隨著高壓、特高壓交直流輸電線路,高速電氣化軌道交通以及油氣管道等國家重點工程的大規(guī)模建設,不同系統(tǒng)間的相互影響相互干擾問題變得日益突出。由于不同原因,在各個系統(tǒng)內出現的交直流電干擾也越來越嚴重,由此引發(fā)的設備、器件內部間隙放電現象時有發(fā)生。不同設備及器件內的間隙放電會對設備及器件造成熱沖擊及熱燒蝕,嚴重影響設備或器件的正常使用,甚至造成放電設備及器件的損壞而引發(fā)安全事故。特別在油氣輸送系統(tǒng)中,間隙放電時常發(fā)生在管道閥室內的絕緣卡套中,放電過程中的產生熱沖擊及熱燒蝕造成絕緣卡套損壞或失效甚至引發(fā)天然氣泄漏事故,給正常生產造成了極大威脅。因此研究放電下絕緣卡套的熱力狀態(tài)及熱燒蝕特性,從而掌握放電下絕緣卡套的性能狀態(tài)顯得至關重要。然而放電下絕緣卡套的熱力分析是一個涉及到電磁場、溫度場、流場以及應力場等多物理場耦合的復雜過程,直接對其進行求解分析十分困難,甚至難以實現。因此為解決放電下絕緣卡套的多物理場的求解問題并研究電弧對其產生的熱沖擊及熱燒蝕,論文開展了對放電下絕緣卡套的熱力場分析方法的研究。主要工作具體包括:(1)考慮間隙內電弧與間隙壁之間的熱作用,建立了短間隙內電弧的MHD數值計算模型并確定了短間隙內電弧的熱源分布特性,解決了對短間隙內電弧的數值分析問題。具體包括研究了短間隙內電弧的物理模型及數學模型,分析了對電弧內部多物理耦合場的求解方法;同時,論文以針板放電模型為例,通過分析電弧的溫度場及流場的分布確定了電弧的熱行為特性,并將電弧的熱效應分為電弧弧柱產生的熱效應和電弧在陰極的熱效應兩部分,繼而基于所建立電弧MHD模型,確定了電弧的兩部分熱效應的熱源分布特性。(2)根據論文中確定的電弧熱源分布特性,提出了短間隙內電弧的等效熱源模型,分別利用橢球體熱源和高斯面熱源對電弧弧柱和電弧在陰極表面的熱效應進行等效,利用等效熱源模型對電弧的熱效應進行等效極大地簡化了對電弧的熱分析過程;同時,建立了等效熱源作用下的針板電極數值計算模型,并對針板間隙內電弧的熱效應進行等效數值計算,通過與論文中的電弧MHD模型中的數值計算結果進行對比,驗證了所提出的電弧等效熱源模型的準確性。最后,論文分析了等效熱源參數的確定方法,通過電弧電流大小來確定橢圓體等效熱源和高斯面等效熱源的結構參數,該研究為分析短間隙內電弧的熱效應提供了一種更為簡捷的創(chuàng)新分析方法。(3)基于對短間隙內電弧的熱等效分析方法,建立了電弧放電下絕緣卡套的等效熱力計算模型,將放電下絕緣卡套熱力場分析中的溫度場、流場、電磁場以及應力場等多物理耦合場的復雜求解問題轉化為等效熱源作用下絕緣卡套的流-固體傳熱問題;同時,通過實例計算分析了絕緣卡套在放電下的熱力分布特性,并分析確定了絕緣卡套中絕緣層的熱力場分布情況,研究簡化了放電下絕緣卡套內多物理場間復雜的耦合關系,解決了對放電下的絕緣卡套熱力場求解問題,為求解多物理場耦合問題提供了一種全新的思路。(4)搭建了針板電極放電及絕緣卡套放電實驗測試平臺,通過實驗分析驗證了論文中建立的電弧MHD模型,等效熱源模型以及放電下絕緣卡套的熱力計算模型的準確性,具體包括利用紅外成像儀分別得到了針板電極和絕緣卡套內放電電弧的熱分布,并與論文中的相應的數值計算結果進行對比分析,以此驗證了論文中的模型和方法的準確性;同時,對實驗結果進行了重復性分析論證,驗證了實驗結果的可靠性。(5)研究了電弧在不同放電時間、不同電弧電流、不同材料的金屬以及間隙間距對陰極燒蝕的影響,具體包括分析了電弧放電時間、電弧電流、陰極材料以及間隙間距對電弧作用下陰極表面的溫度分布規(guī)律以及溫度梯度分布規(guī)律的影響;同時,通過對電弧作用下陰極表面的燒蝕半徑的計算分析,確定了放電電弧分別在不同放電時間、不同電弧電流以及不同材料的金屬板上的燒蝕規(guī)律�；谝陨弦�(guī)律,分析了降低絕緣卡套絕緣層溫度的方法。
【學位單位】：重慶大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TM21
【部分圖文】：

2 短間隙內放電電弧 MHD 模型及其熱效應研究2 短間隙內放電電弧 MHD 模型及其熱效應研究言氣設備，油氣管道等系統(tǒng)設施的小間隙內經常由于過電壓等原因發(fā)甚至產生持續(xù)燃燒的放電電弧。由于放電過程通常會釋放大量熱量弧會對設備造成熱沖擊或熱燒蝕，時常破壞設備完整性，并嚴重威全。如圖 2.1 所示為安裝于油氣管道系統(tǒng)中的絕緣卡套，在實際工程經常發(fā)生放電，間隙內電弧不僅對接頭間隙表面造成燒蝕，并且放的熱沖擊甚至破壞了接頭密封性，造成接頭松動，威脅油氣系統(tǒng)的。因此，為了掌握放電對設備造成的危害及威脅，研究分析設備中弧的熱效應具有重要意義。

間隙放電電弧 MHD 模型研究電電弧物理模型設施或油氣管道等系統(tǒng)中，由于過電壓等原因，在各類工程設放電現象，放電電弧會對設備造成熱沖擊及熱燒蝕。為研究電性，論文基于上述磁流體動力學理論，對電弧進行數值分析，弧形成發(fā)展過程中的熱行為。際工程中，電弧放電常發(fā)生在設備的短間隙內，不同設備間的，但其共同特點是：① 間隙較短，通常在幾毫米到幾厘米不結構或其他原因極易造成電壓差，導致過電壓放電。因此，為電弧進行分析，論文以圖 2.2 所示的針板放電模型來代替實際工間隙來研究間隙內電弧的熱行為。在圖 2.2 所示針板模型中，上有一電極棒，電極棒針尖到底板間存在空氣間隙。當兩電極過達到空氣擊穿電壓時，針板間隙發(fā)生放電擊穿產生電弧放電，中設備間隙的放電電弧。

J E 0 B AA J體狀態(tài)方程：p R T區(qū)域內，由于電弧在燃燒過程中產生大量熱導，因此間隙電極區(qū)域內的傳熱方程可以表 0m pm m m mc T k Tt ，和 Tm分別是電極材料密度、比熱容、熱導弧與壁的熱作用生放電的間隙空間狹窄，因此當發(fā)生電弧放不能被忽略，包括電弧與間隙壁之間的熱傳和熱輻射如圖 2.3 所示。
【參考文獻】

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本文編號：2840094