基于MpCCI的开关设备多物理场耦合仿真*

0 引 言

随着电力系统的不断发展,电力开关作为重要的控制和保护设备也在不断地发展。其更新换代速度尤为快速[1-3]。

电力开关每一次更新换代都会使其性能得到很大的改善和提高。在设备生产前期的优化方面,目前主要采用仿真和试验两种方法。但是诸如SF6高压断路器、真空断路器、气体绝缘金属封闭开关设备(Gas Isolated Switchgear,GIS)开关柜以及大容量空气断路器,每一次试验成本都非常高。为了节省成本,随着计算机技术的发展,更多研究者采用仿真的方法对电力开关设备的优化提出理论指导[4-5]。

对电力开关的仿真研究必然涉及到多物理场的耦合问题,如断路器最为重要的开断问题,断路器的开断性能主要决定于在短路电流情况下,断路器能否使电弧快速熄灭。电弧是一种电磁场-气流场-温度场高度耦合的复杂物理现象。为了对电弧的演变过程进行分析,在仿真中必须将电磁场、气流场和温度场耦合起来进行求解[6-8];同样,GIS和开关柜中的温升直接关系到其使用寿命,也是电力开关研究者们关心的重要问题,在仿真计算中同样涉及到电-热-温度场的多物理场耦合问题[9-10]。因此,多物理场耦合仿真方法的研究就非常关键,而以往的研究者大多根据研究问题选择不同的研究方法和软件进行计算,并没有一个较为通用的多物理场耦合仿真方法。

基于此,本文介绍一种基于MpCCI的多物理场耦合仿真方法[11]。首先说明了软件的耦合过程以及算法;其次,通过算例讲解该方法的详细过程,以供参考。

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1 基于MpCCI的耦合方法介绍

1.1 MpCCI简介

仿真和试验电弧电压对比如图10所示。在仿真中,输入电流为试验所得电流,因此图10中的电流既表示试验电流,又表示仿真电流。

1.2 MpCCI耦合求解框图

MpCCI可以实现多个软件间的耦合计算。以两个软件之间的耦合为例,MpCCI耦合计算总框图如图1所示。

运营商的客户群大致分为普通家庭公众用户、政企客户，政企业务由于保密性和独立组网性的特殊性，本文不做重要阐述，仅对普通家庭用户的接入带宽需求进行分析。目前家庭光网用户宽带需求主要以上网业务和视频业务为主。

图1描叙了两个软件之间的耦合计算过程。数据传输基于MpCCI,计算过程主要包括计算前的模型准备、定义耦合过程、耦合计算以及后处理4个部分。计算前模型准备阶段,需要在两个软件中准备满足各自软件计算条件的计算模型;定义耦合过程是耦合求解的核心,在这一步需要编写相关的控制程序,控制数据交换的时间以及方式,其次选择需要交换数据的计算区域以及物理量;在定义好耦合区域及物理量以后,通过MpCCI启动两个计算软件,同时在各个软件中设置求解收敛标准,同时可以开启监视窗口对耦合的物理量每一步计算结果进行监视,如果发现错误可以随时终止计算,进行修改后重新计算;计算完成后,可以在各个软件中对计算结果进行后处理,同时也可以通过MpCCI可视化界面直接对结果进行处理和存储。

图1 MpCCI耦合计算总框图

1.3 MpCCI数据交换方法

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图2 串行耦合示意图

图2和图3中,实线表示每个软件中独自迭代计算,虚线表示两个软件之间数据交换,圆圈中的数字表示按照时间进行的顺序。由图2可见,两个软件之间串行耦合过程,在同一时间只有一个软件在进行计算,而另一个软件处于数据等待状态,当软件A计算收敛后或者满足控制程序要求时,计算数据传输到软件B,然后软件B开始计算,软件A处于等待数据状态,软件B计算完成后,数据传输给软件A,以此循环。由图3可见,并行耦合过程中,同一时间两个软件同时计算,当两个软件计算完成后,相互交换数据,然后两个软件又独立计算,以此循环,在计算过程中,没有数据等待时间。因此,并行耦合算法计算速度快,而串行耦合计算速度较慢。但是在有些实际问题中,因为耦合区域的限制,只能使用串行计算,而且串行计算结果更加准确。在仿真中,应根据实际需要合理选择数据交换方法。

图3 并行耦合示意图

2 算例分析

2.1 GIS计算结果分析

GIS是电力系统中的重要设备,充以具有优异灭弧和绝缘性能的气体SF6,作为相间和对地绝缘[12]。为了保证电接触长时间稳定可靠地工作,在长期通过额定电流时,温升不能超过国标规定的数值,而且须保持稳定。因此开展GIS温度场的仿真对提高供电可靠性、减少温升试验次数、缩短产品研发周期具有重要的意义。

MpCCI提供了串行和并行两种耦合计算方式。串行耦合示意图如图2所示;并行耦合示意图如图3所示。

以GIS为例,基于MpCCI的多物理场耦合仿真方法,对GIS中涉及到的电磁场-温度场-气流场进行耦合计算,得到GIS内部SF6气体温度场和气流场的分布。

通过以上3个算例可以看出,基于MpCCI的多物理场耦合仿真方法适用性比较强,可以应用于不同的开关设备和计算得到不同的物理场的分布。这种耦合仿真方法不仅发挥了各个计算软件独立运行时的优势,而且使不同软件之间的数据传输简单易行。仿真中能够考虑更多的影响因素,使计算结果更加接近开关设备的真实运行过程,能够为开关设备的优化设计提供更加准确的理论指导。

图4 XZ截面的气流场结果

图5 XY截面的气流场结果

2.2 考虑栅片非线性的空气电弧耦合仿真分析

由图7、图8可见,在t=0.315 ms时,电弧弧柱拉长,气流从弧根处向栅片流动。t=0.390 ms时,由于弧柱头部受到栅片的挤压,电弧弧柱缩短,气流基本垂直于电极。随着电弧的进一步运动,电弧弧柱被栅片继续挤压,而两个弧根在洛伦

在低压断路器仿真中,动触头运动过程对电弧电压有着很大的影响,因此在仿真中不仅要考虑铁磁栅片的非线性,更要考虑动触头的运动过程,文献[15]基于MpCCI的耦合仿真方法在考虑动触头运动过程的基础上,对双断点MCCB的电弧运动过程进行了仿真分析。其耦合仿真流程和图6一致。仿真得到的温度随时间的变化如图9所示。

图6 断路器耦合计算流程框图

通过后处理,电弧区域内不同时刻温度场分布如图7所示;不同时刻气流场分布如图8所示。

图7 电弧区域内不同时刻温度场分布

在低压断路器开断短路电流的过程中,电弧的熄灭主要依靠灭弧室中栅片对电弧的分割,提高电弧电压,同时起到冷却电弧的作用,从而使电弧快速熄灭,断路器完成开断。在电弧运动过程的仿真计算中,铁磁栅片的非线性必须考虑。以往文献采用Fluent一个软件计算时,由于非线性B-H曲线的复杂性,经常在仿真中忽略铁磁栅片的非线性[13-14]。基于MpCCI的多物理场耦合计算方法,在计算电磁场时,利用有限元Ansys Emag软件,可以很方便地对铁磁栅片的非线性B-H曲线进行考虑。

图8 不同时刻气流场分布

磁力及气流场的作用下继续向出口处运动,因此弧柱开始弯曲拉长。t=0.755 ms时,电弧拉长最长,气流方向基本呈水平。t=0.795 ms时,栅片上形成新的弧根,此时电流流通路径有两个:一个是从阳极通过栅片到达阴极;另一个是在栅片外侧弧柱区,两个电流流通路径并联。因此,通过基于MpCCI的多物理场耦合仿真方法可以考虑更多的因素,与真实断路器工作时所涉及的物理过程更加接近,结果更加准确。

2.3 双断点MCCB的耦合仿真分析

电磁场-温度场-气流场耦合的计算流程如图6所示。首先根据Fluent中空气等离子体物性参数,通过MpCCI将电弧区域的电导率传输给Ansys Emag求解器,在考虑了铁磁栅片的非线性B-H曲线的情况下求解瞬态电磁场;再通过控制程序利用MpCCI将计算得到的洛伦磁力和焦耳热传递给Fluent软件,分别作为动量源项和能量源项进行温度场和气流场的耦合计算,从而得到电弧的运动过程。

图9 温度随时间的变化

仿真中,所用模型为额定电压440 V、额定电流630 A、预期短路电流50 kA的双断点MCCB。仿真中利用动网格技术来考虑动触头运动过程。在Fluent软件中,提供了动网格技术,实现起来较为容易;在Ansys Emag软件中,为了模拟动触头的运动过程,在计算前,根据设定的动触头运动速度,提前准备好动触头运动到不同位置时的多套网格文件。在计算中,根据仿真时间,调用不同的网格文件,然后采用插值的方式将前一步计算中的数据导入到下一步网格文件中进行计算。这个过程为一个动网格技术的等效[15]。由图9可见,刚开始起弧时,动、静触头间距很小,电弧能量不大,运动到栅片中的电弧温度较低。在t=1.70 ms时,动触头运动到一定距离,电弧在洛伦磁力和气流场的作用下运动到栅片边缘,随着动触头的继续运动,电弧也进入栅片;在t=2.70 ms时,电弧大部分已经进入栅片,被栅片切割。以上仿真较为全面地考虑了低压断路器电弧运动过程中的各种影响因素,仿真结果能够更好地反映断路器电弧的实际运动过程。

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由表2可以看出，过渡电阻或电抗值越小，不对称故障越严重，换流器两侧的谐波越大。其中换流器直流侧的谐波主要为偶次谐波，二次谐波峰值会占直流分量的50%以上，四次谐波不到直流分量的5%，随着谐波次数上升，其所占比重急速下降；交流侧的谐波主要为奇次谐波，其中交流侧电压三次谐波分量可达到基频分量的15%左右，五次谐波分量不到基频的5%。因此交流侧电压可以只考虑三次谐波。综上所述，在分析不对称情况下的换相失败问题时，换流器交流侧主要考虑三次谐波，直流侧考虑二次谐波。

MpCCI是德国圣奥古斯丁SCAI研究中心(Fraunhofer Institute for Algorithms and Scientific Computing)开发出的一种多物理场耦合工具,拥有先进的耦合和插值计算,在保证各软件独立计算的同时,MpCCI可以实现插值传递,最大限度保证仿真的准确性。同时,其可以实现时间异步求解,使得求解速度比其他软件快很多。MpCCI接口软件可以实现不同模拟软件耦合区域网格量的数据交换。由于耦合区域网格通常属于不同模拟程序,一般而言这些网格是不匹配的,MpCCI在实现网格值的数据交换前,先执行节点值之间的插值。MpCCI可以交换不同耦合代码之间各种值,如能量、动量、材料性质、网格定义量等。复杂的数据交换细节可以通过简单的MpCCI接口很容易地实现[11]。

图10 仿真和试验电弧电压对比

由图10可见,电弧电流最大值小于预期短路电流50 kA。这是因为栅片对电弧切割后,由于每一段短弧都有一对近极压降,因此使得电弧电压增加。当电弧电压高于系统电压时,由于限流作用,电弧电流减小,最终使得电弧电流远小于预期短路电流。同时,由于在仿真中考虑了动触头的运动过程,因此计算得到的电弧电压和试验得到的电弧电压很接近。这充分说明了该耦合仿真方法的准确性。

仿真中在Ansys Multiphysics模块中给内部导体通以2 200 A的三相电流,先计算得到导体的欧姆热,然后将欧姆热通过数据传输软件MpCCI导入Fluent进行温度场和气流场的耦合计算。XZ截面和XY截面的气流场结果分别如图4、图5所示。导体发热使得SF6气体温度升高,在浮力的作用下向上运动,之后又经钢拉杆和导体上的出气口流入断路器腔体。在喷气口处流速最大,达到了0.523 6 m/s。由图4可见,在GIS的顶端和底端均出现了气体环流。在3工位隔离开关和断路器的电接触区域,气体温度相对较高,其对气体的加热作用最明显;对比气体温度分布和流速分布,二者有良好的一致性。

3 结 语

(1)本文介绍了一种基于MpCCI的多物理场耦合仿真算法。由于MpCCI支持多种软件之间的耦合,因此该方法可以扩展到各种多物理场耦合求解的场合,适用性较高。

在整个机械制造行业中，现代机械制造的全球化将是未来机械制造行业发展的重要目标。随着近些年世界经济水平的发展，而且随着如今网络技术的高速发展，为各个行业提供了信息交流、产品研发的机会，所以各个企业都向着国际化的方向发展，这样毕竟加剧企业的竞争与合作，但是生于忧患死于安乐，在这种高强度的竞争下，企业才能更好的发展，淘汰劣者，留下更加有利于国家，有利于人民的优秀好企业，为经济的快速发展做出贡献。

(2)该方法在计算过程中通过耦合不同的计算软件实现多物理场的计算,可以最大限度地发挥各个软件独立计算时的优点,从而更加准确地完成一个复杂物理过程的求解。

(3)本文介绍的耦合方法,在耦合过程中通过程序控制数据的自动交换,在计算过程中不需要再进行数据的人工导出和导入,减少了人工干预,提高了计算速度,为电力设备的优化设计提供了理论指导,减少了新产品开发周期。

【参 考 文 献】

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