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(guó)家重點(diǎn)工程的大規(guī)模建設(shè),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(gè)系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)的交直流電干擾也越來越嚴(yán)重,由此引發(fā)的設(shè)備、器件內(nèi)部間隙放電現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。不同設(shè)備及器件內(nèi)的間隙放電會(huì)對(duì)設(shè)備及器件造成熱沖擊及熱燒蝕,嚴(yán)重影響設(shè)備或器件的正常使用,甚至造成放電設(shè)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(shí)常發(fā)生在管道閥室內(nèi)的絕緣卡套中,放電過程中的產(chǎn)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(chǎn)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(guān)重要。然而放電下絕緣卡套的熱力分析是一個(gè)涉及到電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、流場(chǎng)以及應(yīng)力場(chǎng)等多物理場(chǎng)耦合的復(fù)雜過程,直接對(duì)其進(jìn)行求解分析十分困難,甚至難以實(shí)現(xiàn)。因此為解決放電下絕緣卡套的多物理場(chǎng)的求解問題并研究電弧對(duì)其產(chǎn)生的熱沖擊及熱燒蝕,論文開展了對(duì)放電下絕緣卡套的熱力場(chǎng)分析方法的研究。主要工作具體包括:(1)考慮間隙內(nèi)電弧與間隙壁之間的熱作用,建立了短間隙內(nèi)電弧的MHD數(shù)值計(jì)算模型并確定了短間隙內(nèi)電弧的熱源分布特性,解決了對(duì)短間隙內(nèi)電弧的數(shù)值分析問題。具體包括研究了短間隙內(nèi)電弧的物理模型及數(shù)學(xué)模型,分析了對(duì)電弧內(nèi)部多物理耦合場(chǎng)的求解方法;同時(shí),論文以針板放電模型為例,通過分析電弧的溫度場(chǎng)及流場(chǎng)的分布確定了電弧的熱行為特性,并將電弧的熱效應(yīng)分為電弧弧柱產(chǎn)生的熱效應(yīng)和電弧在陰極的熱效應(yīng)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(yīng)的熱源分布特性。(2)根據(jù)論文中確定的電弧熱源分布特性,提出了短間隙內(nèi)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(duì)電弧弧柱和電弧在陰極表面的熱效應(yīng)進(jìn)行等效,利用等效熱源模型對(duì)電弧的熱效應(yīng)進(jìn)行等效極大地簡(jiǎn)化了對(duì)電弧的熱分析過程;同時(shí),建立了等效熱源作用下的針板電極數(shù)值計(jì)算模型,并對(duì)針板間隙內(nèi)電弧的熱效應(yīng)進(jìn)行等效數(shù)值計(jì)算,通過與論文中的電弧MHD模型中的數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了所提出的電弧等效熱源模型的準(zhǔn)確性。最后,論文分析了等效熱源參數(shù)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(jié)構(gòu)參數(shù),該研究為分析短間隙內(nèi)電弧的熱效應(yīng)提供了一種更為簡(jiǎn)捷的創(chuàng)新分析方法。(3)基于對(duì)短間隙內(nèi)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(jì)算模型,將放電下絕緣卡套熱力場(chǎng)分析中的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、電磁場(chǎng)以及應(yīng)力場(chǎng)等多物理耦合場(chǎng)的復(fù)雜求解問題轉(zhuǎn)化為等效熱源作用下絕緣卡套的流-固體傳熱問題;同時(shí),通過實(shí)例計(jì)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(chǎng)分布情況,研究簡(jiǎn)化了放電下絕緣卡套內(nèi)多物理場(chǎng)間復(fù)雜的耦合關(guān)系,解決了對(duì)放電下的絕緣卡套熱力場(chǎng)求解問題,為求解多物理場(chǎng)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(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái),通過實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)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(jì)算模型的準(zhǔn)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(nèi)放電電弧的熱分布,并與論文中的相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,以此驗(yàn)證了論文中的模型和方法的準(zhǔn)確性;同時(shí),對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了重復(fù)性分析論證,驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。(5)研究了電弧在不同放電時(shí)間、不同電弧電流、不同材料的金屬以及間隙間距對(duì)陰極燒蝕的影響,具體包括分析了電弧放電時(shí)間、電弧電流、陰極材料以及間隙間距對(duì)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(shí),通過對(duì)電弧作用下陰極表面的燒蝕半徑的計(jì)算分析,確定了放電電弧分別在不同放電時(shí)間、不同電弧電流以及不同材料的金屬板上的燒蝕規(guī)律。基于以上規(guī)律,分析了降低絕緣卡套絕緣層溫度的方法。
【學(xué)位單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TM21
【部分圖文】：

2 短間隙內(nèi)放電電弧 MHD 模型及其熱效應(yīng)研究2 短間隙內(nèi)放電電弧 MHD 模型及其熱效應(yīng)研究言氣設(shè)備，油氣管道等系統(tǒng)設(shè)施的小間隙內(nèi)經(jīng)常由于過電壓等原因發(fā)甚至產(chǎn)生持續(xù)燃燒的放電電弧。由于放電過程通常會(huì)釋放大量熱量弧會(huì)對(duì)設(shè)備造成熱沖擊或熱燒蝕，時(shí)常破壞設(shè)備完整性，并嚴(yán)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(shí)際工程經(jīng)常發(fā)生放電，間隙內(nèi)電弧不僅對(duì)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(dòng)，威脅油氣系統(tǒng)的。因此，為了掌握放電對(duì)設(shè)備造成的危害及威脅，研究分析設(shè)備中弧的熱效應(yīng)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(shè)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(shè)放電現(xiàn)象，放電電弧會(huì)對(duì)設(shè)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(dòng)力學(xué)理論，對(duì)電弧進(jìn)行數(shù)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(shè)備的短間隙內(nèi)，不同設(shè)備間的，但其共同特點(diǎn)是：① 間隙較短，通常在幾毫米到幾厘米不結(jié)構(gòu)或其他原因極易造成電壓差，導(dǎo)致過電壓放電。因此，為電弧進(jìn)行分析，論文以圖 2.2 所示的針板放電模型來代替實(shí)際工間隙來研究間隙內(nèi)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(dāng)兩電極過達(dá)到空氣擊穿電壓時(shí)，針板間隙發(fā)生放電擊穿產(chǎn)生電弧放電，中設(shè)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(nèi)，由于電弧在燃燒過程中產(chǎn)生大量熱導(dǎo)，因此間隙電極區(qū)域內(nèi)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(dǎo)弧與壁的熱作用生放電的間隙空間狹窄，因此當(dāng)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(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 楚金偉;韋曉星;劉青松;;直流接地極附近引壓管絕緣卡套放電原因分析[J];油氣田地面工程;2015年10期

2 應(yīng)斌;;高壓直流輸電系統(tǒng)接地極對(duì)長(zhǎng)輸管道安全運(yùn)行的影響[J];油氣田地面工程;2014年07期

3 方舒東;王坤;康濱;解應(yīng)濤;;大口徑長(zhǎng)輸天然氣管道閥室引壓管卡套失效的危害及處理技術(shù)[J];天然氣工業(yè);2011年11期

4 王立軍;賈申利;劉宇;楊鼎革;史萌;史宗謙;;縱磁下真空電弧陽(yáng)極熱過程的仿真[J];電工技術(shù)學(xué)報(bào);2011年03期

5 莊娟;王德真;劉莉瑩;;極板電壓與間距對(duì)大氣壓射頻氬等離子體放電參數(shù)的影響[J];強(qiáng)激光與粒子束;2010年12期

6 馬強(qiáng);榮命哲;Anthony B.Murphy;吳翊;徐鐵軍;孫志強(qiáng);;考慮器壁侵蝕影響的低壓斷路器電弧運(yùn)動(dòng)特性仿真及實(shí)驗(yàn)[J];電工技術(shù)學(xué)報(bào);2009年12期

7 季良;陳德桂;劉穎異;李興文;紐春萍;;利用電弧動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的低壓斷路器開斷過程仿真分析[J];中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào);2009年21期

8 馬強(qiáng);榮命哲;Anthony B.Murphy;吳翊;徐鐵軍;孫志強(qiáng);;考慮電極燒蝕影響的低壓斷路器電弧運(yùn)動(dòng)特性仿真及實(shí)驗(yàn)[J];中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào);2009年03期

9 王立軍;賈申利;史宗謙;張玲;榮命哲;;開距對(duì)不同狀態(tài)下真空電弧特性影響的仿真分析[J];中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào);2008年07期

10 王立軍;賈申利;史宗謙;榮命哲;;電弧電流以及縱向磁場(chǎng)對(duì)小電流真空電弧特性影響的數(shù)值仿真[J];電工技術(shù)學(xué)報(bào);2007年01期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 程鵬;電纜接頭內(nèi)部缺陷下的電磁—熱—力特性及表征方法研究[D];重慶大學(xué);2016年

2 王英;弓網(wǎng)電接觸熱流和電流傳導(dǎo)及影響規(guī)律研究[D];西南交通大學(xué);2016年

3 崔行磊;直流電弧作用下觸頭材料的侵蝕機(jī)理和轉(zhuǎn)移特性研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

4 李靜;高壓斷路器弧前微觀機(jī)理研究[D];沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué);2013年

5 彭慶軍;空氣中流注放電等離子體化學(xué)模型研究及其影響因素分析[D];重慶大學(xué);2012年

6 向川;小間隙真空電弧的數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)研究[D];大連理工大學(xué);2012年

7 閆思博;高頻耦合電弧熱源特性及工藝性研究[D];北京工業(yè)大學(xué);2012年

8 劉興華;基于流體—化學(xué)反應(yīng)混合模型的空氣放電機(jī)理及特性研究[D];重慶大學(xué);2012年

9 吳延清;短間隙真空開關(guān)電弧特性實(shí)驗(yàn)和建模研究[D];大連理工大學(xué);2010年

10 唐達(dá)培;直流電弧等離子體噴射金剛石膜殘余應(yīng)力及開裂破壞研究[D];西南交通大學(xué);2009年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前6條

1 焦彥俊;斷路器噴口用復(fù)合PTFE耐電弧燒蝕性能研究[D];華北電力大學(xué)(北京);2016年

2 劉樂天;厚壁管環(huán)焊縫焊接溫度場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬及工藝分析[D];華北電力大學(xué);2015年

3 楊傳星;真空自耗電弧爐放電電弧的數(shù)值仿真研究[D];東北大學(xué);2013年

4 于寧;不同材料激光焊與電弧焊的等效功率及基于溫度場(chǎng)的分析[D];機(jī)械科學(xué)研究總院;2008年

5 鄭惠錦;鋁合金穿孔型等離子弧焊接過程模擬[D];江蘇大學(xué);2002年

6 黃俊卿;直流輝光放電正柱區(qū)及陰極鞘層區(qū)的模擬研究[D];大連理工大學(xué);2001年

本文編號(hào)：2840094