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高压SF6断路器介质恢复特性的数值计算

作　者: 赵兴海
导　师: 曹云东
学　校: 沈阳工业大学
专　业: 电机与电器
关键词: SF6断路器 叶片结构喷口 气流场 电场 介质恢复特性
分类号: TM561.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 73次
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内容摘要


高压SF6断路器开断过程中介质恢复特性是表征断路器开断能力的决定性因素。基于气流场与电场的耦合计算与分析是目前介质恢复特性理论研究的主要途径。由于高压SF6断路器电气结构复杂且含有多重介质、流路可变且具有变边界流路、以及非对称结构部件的存在,使得经典的二维模型并不能真实反映断路器灭弧室实际开断过程中各物性参数与电气参数的动态变化。而且在开断过程中灭弧室三维场域内气流场与电场的相互作用引起三维电弧等离子体动态变化。为描述断路器开断过程中三维多物理场作用下的介质恢复特性,本文以高压SF6断路器为研究对象,针对断路器气流场特点,基于自编程设计,采用有限体积法与TVD格式相结合的方法进行高压SF6断路器三维空载气流场求解研究。并将其应用于计算流体力学经典算例分析,通过与经典解的对比,验证了本方法具有较强的激波捕捉能力以及较高求解效率,可用于高压SF6断路器三维气流场计算分析中。在上述数值方法应用基础上,对具有叶片结构的新型旋气式断路器灭弧室内冷气流场进行数值仿真,模拟容性小电流开断下灭弧室内气流运动状态;建立了五种不同叶片结构,并分别与无叶片结构气流运动特性进行对比分析,得出较为合理的叶片结构。通过对场域中马赫数、压力、密度等物理场量分布和变化规律的分析,得到了新型旋气式喷口结构,实现了气流的有效控制,相比于传统结构压力和密度分布得到改善,有利于提高断路器开断能力。基于有限元法对灭弧室内三维电场进行数值计算,分析叶片结构对灭弧室电场的影响,对比分析了有无叶片结构灭弧室内电场分布,得到灭弧室内最大电场强度以及动静触头沿面电场分布变化规律,结果表明叶片结构满足绝缘要求。在上述研究基础上,基于流注理论,对叶片结构旋气式高压SF6断路器介质恢复特性进行数值计算与定量分析,结果表明叶片结构与传统无叶片结构相比具有更优的介质恢复特性。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章 绪论  10-20
  1.1 课题研究的背景  10-11
  1.2 高压SF_6断路器的发展  11-12
  1.3 高压SF_6断路器国内外研究现状  12-13
  1.4 高压SF_6断路器计算方法  13-18
    1.4.1 高压SF_6断路器气流场计算方法研究现状  13-16
    1.4.2 高压SF_6断路器电场计算方法研究现状  16-17
    1.4.3 高压SF_6断路器介质恢复特性计算方法研究现状  17-18
  1.5 本文的主要研究工作  18-20
第二章 高压SF_6断路器三维气流场计算方法的研究  20-41
  2.1 概述  20-21
  2.2 空载介质恢复特性的研究意义  21-22
  2.3 三维气流场数学模型  22-26
    2.3.1 三维N-S 方程  22-25
    2.3.2 湍流模型  25-26
  2.4 控制方程组的求解研究  26-27
  2.5 离散方程的建立  27-30
  2.6 总变差减小法  30-31
  2.7 有限体积TVD 格式的构造  31-34
  2.8 经典算例  34-40
    2.8.1 平板激波反射问题  35-36
    2.8.2 超音速气流前台阶绕流问题  36-38
    2.8.3 双马赫反射问题  38-40
  2.9 本章小结  40-41
第三章 旋气式高压SF_6断路器三维气流场计算与分析  41-63
  3.1 概述  41
  3.2 新型具有叶片结构喷口  41-42
  3.3 高压SF_6断路器三维气流场计算条件  42-43
  3.4 数值计算结果分析  43-62
    3.4.1 叶片参数对气流速度的影响  44-54
    3.4.2 马赫数分布比较分析  54-57
    3.4.3 压力与密度场分析  57-62
  3.5 本章小结  62-63
第四章 旋气式高压SF_6断路器三维电场计算与分析  63-72
  4.1 概述  63
  4.2 有限元法  63-64
  4.3 灭弧室三维电场的数学模型  64-65
  4.4 高压SF_6断路器三维电场计算条件  65-66
  4.5 计算结果与分析  66-71
  4.6 本章小结  71-72
第五章 高压SF_6断路器介质恢复特性的研究  72-80
  5.1 击穿电压计算  72-73
  5.2 高压SF_6介质恢复特性的数值计算相关的技术与方法  73-76
    5.2.1 统一化网格及场域分解  73-74
    5.2.2 程序运行平台  74
    5.2.3 多核并行计算技术  74-76
    5.2.4 存储技术  76
  5.3 不同喷口结构介质恢复特性的计算  76-77
  5.4 介质恢复特性的影响因素  77-79
  5.5 本章小结  79-80
第六章 全文总结  80-82
参考文献  82-85
在学研究成果  85-86
致谢  86

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电器 > 开关电器、断路器 > 断路器 > 六氟化硫断路器
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