ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
ПУБЛИКАЦИИ
Купить

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