爆炸活塞式高速开关的分析与设计*

陈 搏 庄劲武 杨 锋

(海军工程大学电气与信息工程学院 武汉 430033)

随着现代电力系统容量的增加,电力系统中常用的机械式断路器存在着分断速度慢、额定容量小、体积大、造价高等缺点,已经不能满足电力系统短路保护的需求,迫切需要研制新型自动保护装置[1].近来一类爆炸式高速开关成为国际上的研究热点.这种开关将少量炸药安装在主载流体内部或附近,短路时由检测判断装置发送点火信号引爆炸药,利用炸药爆炸释能功率大的特点,在极短的时间内使主载流体断开,迫使短路电流转移到旁路并联熔断器,熔断器在极短时间内熔断后,彻底切断短路电流,总分断时间通常在1 ms左右.由于分断速度快,这类开关能将短路电流限制在远小于预期短路电流的水平上,从而起到限流保护作用.主载流体的设计是这类爆炸式高速开关的关键技术,决定了开关的容量、分断性能、体积和成本.目前国际上常见的爆炸式高速开关主载流体主要有3种形式[2-3]:(1)ABB德国Calor Emag分公司开发的Is-limiter·;(2)美国G&W电气公司开发的CLiP·(Current Limiter Protector);(3)法国FERRAZ公司开发的限流开断器.

基于以上考虑,笔者从采用炸药驱动活塞撞断主载流体的方式获得启发,试制了一型爆炸活塞式高速开关,以期获得更优效果.

1 爆炸活塞式高速开关的设计

1.1 爆炸活塞式高速开关的结构与原理

如图1所示,该爆炸活塞式高速开关主载流体主要由爆炸气缸,气缸盖、活塞、动触头、静触头、动触头保护钢片、特制压紧螺栓和绝缘固定架等组成.爆炸气缸内装填一定量的黑索今炸药,当电路发生短路时,由检测判断装置发出信号引爆炸药,驱动活塞向下运动.动、静触头采用纯铜材料并表面镀银,动触头保护钢片用于保护动触头不被活塞撞坏.特制压紧螺栓是用普通螺钉在中部削出一小段细颈制成的,开关闭合状态下,4根压紧螺栓起压紧动静触头的作用,开关动作时,在活塞杆强力推动下,4根特制螺栓从细颈处快速断裂,实现动静触头的分离.

与法国FERRAZ公司开发的采用炸药驱动活塞撞断主载流体的方式相比,爆炸活塞式高速开关最大的优点是把断裂点由动静触头连接处转移到了压紧动静触头的特制螺栓细部,这个改进简化了加工工艺,降低了开关动作后不可回收利用部分的成本.

图1 爆炸活塞式高速开关结构简图

装置的设计分3个步骤进行:(1)先根据额定通流量选择合适的触头和特制螺栓的结构尺寸,保证开关工作时温升符合要求;(2)根据特制螺栓开断所需要的力选择合适的炸药量;(3)根据炸药量设计气缸和气缸盖的强度.每个环节都留有适当的余量.

1.2 通流能力设计

爆炸活塞式高速开关在额定电流下的稳定温升是一个非常重要的指标,温度过高会使绝缘连接件老化而导致绝缘降低,尤其对于本装置而言,温度过高会加速炸药的分解.通常,温度每增加10℃,炸药和起爆药的分解速度增加约2～4倍,这将使装置的使用寿命大大降低.因此必须设计合理的结构以控制装置各个部位的温升.

首先参照铜母线的通流能力选择动静触头的截面积.触头间接触电阻是影响温升的重要因素,通过增加特制螺栓的预紧力可以减小触头间接触电阻,从而减小温升.预紧力与接触面积的关系可近似用Bowden和Tabor给出的公式表示[4]

式中:Ac为实际接触面积;Fk为预紧力;H为接触对中较软一方的硬度.

假设接触点集中在一个圆形斑点上,则

式中:a为接触半径,又称霍姆半径.

接触电阻由缩流电阻和膜电阻组成,接触压力较大时,膜电阻可以忽略不计,接触电阻主要是缩流电阻,可以按照霍姆公式计算[5]

式中:Rc为接触电阻;ρ为接触对平均电阻率.

根据预紧力计算出接触电阻后,使用ANSYS软件进行热电耦合仿真,可以比较准确的得到装置各个位置的温升情况,之后应进行温升试验进行校核.

基于仿真结果依据国标对各部位温升的要求和炸药的耐热性对特制螺栓预紧力以及装置的结构进行优化设计.特制螺栓在紧固时应使用转矩扳手,通过控制拧紧转矩来控制预紧力,并防止螺栓细颈被拉断.

以380 V/2 000 A直流装置为例,采用4根M8螺栓制成中间细部直径3.0 mm的特制螺栓,调节预紧力约8 kN,可保证触头温升不超过70 K,装药位置温升不超过15 K.

1.3 炸药量的计算

雷管和炸药用来产生开关分断的驱动力.雷管采用小型号的电雷管,主要起引爆炸药的作用,本身爆炸威力很小,可以忽略不计.炸药选用特制的黑索今炸药,它具有爆速高,爆热大的特点,并经钝化处理降低了感度,提高了安全性和寿命[6].在这里使用非常合适.

黑索今的分子量是222.12,根据 Mallard-Lechatelier法确定的黑索今爆炸的化学方程式是[7]

完成通流能力设计后,需要根据特制螺栓细颈的直径设计恰能使之断裂的临界药量.炸药的爆轰过程是一个非常复杂的物理-化学过程,对其进行精确的计算难度很大,这里提出一种简化的计算方法,经试验验证具有足够的准确性,能够满足此处的设计需要.

假设炸药爆炸后在爆炸小室内瞬间产生均匀的高压气体,根据由л.н.希什科夫导出的公式,爆炸产生高压气体的压强可按下述方法计算

式中:p为生成气体的压强;F为炸药力,表示单位质量炸药的作功能力,J/kg;Δ为装填密度,kg/m3;R为气体常量,R=8.314 J/(mol◦K);T为炸药的爆温,K;黑索今的爆温为3 700 K;M为炸药的质量,kg;V为爆炸小室的容积,m3;α为爆炸产物的余容(参见范德华尔斯气体状态方程),即单位质量炸药爆炸气体产物的分子总体积与固体产物体积之和,m3/kg,根据黑索今爆炸的化学方程式,黑索今爆炸没有固体产物,每1 mol黑索今产生9 mol气体,气体分子体积约为气体在标准状态下体积的1/1 000;因此,

n为单位质量炸药产生的气体的物质的量,mol/kg

据此可得

然后,再计算高压气体对活塞产生的推力

式中:S为活塞受力截面积,m2.忽略摩擦阻力,推力N1完全用于克服4根特制螺栓的抗拉力N2

式中:σb为螺栓材料的抗拉强度,Pa;D为特制螺栓细部直径.当N1＞N2时,炸药即可驱动活塞顶断压紧螺栓,实现触头分离.

以直流380 V/2 000 A的某套装置为例,计算的临界断裂炸药量为240 mg,试验中取300 mg药量时实现了触头分离,而取200 mg时未实现触头分离,验证了上述计算方法的准确性.

1.4 爆炸气缸、气缸盖及活塞的设计

炸药量确定以后,需要设计爆炸气缸、气缸盖的厚度,使之具有足够的强度而不被炸断、损坏或者变形.可采用有限元显式动力分析软件ANSYS/LS-DYNA进行计算机仿真辅助设计[8].

为节省仿真的建模时间和计算时间,必须对模型进行合理的简化.本模型仅考虑爆炸气缸及气缸盖、活塞、炸药、空气44个部分,仿真模型如图2 a)所示,模型中的四个部分各定义为一个PART,均采用solid164单元类型.在算法选择上,采用欧拉-拉格朗日耦合算法(ALE),其中炸药和空气使用欧拉算法,爆炸气缸-气缸盖、活塞使用拉格朗日算法.

由于模型是轴对称结构,为节省计算时间,仅建立1/4模型,计算完毕再进行镜像对称输出结果.约束定义中,爆炸气缸低面使用全自由度约束,限制它的运动,对称边界面进行对称约束,炸药部分采用0.1 mm尺寸划分网格,其他部分采用0.2 mm 尺寸划分网格.仿真时间100 μ s,步长0.5 μ s.

由于黑索今长期放置会发生部分分解,实际装置中必须装填多于能使触头分离临界药量的黑索今,为保证足够的可靠性,可选择临界药量的2倍作为装填药量.以装填药量进行仿真建模,不断调整气缸壁的厚度,寻找气缸不发生明显变形的合适厚度.

图2 仿真模型爆炸前后的对比

同时在仿真中发现,高压爆轰波可使活塞底面发生变形而陷入气缸壁中,从而阻碍了活塞的运动.后经试验证实了这一现象,由于变形只发生在活塞底部区域,因此只需在活塞底部做一倒角(见图1),即可解决问题.

仍以额定值直流380 V/2 000 A的装置为例,取600 mg装填药量,仿真结果得,气缸壁厚度应选择为10 mm.

2 爆破试验

爆破试验是对装置爆破性能的检验.设计了如图3所示的试验测量方案.

图3 爆破试验测量装置原理图

测量装置中,由动静触头与10 kΩ电阻R,9 V干电池U串联组成回路,测量电阻电压,在动触头正下方10 mm处安置两片铜片,与动静触头并联,当点火爆炸后,动触头与静触头分离,然后经过一段很短的时间后动触头接触到铜片,可根据R上电压的变化来获得动静触头分离时刻及动触头接触两片铜片的时刻,从而也可推算出动触头分离初始阶段的平均速度.

直流380 V/2 000 A装置样机的试验照片和波形如图4.从波形图中可以看出,点火后,600 mg药量下,分断时间116ms,分离后10mm开距内平均速度8.5 m/s.可见,装置具有迅速有效切断主回路的能力.

图4 爆破试验波形图

3 结 论

1)从法国FERRAZ公司开发的限流开断器获得启发,设计了一种新型爆炸活塞式高速开关,它继承了限流开断器装药部位温度低的优点,同时通过把断裂部位从触头改变为特制螺栓中部细颈,降低了使用成本.

2)使用ANSYS热电耦合仿真对装置额定电流下的稳态温升进行分析,设计了合理的结构和合适的触头预紧力,根据预紧力计算得特制螺栓细颈的直径.

3)给出了炸药量的计算方法并得到了特制螺栓细径断裂所需的最小药量,并通过试验验证.

4)利用LS-DYNA对装填药量对应的结构强度进行了仿真计算,并通过试验进行了验证.

5)该装置距离实用化尚有较大差距,仍需在整体电气性能、结构紧凑性及经济性等方面做进一步的分析和设计.

[1]庄劲武,徐国顺,张晓锋,等.多相发电机整流供电系统短路限流装置设计与分析[J].武汉理工大学学报:交通科学与工程版,2006,30(2):194-197.

[2]李品德.一种实用化的混合式高压限流开断器[J].西北电力技术,2000,28(2):24-25.

[3]DTI.Development of a saffty case for the use of current limiting devices to manage short circuit currents on electrical distribution networks[R].UK,2004.

[4]Bowden F P,Tabor D.Friction and lubrication of solids[M].Vol II.Oxford:Oxford University Press,1964.

[5]荣命哲.电接触理论[M].北京:机械工业出版社,2004.

[6]陈厚和,诸吕锋,孟庆刚,等.一种用于强电流环境的钝感炸药与应用[J].含能材料,2005(12):60-62.

[7]欧育湘.炸药学[M].北京:北京理工大学出版社,2006.

[8] 史党勇,李裕春,张胜民.基于ANSYS/LS-DYNA8.1进行显式动力分析[M].北京:清华大学出版社,2005.