Моделирование вакуумной дуги большого тока Ингмар Клеберг, Венкай Шанг



жүктеу 121.64 Kb.
Дата02.09.2018
өлшемі121.64 Kb.

Моделирование вакуумной дуги большого тока

Ингмар Клеберг, Венкай Шанг

В настоящее время вакуумная технология преобладает в конструкциях прерывателей среднего напряжения (12-52 кВ), и тому есть веские причины. Такие признаки, как высокая надежность, долгий срок службы и экологическая безопасность являются результатом непрерывного развития, направляемого научными исследованиями в области прерывания больших токов, которые позволили достичь глубокого понимания аспектов, лежащих в основе эффекта прерывания.

Средство моделирования, находящееся в данное время в разработке компанией «ABB», направлено на то, чтобы предоставить возможность лучшего понимания физических границ прерывания больших токов в вакууме. Результаты моделирования, произведенного при помощи указанного средства и призванного облегчить оптимизацию конструкции прерывателя в будущем, проверены экспериментально.

В отличие от прерывателей, в которых в качестве прерывающей среды используется масло или газ, вакуумные прерыватели имеют контакты, рассчитанные на функционирование в вакууме. Благодаря отсутствию масла или газа (например, воздухи или SF6), электрическая дуга, образующаяся между контактами при их размыкании, полностью состоит из носителей заряда, образующихся при испарении и ионизации материала контактов. Таким образом, вакуумная дуга в действительности представляет собой дугу паров металла.

Преимущества, свойственные вакуумным прерывателям – минимум обслуживания и экологическая безопасность – являются, в основном, результатом того, что они обладают меньшим количеством и большей простотой деталей по сравнению с другими типами прерывателей, а также тем, что они герметизированы раз и на весь срок эксплуатации (обычно на десятки лет). Если электрическая дуга горит в газе или масле, она порождает разложение продукта, а в вакуумном прерывателе испаряются, а затем заново осаждаются чистые (без примесей) металлы.

Что происходит внутри вакуумного прерывателя?

На рисунке 1 показан типовой вакуумный прерыватель компании «ABB»1). От состоит из двух медно-хромовых контактов, один из которых закреплен (нижний из показанных на рисунке), а другой подвижен. Контакты расположены внутри сосуда, в котором создан вакуум до давления ниже 10-5 Па. Указанный сосуд состоит из керамического изолятора, гофрированной металлической трубки для подвижного контакта и двух стальных крышек, прижимающих контакты к керамическому изолятору. Экран предохраняет керамический изолятор от горячей дуги в парах металла.



1 Шток/клемма


2 Гофрированная металлическая трубка
3 Крышка прерывателя
4 Керамический изолятор
5 Экран
6 Контакты
7 Шток
8 Крышка прерывателя
1 Компоненты вакуумного прерывателя

При размыкании контактов в вакууме металл с поверхности контактов испаряется и сильно ионизируется, образуя электрическую дугу. Эта дуга поддерживается внешним притоком энергии до тех пор, пока ток не пройдет через нуль в очередной раз. Питание происходит от многочисленных микроплазменных источников – так называемых катодных пятен – распределенных по контакту (при токах ниже значения около 10 кА катод является единственным плазменным источником). В связи с уменьшением тока, формирование новой плазмы замедляется. В идеальном случае новая плазма не должна образовываться при нуле тока, оставшиеся ионы и электроны должны быстро объединяться и отлагаться на контактах и экране. Низкие и средние токи вызывают распространение дуги по всей поверхности контакта (режим диффузии), так что температура поверхности анода недостаточно высока для дополнительного испарения материала контактов. Однако, как ясно показывают эксперименты с большими токами, как, например, токи, возникающие при прерывании в случае короткого замыкания, дуга сужается. Без осевого магнитного поля это обычно происходит при значениях около 10 кА. Применение осевого магнитного поля сдвигает сужение к более высоким токам [1]. При режиме суженной дуги эрозия контакта значительно усиливается по сравнению с режимом диффузии, так как энергия дуги не распределяется по всей поверхности контакта. В результате происходит интенсивное плавление материалов контактов и увеличение испарения при нуле тока. Это определяет прерывающие возможности вакуумного прерывателя.



Компания «ABB» и Российская академия наук работают совместно с 2001 г. над разработкой цифровой модели моделирования вакуумной дуги при больших токах.

Таким образом, понимание таких процессов, как сужение, и параметров, влияющих на тепловой поток к поверхностям контактов при максимальных токах крайне важно для определения оптимальной конструкции прерывателя. Определив это важной целью научных исследований, компания «ABB», в сотрудничестве с Институтом электрофизики Российской академии наук (РАН), начала в 2001 г. разработку цифровой модели, при помощи которой можно моделировать вакуумные дуги при больших токах [2-4].

Правильный выбор модели

Так как модели, по определению, упрощают действительность и игнорируют определенные аспекты, их значение должно быть ограничено. Например, одна и та же модель не может быть использована для моделирования вакуумного прерывателя во всем разнообразии его состояний (закрытое, аварийное, запуск дуги, открытое с горящей дугой, открытое после погашения дуги). Следовательно, требуется проверить применимость различных моделей и, при необходимости, приспособить или объединить их для различных ситуаций.

Если дебаевский радиус экранирования – характеристика расстояния, при котором заряды экранируются в плазме – намного короче свободной траектории электрона, т.е. средним расстоянием между двумя столкновениями электрона, а средняя свободная траектория намного короче обычной протяженности плазменной дуги (контактного расстояния), то может быть применено магнитно-гидродинамическое приближение. В этом случае моделирование производится для постоянного тока и разрыва. Это обосновано, так как плазма реагирует быстро по сравнению со скоростью изменений, происходящих в результате зарядов в токе и движений контактов [4].

AMF


Осевое магнитное поле
Anode

Анод
Plasma flow

Поток плазмы
Cathode

Катод



2 Геометрия используемой модели. Плазма образуется на катоде. Анод выступает в роли приемника бомбардирующих атомов. (Для получения более крупной картинки щелкните мышью по изображению).

На рисунке 2 показана геометрия используемой модели. На нем показано наложенное внешнее осевое магнитное поле. Как в настоящем прерывателе, осевое магнитное поле примерно пропорционально току. Принимается, что на границе катода имеется только осевой компонент тока. Единичные катодные точки не учитываются, так как в дуге большого тока их плазменные потоки смешиваются на коротком расстоянии. В качестве первого приближения анод принимается поглотителем всего бомбардирующего потока плазмы. Однако, в действительности полной конденсации не происходит, особенно если температура на поверхности близка к точке плавления, или контакты уже расплавлены. «ABB» также использует описываемую модель для исследования последствий данного явления.


Применяются, в основном, уравнения балансов массы, момента и энергии, индукционное уравнение и закон Ома. Индукционное уравнение проистекает из уравнения Максвелла в сочетании с законом Ома. Учет баланса энергии необходим в связи с тем, что взаимообмен кинетической энергией и термальной энергией, а также электрический нагрев, имеют значительное влияние на поведение плазменного потока. Давление и электродинамические силы влияют на поток от катода к аноду. В то время как характерные черты дуги в газовых переключателях в основном определяются сильным потоком газа, определяющей характеристикой вакуумной дуги является электромагнитное поле. Это и послужило одной из причин того, что до сих пор не разработано коммерческое программное обеспечение.

Моделирование производилось в условиях дозвукового притока, так как они представляют наибольший интерес для исследования вакуумной дуги в прерывателях при большом токе.

Для сокращения времени на расчеты принимается осевая симметрия, но после того, как будет установлена модель, планируется перейти на три измерения и сложную геометрию по примеру контактов с радиальным магнитным полем. Следует также отметить, что применение основных используемых уравнений не ограничивается прерывателями с осевым магнитным полем.

Взгляд вглубь – внутрь дуги

Цифровое моделирование было начато для условий дозвукового притока [4,5]. При сужении сверхзвуковых потоков снижается скорость, и высвобождаемая кинетическая энергия преобразуется в термальную энергию. Это обычная характерная черта сверхзвуковых потоков, которая отличает их от поведения дозвуковых потоков. (Диффузия дозвуковой дуги происходит только при низком уровне осевого магнитного поля или нулевом осевом магнитном поле и малых токах.)

Следовательно, моделирование производилось в условиях дозвукового притока, так как они представляют наибольший интерес для исследования вакуумной дуги в прерывателях при большом токе.


3 Расчеты давления (a) и плотности электронов (b) при диффузии дозвуковой дуги при 15 кА и осевом магнитном поле 5 mT/кА. (Для получения деталей щелкните мышью по изображению)

Модель позволяет рассчитать количественные значения, доступ к которым затруднен при иных подходах, это такие параметры, как давление (см. рисунок 3) и поток тока в плазме, а также дает возможность рассчитать последствия поведения дуги. Силы Лоренца воздействуют на движущиеся ионы и электроны, вызывая азимутальные токи и потоки массы. Направление азимутальных движений ионов противоположно направлению электронов. Поблизости от анода плазма вращается как твердое тело, и скорость азимутальных ионов увеличивается примерно линейно в радиальном направлении. На рисунке 4 показана, в качестве примера, диффузия дозвуковой дуги при 22 кА и 5 mT/кА. Кольцеобразный азимутальный ток порождает магнитное поле, похожее на двухполюсное магнитное поле (см. рисунок 5). Это поле накладывается на приложенное осевое магнитное поле, что приводит к более высокому осевому компоненту магнитного поля в средней части контактов. В прошлом не было возможности рассчитать воздействие тока в плазме на прилагаемое осевое магнитное поле.




4 Распределение (a) плотности азимутальных токов (кА/см2) и (b) скорости азимутальных ионов. (104 м/с) для диффузии дозвуковой дуги при 22 кА, 5 mT/кА. (Для получения деталей щелкните мышью по изображению).


5 Распределение (a) осевого (mT) и (b) радиального компонентов магнитного поля (mT) для диффузии дозвуковой дуги при 22 кА, 5 mT/кА. (Для получения деталей щелкните мышью по изображению).
Модель позволяет рассчитать количественные значения, доступ к которым затруднен при иных подходах, это такие параметры, как давление и поток тока в плазме.

Видеозаписи подтверждают наличие повышенного давления и плотности плазмы перед катодом. Более того, фотографии высокоскоростной съемки диффузных дуг при больших токах показывают, что максимальная интенсивность света всегда расположена непосредственно перед катодом.

Важность подтверждения экспериментом

В качестве первого приближения можно предположить, что объемное излучение света пропорционально плотности плазмы. Местное излучение должно интегрироваться по пути видимого спектра для того, чтобы приобрести интенсивность, зарегистрированную экспериментальным путем. На рисунке 6a дается сравнение половины видео изображения (слева) с компьютерным моделированием (справа) для получения сравнимых условий. Контур яркой зоны (пунктирная линия, слева) зеркально отображается в горизонтальном плане на результатах моделирования. Согласование приемлемо если учесть, что ограниченный динамический диапазон записывающей системы влияет на зарегистрированный световой сигнал и приводит к тому, что изменение интенсивности выглядит более резким, чем в действительности.





6 Сравнение интенсивности света, полученной экспериментально (слева), и моделированием (справа). Пиковый ток дуги составляет 15 кА для диффузной дуги (a) и 22 кА для диффузной колоночной дуги (b).

Однако одно только сравнение форм в видеозаписях будет недостаточным для подтверждения примененной модели. Абсолютные значения, такие как давление, скорости и плотности ионов, должны быть также рассчитаны и сравнены с результатами экспериментов. Так как получить доступ к этим значениям экспериментальным путем нелегко, объем наличных данных ограничен. Несмотря на это, расчетные температуры и плотности электронов, азимутальное вращение плазмы и осевое магнитное поле, порождаемое азимутальным током, находятся в приемлемом согласовании с данными измерений. Что касается иных количественных значений, таких как температуры и скорости осевых ионов, то имелись возможности показать только тенденции. Возможно, это явилось результатом упрощенной геометрии. Следует, однако, отметить, что не было зафиксировано каких-либо противоположных тенденций, которые могли бы означать, что определенные допущения или упрощения были неверны.

Тепловой поток на контактах является одним из ключевых параметров при разработке вакуумных прерывателей. Причиной этого является то, что возникновение значительного испарения материала контактов оказывает влияние на переход от диффузного режима к режиму диффузно-колоночному. Очень важно то, что плотность паров металла и, косвенно, степень плавления при нуле тока определяют пределы способности к прерыванию. Тепло передается к аноду в результате бомбардировки двумя носителями: электронами и ионами. Радиальное распределение теплового потока расширяется по мере усиления осевого магнитного поля (см. рисунок 7).



7 Изменения в радиальном распределении. Изменения в радиальном распределении плотности теплового потока в качестве функции прилагаемого осевого магнитного поля при токе дуги на контактах, равном 15 кА

Energy flux, 108 W/m2

Поток энергии, 108 Вт/м2
Дальнейшие исследования позволят получить мощное средство, которое позволит лучше понять феномен вакуумной дуги и даст новые конфигурации, подлежащие испытаниям перед началом экспериментов.

Для расчета температуры электродов, глубины плавления и таких параметров, как плотность и давление паров, которые зависят от температур на поверхности, используется отдельная модель. Зависимое от времени тепловое уравнение решается для жидкого пятна и прилегающего к нему твердого металла. Расчеты, являющиеся одномерными, учитывают потери энергии не только в связи с переносом тепла, но также связанные с испарением материала контактов и тепловой радиацией. Преимуществом магнитно-гидродинамического моделирования в данном случае выступает то, что оно обеспечивает полезные вводные данные для моделирования плавления электрода, для чего в прошлом использовались эмпирические или предполагаемые значения.

Еще одним важным результатом было воспроизведение перехода от диффузной дуги к диффузно-колоночной дуге. Типичной характеристикой диффузной дуги является снижение давления по направлению к аноду (см. рисунок 8a); в случае с диффузно-колоночной дугой, как показывают результаты моделирования, давление выравнивается вдоль оси (см. рисунок 8b). На рисунке 8b показано отношение между результатами моделирования и экспериментальными данными относительно диффузно-колоночной дуги. Данная модель также используется для исследования влияния зазора электродов и распределения тока, а также влияния других пограничных условий.



8 Условия для (a) дозвуковой диффузной и (b) диффузно-колоночной дуги. (Для получения деталей щелкните мышью по изображению).

J

Поток тока от анода к катоду.


P

Распределение давления вдоль оси от катода к аноду.


Vion

Распределение скорости ионов вдоль оси от катода к аноду.


Дальнейшие усовершенствования данной модели и их применение в реальной геометрии даст мощное средство, которое сможет обеспечить лучшее понимание явлений, происходящих внутри вакуумной дуги, и позволит разработать новые конфигурации и изменения в конструкции, которые надо будет проверить перед тем, как начать экспериментальные работы. Несмотря на эти возможности, компания «ABB» берет на себя обязательства продолжать эксперименты с целью проверки результатов и получения «окончательных доказательств» целесообразности внесения изменений в конструкцию.


Доктор Ингмар Клеберг
Корпоративные исследования «ABB»
Швейцария

Доктор Венкай Шанг
«ABB Calor Emag Mittelspannung GmbH»
DE-40472 Ратинген
Германия

1) Вакуумные прерыватели компании «ABB» разрабатываются и производятся предприятием «ABB Calor Emag Mittelspannung GmbH» в г. Ратинген (Германия).

Использованная литература:

[1]


Х. Финк, М. Хаймбах, В. Шанг: Вакуумные прерыватели с контактами в осевом магнитном поле. Обзор ABB 1/2000г., стр. 59-64.
[2]

Е. Шаде, Д. Шмелев, И. Клеберг: Цифровое моделирование теплового потока к аноду в вакуумных дугах больших токов. Труды 21-й международной конференции по электрическим контактам, 2002г., Цюрих (Швейцария), стр. 518-525.
[3]

Е. Шаде, В. Шанг, Д. Шмелев, И. Клеберг: Сравнение результатов цифрового моделирования поведения дуг больших токов в осевых магнитных полях и оптических наблюдений. Труды XX-го международного симпозиума по разрядам и электрической изоляции в вакууме, 2002г., Тур (Франция), стр. 451-458.
[4]

Е. Шаде, Д. Шмелев: Цифровое моделирование поведения плазмы и теплового потока к контактам вакуумной дуги при внешнем приложении осевого магнитного поля и без него. Труды XX-го международного симпозиума по разрядам и электрической изоляции в вакууме, 2002г., Тур (Франция), стр. 44-51.
[5]

М. Кайдар, М. Б. Шульман: Моделирование влияния осевого магнитного поля на вакуумную дугу большого тока. Труды IEEE (Института инженеров по электротехнике и электронике). Наука о плазме, 29 (2001г.) 5, стр. 684-689.



Каталог: public
public -> Беткі сулардың сапасын талдау: НҰра өзені алабының мысалында
public -> Этносаралық Үйлесімділік жүйесіндегі саяси-мәдени механизмдердің орны әлеуметтік ғылым магистрі, аға оқытушы Сыздықова С. М
public -> Қазақ әдебиетін дәуірлеу мәселесі Темірбай Мұқашев
public -> Спортшылардың интеллектуалдық ой өрісі және оның спорттық Қызметтегі маңыздылығы абусейтов Бекахмет Зайнидинович
public -> Ауыл шаруашылығын дамытудың жаңа бағыттары түйін Мақалада ауыл шаруашылығын дамытудың жаңа жолы «Агробизнес 2020»
public -> Қазақстандағы мемлекеттік-жекешелік әріптестік: құқықтық реттеу
public -> 1 қаңтар 2012, 12: 09 Бұл дағдарысты әлем экономикасының уақытша тежелуі деп түсіну қажет 49
public -> Қазақстандағы корей тілін оқытуда интерактивті құралдарды қолдану әдісі
public -> Әож 378-1а оқУ Үрдісінде мультимедиялық ҚҰрылғыларды қолданудың Қажеттілігі


Достарыңызбен бөлісу:


©kzref.org 2019
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет