短间隙电弧热等效方法及放电下绝缘卡套热力特性分析研究

发布时间：2020-10-14 03:13

　　 随着高压、特高压交直流输电线路,高速电气化轨道交通以及油气管道等国家重点工程的大规模建设,不同系统间的相互影响相互干扰问题变得日益突出。由于不同原因,在各个系统内出现的交直流电干扰也越来越严重,由此引发的设备、器件内部间隙放电现象时有发生。不同设备及器件内的间隙放电会对设备及器件造成热冲击及热烧蚀,严重影响设备或器件的正常使用,甚至造成放电设备及器件的损坏而引发安全事故。特别在油气输送系统中,间隙放电时常发生在管道阀室内的绝缘卡套中,放电过程中的产生热冲击及热烧蚀造成绝缘卡套损坏或失效甚至引发天然气泄漏事故,给正常生产造成了极大威胁。因此研究放电下绝缘卡套的热力状态及热烧蚀特性,从而掌握放电下绝缘卡套的性能状态显得至关重要。然而放电下绝缘卡套的热力分析是一个涉及到电磁场、温度场、流场以及应力场等多物理场耦合的复杂过程,直接对其进行求解分析十分困难,甚至难以实现。因此为解决放电下绝缘卡套的多物理场的求解问题并研究电弧对其产生的热冲击及热烧蚀,论文开展了对放电下绝缘卡套的热力场分析方法的研究。主要工作具体包括:(1)考虑间隙内电弧与间隙壁之间的热作用,建立了短间隙内电弧的MHD数值计算模型并确定了短间隙内电弧的热源分布特性,解决了对短间隙内电弧的数值分析问题。具体包括研究了短间隙内电弧的物理模型及数学模型,分析了对电弧内部多物理耦合场的求解方法;同时,论文以针板放电模型为例,通过分析电弧的温度场及流场的分布确定了电弧的热行为特性,并将电弧的热效应分为电弧弧柱产生的热效应和电弧在阴极的热效应两部分,继而基于所建立电弧MHD模型,确定了电弧的两部分热效应的热源分布特性。(2)根据论文中确定的电弧热源分布特性,提出了短间隙内电弧的等效热源模型,分别利用椭球体热源和高斯面热源对电弧弧柱和电弧在阴极表面的热效应进行等效,利用等效热源模型对电弧的热效应进行等效极大地简化了对电弧的热分析过程;同时,建立了等效热源作用下的针板电极数值计算模型,并对针板间隙内电弧的热效应进行等效数值计算,通过与论文中的电弧MHD模型中的数值计算结果进行对比,验证了所提出的电弧等效热源模型的准确性。最后,论文分析了等效热源参数的确定方法,通过电弧电流大小来确定椭圆体等效热源和高斯面等效热源的结构参数,该研究为分析短间隙内电弧的热效应提供了一种更为简捷的创新分析方法。(3)基于对短间隙内电弧的热等效分析方法,建立了电弧放电下绝缘卡套的等效热力计算模型,将放电下绝缘卡套热力场分析中的温度场、流场、电磁场以及应力场等多物理耦合场的复杂求解问题转化为等效热源作用下绝缘卡套的流-固体传热问题;同时,通过实例计算分析了绝缘卡套在放电下的热力分布特性,并分析确定了绝缘卡套中绝缘层的热力场分布情况,研究简化了放电下绝缘卡套内多物理场间复杂的耦合关系,解决了对放电下的绝缘卡套热力场求解问题,为求解多物理场耦合问题提供了一种全新的思路。(4)搭建了针板电极放电及绝缘卡套放电实验测试平台,通过实验分析验证了论文中建立的电弧MHD模型,等效热源模型以及放电下绝缘卡套的热力计算模型的准确性,具体包括利用红外成像仪分别得到了针板电极和绝缘卡套内放电电弧的热分布,并与论文中的相应的数值计算结果进行对比分析,以此验证了论文中的模型和方法的准确性;同时,对实验结果进行了重复性分析论证,验证了实验结果的可靠性。(5)研究了电弧在不同放电时间、不同电弧电流、不同材料的金属以及间隙间距对阴极烧蚀的影响,具体包括分析了电弧放电时间、电弧电流、阴极材料以及间隙间距对电弧作用下阴极表面的温度分布规律以及温度梯度分布规律的影响;同时,通过对电弧作用下阴极表面的烧蚀半径的计算分析,确定了放电电弧分别在不同放电时间、不同电弧电流以及不同材料的金属板上的烧蚀规律。基于以上规律,分析了降低绝缘卡套绝缘层温度的方法。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM21
【部分图文】：

2 短间隙内放电电弧 MHD 模型及其热效应研究2 短间隙内放电电弧 MHD 模型及其热效应研究言气设备，油气管道等系统设施的小间隙内经常由于过电压等原因发甚至产生持续燃烧的放电电弧。由于放电过程通常会释放大量热量弧会对设备造成热冲击或热烧蚀，时常破坏设备完整性，并严重威全。如图 2.1 所示为安装于油气管道系统中的绝缘卡套，在实际工程经常发生放电，间隙内电弧不仅对接头间隙表面造成烧蚀，并且放的热冲击甚至破坏了接头密封性，造成接头松动，威胁油气系统的。因此，为了掌握放电对设备造成的危害及威胁，研究分析设备中弧的热效应具有重要意义。

间隙放电电弧 MHD 模型研究电电弧物理模型设施或油气管道等系统中，由于过电压等原因，在各类工程设放电现象，放电电弧会对设备造成热冲击及热烧蚀。为研究电性，论文基于上述磁流体动力学理论，对电弧进行数值分析，弧形成发展过程中的热行为。际工程中，电弧放电常发生在设备的短间隙内，不同设备间的，但其共同特点是：① 间隙较短，通常在几毫米到几厘米不结构或其他原因极易造成电压差，导致过电压放电。因此，为电弧进行分析，论文以图 2.2 所示的针板放电模型来代替实际工间隙来研究间隙内电弧的热行为。在图 2.2 所示针板模型中，上有一电极棒，电极棒针尖到底板间存在空气间隙。当两电极过达到空气击穿电压时，针板间隙发生放电击穿产生电弧放电，中设备间隙的放电电弧。

J E 0 B AA J体状态方程：p R T区域内，由于电弧在燃烧过程中产生大量热导，因此间隙电极区域内的传热方程可以表 0m pm m m mc T k Tt ，和 Tm分别是电极材料密度、比热容、热导弧与壁的热作用生放电的间隙空间狭窄，因此当发生电弧放不能被忽略，包括电弧与间隙壁之间的热传和热辐射如图 2.3 所示。
【参考文献】

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本文编号：2840094