Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Постановка задачи математического моделирования процессов дугогашения 7
1.1. Аналитический обзор состояния вопроса 7
1.2. Физическая модель взаимодействия электрической дуги с продольным газовым потоком 11
1.3. Основные допущения исследования 23
1.4. Электро- и теплофизические свойства дугоразрядной плазмы. Физические свойства элегаза 29
1.5. Приближенные математические модели газотермодинамических процессов при дуговом разряде в потоке плазмообразующего газа 52
1.6. Выводы по главе 1, обоснования актуальности проблематики в целом 63
Глава 2. Интегральные модели процессов теплообмена дугового разряда с газовым потоком 64
2.1. Моделирование электрической дуги Качаловой моделью применительно к моделированию процессов дугогашения в высоковольтной аппаратуре 64
2.2. Применение модели раздельного течения газов при моделировании процессов дугогашения 77
2.3. Теорема подобия и некоторые характеристики дуги 83
2.4. Учет конфигурации геометрии дугогасительных элементов 91
2.5. Газодинамическая часть модели и методика учета нелинейных газо- и термодинамических зависимостей 100
2.6. Обобщенные комплексы газо-термодинамических процессов 111
2.7 Выводы по главе 2. 117
Глава 3. Применение модели для расчета различных режимов процессов дугогашения 120
3.1. Интерфейс программы, ввод параметров, необходимых для расчета процесса дугогашения 120
3.2. Применение математического моделирования для расчета процесса дугогашения тока 30 кА для дугогасительной камеры выключателя типа ВЭБ 1 Юкв и исследование процесса с помощью созданной модели 125
3.3. Сравнение полученных расчетным путем параметров с экспериментальными данными, полученными при коммутационных испытаниях 131
3.4. Определение максимального тока отключения выключателя расчетным методом и сравнение с реальными данными 139
3.5. Определение коммутационной способности выключателя с линейной геометрией дугогасителных сопел 140
3.6. Выводы по главе 3 145
Заключение 146
Литература 148
Приложения
- Электро- и теплофизические свойства дугоразрядной плазмы. Физические свойства элегаза
- Теорема подобия и некоторые характеристики дуги
- Интерфейс программы, ввод параметров, необходимых для расчета процесса дугогашения
- Определение коммутационной способности выключателя с линейной геометрией дугогасителных сопел
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время при увеличении потребляемой мощности от энергосистемы резко возросла необходимость расширять техническую базу таких энергосистем. А в ряде случаев требуют замены существующие элементы цепи. При модернизации или реконструкции высоковольтных подстанций различные организации делают выбор в пользу элегазового оборудования. Масляные и маломасляные выключатели имеют высокую степень пожаро- и взрывоопасное дугогасительной среды, а также обладают и рядом коммутационных недостатков, в их числе и довольно низкий коммутационный ресурс.
Данная проблема касается всего комплекса высоковольтного оборудования. Однако если в случае трансформаторов тока и разъединителей вопрос разработки новых концепций выглядит не очень сложным, то по тематике высоковольтных выключателей возникает большое количество вопросов. Наиболее важными являются вопросы, связанные с методиками оценки коммутационной способности проектируемого выключателя.
Сложности возникают при попытке описать данный процесс с физической точки зрения, так как процессы коммутации представляют собой некий узел физико-химических и термо-газодинамических процессов, взаимодействующих с электродинамическими явлениями. Сложность расчета заключается не только в том, что процесс гашения дуги в элегазе (SF6) включает в себя 19 химических компонентов и более 60 реакций с ними, но и в том, что процессы дугообразования и ионизации являются вероятностными.
Развитие производства элегазовых коммутационных аппаратов сегодня не вызывает споров. На сегодняшний день обоснований к применению в качестве дугогасительной среды шестифтористой серы более чем достаточно. И это обусловлено физико-химическими свойствами этого газа, и все мировые производители сегодня предлагают на рынке высоковольтную аппаратуру преимущественно с применением именно этой среды, более того, последние разработки в области комплектных распределительных устройств выполнены так же с применением элегаза.
В современных экономических условиях конечные заказчики, в эксплуатации которого будут находиться коммутационные аппараты, влияющие на надежность его энергосистемы, уделяют особое внимание качеству предлагаемого оборудования в соответствии с его стоимостью. На сегодняшний день в эксплуатации находится более 50% изношенного сетевого оборудования различных классов напряжения и большая часть из них требует немедленной замены. Учитывая рост энергопотребления и срок желаемого использования, требуются новые аппараты с более высокой способностью отключения токов КЗ, и большим коммутационным ресурсом.
Известно, что создание нового коммутационного аппарата методом физического моделирования с последующим проведением коммутационных испытаний весьма дорогостоящий способ, кроме того, он требует и большого временного ресурса, так как организация и проведение повторных испытаний
требует времени. Поэтому в настоящее время весьма актуально стоит вопрос о возможностях моделирования процессов коммутации в высоковольтной аппаратуре с целью сокращения затрат на исследование опытным путем сложных газодинамических, термодинамических и электродинамических процессов. Этим вопросом занимались такие ученые как Белянин Н.М. и Зыричев И.А. в конце 60-х годов прошлого века, позже Авдонин А.В., Егоров В.Г., Серяков К.И., Борин В.Н. -в 70-х и в 80-х Бородянский Г.Я. Много внимания именно физико-химическим свойствам элегаза уделял в своих работах Бортник И.М. Их работы шли параллельно с зарубежными авторами, такими как Хохрайнер, Шварц, Тхиел, Грютц.
В настоящее время, ввиду актуальности тематики, продолжаются публикации СИГРЭ, например Джорджис Бернард в 1995 занимался коммутацией за счет автогенерации, а о численном моделировании процессов гашения дуги в 2003 году докладывал целый ряд зарубежных ученых на международной конференции в Нью-Йорке, такие как Лионел, Родригес-Медина.
Большой вклад в развитие моделирования дуги в потоке газа внесли ученые: Рагаллер, Нимейер, Шаде, Александров и другие.
Объектом исследования является дугогасителыюе устройство выключателя высокого напряжения с заданной геометрией дугогасительных сопел, состоящее из подвижного и неподвижного контактов в момент отключения токов короткого замыкания в определенных режимах сети.
Предмет исследования: режимы отключения токов короткого замыкания выключателем высокого напряжения с элегазовой (SF6) дугогасящей и изоляционной средой с заданной геометрией дугогасительных сопел.
Цель работы: разработка метода поведения элементарных газовых объемов в процессе гашения дуги, разработка математической и компьютерной модели процесса дугогашения, позволяющей учесть геометрию дугогасительного устройства и параметры дугогасящей среды, а также сравнить рассчитанные параметры с реально полученными при испытаниях значениями.
Идея работы заключается в создании нового метода моделирование процесса дугогашения - метода пошагово-расширяющихся ячеек, позволяющего оценить развитие процесса в динамике, максимально приближенной к реальному режиму. Численная реализация данного метода выполнена в виде программы для ЭВМ.
Решаемые задачи:
-
Анализ существующих моделей, позволяющих определить поведение элементарных объемов плазмообразующего газа в осесимметричной дугогасителыюй камере, численная реализация.
-
Получение метода, описывающего поведение элементарных газовых объемов. Учет конфигурации геометрии элементов дугогасительной камеры, построение и разработка математической модели с учетом допущений в соответствии с разработанной методикой поведения элементарных объемов. Разработка упрощенного ввода характеристик дугогасительной среды и дугогасительной камеры, характеристики работы привода, построение удобного интерфейса ввода данных для возможности применения при конструировании новых устройств и расчетов промежуточных этапов на стадии испытаний физических образцов.
3. Выполнение расчетов процессов отключения разных токов в существующих дугогасительных камерах с использованием полученной программы и методики с целью сравнения полученных результатов с результатами испытаний физических
моделей.
Методы исследования. Для анализа входящих в систему уравнений модели величин применялись: операторный метод расчета ПВН, расчет и упрощение дифференциальных уравнений в программе MathCad Enterprises 11, трехмерное моделирование в пакете SolidWorks, методы дифференциального и интегрального исчислений, для решения системы уравнений модели была применена теория подобия физических процессов. Численное решение системы уравнений модели было реализовано в среде Delphi 3.0, результатом чего была получена «Программа моделирования термогазодинамических процессов гашения дуги в дугогасительной камере заданной геометрии, применительно к высоковольтной аппаратуре (Программа моделирования процессов дугогашения)», Свидетельство об официальной регистрации программы ЭВМ № 2006612254 от 30 июня 2006 года.
Научная новизна:
- разработан и обоснован новый метод пошагово-расширяющихся ячеек столба
дуги для анализа процесса дугогашения с учетом параметров электрической цепи и
геометрии дугогасительной камеры;
-разработана математическая модель процесса гашения дуги;
-впервые получена методика расчета параметров физического состояния дугогасительной камеры в различных процессах течения гашения дуги за счет динамического расширения ячеек с переносом физических параметров.
Практическая ценность исследований заключается в следующем:
- разработанный метод пошагово-расширяющихся элементарных объемов
позволяет создать программу моделирования процессов дугогашения,
учитывающую графическую интерполяцию дифференциальных зависимостей
плазмообразующего газа от энергии газа;
разработана компьютерная программа для разработки новых современных дугогасительных устройств коммутационных аппаратов, в которых в качестве дугогасительной и изоляционной среды используется элегаз (SF6), создан графический интерфейс программы для облегченного ввода параметров конструируемого дугогасительного устройства, кроме того, программа может быть дополнена соответствующими модулями и применена с иными начальными параметрами среды и дугогасительного устройства для расчетов аэродинамических процессов в трубах, инжекторах, других областях, где востребованы модели потоков газов высоких скоростей;
данная программа, включающая в себя модель, позволяет значительно сократить время на проектирование нового дугогасительного устройства, позволяя определить характеристику профиля дугогасительного сопла при заданных начальных параметрах. Таким образом, можно сократить число дорогостоящих экспериментов и ускорить разработку нового коммутационного аппарата;
- впервые проведены расчеты существующего дугогасительного устройства
элегазового бакового выключателя типа ВЭБ-110, производимого на ЗАО
«Энергомаш (Екатеринбург) - Уралэлектротяжмаш» и сравнение полученных результатов с экспериментальными данными из протоколов испытаний;
- впервые проведены расчеты на коммутационную способность по максимальному току отключения для дугогасительного устройства колонкового элегазового выключателя типа ВГТ-110, производимого на ЗАО «Энергомаш (Екатеринбург) - Уралэлектротяжмаш» и сравнение полученных результатов с номинальным значением тока отключения (40 кА).
Реализация
-
Результаты исследования процессов отключения токов короткого замыкания выключателями типа ВГТ ПО и ВЭБ 110 переданы в ЗАО «Энергомаш (Екатеринбург) - Уралэлектротяжмаш».
-
Результаты работы будут использованы при анализе коммутационных испытаний и создании новых элегазовых выключателей высокого напряжения в ЗАО «Энергомаш (Екатеринбург) - Уралэлектротяжмаш».
-
Разработанный метод анализа поведения элементарных объемов реализован в модели, выраженной в форме программы для ЭВМ (Программа моделирования процессов дугогашения), Свидетельство об официальной регистрации программы ЭВМ № 2006612254 от 30 июня 2006 года.
-
Результаты работы используются на кафедре Техники высоких напряжений УрФУ в учебном процессе, при курсовом и дипломном проектировании, проведении научных исследований и лабораторных работ.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректным использованием методов расчета при общепринятых допущениях моделирования в подобных процессах, а также удовлетворительным совпадением результатов теоретических исследований, полученных с помощью программы моделирования процессов дугогашения, с экспериментальными данными.
Апробация. Основные теоретические положения, результаты и выводы диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных мероприятиях:
ежегодные практические конференции УГТУ-УПИ, 2001-2009;
международная научно-техническая конференция «Состояния и перспективы развития электротехнологии». Иваново: X Бенардосовские чтения, 2003;
всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий». Екатеринбург, 2006;
VIII научно-практическая конференция с международным участием, «Энергосберегающие техника и технологии», Екатеринбург, 2005;
всероссийская научно-практическая конференция «Энерго- и ресурсосбережение и нетрадиционные возобновляемые источники энергии». Екатеринбург, 2003;
V Международная научно-практическая конференция «Проблемы и достижения в промышленной энергетике». Екатеринбург, 2005;
всероссийская научно-практическая конференция «Энерго- и ресурсосбережение и нетрадиционные возобновляемые источники энергии». Екатеринбург, 2004;
всероссийская научно-практическая конференция «Энерго- и ресурсосбережение и нетрадиционные возобновляемые источники энергии». Екатеринбург, 2005;
семинар ученого совета Всероссийского Электротехнического Института им. Ленина, Москва, 2009;
семинар ученого совета ОАО «Электрозавод». Москва, 2010;
семинар ученого совета Всероссийского Электротехнического Института им. Ленина, Москва, 2011;
XI Международная научно-техническая конференция «Интеллектуальная электроэнергетика, автоматика и высоковольтное коммутационное оборудование», Москва: Ассоциация ТРАВЭК, 2011;
семинар ученого совета кафедры ТЭВН Московского Энергетического Института. Москва, 2011;
XVII Всероссийская научно-техническая конференция «Энергетика: Эффективность, надежность, безопасность». Томск, 2011.
семинар ученого совета кафедры ТЭВН Томского Государственного Технического Университета, Томск, 2011.
Публикации. По результатам работ опубликовано 20 печатных трудов, из них 12 статей опубликованы в рецензируемых изданиях, в том числе, 3 статьи опубликованы в изданиях, входящих в Перечень российских рецензируемых научных изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.
Личный вклад автора состоит в разработке метода пошагово-расширяющихся элементарных объемов плазмообразующего газа, разработке модели дуги и ее численная реализация в программе для ЭВМ; участие в коммутационных испытаниях бакового элегазового выключателя, типа ВЭБ-110.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы. Содержит 147 с. основного текста, 66 иллюстраций, 1 таблицу, 14 с. списка литературы из 140 наименований. Общий объем работы составляет 161 с, 2 приложения.
Электро- и теплофизические свойства дугоразрядной плазмы. Физические свойства элегаза
Газодинамическая модель дугового разряда в самом общем виде (1.21) содержит коэффициенты, выражающие электро- и теплофизические свойства плазмы: а,Ср, "к, ц, ц , рассчитываемые на основе кинетической теории газов с учетом равновесных процессов ионизации и диссоциации [63-65].
В предположениях, рассмотренных выше (п. 1.З.), эти коэффициенты однозначно определяется двумя термодинамическими параметрами -температурой и давлением. Зависимости свойства дугоразрядной плазмы от температуры и давления позволяют систему уравнений газодинамической модели дугового разряда (1.22) сделать замкнутой. Аппроксимация этих зависимостей, особенно это относится к электропроводности, уже давно используется при исследовании характеристики дугового разряда: это кусочно-линейная аппроксимация электропроводности [10] и степенные аппроксимации [51] в зависимости от функции теплового потока s=\MT. Зависимостью от давления в условиях работы дугогасителыюй камеры, функционирующей практически при постоянном давлении, можно пренебречь.
Выбор в качестве переменной величины з (з - постановка) не случаен.
Традиционная в газовой динамике Т - постановка используется для исследования зон, в которых отсутствует сильная неизотермичность и физические свойства среды (а, Ср, Х,ц,[х) могут быть приняты постоянными.
В случае же больших градиентов температуры и неправомочности допущения о постоянстве физических свойств среды использовать температуру в качестве неизвестной функции становится неудобно. Целесообразнее, имея в виду сильную зависимость теплоемкости от температуры, решение задачи в Ь -постановке. В этом случае и свойства переноса среды должны быть выражены в функции от энтальпии.
В высокотемпературной газовой динамике, в частности в теории дуговых процессов, необходимо учитывать сильную зависимость от температуры не только теплоемкости, но и теплопроводности. Так же как и в И - постановке, из уравнений исключается немонотонная зависимость Ср(Т), в з - постановке задачи исключается зависимость ЦТ). Поэтому выбор в качестве искомой функции s имеет определенные преимущества, поскольку уменьшает на единицу число нелинейных теплофизических функций, входящих в уравнение энергии, и делает линейным дифференциальный оператор 2-го порядка, учитывающий теплопроводность (третье уравнение из системы (1.22)).
Во многих ранних работах по дугогашению основной дугогасительной средой являлся воздух или азот. Для азота - газа, свойства которого при исследовании дугового разряда практически очень близки со свойствами воздуха, используемого в высоковольтных газовых выключателях, связь между переменными Т, Ь и 8 приводится в литературе [6]. Там же приводится зависимости электро- и теплофизических свойств для дугоразрядной плазмы азота в функции от энтальпии и приведены используемые в расчетах степенные аппроксимации.
В современных газовых выключателях в качестве дугогасительной среды применяется газ шестифтористая сера (SF6) или известный под названием «элегаз». Наиболее замечательной особенностью строения молекулы элегаза является ее очень высокая химическая стабильность, хотя образована она очень активными в химическом отношении атомами.
При нормальных условиях это бесцветный, не имеющий запаха газ, плотность которого 6,52 кг/м при нормальном атмосферном давлении и температуре 0С. Он приблизительно в пять раз тяжелее воздуха. Молекулярная масса элегаза 146,06, а масса молекулы 242,46-1 (Г27 кг. В нем содержится 21,95% серы и 78,05% фтора.
При атмосферном давлении элегаз может находиться только в газообразном и твердом состоянии. При давлении равном 10 Па температура перехода из твердого состояния в газообразное равна -63,8С. При давлении свыше 0,228 МПа элегаз в зависимости от температуры может находиться во всех агрегатных состояниях. При этом давлении температура тройной точки равна -50,8С.
Уравнение (1.25) справедливо при Vv 0,3 мл/кмоль и температурах до 100С. Естественно, что в реальных коммутационных аппаратах во время гашения дуги температура газа значительно выше, именно поэтому применение метода замены зависимости от температуры на зависимость от теплосодержания газа наиболее подходит.
В зависимости от скорости потока течение газа вдоль оси дугогасительного сопла может приобретать турбулентный характер. В свою очередь, скорость потока газа связана с сечением сопла, вязкостью газа, и его массой. Данную зависимость можно получить в первом приближении для начальных условий системы из выражения (1.4). Разбив сечение дугогасительной камеры на мельчайшие ячейки с длинами сторон dx=dy (dy по радиусу камеры), можно записать выражение для слоя ячеек по dy
Данная кривая была получена на основе экспериментальных зависимостей для элегаза: теплоемкости при постоянном давлении от температуры, после интегрирования по температуре. Таким образом, данная кривая заменяет функцию энтальпии в выражениях моделей дуги.
Исходные экспериментальные кривые легко найти в научной литературе по газодинамике, например в [5].
Одной из основных характеристик любого диэлектрика является его электрическая прочность. Для элегаза ее можно выразить с помощью соотношения напряженности пробоя в функции от температуры, в нашем случае, учитывая энергетическую зависимость остальных характеристик, напряженность пробоя так же удобно иметь в зависимости от энергии газа. Однако такая зависимость может в ряде случаев быть заменена уже полученной зависимостью функции проводимости от энергии (рис. 1.9), поэтому гораздо будет получить зависимость пробивной напряженности в функции от давления. Данная зависимость будет иметь прямолинейный характер, согласно закона Пашена. Исследования подтверждают линейную зависимость не только от давления но и от плотности [1]. Однако значение расстояния между контактами также не является постоянной величиной, так как при гашении дуги контакты расходятся друг от друга в противоположные стороны вдоль оси дугогасительного устройства. В частности в рассматриваемом аппарате двигается подвижный контакт относительно неподвижного. Скорость движения легко получить экспериментальным путем, закрепив рейку хода на подвижном рычаге, связанным механически с подвижным контактом (через шлицевой вал). Такие замеры производились автором многократно. Усредненная характеристика для рассматриваемого дугогасительного устройства приведена ниже (Рис. 1.11). Приближенно будем считать зависимость, приведенную на Рис. 1.11, за функцию изменения длины дуги по времени, в момент ее горения
Теорема подобия и некоторые характеристики дуги
В связи с все более увеличивающейся актуализацией вопроса создания модели газового потока при гашении духи в газонаполненных выключателях высокоге напряжения, следует больше уделять внимание именно газодинамическим процессам. Однако, газодинамические процессы внутри дугогасителыюй камеры продолжают представлять трудность, как в математическом описании, так и в моделировании этих процессов. В этой связи целесообразно применить теорию подобия физических процессов при решении систем уравнения, описывающих хазовый поток в канале.
Концепция динамического подобия обладает рядом преимуществ, связанных с численным решением задач газодинамики. Как правило, решения получаются в виде таблиц числовых значений. В то же время использование свойств динамически подобных течений позволяет представить искомое решение в виде функции от небольшого числа безразмерных комплексов.
Идея подобия физических процессов возникла на базе геометрического подобия. Поэтому, если в направлении осей координат выбраны некоторые длины и рассматриваемые две системы, обозначенные индексами «м» и «н», то условия геометрического подобия примет вид:
Здесь CL - коэффициент подобия или коэффициент масштабов, зная который, можно получить любой размер одной системы, имея параметры другой системы. Следствием этого выражения являются соотношения площадей и объемов этих систем.
Все данные выражения справедливы для точного геометрического подобия, однако в процессе моделирования «по слоям» приходится отступать от точного подобия и вводить дополнительное соотношение:
Рассмотрим с этой точки зрения уравнение, входящее в систему уравнений математической модели дугогашения. Это уравнение Навье-Стокса, определяющее характер газового потока: независимую переменную I, что превращает это число подобия в аргумент искомой функции. Комплекс f включает в себя величину давления, которая подлежит определению путем решения дифференциального уравнения, либо экспериментально. Таким образом комплекс Г- искомая функция, выражающая безразмерное давление.
Возможно представление интеграла (как решения) этого дифференциального уравнения, как функции от числа подобия, содержащее второе уравнение подобия в ви;де критериального уравнения или путем применения 71-теоремы Бэкингема.
Применяя 7г-теорему для определения перепада давления (вывод опускается ввиду его большого объема), можно воспользоваться теорией подобия каждый раз, при определении изменения давления относительно длины канала. Это соотношение перепада давления к длине канала называют гидрогазодииамическими числами подобия По, подставив которые при решении л-тсоремы, получим выражение, содержащее уже описанные выше комплексы: Ей - число Эйлера; Re - число Рейнольдса; Fr - число Фрудо; Sh - число Струхала и Тс - тепловое число. Применив коэффициенты пь связывающие безразмерные комплексы с размерными (1- длина канала; б - диаметр канала), можно записать окончательное уравнение тг-теоремы:
Данное уравнение полностью описывает поведение газового потока в различных каналах, а коэффициенты могут быть получены экспериментально или путем решения системы дифференциальных уравнений, описывающих течения газа.
Проблема обобщения экспериментальных данных эффективно решается методами теории подобия и размерностей лишь тогда, когда воздействие на столб дуги осуществляется каким-либо одним из факторов, например, потоком газа, стенкой или магнитным дутьем, часто применяемым в конструкции быстродействующего высоковольтного выключателя постоянного тока. Эмпирический характер получения обобщенных вольтамперных зависимостей ограничивает возможности их физического исследования. В то же время из теоретического анализа можно получить обобщенные статические вольтамперные характеристики при одновременном воздействии на дуговой разряд двух охлаждающих факторов: потока газа и радиальной теплопроводности. Роль эксперимента состоит в этом случае в определении двух коэффициентов, имеющих конкретный физический смысл. Такое уравнение модели для безииерционной дуги в размерных переменных имеет вид (2.47):
Коэффициент nl определяет нелинейную зависимость температуры плазмы от электропроводности, Ы - функция, зависящая от градиента температуры по радиусу камеры и секундного расхода газа, dl - диаметр, а 1 -длина интегрируемого участка; и, I -- соответственно напряжение и ток.
Таким образом, рассматриваемый дуговой разряд определяется двумя критериями, из которых I2/(bl dl2)- критерий-аргумент, а (Ucdl)/(Г1)-критерий-функция.
Отсутствие других критериев в соотношении (2.47) объясняется тем, что в математической модели учтены лишь наиболее существенные процессы, от которых главным образом зависят характеристики дуги отключения. В некоторых работах в число определяющих аргументов вводится критерий-аргумент Q/dl, пропорциональный числу Рейнольдса (Re). Однако оценки показывают, что вязкостные эффекты не являются определяющими в поведении дугового разряда. Вследствие этого использование данного критерия-аргумента в качестве определяющего критерия не должно вносить ухудшения при обобщении экспериментальных данных.
При обработке экспериментальных данных дуга, стабилизированная теплопроводным потоком в стенку, и продольно-обдуваемая дуга обычно обобщаются различными критериальными зависимостями. Физически, однако, ясно, что оба эти механизма охлаждения дуги действуют одновременно. Лишь при больших расходах газа доля теплопроводности охлаждения в энергетическом балансе дуги относительно мала, при малых расходах газа уменьшается роль конвективного охлаждения дуги. Соотношение (2.47) отражает как случай асимптотического воздействия, так и случай одновременного воздействия на дугу продольного потока газа и радиальной теплопроводности. Так, варьируя параметром Ы, можно получить обобщенную вольтамперную характеристику дугового разряда, конвективно охлаждаемого газовым потоком или обобщенную вольтамперную характеристику дугового разряда, стабилизированного потоком тепла в стенки дугогасительной камеры. На рис.2.3. приведена обобщенная вольтампериая характеристика (1 - по данным 119]; 2 - по данным [20]).
Интерфейс программы, ввод параметров, необходимых для расчета процесса дугогашения
Интерфейс программы позволяет произвести графический ввод параметров дугогасителыюго устройства, состоящее из подвижного и неподвижного контакта, задав при этом графическое изображение скорости движения подвижного контакта, как показано на рис.3.1.
После ввода исходных данных вводятся графические зависимости, определяющие процесс дугогашения, Рис.3.2. Кроме того, можно вести значение энергии духи, потраченное на излучение, выраженное в процентном соотношении от полной энергии дуги. Методика оценки этой потери энергии была описана в [21]. Однако в большинстве случаев данная величина является эмпирической, например в [36]. Использование потери энергии дуги в элегазе на излучение коэффициентным способом получило широкое применение, описано в работах [37-39]. При этом возможно рассмотрение и модели излучения, как в [38] и добавления в разработанную программу в форме дополнительного модуля.
Получение графиков зависимостей было описано в Главе 2, получение зависимостей, обратных полученным возможно произвести в среде MathCAD. Далее программа потребует ввода параметров электрических характеристик, величины тока, образующего дугу, начальный фазовый угол тока, в момент начала движения подвижного контакта и кривую ПВН, которая будет приложена на разрыв между контактами в случае успешного погасания дуги.
Пример ввода одного такого процесса показан на Рис.3.3, а пример расчета двухпараметрического ГЮН будет рассмотрена ниже. На самом деле, для увеличения точности расчета и приближения результатов расчета к опытным данным, можно ввести параметры кривой ПВИ непосредственно из результатов измерений реальной кривой. Таким образом, мы обеспечим паилучшую сходимость по этому параметру, как показано на Рис.3.4.
После ввода всех необходимых параметров можно приступить к процессу обсчета.
Расчет реального процесса занимает более 40 минут. Результат расчета программа записывает в отдельный файл, который может быть загружен через оболочку программы и рассмотрен в любой момент. Файл, хранящий результат, представляет собой фильм, где в динамике отражен процесс движения контактов с иллюстрацией термогазодинамического процесса. При этом окна (Рис.3.5.), с изображением дугогасительпых устройств, остаются активными, и при наведении курсора мыши на пространство в таблице будут отражаться параметры скорости потока газа, температура, величина тока, и другие параметры которые могут быть далее использованы для обработки.
Определение коммутационной способности выключателя с линейной геометрией дугогасителных сопел
В рассмотренных случаях в процессе расчета использовалась геометрия дугогасителыюго устройства реального выключателя, прошедшего приемо-сдаточные и типовые испытания в полном объеме. Диаметр большого дугогасителыюго сопла но своей длине был не однороден, что и обеспечивало эффективный режим охлаждения дуги, приводящий к гашению дуги во всех режимах.
Интересным было бы определить влияние увеличения внутреннего диаметра сопла, при этом, выполнив сопло с равномерным, прямолинейным расширением. Профили сопел приведены в Приложении 2.
Результат отключения такого тока приведен на рисунке 3.26, где видно, что отключение было не успешным.
Увеличенный калибр сопла не позволяет осуществить успешное гашение дуги, а равномерное расширение не обеспечивает должного эффекта охлаждения межконтактпого промежутка. Это можно видеть па графиках сравнения температурных профилей дуги, сделанные в момент времени 23600 мкс, после размыкания контактов, когда эффект от охлаждения должен развиться в полной мере.
Видно, что стандартное сопло выключателя, типа ВГТ-110 значительно эффективнее обеспечивает охлаждение канала дуги при прочих равных условиях.
Так же можно сравнить и распределение температуры по длине канала дуги в тот же момент времени для этих же сопел, как это сделано на рисунке 3.28. Разницу температуры в начале и конце дуги можно объяснить зоной прикатодного падения напряжения. Видно, что температура по длине дуги распределяется не равномерно, что так же может быть связано с эффектом конвективного массоперепоса при охлаждении дуги потоком элегаза.
Данное исследование показывает, что разработка геометрии сопел дугогасительной камеры играет очень важную роль при проектировании дугогасительных устройств выключателей высокого напряжения.
В то же время, в [137] показано, что важную роль в определении успешности гашения играет значение сопротивления дуги в окрестности точки пересечения нуля током. Для этого было проведено сравнение расчетных значений с результатами, приведенными Кноблоком и Хабеданком в [137]. Результат сравнения сопротивления в случае успешного гашения был наложен на графики Киоблока и Хабедаика, в случае сравнения значений сопротивления дуги в окрестности точки пересечения нуля током для случая успешного гашения дуги приведено на рис. 3.29. Сравнение результатов, рассчитанных с помощью программы, сопротивлений дуги в прииулевой области для случаев усненнюго гашения и случаев термических пробоев с результатами, полученных Кноблоком и Хабеданком при расчетах коммутаций тока 40 кА реальными элегазовыми выключателями на класс напряжения 145 кВ приведено на рис.3.30.
Очевидно, что для полученных расчетных значений сопротивлений дуги выполняется условие, предположенное Кпоблоком и Хабедаиком о том, что успешное гашение в подобных аппаратах возможно при наличии сопротивления дуги в приведенный момент времени более 2000 Ом.
