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基于apdl的高压断路器运动过程电场计算 本文介绍了基于apdl的高压砂脉运动场计算方法和工作过程。通过APDL分析程序, 实现了对电场计算的一体化运行, 大大减少了电场计算建模次数。通过分析运动过程中电场强度变化曲线, 研究了高压断路器分闸过程的绝缘性能问题。该方法在很大程度上提高了对断路器进行优化设计分析的效率, 对缩短产品研发周期和提高产品可靠性具有重要意义。 高压SF6断路器开断过程是一个涉及多体动力学、气体动力学和电磁学等多学科的复杂物理过程。为了获得断路器在开断过程中较高的介质恢复特性, 使断路器在开断过程中能承受较高的恢复电压, 需对运动过程中的电场进行仿真计算, 对动、静弧触头刚分离直至分闸到底的各个位置进行电场计算仿真, 以确保不因绝缘击穿而导致电弧重燃。 目前电场计算主要采用ANSYS有限元分析软件, 其具有操作界面良好、计算精度高, 以及与其他设计软件接口丰富等优点。传统的电场计算标准分析过程包括:建立分析模型、施加边界条件与求解计算和结果分析。对于灭弧室静态断口绝缘的模型来说, 无论是新建分析还是进行修改后重新分析, 按照这三个步骤进行都是简单的。但对于分闸运动过程模型而言, 要对其修改后重新分析时, 若继续按照上述步骤来做, 其过程则是相当繁杂和费时的。 ANSYS参数化设计编程 (ANSYS Parameter Design Language, APDL) 是一种通过参数化变量方式建立分析模型的脚本语言, 它用智能化分析的手段, 为客户提供了自动完成有限元分析过程的功能。特别适用于复杂模型、新产品的研制以及对模型有少量修改后需要多次重复分析的模型。本文通过对126 kV等级SF6断路器灭弧室分闸过程利用APDL程序计算分析, 大大减少了修改模型后重新分析时所需的时间, 提高了产品设计效率。 1 使用示例 现利用APDL程序对126 kV等级SF6断路器灭弧室分闸过程进行电场有限元计算分析。 1.1 分闸运动原理 SF6断路器灭弧室主要由静主触头、静弧触头、喷口、动弧触头、动主触头和压气缸等部件组成, 如图1所示。在断路器分闸过程中, 图中压气缸、动弧触头和喷口等部件向右侧分闸位置运动, 压气缸内建立的高压气体通过喷口向左吹出, 以实现熄灭电弧, 建立介质恢复强度。在分闸运动过程中, 动、静电极之间的距离是以一定的速度特性分开, 与之相对应的电位、电场强度是随距离的变化而变化的。 该灭弧室从动、静弧触头刚分点开始, 到断路器分闸位置的行程为90 mm, 现以1 mm为步长, 利用APDL进行电场有限元计算分析。 1.2 建立模型的关键 鉴于灭弧室模型的复杂性, 以及编程设计的便利性, 采用APDL的自底向上的建模方法, 首先定义关键点, 再利用这些关键点来定义较高级的实体图元 (线、面、体) 。 为了便于程序实现模型的自动运动, 将压气缸、动触头和喷口运动部件采用“模块化建模”的方式, 创建宏命令, 这里命名为“yqg”。建立的灭弧室模型如图2所示, 对应的部分APDL命令是 1.3 空气电常数2.2 SF6断路器灭弧室内需要的材料的相对介电常数分别如下:空气ε1=1;SF6气体ε2=1.002;聚四氟乙烯ε3=3.5;瓷套ε4=6。对应的APDL命令是 1.4 轴对称单元划分网格 有限元模型采用PLANE121的二维四边形单元, 设置为轴对称单元。划分网格先设定网格单元的大小, 然后划分网格。灭弧室网格划分结果如图3所示。对应的部分APDL命令是 1.5 压烟气边线电位 灭弧室静侧静弧触头、静主触头的边线电位U1=0;灭弧室动弧触头、动主触头及压气缸边线的电位U2=110 kV。之后对模型进行求解。对应的部分APDL命令是 1.6 处理后 对计算求得的电位分布结果、电场分布结果进行后处理显示, 如图4、图5所示。对应的部分APDL命令是 1.7 基于apdl的电场分析计算步骤 按照以上流程计算出灭弧室在开断过程中某位置的电场强度, 利用APDL中DO循环控制命令, 实现灭弧室从刚分后1 mm到90 mm共89个位置的电场计算分析。计算的流程如图6所示。对应的部分APDL命令是 1.8 最大电场强度 利用APDL进行灭弧室分闸过程中89个位置点的电场有限元计算, 统计灭弧室在分闸过程中各处最大电场强度出现在动弧触头顶端。绘制出各个位置最大电场强度与开断距离之间的关系, 最大电场强度出现在分闸后60 mm处, 最大电场强度为50 kV/mm。如图7所示。 2 动过程电场参数化有限元分析 介绍了一种利用APDL进行高压SF6断路器分闸运动过程电场参数化有限元分析的方法, 利用该方法, 可有效地减少设计人员重复修改建模次数, 提高研发效率。对提高断路器开断能力的设计具有重要意义。