基于EDEM的高压熔断器填料密实度研究

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　　摘  要： 高压熔断器是一种用在高壓线路和配电系统中的保护装置，可对故障电路予以安全保护。其结构中石英砂填料的密实度对熔断器的安全性能至关重要，为此本文探究了一种径向冲击旋转熔管的方式来解决熔断器中填料的密实度问题。石英砂颗粒在冲击作用下进行位置的重新排列来降低孔隙率，进而提高填充密实度。本文采用离散元素法，建立了颗粒接触过程的动力学方程，应用EDEM软件模拟了石英砂的振动过程，并通过石英砂填料的填充实验进行了验证。结果证明：径向冲击旋转熔管方式可以使熔管填料的平均密实度达到1.65 g/cm3的密实度要求，同时随着振动时间的增加填充密实度表现出先增加后稳定的规律。
　　关键词： 高压熔断器;径向冲击;填充密实度;离散元法;EDEM
　　中图分类号： TM563.3    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.02.054
　　【Abstract】： High-voltage fuse is a kind of protective device used in high-voltage line and distribution system， which can provide safety protection for fault circuit. The density of quartz sand filler in its structure is very important to the safety of fuse. Therefore， this paper explores a way of radial impact rotating cartridge to solve the problem of packing density in fuse. Quartz sand particles are rearranged under impact to reduce porosity and improve filling compactness. In this paper， the discrete element method is used to establish the dynamic equation of the contact process of particles. EDEM software is used to simulate the filling process of quartz sand， which is verified by the filling experiment of quartz sand filler. The results show that the average density of the filler can reach the requirement of 1.65 g/cm3 by radial impact rotating cartridge. At the same time， the compactness of the filler increases first and then stabilizes with the increase of vibration time.
　　【Key words】： High-voltage fuse; Radial impact; Filling density; Discrete element method; EDEM
　　0  引言
　　高压熔断器是高压电网系统的重要组成部件，如图1所示为一种有填料管式高压熔断器，主要由熔丝支架1、熔管2、石英砂填料3、熔丝4和铜帽5构成。一些学者对熔断器填料做过相关的研究，Saqib等比较了熔断器装填不同种填料的分断效果，结果表明石英砂是用作熔断器填料的最佳选择[1]。Намитоков等进行了石英砂密实度对熔断器功效影响的研究，得出增大石英砂密实度可以改善熔断器的动作性能[2]。现实应用也表明石英砂具有较好的灭弧、防爆、热传导性能，可以有效提高被保护电气设备的热稳定性和动稳定性[3-4]。
　　除石英砂种类、粒径配比的因素影响，填料密实度对熔断器的分断性能有较大影响[5]。目前微型熔断器的填料装填采用的是垂直方向的振动、水平方向的振动或垂直碰撞振动[6]。王运维[7]、李国军[8]等人提出的单维振动式熔断器自动灌砂机，其振动单元原理如图2所示，将熔断器外壳4利用夹具2、3固定在振动台1上进行垂直或水平振动来进行填料的密实灌装。杨智春等[9]设计的熔断器多维振动注砂机以及由杭鲁滨等[10]提出的一维垂向振动及两维转动的三自由度振动方式，实现了石英砂填料在多维度下的振动装填。
　　通过实验发现单维、多维式振动对提高大型管式高压熔断器填料密实度的效果不佳，难以达到1.65 g/cm3的使用要求[11]。主要原因在于小型熔断器的熔管体积小，所需石英砂装填数目少，固定约束在激振台上进行振动时，外壳内各颗粒均能获得足够的能量进行位置重排使石英砂达到密实排布。而大型高压熔断器所需填充的颗粒数目较多，由激振台带动熔管与填料振动时，能量经由石英砂颗粒之间传递衰减，在能量获得较少的位置处，颗粒的运动程度较小而不能充分进行移位充填，导致填料密实度达不到要求。为此本文探究了一种径向冲击旋转熔管的方式来解决填料密实度问题。
　　本文建立了颗粒接触过程中的动力学方程，通过EDEM软件模拟了石英砂颗粒的运动状况，并分析了密实度变化规律。进而通过实验分析了径向冲击旋转熔管作用下的石英砂填料密实度特性。 　　1  填料颗粒的接触模型
　　高压熔断器石英砂填料颗粒的运动分析采用离散单元法，为方便分析作如下假设：1）所有颗粒接触变形的总和为整个系统的变形;2）颗粒之间的接触为发生在很小的区域内的点接触;3）颗粒接触特性为软球接触;4）在每个时间步内，扰动不能从颗粒同时传播到其他的相邻颗粒。
　　依据离散元法，将填料颗粒的运动分解为法向和切向运动，相应的动力学方程如下：
　　通过公式（7）得到颗粒更新后位置的数据，再将该数据代入力-位移关系式中可以计算作用力，  多次循环迭代就可以获取到任意时刻的颗粒运动  轨迹。
　　2  模型仿真
　　2.1  颗粒模型
　　石英砂颗粒为白色多棱形球状结晶体，在EDEM软件中采用球形颗粒形态对不规则的石英砂颗粒进行几何简化，如图3所示。为使仿真尽可能接近于实际情况，对石英砂颗粒作分级筛分，统计得直径介于0.3 mm（50目）和0.21 mm（70目）之间的占比95%，石英砂颗粒的平均直径为0.25 mm，符合高压熔断器填料的粒度值标准。同时为便于观察石英砂的分布情况以及方便计算，几何体采用亚克力材质，实验材料的物性参数见表1。
　　在EDEM中，对接触模型类型的选择以及材料参数的设定在前处理模块里完成，颗粒和颗粒之间以及颗粒和管体之间的接触模型均采用Hertz-Mindlin（no-slip）模型。重力设置为z轴负方向，其值设置为9.8m/s2。具体的Partical to Particle和Partical to Geometry接触模型参数见表2。
　　2.2  颗粒工厂设置
　　由于石英砂颗粒的粒径较小而所需颗粒量较大，同时亚克力管的内径较小限制了颗粒工厂的大小，致使颗粒的生成速度较慢。在仿真中选取了在轴线方向上的20 mm高石英砂柱作仿真分析。用一个plate（外接圆接近管内径的八边形）作为颗粒工厂，设置于平行几何体顶部且距离顶部1 mm处的位置。石英砂颗粒粒径设置按分级筛选的比重进行相应的设定。在factory中选择动态生成方式生成40000个颗粒，同时设置每秒钟产生的颗粒为5000个，在simulator标签下设置分析步长与颗粒生成时间，点击progress start按钮开始生成颗粒。
　　2.3  颗粒系统仿真分析
　　在几何体标签下删除颗粒工厂并为几何体设置运动参数，选择几何体后在dynamics下添加sinusoidal translation。设置振动方向为x方向，振动参数值测量均值（振动频率为2.33 Hz，振动幅度为0.26 mm）。设置开始时间为8 s，结束时间为60 s。
　　在求解器模块中设定的时间步长为固定时间步长的30%。同时需要设置仿真的网格尺寸，需要注意尽量使网格单元总数不超过10000个。由于颗粒较多，分析步不宜设置过大，设定总的振动时间为60 s，仿真完成后分析计算填料的填充密度。
　　3  仿真结果分析
　　EDEM中的仿真结果分析是在后处理模块中实现，在Geometry Bin中添加孔隙率数据，依据此参数则可以推导出石英砂填料的填充密实度。即：
　　图5是振动过程中的石英砂颗粒的状态图，振幅的测试试验获取到在冲击径向的方向上的振动幅值最大，在仿真效果上显示出了在该方向上的颗粒运动速度较其他方向的颗粒速度要大。靠近冲击点的位置较同高度的其他位置的获取能量更大。在熔管旋转状态下，整个颗粒系统可获取的能量分布会更为均匀，也更有助于提高填料的填充密实度。
　　经过统计计算的密实度变化曲线由图6所示，60 s稳定状态下的石英砂颗粒填充密度大于1.65 g/cm3，以此验证管中的整体密实度可以达到安全使用要求。在冲击作用下，颗粒间进行位置的替换重新排列，破坏“拱桥”，较小的颗粒落在大颗粒之间占据空隙，增大密实度。同时随着冲击时间的增加，石英砂的填充密度逐渐趋于稳定。
　　4  实验分析
　　图7所示为实验装置及其原理简图，冲击头往复运动冲击作旋转运动的熔管，使内部填料密实。
　　采用逐步测量法分析石英砂填料在径向冲击下随时间的密度变化。
　　（1）实验采用的是粒径均值为0.25mm石英砂，实验前需在真空干燥箱中将其表面水分除去，测量空管质量及自由填充石英砂质量;（2）将自由填充填料的管子放置在冲击装置上，设定工艺参数。  （3）打开冲击装置，每隔10s测试一次總质量，直到总质量不变。（4）记录实验数据，计算密度并分析其变化趋势。将所得的实验数据作处理，得到的密实度结果见表3，填料密度变化曲线如图8。
　　从石英砂密度变化曲线可以看出，在开始的20 s时间内，石英砂填料的密度上升较快，此时的石英砂颗粒吸收由管壁传递冲击头的能量，进行位置的重新排列，由开始的自由填充状态迅速充实。在50 s之后，密实度上升缓慢。在220 s时，密实度达到了极限状态，之后随着冲击的继续进行，密实度则不再发生变化。此时，颗粒之间的填充也达到了最稳定的状态。与仿真密实度曲线相比，实测值较大些，其原因在于真实的实验颗粒粒径值分布更大，更易使空隙填充。
　　5  结论
　　径向冲击旋转熔管方式可以通过颗粒重新排列来提高石英砂的填充密实度。应用EDEM软件的仿真分析以及实验条件下测得的石英砂填充密实度状态，结果表明：
　　（1）径向冲击旋转熔管的方式可以使石英砂填料的灌装达到所要求的密实度标准。 　　（2）在径向冲击旋转熔管作用方式下，约50 s可以达到石英砂填料密实度要求，220 s可以使密实度达到极限稳定值。
　　（3）随着冲击时间的增加，石英砂填料的密实度总体呈现先增加后稳定的密实规律。
　　参考文献
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