Студента дневного отделения Сафонова Максима Сергеевича Научный руководитель: к. ф.-м. н., доцент Павлейно М.А. Рецензент: д. ф.-м. н., проф. Павлов В.А.
Санкт-Петербург 2014
Содержание
Введение . Коммутационные аппараты переменного тока. Основные этапы разработки коммутационных модулей . Постановка задачи импульсного нагрева коммутационного аппарата .1 Типовая конструкция коммутационного аппарата .2 Математическая постановка задачи. . Нагрев элементов токоведущей системы .1 Обоснование возможных упрощений .2 Учет тепловыделения в контактных областях .3 Расчет нагрева токоведущей системы типового коммутационного аппарата .4 Особенности расчета нагрева электродов вакуумной дугогасительной камеры .5 Нестационарный нагрев несимметричных контактов Выводы к главе 3 . Влияние типов теплообмена на процесс нагрева Выводы к главе 4 Заключение Список литературы Приложение 1. Свойства материалов
Введение
Данная работа представляет собой исследование особенностей импульсного нагрева элементов электрофизических устройств - высоковольтных коммутационных аппаратов, вызванного протеканием токов короткого замыкания. Объектом исследования являются процессы теплопереноса в элементах токоведущих систем, содержащих однородные и неоднородные проводники, соединенные контактными переходными областями, а также в окружающих их вакуумных и воздушных промежутках и прилегающей твердой изоляции. Актуальность и научная новизна работы связана, в первую очередь, с отсутствием в настоящее время исчерпывающей методологии решения нестационарных газодинамических задач для объектов сложной формы в присутствии распределенных источников тепла, в частности проводников с электрическим током. Учитывая большую размерность соответствующих численных задач, для сложных объектов приходится проводить решение в упрощенной постановке, не учитывая второстепенных эффектов, которые в существенной мере не влияют на результирующие тепловые поля. Вопрос о выборе адекватных упрощающих предположений в каждом конкретном случае, как правило, решается индивидуально. В работе значительное внимание уделено обоснованию постановки решения задач импульсного нагрева конкретных устройств, а именно, высоковольтных коммутационных модулей. Однако описанный подход может быть распространен и на исследование других объектов. Оригинальными являются также полученные результаты, касающиеся особенностей импульсного нагрева геометрически несимметричных контактов, в частности, выводы о влиянии несимметрии на величину нагрева контактов и место локализации наиболее нагретых областей. Практическая значимость работы состоит в том, что полученные результаты могут быть использованы при создании новых высоковольтных коммутационных аппаратов на начальном этапе проектирования, предваряя проведение сложных и дорогостоящих экспериментов на реальных образцах. Методом исследования в подавляющем большинстве случаев является численное моделирование процессов теплообмена с использованием современных программных средств, так как аналитические методы решения в подобных случаях принципиально неприменимы из-за нестационарности и нелинейности протекающих процессов в условиях реальной геометрии исследуемых объектов. Использование аналитических методов позволяет лишь сделать приближенные количественные оценки, позволяющие обосновать применимость тех или иных граничных условий при численном решении задач. Численное моделирование проводилось с использованием программного комплекса ANSYSCFX. Целью работы является построение методики численного расчета импульсного нагрева коммутационных модулей, которая смогла бы заменить проведение натурных экспериментов на начальном этапе разработки аппаратуры, когда концепция аппарата до конца не сформулирована, и процесс выбора конструктивных и технологических и других решений не завершен. Задачи исследования, которые были решены в ходе выполнения работы, сводились к решению вопроса о выборе адекватных численных моделей, максимально компактных с точки зрения численной реализации. Было проведено · исследование способа учета тепловыделения в контактных областях при проведении численных расчетов, · исследование нагрева контактов с учетом их геометрической несимметрии, · обоснование выбора граничных условий при решении задачи нагрева внешней изоляции коммутационных аппаратов, · исследование влияния типов теплообмена на процесс нагрева коммутационного модуля · численное моделирование нагрева токоведущей системы коммутационного модуля Основным результатом работы явились сформулированные предложения по методике численного расчета нагрева коммутационных модулей токами короткого замыкания. Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка цитируемых источников и одного приложения. Во введении проведен сравнительный анализ коммутационных аппаратов различного типа. Отмечена лидирующая роль аппаратов с вакуумной дугогастиельной камерой. Описаны основные этапы разработки коммутационных модулей. Оценены возможности численного моделирования при решении соответствующих задач связанных с этапами разработки. Представлен обзор литературных источников по тематике данной работы. В первой главе сформулирована математическая постановка задачи о расчете тепловых полей коммутационного модуля при протекании токов короткого замыкания. Проведено обсуждение возможного влияния различных типов теплообмена на формирование нестационарных тепловых полей. Определены возможные варианты численной реализации решения подобной задачи. Во второй главе представлено обоснование упрощений, используемых при расчете нагрева токоведущей системы во время протекания тока термической стойкости. Показано, что с достаточной для практического использования точностью эту задачу можно решать в приближении адиабатической поверхности проводников. Рассмотрены способы учета тепловыделения в контактных областях. Отмечены особенности нестационарного нагрева несимметричных контактов. В третьей главе рассмотрено влияние теплопередачи конвекцией и излучением на процесс нагрева изоляционных материалов аппарата после окончания токового воздействия. Показано, что основной вклад на нагрев изоляции оказывает теплопроводность, на основе чего предложена упрощенная численная модель. В заключении представлена методика численного расчета термической стойкости коммутационных модулей в которой содержатся рекомендации по возможным упрощениям расчетной модели. Описана процедура построения решения и анализа получающихся результатов. В Приложении 1 представлены свойства материалов, используемые для расчета. Список цитируемых источников содержит 29 наименований.
1. Коммутационные аппараты переменного тока. Основные этапы разработки коммутационных модулей
В последние десятилетия наблюдается бурный рост потребления электроэнергии в развитых и развивающихся странах, несмотря на широкое внедрение энергосберегающих технологий. Это связано с развитием промышленного и сельскохозяйственного производства, с процессом урбанизации, с улучшением качества жизни, с ростом численности населения. За 20 лет численность населения возросла в 4 раза, реальный доход в 25 раз, объем потребляемой электроэнергии - в 22.5 раза. В настоящее время речь идет не только о необходимости постоянного увеличения генерирующих мощностей, но и о качестве энергоснабжения. Энергия должна доставляться конечному потребителю не только в полном объеме, но и бесперебойно. Связующим звеном между производителями и потребителями электроэнергии являются электрические сети, представляющие собой сложнейший комплекс воздушных и кабельных линий электропередач различного уровня напряжения и электроустановок - трансформаторных подстанций, распределительных устройств, реклоузеров и т.д. Важнейшими элементами электрических сетей являются коммутационные аппараты, позволяющие оперативно изменять конфигурацию сети, например, отключать или подключать потребителей, задействовать при необходимости резервные источники питания, адекватно реагировать на возникающие аварии. Принцип действия коммутационных аппаратов переменного тока заключается в следующем. После получении команды на отключение электропривод начинает разводить контакты. При этом загорается дуга, которая гаснет при переходе напряжения через ноль при достаточном для этого расстоянии между электродами. В зависимости от того, в какой среде находятся контакты, коммутационные аппараты подразделяют на масляные, элегазовые и вакуумные. В масляных выключателях дуга, образующаяся между контактами, горит в трансформаторном масле. Под действием энергии, выделяющейся в дуге, масло разлагается, и образующиеся пары и газы используются для ее гашения. Основными преимуществами масляных выключателей является высокая надежность, а также простата конструкции. К основным недостаткам следует отнести их большой размер и массу, необходимость периодической очистки масла, взрыво- и пожароопасность [1]. В элегазовом выключателе средой, в которую помещены электроды, является шестифтористая сера (элегаз). При отключении тока в элегазовой камере образуются низшие фториды, которые являются токсичными, поэтому выключатели данного типа не являются экологически чистыми [2]. В вакуумных выключателях гашение дуги происходит в дугогасительной камере при высоком вакууме. При размыкании контактов возникает дуга, вызывающая испарение материала контактов, которая гасится при первом переходе тока через ноль. Далее, пары металла конденсируются на поверхности электродов, и поэтому межэлектродный промежуток восстанавливает свои изоляционные свойства. Данный тип выключателей имеет ряд преимуществ перед остальными: малый размер и масса; - отсутствие компрессорных установок, масляного хозяйства, а также необходимости в пополнении и замене дугогосящей среды; - высокая механическая и коммутационная износостойкость; снижение эксплуатационных затрат; полная взрыво- и пажаробезопасность [1]. Если сравнивать элегазовые и вакуумные выключатели, то последние имеют следующие преимущества: стабильность дугогосящей среды; высокое число коммутаций номинальных токов; высокая надежность. Для применения в высоких классах напряжений выключатели с вакуумными камерами приходится соединять последовательно. В этом случае элегазовые выключатели имеют преимущество, поскольку нецелесообразно изготавливать многоразрывный выключатель для применения там, где можно применить выключатель с одним разрывом [3]. Вакуумные выключатели, а именно о них пойдет речь в данной работе, сейчас являются преобладающими на рынке сетей среднего класса напряжения (до 35кВ). Начиная с 70-х годов было запущено их серийное производство. К середине 80-х годов их доля на мировом рынке превысила 50%. На рис. 1.1 представлена конъюнктура мирового рынка для выключателей среднего класса напряжений [4].
