Испытания на стойкость к ударному току
При эксплуатации высоковольтные выключатели подвергаются токовым воздействиям, значения которых могут значительно превышать номинальные. Одним из таких воздействий является прохождение ударного тока, который может возникнуть в результате какой-либо аварии в электрической сети. Ударным током называется наибольшее мгновенное значение тока короткого замыкания, определяемое как сумма мгновенных значений вынужденного тока и свободного тока в процессе короткого замыкания. В результате воздействия тока короткого замыкания может возникнуть сварка контактирующих электродов, причиной которой является значительный перегрев контактной области электродов. Температура на контактных областях может достигать температуры плавления материала, из которого изготовлены электроды. Испытания на нагрев током короткого замыкания производят с целью проверки работоспособности аппарата после коммутации тока, значение которого превышает номинальное. Считается, что испытание пройдено успешно, если после прохождения импульса тока привод, размыкающий электроды, способен их развести.
Испытания на нагрев токами термической стойкости
Током термической стойкости электрического аппарата при коротком замыкании или просто током термической стойкости называется нормированный ток, термическое действие которого электрический аппарат способен выдержать при коротком замыкании в течение нормированного времени термической стойкости. На испытаниях током термической стойкости аппарат подвергают воздействиям декларируемого тока короткого замыкания в течение 1-4с (в зависимости от рынка, на котором выключатель будет реализовываться), в то время как при реальной практике их применения длительность токового воздействия, как правило, оказывается меньше 1с. При испытаниях током термической стойкости в результате токопрохождения аппарат должен сохранить свою работоспособность, а также не должно возникнуть видимых изменений конструкции.
|
|
|
Из приведенного перечня легализационных испытаний следует, что при разработке коммутационного аппарата приходится решать целый комплекс задач, относящихся к различным областям физики, техники и технологии. Поэтому все крупные производители высоковольтного электрооборудования имеют развитые исследовательские центры, сотрудничают с ведущими научными организациями, занимающимися фундаментальными и прикладными исследованиями.
В процессе разработки высоковольтных коммутационных модулей, прежде чем изделие примет окончательный вид, проводятся многократные испытания как его отдельных частей, так и всего аппарата в целом. Результаты каждого испытания тщательно анализируется, и если они не удовлетворяют разработчиков, то в конструкцию вносятся изменения и испытания повторяют. То есть процесс носит итеративный характер.
|
|
|
До недавнего времени "контуры" испытуемого изделия определялись на основе инженерного опыта разработчиков и имеющихся аналитических оценок тех или иных параметров. Как правило, первые испытания оказывались неудачными. Если взять нынешние серийные выключатели TEL, то можно сказать, что, например, добиться требуемых параметров при испытании на нагрев номинальным током удавалось с 4-5 попытки. Временной интервал между испытаниями составляет от нескольких месяцев до полугода, т.к. за это время требуется осознать, какие конструктивные изменения следует применить, и изготовить новый образец.
В последние годы в описанной цепочке появилось одно существенное звено, позволяющее значительно ускорить процесс разработки новых аппаратов. Это компьютерное моделирование. В связи с развитием вычислительной техники и пакетов численного моделирования появилась возможность рассчитывать механические, электрические, тепловые поля как в упрощенных, так и в трехмерных моделях коммутационных аппаратов с достаточной степенью точности. В ряде случаев удается построить решение т.н. совместных задач - определить реакцию модели на одновременное воздействие физически различных внешних факторов, учесть взаимное влияние полей различной физической природы. Лидером в этой области является программный комплекс ANSYS, который позволяет выполнять конечно-элементный анализ в области задач механики деформируемого твёрдого тела, задач механики жидкости и газа, теплообмена, электродинамики, акустики. Одной из особенностей данного программного пакета является возможность решать совместные (или связанные) задачи. Примером такой задачи может служить токопрохождение через электроды, к которым в свою очередь приложена сила контактного нажатия.
|
|
|
Появляется принципиальная возможность предварить проведение натурных экспериментов соответствующими численными расчетами. Тем самым описанный выше итерационный процесс разработки упрощается. Конструкция аппарата оптимизируется в результате выполнения серии численных расчетов, и только после достижения положительного результата приступают к проведению экспериментов на реальных макетах.
|
|
|
Но численное моделирование процессов в реальных устройствах является далеко не тривиальной задачей. И дело здесь не только в том, что в большинстве случаев объекты сложны геометрически (что, однако, также является ограничивающим фактором для проведения расчетов). Наиболее ответственным моментом здесь является выбор адекватной модели для проведения расчетов.
Любая модель является упрощением реального объекта, а любое упрощение приводит к тому, что получающиеся результаты не тождественно описывают реальную ситуацию. Можно выделить несколько типов упрощающих предположений.
Практически любая расчетная модель геометрически отличается от реального аппарата. В нее не включают (или моделируют упрощенно) те элементы, которые существенно не влияют на результаты решения. Цель такого упрощения - привести в соответствие ресурсоемкость модели и имеющиеся в распоряжении вычислительные возможности. Создание максимально компактной модели особенно важно при решении нестационарных нелинейных задач.
Упрощение касается также физической постановки задачи. Это касается как вида системы решаемых уравнений, так и задаваемых граничных и начальных условий. По возможности при моделировании следует учитывать только те физические процессы, которые оказывают заметное влияние на результат.
При решении нелинейных задач зачастую встает вопрос о выборе существующих в том или ином программном комплексе моделей свойств материалов. Особенно остро этот вопрос встает при расчете механической прочности и механического ресурса конструкций. Если используется упрощенная модель, например, аппроксимирующая кривую напряжение-деформация билинейной зависимостью, то погрешности расчетов определяются неточностью самой аппроксимации. При попытке использования более сложной, например, полиномиальной зависимости оказывается проблематично найти достоверные данные о коэффициентах полиномов, особенно для сложных по составу материалов - сплавов, композитов, пластмасс и т.д.
Помимо указанных факторов, на результат расчетов оказывают влияние вычислительные факторы, к которым можно отнести качество конечноэлементной модели, выбор типа решателя и его опций, выбор критериев сходимости, настройка опций используемых элементов и др.
Неудачно выбранная модель и путь построения решения может привести к тому, что результаты расчетов будут заметно отличаться от истинных значений. В принципе, вопрос о степени достоверности результатов численных расчетов достаточно сложен. Путь его решения заключается в разработке методик численного расчета для решения однотипных задач.
Процесс создания подобных работ включает в себя:
подробное описание процедуры выбора модели и численной реализации построения решения;
всестороннее тестирование получающихся результатов путем сравнения с результатами аналитического решения задач (если таковые имеются) для простых по геометрии объектов, а также путем сравнения результатов численного счета с экспериментальными данными.
После того как расчетная методика создана, результаты численных расчетов считаются столь же достоверными, как и экспериментальные данные (для процесса разработки коммутационных аппаратов во всех подразделениях ТЭЛ).
В настоящее время сотрудниками НОЦ "Электрофизика" физического факультета СПбГУ разработаны две методики численного расчета - нагрева номинальным током [6] и нагрева ударным током короткого замыкания [7,8,9,10,11,12]. Ведутся работы по созданию методик расчета нагрева током термической стойкости (чему и посвящена данная работа) [13], импульсной электропрочности, механической прочности и расчета механического ресурса [14].
Три направления перечисленных выше работ касаются нагрева коммутационных аппаратов различными токовыми воздействиями. Поговорим об этом более подробно. Как уже было сказано, в процессе эксплуатации в линиях электропередач периодически возникают короткие замыкания. На рис. 1.2 схематично представлен случай, когда в процессе протекания через аппарат номинального тока (t<0.2) в некоторый момент времени (t=0.2) в линии происходит короткое замыкание, которое "выключается" в момент времени t=0.6. Длительность ф протекания тока короткого замыкания определяется типом короткого замыкания и настройками коммутационного аппарата. При t>ф через коммутационный аппарат может снова протекать доаварийный номинальный ток, либо аппарат остается в выключенном состоянии, если в результате цикла АПВ (аварийного повторного включения) авария не была устранена. Как видно из рисунка, в момент возникновения короткого замыкания в линии может возникать бросок тока - ударный ток. Таким образом, можно выделить 3 характерных участка: I - номинальный ток, II - ударный ток, III - собственно ток короткого замыкания.
Рис. 1.2. Осциллограмма тока при возникновении короткого замыкания.
Поясним причину возможного возникновения броска тока короткого замыкания. Значение тока короткого замыкания определяется параметрами аварии в сети. До момента возникновения короткого замыкания ток характеризуется параметрами источника и сети. После возникновения короткого замыкания ток уже будет характеризоваться параметрами сети между источником и местом аварии. Его значение окажется другим, как и по модулю, так и по фазе. Так как в сети с индуктивной нагрузкой значение тока не может измениться мгновенно, то значение тока в момент возникновения короткого замыкания должно оставаться таким, какое было в момент возникновения аварии. Поэтому возникает скачек тока, который равен разнице значения тока аварии и тока до аварии. Также его значение будет зависеть и от разницы фаз токов в момент короткого замыкания.
Таким образом, значение тока будет представлять собой сумму периодической и апериодической составляющей. После возникновения аварии в сети возникает бросок тока, максимальное значение которого достигается в первой полуволне, в тот момент, когда апериодическая составляющая еще отлична от нуля. Броска тока может не быть. Это зависит от разницы фаз токов. При наихудшем варианте разницы фаз значение броска тока может достигать вплоть до двойного значения установившегося тока короткого замыкания. При испытаниях обычно используются именно это условие.
Максимальное значение броска тока, достигаемое в первой полуволне при коротком замыкании, называется ударным током. При таком воздействии возникает значительный перегрев контактной области. Температура в контактной области может достигать температуры плавления материала. Поэтому возможно возникновение сваривания контактирующих электродов камеры выключателя. Но это не будет означать однозначного вывода аппарата из строя. Только в том случае, если силы, развиваемой приводом, окажется недостаточно для разрыва сварки, аппарат становится непригодным для дальнейшей эксплуатации. Также при прохождении токов большой амплитуды, каким является ударный ток короткого замыкания, возможна деформация различных элементов аппарата в результате действия электродинамической силы. Если конструкция аппарата будет недостаточно проработана с точки зрения электродинамической стойкости, то в результате токопрохождения могут появиться как деформации частей выключателя, таких как ламели гибкого токосъема, так и просто отброс контактирующих электродов, что в свою очередь вызовет горение дуги в межэлектродном промежутке и разрушение контактов.
Помимо указанного "ударного" воздействия, прохождение тока короткого замыкания может также вызвать недопустимо большое тепловое воздействие на аппарат. Существуют понятия тока термической стойкости и термической стойкости аппарата. Под током термической стойкости подразумевают прохождение установившегося значения тока короткого замыкания в течение единиц секунд. Вклад апериодической составляющей в таком случае мал.
Данная работа посвящена разработке способа расчета нагрева током термической стойкости.
Дата добавления: 2018-10-26; просмотров: 663; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!