船舶中压直流配电板电缆室燃弧压力升特性数值研究

赵云杰，姜 楠，朱 磊，刘彪

应用研究

船舶中压直流配电板电缆室燃弧压力升特性数值研究

赵云杰，姜 楠，朱 磊，刘彪

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

本文基于电弧能量热等效压力升计算模型对船舶中压直流配电板电缆室内燃弧压力升特性进行了数值研究。计算了在不同弧压梯度下发生燃弧故障时电缆室内的压力升变化，仿真结果表明：在弧压梯度25～55 V/cm范围内，达到泄压盖开启压力时间为16～28 ms；燃弧初期压力波传至泄压盖及上部侧板时间为4ms；受压力波反射、叠加效应影响，泄压盖开启后室内压力出现二次幅值上升，上部侧板二次峰值最大，建议此处安装加强筋增强此处柜板强度。

配电板 燃弧故障 压力升 CFD

0 引言

随着船舶自动化和电气化水平的不断提高，船舶综合电力系统总装机容量越来越大，同时受断路器短路电流分断能力、发电机机组单机容量、发电机机组数量以及电缆载流量等因素的影响，船舶中压直流配电板得到广泛应用[1]。

抗燃弧性能是船舶中压直流配电板基本要求[2]。配电板在实际运行中，可能存在电气元器件绝缘老化、工作电流大、操作次数多、过载运行、接地短路、误操作等问题引发配电板发生燃弧故障。发生燃弧时，电弧极短时间内释放大量热量，加热并压缩周围空气，引起室内气体膨胀、压力骤增最后表现为气体爆炸形式，对设备产生强大的压力冲波，使柜体在强压下结构受损，甚至引发柜门、柜体发生爆裂事故，危害人员和设备安全。GB/T3906-2020和IEC62271-2003均将内部燃弧故障试验列为型式试验[2,3]。

然而，燃弧型式试验仅能对柜体强度进行定性校核，且试验周期长，人力及物力耗费大，难以定量揭示燃弧产生压力效应对柜体的影响，多物理场仿真成为研究该极限问题的重要方法。但由于燃弧爆炸现象涉及了复杂的物理、化学过程，电弧等离子体等相关参数的高度非线性给仿真计算带来较大困难，目前只有简单封闭容器内部以实际电弧等离子体模型仿真为主。针对实际配电板复杂模型，电弧能量等效热模型简化了电弧等离子体复杂物理过程，忽略电弧在磁场、流场中的运动特性，利用“kp因子”将电弧功率当作热源输入[4]，通过温度场-流场耦合求解获得发生燃弧故障时室内气体压力升的变化规律，与考虑电弧物理特性研究方法相比，大大减少计算量，可实现对配电板复杂模型内部压力升求解。

因此，本文基于电弧能量热等效模型利用Fluent软件对中压直流配电板电缆室内部燃弧压力升进行数值计算，获得配电板发生燃弧故障时电缆室内部压力分布，并根据压力升规律提出船舶中压直流配电板抗燃弧设计要点。

1 物理模型

船舶中压直流配电板电缆室结构如图1所示，由电缆母排、顶部泄压盖、绝缘子、接地开关等部件构成。顶部泄压盖通过尼龙螺栓和金属螺栓与柜体相连，当发生燃弧爆炸时，泄压盖在内部压力冲击波的作用下，尼龙螺栓由于强度较低首先发生断裂，泄压盖开启释放室内压力。

图1 配电板电缆室结构图

室内发生燃弧爆炸时，主要经历四个阶段：压缩阶段、膨胀阶段、喷射阶段和热阶段[5～7]。压缩阶段：燃弧初期，电弧释放大量热量，加热并压缩周围空气，使隔室内的压力增大，并迅速上升至峰值；膨胀阶段：当隔室内压力增大到泄压装置的阈值开启压力时，泄压装置打开将压力释放，大量高温气体通过泄压通道排出燃弧隔室；喷射阶段：电弧能量的持续释放使气体温度进一步升高，金属电极会出现熔化、蒸发现象，隔室泄压口将产生高温、高速气流，气流中含有大量炽热的金属液滴，即产生弧光喷射现象；热效应阶段：当大量空气被压缩至隔室外后，隔室内部剩余空气被电弧进一步加热，温度大幅升高，导致周围的绝缘材料出现起火、金属部件出现变形、熔化等现象，开关柜外壳有被烧穿的危险。

图2 燃弧四个阶段

2 数学模型

2.1 计算方法

由物理模型分析可知，室内发生燃弧故障主要经历四个阶段，其中压缩阶段以压力升高为主，即在泄压盖开启前，室内压力效应影响较大，温度影响较小；热效应阶段压力升已降至较小值，此时高温效应才逐渐凸显。可见燃弧过程压力及温度的影响时间段并不相同。对中压直流配电板而言，压力冲击效应对设备的影响较大，因此本文忽略热效应的影响，仅考虑压缩和膨胀阶段，研究室内燃弧爆炸引起的压力效应，获得室内较为准确的压力分布。

本文采用电弧能量热等效的压力升计算模型[4]，将电弧等离子体等效为固定大小的热源，根据热转换系数“k-因子”及电弧电流、弧压等参数，获得室内燃弧时引起压力上升的热源功率P大小：

式中，，分别为弧压和电弧电流的瞬态值；k为热转换系数[4]。

由热等效的压力升计算模型施加电弧热源功率后，采用理想气体模型和湍流模型，基于计算流体力学，通过温度场-流场瞬态全隐式耦合求解获得室内压力升的分布规律。

2.2 模型简化

配电室内燃弧爆炸压力分布与其内部空气的流通情况密切相关，对空气流动影响较小的部位可作简化处理，基本简化原则为：

1）去掉对隔室气体流动影响不大的零部件（例如，柜壁和隔板上的螺栓），同时将这些零件去掉后剩余的孔隙作封闭处理；

2）去掉倒圆倒角，保证零件轮廓特征；

3）对于部分复杂的几何，将表面平整，并保证流体空间域的体积相当的原则，进行合理简化；

4）将柜体百叶窗及装配等开口窄缝结构做全封闭处理，认为气体仅从泄压盖位置逸出；

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5）将电弧等效为一段小圆柱，放置在进线母排之间对母排进行短接，模拟母排发生短路燃弧故障。

简化后电缆室内部元器件如图3。

图3 电缆室内部器件及流体仿真模型

2.3 网格划分

网格划分是数值计算的基础，本文研究的电缆室结构较为复杂，采用非结构化网格。利用Workbench mesh进行网格划分，全局尺寸设置为16 mm，热源尺寸设置为4 mm。网格划分情况如图4所示。

图4 电缆室网格示意

2.4 控制方程

CFD计算是基于流体动力学守恒定律：质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程和气体状态方程，对容器内部能量及压力进行离散化求解。对于可压缩理想气体，不考虑热辐射和化学反应，容器内流动控制方程为：

质量守恒方程：

动量守恒方程：

能量守恒方程：

理想气体状态方程：

2.5 求解设置

中压配电板电缆室内部发生燃弧故障时，气体的流动可看作是三维、可压缩的湍流运动，采用标准两方程k-e湍流模型模拟湍流，采用标准壁面函数模拟近壁运动。考虑到燃弧时间较短(ms级)，流体与固体壁面接触时间较短，参与热交换的能量较少，金属外壳及固体壁容器壁面和电极表面均设置为绝热边界。对于泄压盖，在室内压力达到释放压力前设置为绝热壁面，当室内压力达到尼龙螺栓断裂拉力时的临界压力时，泄压盖边界改为Outlet条件，释放室内压力。

3 燃弧压力升特性

3.1 电弧能量参数

配电板电缆室发生燃弧时，电弧电流为短路电流有效值；而弧压的随机性较大，与间隙类型、电流大小、电弧长度、电机材料等有关[8,9]，本文设置以下5种弧压梯度进行分析。计算得各工况加载热源密度如表1：

表1 工况参数

3.2 压力升特性

将电缆室三块侧板和背板分别命名为wall1～ wall4，如图5，用于进行壁面压力特性分析。

图5 柜板命名

图6示意了电缆室在不同弧压梯度下，燃弧爆炸过程中泄压盖开启前后各柜板所受压力随时间的变化情况。由图可知，弧压梯度越大，达到临界压力所需时间越短，弧压梯度为25、30、35、45、55 V/cm时，达到泄压盖开启压力的时间分别为28、27、26、18、16 ms；燃弧初期4 ms内，位于上部的板wall1及泄压盖outlet压力几乎为0，这是由于压力波由电弧中心传递至各柜板需要一定时间，该时间与电弧距离成正比，可知传递至泄压盖及上部侧板时间为4 ms；各弧压梯度下室内压力变化规律基本一致，泄压盖开启前室内压力随燃弧时间的增加近似线性增大，但出现较大幅度的波动，泄压盖打开后，泄压盖出口降为大气压力，但室内压力并未立即下降，而是出现了多次幅值上升后才逐渐下降，位于上层侧板的wall1二次压力幅值最大，达到7 atm，这主要是受三面拐角处压力波反射、叠加效应的影响显著，所以要重点关注wall1板的强度问题，必要时在此处布置加强筋进行强度加强。

图6 各柜板处压力随时间变化

考虑到各工况压力特性相似，下面重点对工况3即35 V/cm弧压梯度在不同时刻的压力云图进行分析。图7分别示意了为泄压盖开启时刻各柜板处的压力云图，从图中可以看到：泄压盖压力分布是非均匀，最大值与最小值相差1.4 kPa；柜板整体侧板压力较背板大，上部柜板压力较下部大，整个配电板柜板压力存在接近16 kpa压差，需要重点关注侧板上部即wall1位置的强度。

图7 泄压盖开启时刻柜板压力分布

图8依次示意了电缆室在泄压盖开启时刻及泄压盖开启后的三个峰值时刻压力分布情况，从图中可以看到：泄压盖开启时刻，柜体下部压力较小，上部压力较大，可以知道室内气体受热膨胀，热气体向上流动，导致上部压力越来越大，并且左侧泄压盖压力较右侧大，左侧泄压盖先达到泄压临界值；当泄压盖开启后，泄压盖附近压力迅速降低，在第一个峰值时刻，室内压力较为均匀，处于泄压盖打开后的迅速变化响应时刻；在第二个峰值时刻，室内下部压力较大，上部压力较小，主要是由于柜体下部燃弧位置持续加载热量，压力波还未及时传至柜体顶部；在第三个峰值时刻，室内压力波传至顶部，从顶部泄压盖释放出去，压力最大值集中在柜体上部壁面附近。

4 结论

本文基于电弧能量热等效压力计算方法建立了船舶中压直流配电板电缆室内燃弧压力升三维瞬态数值模型。计算了电缆室在不同弧压梯度下燃弧压力升变化，主要得到以下结论：

1）弧压梯度越大，达到临界压力所需时间越短，在弧压梯度为25～55 V/cm范围内，达到泄压盖开启压力的时间在16～28 ms。

2）压力波由电弧中心传递至各柜板的时间与电弧距离成正比，传递至泄压盖及上部侧板的时间为4 ms。

3）室内压力升变化规律：泄压盖开启前室内压力随燃弧时间增加近似线性增大，但由于爆炸工况的极端不稳定会出现较大幅度的波动；泄压盖打开后，室内压力并未立即下降，而是出现多次幅值上升后才逐渐下降，受压力波反射、叠加效应的影响，上部侧板的二次压力幅值最大，需重点关注该板的强度问题，设计时建议安装加强筋增强此柜板强度。

[1] 杨青.船舶中压配电板的特点及发展趋势[J]. 船舶工程, 2011, 33(06): 45-48.

[2] GB3906-2020. 3.6 kV～40.5 kV交流金属封闭开关设备和控制设备[S].2020.

[3] IEC62271-2003. 1kV～52 kV交流金属封闭开关设备和控制设备[S].2003.

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Numerical study on the characteristics of arcing pressure rise in marine medium-voltage DC switchboard cable vault

Zhao Yunjie, Jiang Nan, Zhu Lei

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion，Wuhan 430064, China）

TM561

A

1003-4862（2022）11-0006-05

2022-01-04

赵云杰（1993-），女，研究方向：电机热设计。E-mail：1942635133@qq.com