Тема: МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ГАШЕНИЯ ДУГИ В ПОТОКЕ ЭЛЕГАЗА (8Б6) В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТАХ

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 взрывоопасности 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 (8Б6) 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 дугогасительное 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 (8Б6) 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:
1. Анализ существующих моделей, позволяющих определить поведение элементарных объемов плазмообразующего газа в осесимметричной дугогасительной камере, численная реализация.
2. 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
1. Результаты исследования процессов отключения токов короткого замыкания выключателями типа ВГТ 110 и ВЭБ 110 переданы в ЗАО «Энергомаш (Екатеринбург) - Уралэлектротяжмаш».
2. Результаты работы будут использованы при анализе коммутационных испытаний и создании новых элегазовых выключателей высокого напряжения в ЗАО «Энергомаш (Екатеринбург) - Уралэлектротяжмаш».
3. 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.
4. 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.
Соответствие темы исследования паспорту специальности. Соответствие паспорту специальности 05.09.01 «Электромеханика и электрические аппараты»:
1. Анализ и исследование физических явлений, лежащих в основе функционирования электрических, электромеханических преобразователей энергии и электрических аппаратов.
2. Разработка научных основ создания и совершенствования электрических, электромеханических преобразователей и электрических аппаратов.
3. Разработка методов анализа и синтеза преобразователей электрической и механической энергии.
4. Разработка методов анализа и синтеза электрических аппаратов.
5. Разработка подходов, методов, алгоритмов и программ, обеспечивающих проектирование, надежность, контроль и диагностику функционирования
электрических, электромеханических преобразователей и электрических аппаратов в процессе эксплуатации, в составе рабочих комплексов.
Соответствие паспорту специальности 05.14.12 «Техника высоких напряжений»:
1. Исследование физических закономерностей и разработка методов расчета электрических разрядов в условиях, характерных для электроустановок высокого напряжения (молнии и другие атмосферные явления).
2. Разработка принципов выбора и конструирования изоляции электроустановок высокого напряжения.
4. Разработка научных основ техники использования высоких напряжений для технологических процессов, разработка оборудования для технологий, использующих высокое напряжение.

Купить

В диссертационной работе представлен новый подход к решению проблемы математического моделирования процессов гашения дуги в условиях обдуваемого потока элегаза, применительно к высоковольтным выключателям. При этом были получены следующие основные результаты:
1. Стало возможно визуально и качественно оценить эффективность охлаждения канала дуги потоком газа в дугогасительной камере заданной геометрии, построить температурный профиль дуги в любой точке в любой момент времени.
2. Разработан метод расширяющихся ячеек, позволяющий более реально смоделировать физический процесс тепло- и массообмена газа, имеющего разные физико-химические показатели в сетке дискретизации.
3. Получена математическая модель, позволяющая учитывать геометрию дугогасительных сопел без введения громоздких математических выражений геометрии.
4. Разработана программная оболочка, алгоритм и математическая реализация численного метода в программе, разработанной в среде Delphi 3.0 (Свидетельство об официальной регистрации программы ЭВМ № 2006612254 от 30 июня 2006 года).
5. Благодаря разработанной программе впервые реализован графический ввод характеристик дугогасящей среды, характеристики привода, кривой ПВН.
6. Разработанная программа облегчает процесс расчета и конструирования новых дугогасительных устройств высоковольтных выключателей, а так же обработку результатов экспериментов, тем самым, снижая количество необходимых экспериментов для создания стабильного испытательного объекта.
7. Внедрение разработанной программы в конструирование новых дугогасительных устройств на производстве приведет к сокращению затрат на испытания и потребление энергии на испытания.
8. Таким образом, разработанная программа позволяет спрогнозировать коммутационный процесс для дугогасительного устройства заданной геометрии и оценить эффективность самого гасителя. Для расчета других режимов гашения или другой геометрической конфигурации камеры необходимо делать перерасчет параметров, заводимых в программу. Учитывая большое количество вероятностных явлений в дуговых процессах, очевидно, что применение математического моделирования процессов дугогашения не исключает необходимость проведения экспериментальных исследований, однако данные разработки весьма облегчают работу исследователя, сокращая число экспериментов, помогая анализировать полученные результаты, корректируя вводимые данные и физическую модель.

Купить