《填砂密度对熔断器分断能力和电弧模型的影响.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《填砂密度对熔断器分断能力和电弧模型的影响.doc（19页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、填砂密度对熔断器分断能力和电弧模型的影响 . .第卷第期哈尔滨工程大学学报年月.填砂密度对熔断器分断能力和电弧模型的影响肖翼洋,庄劲武,陈搏海军工程大学电气工程学院,湖北武汉摘要:熔断器用石英砂的装填密度关系到熔断器能否成功开断故障电路,但对于装填密度如何影响熔断器电弧电压以及熔断残体的形状,还缺乏定量的研究.文中研究了石英砂填充密度对电弧电压、电弧通道的轴向燃烧速率和径向扩展速率的影响,得到了保证安全分断的熔断器填充密度范围.设计了单狭颈银熔体的可控燃弧时间短路分断试验,保证燃弧过程的近似电流恒定;制作了可精确测量填充密度的可拆卸灭弧室,以精细观测熔断残体.通过对比试验,分析了经典石英砂燃弧
2、模型在本研究中的应用效果.试验结果表明,石英砂装填密度应高于. /,经典模型在不同的装填密度下不能统一地描述燃弧特性,适用性受到限制.关键词:熔断器;装填密度;电弧电压;熔岩;轴向燃烧速度;径向扩展速度;石英砂燃弧模型:./.网络出版地址:/./.中图分类号:文献标志码:文章编号:, , , , :.? . , ,. ? ?. ? , , ,. . ./,., :; ; ; ; ;熔断器是电力系统中重要的保护设备,通常在 于石英砂的性质?,除填料种类、颗粒尺寸、重量配其壳体内部装填石英砂等填料,一方面可以通过相 比等影响因素,石英砂在封装壳内部的装填密度,对变等过程吸收电路中巨大的故障能量,另
3、一方面限熔断器分断特性将有很大影响.旧进制了电弧通道的扩展,提高了电弧电位梯度,有利于 行过此类研究,但因砂种类和粒度不同,不适用于目限制故障电流.电弧电导率等物性指标显著地依赖 前我国常用的高压和低压熔断器.提高石英砂的振动装填密度将改善熔断器分断能力,在各生产企业收稿日期:. 网络出版时间: 已有共识,许多文献讨论如何提高装填密度的工艺,基金项目:国家自然科学基金资助项目.而对装填密度如何定量影响分断能力关注不多。作者简介:肖翼洋.,男,博士研究生;庄劲武一,男,教授,博士生导师.同时,通过大量的试验研究,国外学者总结出几通信作者:肖翼洋,:.万方数据第期肖翼洋,等:填砂密度对熔断器分断能
4、力和电弧模型的影响.个非常具有代表性的基于经验公式的石英砂电弧模 目之间的占%,细于目的砂型旧剖,但由于试验中不同作者采用方法和条件不 约占%,样品平均直径为. ,比较符合高压熔同,模型的差异性较大,简化假设和经验公式经常不 断器用填料的粒度值.能涵盖装填密度变化等具体情况所产生的影响,模 .熔体规格型的应用范围受到限制,本文将在分析熔断器填料 在不同电压等级的熔断器中,对熔体的宽度选的装填密度对电弧特性影响的基础上,研究以往的 择有区别.由于高压熔断器熔体的串联狭颈数会达经验石英砂电弧模型的适用性. 到上百个,为了能为长熔体提供支撑,熔体被螺旋盘附在星形截面的耐高温材料上,在这种情况下,使用
5、试验对象较细的熔体有利于保证狭颈的完好.石英砂种类及粒度的选择 为便于观测,使用含有单根单个狭颈的熔体.单目前,在熔断器内目前常用的高分断能力限流 狭颈熔体在开断短路电流时只有一个起弧点,避免了多个电弧互相干扰;同时也有利于加长节距,使稳熔断器中,多采用石英砂作为填料.等对比了多种材料作为熔断器填料的应用效果, 定燃烧的电弧侵蚀熔体能够持续更长时间,便于统肯定了石英砂应作为熔断器填料的首选.熔断器用 计电弧扩展的规律.狭颈的形状对电弧电压的形成石英砂种类众多,在我国广泛应用的主要有种,陆 也有明显影响.矩形狭颈在熔断过程中,各部分将同斌兴等通过对比试验发现,福建平潭成品砂最 时熔断形成电弧,所
6、形成的初始电压上升率较高,有优,内蒙古大林成品砂次之,德国砂位居第,其他 利于限制短路电流.但在其他一些对熔断器动作时砂种有较大的差距.平潭砂属于天然砂中的水沉积 电压上升率有限制要求的情况下,例如在混合型限砂,由于水力的搬运作用,砂粒较为圆整均匀,有利 流熔断器中哺,电压上升过快,可能威胁与其并联于提高熔断器的分断能力,见图中石英砂形态对 的其他组件的介质恢复.应用变截面狭颈,既可以保比.为此本文选择福建平潭砂作为试验研究对象. 证初期电弧电压值超过电源电压,又能够使电压峰值时间延后,应用更为广泛.综合以上考虑,熔体规格设定为:带有一个弧形狭颈单根银带,银带宽度. ,厚度. ,狭颈宽度. ,
7、双侧弓形缺口的半径为. ,见图.图熔体结构 .灭弧室结构本文特制可拆卸拱顶形灭弧室,如图所示,以普通建筑用砂满足以下个要求:密度可以精确测量;烧蚀石英砂形成的闪电熔岩应可以完整地从灭弧室取出.图熔断器用砂与普通砂外观对比常用的熔断器灭弧室为矩形体或圆柱体,当石.英砂经进砂孔逐步填充灭弧室内部空间到达顶部后,容易造成灭弧室中远离进砂孔的肩部填砂不实,不同厂家所使用的石英砂粒度的差异也较明影响装填密度的测量精度,而拱顶形灭弧室可以有显.低压熔断器的生产工艺包括利用水玻璃添加剂对效避免向上堆积的过程中石英砂过于向中心集中的石英砂进行固化,所以倾向于用粒度相对较大的石英问题,使壳体内部空间填砂均匀.烧
8、结形成的熔岩易砂;而高压熔断器中由于要考虑分断后绝缘介质恢复碎裂,给观测燃弧通道带来很大困难,本试验将灭弧的强度,通常不使用水玻璃固化,而使用较细的石英壳体制作为沿轴向可拆卸的形式,便于将烧蚀残体砂.本试验中,石英砂直径介于. 目和万方数据哈尔滨工程大学学报 第卷从灭弧室中无损取出进行观测分析. 体,所以,为了能够观测到只在狭颈处起弧的残体,需径向要将电流控制在一定范围内.综合考虑并结合试验站的条件,本文使用放电电容 ,预充电压 ,体.可以使放电时间常数大于 ,电流大于”端子叮。图熔断器试品内部结构图可控燃弧时间试验电路 . .试验线路常规的熔断器短路分断形式试验,需要引入强试验分析上升率电流
9、,这将妨碍准确观测石英砂的装填密度.装填密度对电弧电压的影响如何影响电弧电压,因为大量的试验研究表明。,构成石英砂的:晶体密度是. /,石电弧电压与电流值有关:英砂颗粒在自由堆积状态密度为./,但这十样的填充密度一般无法有效吸收故障能量,会造成等.熔断器开断失败.随着装填密度的增加,熔断器的电式中:是电弧电压梯度,是石英砂中形成的电弧弧电压提高,限流效果显著增加,见图中组试通道的截面积,和是随电弧通道形状变化的常验,它们使用只相同规格的壳体.为对比观察燃弧数.如果保持电流恒定,就可以排除或减弱电流对电时间,将不同试验中的熔断器起弧时刻都作为时间弧电压值的巨大影响.零点,弧前时间段的波形平移到时
10、间零点前.试验电路还应控制熔断器的燃弧时间.一方面判断熔断器分断能力需要在统一的时间范围内,另一方面避免了燃弧时间过长,灭弧室的铜端盖受到 烧蚀,大量铜离子进入电弧通道引起电导率的变化.鼍本文设计了近似恒定电流下可控燃弧时间的熔断器分断试验电路,包括大容量电容器组,放电晶闸管,无感分流器,电阻尺,续流二极管,熔断器样品,和换流晶闸管?,如图所示.放电. ?. . .】/晶闸管触发后,电容器组通过电阻向熔断器提供电能,达到所需要的燃弧时间时,触发换流晶闸管,电壳体弧电压使其正向导通,由于晶闸管导通压降和条支路线路电感均很小,熔断器支路电流迅速被换流至晶闸管,通过续流二极管和电阻继续构成回路,同乏
11、/冷时,电容器组上的电能在大功率电阻上被释放完毕. 为保证电流维持稳定,时间常数必须远大于燃终弧时间,电阻阻值应为欧姆级,进而电阻功率达到数“?百千瓦.根据短时通流的特殊要求,用粗线径镍铬丝?. . .绕制耐火材料,配合强制风冷,制作了. 大功率/电阻.在选择施加电流的强度时,考虑:电流强度壳体不能太小,必须使电流线性衰减到强制换流时间时图不同石英砂装填密度下短路分断仍维持可以供给电弧正常燃烧的条件;电流强度试验电流和电压波形也不能太大,否则在熔断器熔体狭颈部分起弧后,宽. 衄带部分也将很快到达熔点,整根熔体将出现多点起 弧,然后迅速形成长弧,无法观察熄弧后的熔岩残万方数据第期 肖翼洋,等:填
12、砂密度对熔断器分断能力和电弧模型的影响在组试验中,装填密度从./到./变化,电弧电压的上升率有较大差异,在换流时刻电压峰值有近倍的差别,见表.在组试验中,几次装填密度相同的情况下,熔断器电压和电流变化趋势非常接近,分散性很小,说明石英砂的装填密度对电弧电压的影响作用不易受到其他外部条件的干扰.装填密度./当装填密度大于./时,各装填密度下图熔断器分断试验后形成的闪电熔岩外形的电弧电压差别不大,而小于./的装填密. 触 度会使电弧电压快速降低,熔断器达不到良好的分断能力.所以在熔断器的生产和使用中,须尽量确保表石英砂装填密度对燃弧长度的影响石英砂的装填密度不低于这个下限.装填密度/ 燃弧长度表不
13、同石英砂装填密度情况下的电弧电压 试验值/?。. . .根据已提出的石英砂电弧模型,电弧燃烧的轴向速度为一告. ?.式中:是电弧长度的增加量,为电流,代表熔体的截.装填密度对燃弧长度的影响面积,口. /?,. /?.熔断器能够在故障电流过零前一直维持较高的这里对其适用性进行了验证.需要注意,即使在设计电压,是因为高温等离子体对其正极和负极的金属试验电路时考虑采取特定的方法使电流尽可能保持熔体不断侵蚀,电弧长度随时间得以扩展.电弧长度恒定,熔断器燃弧过程中所建立的电压必然还会对的变化规律也是熔断器分断能力的表征.对熔断器电流的稳定造成影响,但本文试验中电流变化呈简分断后的弧道残体?闪电熔岩进行外
14、观扫描,如单的线性规律,以起弧时刻为时间坐标原点,经拟合图所示.其他试验数据见表.可得到装填密度低于./时,弧道的轴向长度。,?;明显小于其他密度较高情况下的量值,进而导致其 江一 、。?,.电压也偏低.装填密度高于. /时,燃弧长将式进行分离变量后积分,得到电弧长度:度差异不大./在试验中观测到银熔体阴极的侵蚀速度是阳极的.倍,这种现象在本试验广如 . 中并没有出现,两极的侵蚀速率基本相同.将式代入式,消去电流,即可得到弧长与时间关系曲线.计算得到的燃弧时间末端的电弧长度在不同的石英砂装填密度下,均大大低于实际测量值,如图.燃弧长度与计算值的偏差率在高密度和低密度下分别达到.%和.%,两者的
15、巨大差别表明,燃弧长度的扩展速率不仅与电流有关,还受到填装填密度. /充密度的强烈影响,这说明原有的经验公式在不同万方数据第卷哈尔滨工程大学学报./的微小范围内变化时,所引起的截面积的石英砂种类、粒度大小和装填密度情况下不能统一地描述电弧轴向速度扩展规律. 变化超过倍.故石英砂填充密度微小变化所引起的实际弧道截面差异,明显大于式中改变竹求得的变化率在相同时间内积累形成的差异.图 燃弧速度模型推出的弧长变化曲线及与试验值的差别. 疵.装填密度对电弧通道截面的影响燃弧期间电弧特性受制于等离子体在电弧通道内部空间的分布,通道截面直接关系到微观粒子传递能量所受阻碍程度的大小.石英砂在燃弧结束后凝固形成
16、的闪电熔岩在力学强度达到一定程度的情况下,可以垂直于其轴线进行切片而不至碎裂,观测燃弧结束时刻电弧截面积的尺寸.由于在设计灭弧室时采用了沿平行于熔体轴向可拆卸的方式,熔岩残体可以完整取出,使用二维影像测量仪对各断面进行测量,如图给出了石英砂装填密度为./,沿轴向距狭颈中心距离分别为.、.、.和石英砂装填密度为. /,沿轴向距狭颈中心距离分别为、.、.、.的熔岩断面. 在相同的轴向位置菇上,种不同填充密度的石英砂装填密度 石英砂装填密度熔岩残体内部腔体的截面积有显著差别,见图.为. 为./ /加大石英砂填充密度,将减小砂粒的压缩性和空隙图相同放大倍率的熔岩断面尺寸,电弧通道更难于沿径向扩展,截面
17、积减小,导.致内部压力升高,分断过电压也相应增加.刮描述弧道截面扩展规律的电弧模型,假定处于轴向上不同位置的电弧通道片段,随燃弧时间的推移,沿径向向周围未熔化的石英砂层扩展,扩展速率为面刊赤.式中:是电弧通道截面,仪为与燃弧时间有关的扩散系数,为填料密度,为与熔体材料的熔化温度有关的常数.本文提及了填料密度会影响截图不同装填密度下燃弧通道截面积与半侧面扩展速率,但在计算时仅将/作为常数处熔岩体轴向各位置的关系理,经验公式的应用范围受到限制,从图显示的相 .同燃弧时间、不同装填密度下的弧道内腔尺寸,可以发现试验数据与经验公工读延续晰差异.例如在距离狭颈中心. 处,当装填密度为.万方数据第期肖翼洋
18、,等:填砂密度对熔断器分断能力和电弧模型的影响试验结果讨论 参考文献:, , ,.熔断器填料随产地和被保护对象的不同而干差万别,本文试验所讨论情况是一种比较有代表性的/实例,可以应用于我国高压限流型熔断器的设计.其?.,:他研究者所选择的对象会有所不同,比如前苏联,张成邦.熔断器中石英砂填充密度等使用的石英砂颗粒较细,直径对电弧过程的影响.低压电器,:.以上的仅占%,这样其填充密度可以达, .到./,而本文中的装填密度不超过 ./.随着其他条件的改变,本文建议装填密,:.度下限./也可能需相应更改., .在研究电弧通道扩展的过程中,本文假设闪电 . ,:。熔岩的空腔的截面积就是熄弧时刻电弧通道
19、的截面.?积.这一假设忽略了电离的石英砂和金属离子在熄/弧前温度迅速降低,凝固在空腔壁面所占据的通道.,:.截面积,其原因是在大电流燃弧期间,电弧通道内部.,的短时剧烈相变过程还没有有效的观测手段.,.对残体断面的观测,除本文使用的切片测量的,:.方法外,也可以采用射线照相的方式,其优点是陆斌兴.熔断器用石英砂灭弧性能的试验验证.低压可以不破坏熔岩残体,但其显影操作比较复杂,只能电器,:?.?得到灰度图像,而且其透射方式基于被观测体内部. 密度分布的差异,因此由于受到熔断器金属端盖的. ?,:.遮挡,在垂直于熔岩残体轴向的断面上没有密度差,戴超,庄劲武,杨锋,等.高压混合型限流熔断器用电弧射线
20、在此方向无法拍摄,不能得到垂直于轴向的触发器的弧前特性.高电压技术,:截面积数据., ,.?结论 ?熔断器中石英砂的装填密度对分断短路电. ,:流的能力有很大影响.装填密度高有利于电弧电压.的建立,提高分断能力.特别地,在使用平均直径. ? . 的熔断器用成品砂进行装填的不加水玻璃 . ?: ,:?.固化的高压限流熔断器中,装填密度应高于./.装填密度高于此值时,电弧电压随装填/密度的增加有所提升,但提升幅度减弱.低装填密度下的熔体轴向弧道扩展速度小.,:.于高密度时的情况;填充密度高,有利于阻止电弧通立 .?道沿径向扩展,电弧通道的截面积较小,反之亦然.由于熔断器使用熔体和选用填料的特殊性,: 。,:?.现有的石英砂燃弧模型在差异较大的特例中不能通责任编辑:孟玮用,在描述电弧通道轴向延长和径向扩展的规律上都存在偏差,适用性受到限制.万方数据