基于磁性流体和液态金属的自恢复断路器的多物理场模拟研究

论文摘要

研究短路电流的限流和开断技术,对保证电网的稳定运行具有重要意义。由机械部件和触点构成的传统断路器在触头表面容易发生磨损和腐蚀,导致断路器失效。相比于依赖固-固接触的传统断路器,利用液态金属作为电接触元件的新型断路器具有磨损少、接触电阻小并且可自动恢复等优越的性能,其依赖于固-液接触的特点已引起研究者的广泛关注。本论文首先调研了常规断路器和液态金属限流断路器的研究和发展现状,介绍了有限元方法以及ANSYS软件处理多物理场问题时采用的耦合方法,确立了数学模型,为数值模拟参数的设置和模型的选择提供了必要的理论依据。然后运用有限元方法研究了基于磁性流体和液态金属的自恢复断路器在通电后的电场、温度场分布。进而研究了在不同的设计参数下断路器内部磁场、洛伦兹力和磁化力的分布。本文通过设计自恢复断路器的断电试验,研究了实际短路或过载保护过程中的流体界面变化情况,并与数值计算结果进行了对比研究。通过数值模拟研究,本论文获得了断路器内部空间各点的温度和温度梯度分布,以及在不同设计参数下断路器内部磁场、洛伦兹力和磁化力的分布。研究表明,在本文的研究模型中,装置内磁化力远大于洛伦兹力,对流体运动起主导作用。随着通入装置中的电流逐渐增大,电流产生的磁场对永磁体产生的磁场影响逐渐增大。随着电极磁性的增加,永磁体磁场分布发生显著变化。磁场在铁磁性电极附近产生了二次分布。随着磁性流体与液态金属体积比逐渐增大,磁感应强度以及磁感线在磁性流体内的分布区域都有一定程度的增加,磁性流体所受磁化力显著增加。在使用相同永磁体的情况下,通过调整永磁体的放置方向,可以较为显著地改善装置内整体磁场的分布情况,达到优化设计磁场分布的目的。在对电磁铁型断路器进行数值模拟研究过程中,发现电磁力出现了极值分布。通过设计自恢复断路器的断电试验,发现流体界面出现了优先形变现象,并与数值计算结果进行了对比研究,验证了数值计算模型的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 断路器的发展与研究现状
• 1.3 液态金属断路器的发展与现状
• 1.4 论文的主要工作
• 第2章 有限元方法理论基础及软件介绍
• 2.1 有限元方法介绍
• 2.2 ANSYS软件介绍
• 2.3 耦合场分析简介
• 2.4 本章小结
• 第3章 自恢复断路器的温度场数值模拟
• 3.1 传热基本理论
• 3.1.1 传热基本知识
• 3.1.2 传热边界条件与初始条件
• 3.1.3 自恢复断路器内热电耦合基本方程
• 3.2 自恢复断路器电流传导及传热分析
• 3.2.1 模型建立及边界条件
• 3.2.2 物性参数及单元划分
• 3.2.3 数值计算及结果分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 自恢复断路器的电磁场数值模拟
• 4.1 电磁场基本理论
• 4.1.1 麦克斯韦方程组
• 4.1.2 电磁场中常见边界条件
• 4.2 自恢复断路器的电磁场数值模拟
• 4.2.1 模型建立和物性参数
• 4.2.2 网格划分和边界条件
• 4.2.3 数值计算及结果分析
• 4.2.4 开断不同大小电流时的电磁场分析
• 4.2.5 选用不同电极材料时的电磁场分析
• 4.2.6 不同流体比例时的电磁场分析
• 4.2.7 多断点断路器电磁场分析
• 4.2.8 电磁铁型断路器电磁场分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 自恢复断路器的断电实验研究
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 论文工作展望
• 参考文献
• 硕士阶段取得的研究成果
• 致谢
• 个人简历