基础性问题，本项目提出了基于格子波尔兹曼方法，从介观尺度开展对SF6电弧进行数学建模、数字仿真的研究工作，进一步掌握电弧的非平衡效应及其对开断特性的影响。研究工作从SF6断路器电弧开断过程多物理场耦合出发，建立了考虑电子、离子和中性粒子的非平衡态SF6断路器喷口电弧动态数学模型；确定了符合断路器电弧仿真的碰撞项模型、速度分布函数的离散格子玻尔兹曼模型，采用D2Q9（二维九速度模型）双分布函数模型设计了符合SF6断路器灭弧室电弧开断过程数值算法，并编写仿真程序建立了仿真平台，掌握了SF6断路器开断过程格子玻尔兹曼方法的建模及数值模拟技术。利用所建立的喷口电弧动态数学模型和数值模拟方法，以实际252kV压气式和252kV双动自能式SF6断路器为仿真对象，计算了不同开断参数条件下的开断过程。通过比较空载和短路电流开断过程灭弧室内的不同位置的压力及其变化过程、电弧的温度等试验数据、以及应用有限元方法的CFD商业软件的计算结果，验证了建立的数学模型和数值模拟方法的正确性。. 仿真研究了断路器不同开断条件下喷口非平衡电弧的时空分布、演化规律以及对非平衡效应的影响，结果表明对三种粒子温度对比分析，电子的温度整体是高于离子与中性粒子的温度。在瞬时电流值较大时，离子温度明显高于中性粒子温度；在电流逐渐减小到过零点附近时，离子温度和中性粒子温度值趋近相同；电流越大，各粒子温度越高，电子、离子和中性粒子间的数据差更大，且随径向分布差别也更加明显，电弧的非平衡效应也更加明显。而燃弧时间的改变会影响粒子温度分布，燃弧时间增大可使电子在远离弧芯处温度下降较慢，进一步加剧非平衡效应。计算对比平衡态模型与非平衡态模型下的介质恢复强度，结果表明电子温度分布的影响对介质恢复特性的影响不可忽略。在非平衡态电弧模型下，弧后电流更大、介质恢复强度更低，该模型下的计算结果来分析断路器的开断性能更为严苛。计算分析不同气体填充压力、喷口角度和分闸速度对介质恢复特性的影响，结果表明随着气体填充压力的增大，介质恢复强度会增强；介质恢复强度并不随喷口角度增大而增大；主喷口打开后的分闸速度增大可提高介质恢复能力。本项目的研究结果为进一步研究非平衡电弧动态特性，提高SF6断路器的开断能力提供理论依据和技术指导。