МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНОГО НАГРЕВА ТОКОВЕДУЩИХ СИСТЕМ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Введение
Обзор литературы
Глава 1. Нагрев квазиодномерных ТВС, содержащих электрические контакты
1.1. Определение температуры контактных площадок по методу Хольма-Кольрауша.
Стационарный нагрев.
Симметричные проводники. Учет теплообмена с поверхности
Зависимость от радиуса контактного пятна.
Асимметричные проводники.
Асимметрия тепловых нагрузок.
1.2. Оценка возможности применения метода Хольма-Кольрауша при импульсном нагреве ТВС.
Симметричные проводники. Длительный нагрев
Кратковременный нагрев.
Асимметрия тепловых нагрузок
Выводы
Глава 2. Нагрев сугубо трехмерных ТВС, содержащих электрические контакты
2.1. Нагрев элементов ТВС ВДК
2.2. Моделирование нагрева ТВС
Выводы
Заключение
Список литературы
Купить

В настоящее время жизнь без электрической энергии кажется
невозможной, в связи с этим необходимо обеспечивать надежность работы
электрических сетей и, в частности, высоковольтных электрических
аппаратов. Основной их частью являются, несомненно, токоведущие системы
(ТВС). Именно они напрямую подвергаются серьёзным токовым
воздействиям. Несмотря на то, что количество аварийных ситуаций стремятся
уменьшить с помощью различных средств защиты, аварии все равно остаются
неизбежными. Поэтому, высоковольтный аппарат должен выдерживать как
номинальные воздействия, так и аварийные.
Выделяется три основных режима протекания тока в ТВС:
- номинальный ток – ток, который протекает в системе в обычном,
стационарном режиме работы, воздействие такого тока не должно ни коим
образом негативно влиять на ТВС в течение любого времени. Как правило,
нагрев таким током составляет около 100 градусов [4, 8].
- ударный ток короткого замыкания – наибольшее мгновенное значение
тока, возникающего в системе при коротком замыкании. Длительность
воздействия таким током составляет примерно полупериод промышленной
частоты. Величина тока значительно превышает номинальный ток. Короткие,
но сильные импульсы тока могут привести к значительному нагреву и сварке элементов ТВС [3].
- ток термической стойкости – ток, термическое воздействие которого
должен выдержать без повреждений электрический аппарат в течение
заданного времени. Как правило, аппарат должен выдерживать несколько
секунд воздействия таким током [2, 8, 9].
Неотъемлемой частью токоведущих систем являются электрические
контакты. Электрический контакт – надежное соединение двух проводников,
позволяющее проводить ток. Поверхность электрического контакта проводит
ток не по всей своей площади. Из-за микроскопических шероховатостей
поверхности возникают отдельные площадки, действительно способные
проводить электрический ток. Такие площадки принято называть
контактными пятнами, а поверхность контакта – кажущейся контактной
поверхностью. Проявляется эффект стягивания линий тока к контактным
пятнам и, в результате, появляется контактное сопротивление, ведь длина
линий тока увеличивается. Есть и другие причины появления контактного
сопротивления, такие как оксидные пленки на контактной поверхности, но в
данной работе рассматриваются очищенные и обработанные контакты, и
учитывается лишь сопротивление стягивания, поскольку рассматриваются
сильноточные контакты, для которых усилие поджатия велико, а характерные
перегревы разрушают эти пленки [1, 2].4
За счет того, что через маленькую площадь контактных пятен протекает
та же величина тока, что и через ТВС, немалое внимание стоит уделить
проблеме нагрева контакта. В случае воздействия номинальным током это не
так критично, поскольку перегрев составляет порядка десятков градусов [4, 8]
и от температуры свойства материала, кроме удельного сопротивления,
изменяются слабо. Однако воздействие токами термической стойкости
приводит к достаточно большим нагревам, удельное сопротивление в области
контактного пятна увеличивается, что, в свою очередь, увеличивает
тепловыделение на контактном пятне. В результате процесс нагрева
контактного пятна оказывается сложным и нелинейным.
Нетривиальной задачей является нахождение параметров контактного
пятна: его размеры и положение на кажущейся контактной поверхности.
Экспериментально можно увидеть область, в которой находились контактные
пятна по следам сварки после воздействия большими токами. Также,
возможно найти радиус контактного пятна, зная контактное сопротивление [1-
5]. Впрочем, в случае плоских электродов заранее сложно предположить,
сколько контактных пятен будет в действительности. К тому же, в настоящее
время могут использоваться достаточно геометрически сложные элементы
ТВС, такие как электрод вакуумной дугогасительной камеры, в результате
чего контактное сопротивление зависит не только от размеров контактного пятна, но и от его положения.
Благодаря современным методам компьютерного моделирования
становится возможным более подробно рассматривать эти проблемы. С
помощью метода конечно-элементного моделирования становится
возможным рассматривать тепловые и электрические поля в интересующем
элементе ТВС, моделировать электрические контакты с использованием более
или менее точных приближений. Они дают возможность разработчику ТВС
удобно и в достаточно короткие сроки получить наглядную картину того,
каким будет спроектированный элемент.
Тем не менее, требования к вычислительной мощности у пакетов
конечно-элементного моделирования достаточно высоки, при этом и многие
задачи являются достаточно сложными, включая в себя расчет различных
нелинейных задач. Получение точного решения зачастую требует большого
количества времени как от человека, выполняющего моделирование, так и от
машины, производящей расчеты, даже при современных вычислительных
мощностях. В связи с этим необходимо упрощать задачи, использовать те или иные приближения.
В случае рассмотрения нагрева токоведущих систем возможно
использовать квазиодномерное приближение [12]. В связи с высокой
теплопроводностью металлов, из которых состоят проводники, тепловой
поток направлен вдоль линии протекания тока. Соответственно, и градиент5
температуры изменяется вдоль этой линии. Таким образом, ТВС возможно
представить одномерной вдоль линий протекания электрического тока,
получая при этом достаточно точные результаты.
В данной работе рассматривается нестационарный нагрев токоведущих
систем при воздействии токами, провоцирующими достаточно большой
(сотни градусов) перегрев. Основное внимание уделяется электрическим
контактам, поскольку зачастую именно они являются наиболее нагретыми.
В первой главе работы рассматриваются приближения, с помощью
которых возможно рассчитать температуру контактных пятен. Оцениваются
рамки применимости приближений в различных условиях. Рассматриваются
приближения, которые достаточно хорошо работают в стационарном случае,
однако их применимость в нестационарном случае ранее не рассматривалась.
Во второй главе рассматривается трехмерная постановка задачи с целью
определить, как некоторые приближения, относящиеся к моделированию
электрического контакта, влияют на распределение температуры в элементе
ТВС и какую часть этого элемента возможно моделировать в одномерной постановке без потери точности.
Купить