(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111293369.2 (22)申请日 2021.11.03 (71)申请人 国网湖南省电力有限公司 地址 410004 湖南省长 沙市新韶东路398号 申请人 国网湖南省电力有限公司供电服 务 中心 （计量中心） 　 国家电网有限公司 (72)发明人 熊德智　柳青　盛伟斌　陈浩　 (74)专利代理 机构 湖南兆弘专利事务所(普通 合伙) 43008 代理人 廖元宝 (51)Int.Cl. G06F 30/28(2020.01) G06F 30/23(2020.01) H01H 73/06(2006.01)H01H 73/18(2006.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 智能直流断路器灭弧分析方法 (57)摘要 本发明公开了一种智能直流断路器灭弧分 析方法， 包括步骤： 1)直流电弧动态特性及调控 机理分析： 1.1)建立磁流体动力学仿真模型； 1.2)仿真分析不同极性方向下电弧动态特性的 调控特性及影响规律； 1.3)获取永磁体和产气材 料对电弧的调控机理； 2)弧后重击穿特性评估分 析： 2.1)计算多组分非平 衡态下空气等离子体的 物性参数和输运参数； 2.2)分析弧后电弧衰减特 性； 2.3)获取抑制弧后重击穿措施； 3)灭弧室结 构与开断能力的匹配特性分析， 确定灭弧室的最 佳结构参数和增强气吹和磁吹方案、 弧后重击穿 抑制措施。 本发 明具有实现智能型小型直流断路 器的高开断能力等优点。 权利要求书3页 说明书8页 附图2页 CN 114021496 A 2022.02.08 CN 114021496 A 1.一种智能直 流断路器灭弧分析 方法， 其特 征在于， 包括 步骤： 1)直流电弧动态特性及调控机理分析： 1.1)耦合多个物理场， 建立燃弧期间小型直流断路器磁流体动力学仿真模型； 其中物 理场包括电磁场、 温度场、 气流场、 辐射特性中的一个或者多个； 1.2)在磁流体动力学仿真模型的基础上， 仿真分析不同永磁体布置位置和布置方式对 不同极性方向下电弧动态特性的调控特性及影响规 律； 1.3)通过分析不同产气材料蒸气对电弧动态演变特性的调控， 并与仿真结果相结合， 建立宏观参数与微观参数之间的相互作用关系， 获取永磁体和产气材料对电弧的调控机 理； 2)弧后重 击穿特性评估分析： 2.1)在以上得到燃弧期间电弧动态特性的基础上， 计算电流过零期间多组分非平衡态 下空气等离 子体的物性 参数和输运 参数； 2.2)以物性参数为输入参数， 建立电流过零期间非平衡态磁流体动力学模型， 分析弧 后电弧衰减特性； 2.3)建立弧后热击穿特性评估方法和电击穿特性评估方法， 结合光谱测量系统和电流 零区测试系统诊断技 术， 得到抑制弧后重 击穿措施； 3)灭弧室结构与开断能力的匹配特性分析： 3.1)在获取燃弧阶段电弧动态特性、 弧后重击穿评估参数和方法的基础上， 建立灭弧 室结构参数和开断能力的匹配关系； 3.2)以表征开断能力的物理量为目标函数， 以灭弧室结构参数为变量， 建立多目标多 参数的匹配数 学模型； 3.3)通过建立的匹配数学模型， 根据约束条件， 确定灭弧室的最佳结构参数和增 强气 吹和磁吹方案、 弧后重击穿抑制措施， 完成灭弧室的优化设计以满足直流小型断路器大电 流无极性 开断需求。 2.根据权利要求1所述的智能直流断路器灭弧分析方法， 其特征在于， 在步骤1.1)中， 建立燃弧期间小 型直流断路器磁流体动力学仿 真模型的具体过程为： 在获取空气等离子体 局部热力学平衡态条件， 压力范围、 温度范围、 不同比例金属蒸气及产气材料蒸气的空气等 离子体的热力学物 性参数和输运参数的基础上， 耦合流体动力学计算模块ANS YS Fluent软 件与计算模块ANSYS  Emag， 通过对Fluent软件进行二次开发以及借助MpCCI接口软件， 通过 APDL语言编写的数据双向实时传输程序， 同时耦合外部短路电路方程， 采用动网格技术来 模拟动触头的打开 运动过程， 建立燃弧期间小型直 流断路器 磁流体动力学仿真模型。 3.根据权利要求2所述的智能直流断路器灭弧分析方法， 其特征在于， 在步骤1.2)中， 利用磁流体动力学仿真模型， 计算不同永磁体形状和 位置情况下， 不同极性的电弧在发展 全过程中紧密 耦合的温度场、 气流场、 电磁场在整个灭弧室内随时间的分布； 以此来分析电 弧在灭弧室内的动态演 变特性， 并重点 获取永磁体形状和放置位置对燃弧阶段电弧在灭弧 室内的动态特性的调控机理和电弧能量高效耗散 机制。 4.根据权利要求3所述的智能直流断路器灭弧分析方法， 其特征在于， 在步骤1.2)中， 空气等离子体电弧动态特性采用MHD方法计算并分析， 在计算中， 空气等离子体视为一种流 体， 其中等离 子体由以下 方程来描述， 流体模型中的权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114021496 A 2质量守恒方程： 动量守恒方程： 能量守恒方程： 气体状态方程： ρ ＝ρ(p,T)           (4) 式(2)中， 是整个电流回路中产生的洛伦磁力， 在电弧仿真中， 弧柱的运动不仅受 气流场的作用， 同时也受洛伦磁力的作用， 尤其在大电流情况下； 式(3)中Sh代表的是能量 源项， 其中σ E2为焦耳热， 表示注入电弧的能量， qrad为辐射项， 采用净辐射系数求解时， 辐射 项可用下式计算： qrad＝4 π εN                                                 (5) 式中， εN为净辐射系数； 计算不同频率下电弧动态特性， 采用瞬态场进行求解； 电磁场通过以下Maxwell方程进 行求解； 式中， 采用以下磁矢位法对电弧自身产生磁场进行求 解： 为了确保磁矢位方程 求解的唯一 性， 磁矢位需满足库伦规范： 联立式(6)到式(7)可以得到以下磁矢位方程： 式中， ρ‑密度； ‑速度矢量； t ‑时间； T‑温度； vk‑速度； 三维模型中指vx,vy,vz； η‑粘度系 数； p‑压力； ‑电流密度矢量； ‑磁通量密度矢量； h ‑焓值； λ‑热导率； cp‑定压比热； σ ‑电导权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114021496 A 3