2. Постановка задачи импульсного нагрева коммутационного аппарата
Прежде чем приступить к описанию нагрева элементов вакуумного коммутационного аппарата протекающими токами термической стойкости, опишем его конструкцию на примере выключателя TEL на номинальное напряжение 15кВ. Это позволит выделить ряд типовых элементов, особенности нагрева которых будут обсуждаться ниже.
.1 Типовая конструкция коммутационного аппарата
Общий вид представлен на рис. 2.1. Основным функциональным элементом выключателя является вакуумная дугогасительная камера (1), в которой располагаются неподвижный (верхний) (2) и подвижный (нижний) (3) электроды. Выводы вакуумной дугогасительной камеры присоединены к верхнему (4) и нижнему (5) терминалу выключателя. Для обеспечения подвижности нижнего электрода применяют специальный гибкий токосъем (6), располагающийся между вакуумной дугогасительной камерой и нижним терминалом, ламели которого изготавливаются из медной фольги или же из медной проволоки. Вывод нижнего терминала (7) представляет собой либо полую трубу, который крепится к нижнему терминалу. Также вокруг нижней токоведущей трубы располагается датчик тока (8). Иногда вывод нижнего терминала и сам терминал выполняются как единое целое. Вывод нижнего терминала и сам терминал выполняются либо из алюминия, либо из меди. Все эти элементы являются раздел ю токоведущей системы и закрепляются в твердой оболочке (опорная изоляция) (9), которая выполнена из материала марки Lexan. Снаружи коммутационный аппарат покрывается слоем резины марки Powersil (10). Опорная изоляция является жесткой основой конструкции, а также играет роль изолятора. Наружный слой изоляции выполняется из соображений импульсной электропрочности, что и определяет его форму. Рис. 2.1. Коммутационный аппарат.
На рис. 2.2 представлена отдельно токоведущая система. Рис. 2.2. Токоведущая система.
Рассмотрим подробнее вакуумную дугогасительную камеру (рис. 2.3). Она представляет собой герметичную камеру с высоким уровнем вакуума, в которой соосно расположены электроды. Накладки электродов выполняются из композитного материала CuCr, а остальные элементы - из меди и хромистой бронзы. Герметичный контур состоит из полого цилиндрического изолятора, выполненного из керамики (1), на торцевые поверхности которой нанесен тонкий слой металла. К нижней поверхности приварен стальной сильфон (2), который позволяет перемещать нижний подвижный электрод вдоль оси электродов. К верхней металлизированной поверхности керамического изолятора приварена стальная крышка (3). Между электродами и керамикой располагается стальной экран (4), который препятствует переносу материала электродов при горении межэлектродной дуги на керамический изолятор. Экран приваривается к металлизированной поверхности керамического изолятора. Рис. 2.3. Вакуумная дугогасительная камера.
С точки зрения распространения тепла с нагретых элементов токоведущей системы выключатель можно разделить на несколько характерных областей. Эти области для различных аппаратов могут отличаться по форме, но механизмы процесса теплопереноса принципиально отличаться не будут. К первой группе элементов можно отнести детали, контактирующие только с воздухом, и в этом случае возможен теплообмен за счет конвекции и излучения. Другая группа будет контактировать только с изоляцией, здесь будет работать только теплопроводность. Также есть части, которые контактируют как и с изоляцией, так и с воздухом. Стоит отметить, что механизм теплопроводности будет работать во всех элементах аппарата. Тепло от более нагретых частей аппарата будет распространяться к менее нагретым. К выводам выключателя подключаются внешние токоподводящие шины, которые окружены только воздухом. Это означает, что теплопередача на этих деталях во внешнюю среду возможна за счет конвекции и излучения. Далее, на пути к терминалу, расположена токопроводящая труба, окруженная изоляцией двух типов. Так как с этой трубой не контактирует воздух, т. е. нет окружающих воздушных полостей, то механизмы конвекции и излучения здесь работать не будут. Далее следует терминал, который контактирует как и с воздухом, так и с изоляцией. Элементы гибкого токосъема окружены воздухом, но не имеют непосредственного контакта с изоляционными материалами. Затем следуют электроды вакуумной дугогасительной камеры, которые окружены вакуумом внутри камеры. Конвекция здесь работать не будет, так как в вакууме данный процесс невозможен. Тепло, распространяясь посредством излучения с нагретых электродов, может попадать на экран, который расположен между ними и керамикой. Далее, тепло может переизлучаться с нагретого экрана непосредственно на керамику, а также распространятся за счет теплопроводности через места крепления экрана к камере. Керамический изолятор со стальной крышкой, а также частью сильфона, покрыт слоем резиновой изоляции, которая может нагреваться через эти элементы. Также возможен значительный перегрев стальных элементов камеры, контактирующих с резиной, за счет того, что токопроводящие электроды жестко закреплены со стальной крышкой и сильфоном. Верхний электрод, закрепляется к верхнему выводу. Сам вывод контактирует с изоляцией. Затем следует внешняя ошиновка, которая окружена воздухом. В общем случае, для расчета нагрева аппарата токоведущей системы, необходимо учитывать все механизмы теплопередачи, которые были отмечены выше. Это означает, что кроме построения конечно-элементной модели для самого выключателя также необходимо моделировать и окружающий его воздух, и воздушные полости внутри для расчета процессов конвекции и излучения. Это все ведет к увеличению ресурсоемкости задачи, кроме того возникают дополнительные сложности, связанные с построением сетки в областях с воздухом, а также корректным описанием пограничных слоев. Поэтому нужно выполнить поиск возможности упрощения численных расчетов. Для этого необходимо определить степень влияния различных процессов теплопереноса через воздушную среду. Также нужно определить характерное время, по прошествии которого процессы конвекции и излучения будут вносить значимый вклад в охлаждение выключателя в целом.
.2 Математическая постановка задачи.
Нагрев элементов коммутационного аппарата протекающим током короткого замыкания является нестационарным нелинейным процессом. Нестационарность является следствием импульсного характера воздействия. Ток протекает в течение единиц секунд, поэтому стационарное распределение температуры не успевает установиться. Нелинейность вызвана тем, что характерные значения перегрева элементов коммутационного аппарата составляют сотни градусов. При таких значениях температуры необходимо учитывать зависимость от температуры не только удельного сопротивления, но и теплопроводности, теплоемкости, а также плотности.
