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高压SF_6断路器介质恢复特性的计算与分析

作　者: 曹云东
导　师: 王尔智
学　校: 沈阳工业大学
专　业: 电机与电器
关键词: SF6断路器电场气流场自适应剖分总变差减小格式有限体积法可视化
分类号: TM561.3
类　型: 博士论文
年　份: 2001年
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内容摘要

高压SF6断路器介质恢复特性的计算与分析是高压断路器设计和产品开发研究的重要内容。由于介质恢复特性的研究包括断路器电弧模型建立，电场、气流场数值分析等非线性科学和多学科前沿性理论问题，是决定断路器设计水平和能力的主要标志，多年来已成为国内外断路器研究的重点和热点。本文针对SF6断路器介质恢复特性计算与分析的主要问题，进行了深入的理论研究和计算机仿真分析，提出了断路器气流场计算的新方法，进行了断路器多种情况下介质恢复特性计算及分析，形成一整套计算机仿真分析软件，计算结果与实际情况有较好的一致。本文在阅读国内外大量文献资料的基础上，针对高压SF6断路器介质恢复特性计算存在的问题，主要进行了以下研究工作： 1．SF6气体由于在均匀电场中具有优异的绝缘性能，在高压断路器中得到广泛应用。但其在非均匀场中绝缘能力的显著降低又限制了其使用范围。随着高压断路器电压等级的提高，开断能力增强、体积的小型化，其电场均匀性问题成为制约断路器绝缘性能提高的主要问题。本文在对现代优化方法研究的基础上，改进了禁忌搜索法在连续问题优化设计中存在的不足，并首次引入高压断路器的产品设计中，对500kV单断口SF6断路器屏蔽罩进行结构尺寸的优化设计。实际结果表明，逆问题的求解研究对高压断路器的绝缘设计具有重要实际应用价值和指导意义。 2．断路器的气流场分析是开断特性研究的重要内容，由于SF6断路器气流场是一超音速、有源、有粘、可压缩、变边界、流路复杂的流场求解问题，并且在断路器的开断过程中将产生激波、涡旋等复杂的物理现象。目前所见研究均是在结构尺寸和模型简化处理的基础上进行的，对真正产品的设计缺少实际意义。本文将有限体积法和总变差减小法相结合并加以改进，同时针对SF6断路器流路复杂，难以直接在时空上进行数值处理的难题，提出了区域分解法、边界耦合法、滑移网格生成法及数据时时交换等新方法和技术，形成了一个计算SF6断路器流场的新方法。实际计算结果表明，该方法对灭弧室内涡旋的产生及开断过程气流场的演变等均得到了较好的描述。特别是这一方法对衡量流场计算方法质量的重要指标，激波的扑捉能力方面得到了很好的体现，表明所开发的新方法在SF6灭弧室的流场计算上具有较高的分辨率和计算精度。 3．在电弧模型的研究中，针对电弧与气流场相互作用表现不足的情况，总结国内外的研究成果，提出电弧的能量流二维模型。短路电流开断过程气流场数值仿真结果表明，所建模型较好地反映出由于喷口电弧导致的气流运动堵

全文目录

第一章绪论  11-26
  1.1 课题背景  11-12
  1.2 高压SF_6断路器及国内外研究现状  12-23
    1.2.1 SF_6断路器中电场的分析与计算  12-15
    1.2.2 气流场的研究方面  15-20
      1.2.2.1 电弧模型研究的发展  15-16
      1.2.2.2 典型电弧模型  16-18
      1.2.2.3 电弧模型的最新发展  18-19
      1.2.2.4 气流场数值求解  19-20
    1.2.3 操作机构研究  20-21
    1.2.4 高压断路器研究的发展  21-23
  1.3 本论文的主要工作  23-26
第二章高压SF_6断路器灭弧室电场计算及优化的研究  26-43
  2.1 概述  26-27
  2.2 二维网格的自适应剖分  27-33
    2.2.1 自适应加密  28-30
    2.2.2 网格的优化调整  30-31
    2.2.3 实例计算  31-33
  2.3 电场的逆问题求解  33-37
    2.3.1 优化方法  34-35
    2.3.2 TABU算法的改进  35-36
    2.3.3 断路器屏蔽罩的逆问题求解  36-37
  2.4 三维电场计算  37-42
    2.4.1 三维网格生成  37-38
    2.4.2 断路器三维电场的计算  38-42
  2.5 本章小结  42-43
第三章断路器气流场计算方法研究  43-63
  3.1 概述  43-44
  3.2 流场数学模型  44-48
    3.2.1 流场控制方程组  44-47
    3.2.2 控制方程组的求解研究  47-48
  3.3 有限体积法  48-50
  3.4 总变差减小方法  50-56
    3.4.1 TVD格式  51-54
    3.4.2 中心差分格式  54-56
  3.5 TVD格式的改进及灭弧室流场计算中关键问题处理的研究  56-59
    3.5.1 TVD格式改进研究  56
    3.5.2 变开距滑移网格生成  56-57
    3.5.3 区域边界耦合  57-58
    3.5.4 固壁的处理  58-59
    3.5.5 激波捕捉  59
  3.6 机构运动与灭弧室压力计算  59-62
  3.7 本章小结  62-63
第四章空载开断流场仿真及介质恢复特性研究  63-98
  4.1 空载开断的意义  63-64
  4.2 500kV单断口SF_6断路器灭弧室二维电场的计算  64-71
  4.3 二维气流场仿真  71-91
    4.3.1 速度矢量场分析  71-77
    4.3.2 气流场马赫数变化的分析  77-78
    4.3.3 气流场激波的研究  78-81
    4.3.4 气流场密度场、压力场分布  81-91
  4.4 介质恢复特性研究  91-96
    4.4.1 击穿电压计算  91-92
    4.4.2 介质恢复特性计算与分析  92-96
  4.5 本章小结  96-98
第五章短路开断流场仿真及介质恢复特性计算分析  98-114
  5.1 概述  98
  5.2 电弧模型  98-101
  5.3 二维流场仿真  101-108
    5.3.1 温度场仿真  102
    5.3.2 速度矢量场仿真及马赫数分布  102-103
    5.3.3 压力场仿真  103-108
  5.4 介质恢复特性计算分析  108-110
  5.5 计算结果与实际参数  110-111
  5.6 本文采用的其它技术和方法  111-112
    5.6.1 可视化技术  111-112
    5.6.2 动态数据管理及压缩技术  112
  5.7 本章小结  112-114
第六章全文总结  114-116
展望  116-117
致谢  117-118
攻读博士学位期间的研究成果  118-120
参考文献  120-125

高压SF_6断路器介质恢复特性的计算与分析

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