Математическое моделирование термодинамических процессов гашения дуги в потоке элегаза (SF6) в электрических аппаратах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.01, кандидат технических наук Ильин, Александр Сергеевич

• Ильин, Александр Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ильин, Александр Сергеевич

Оглавление Стр.

ВВЕДЕНИЕ

1. Глава 1. Постановка задачи математического

7

моделирования процессов дугогашения.

1.1. Аналитический обзор состояния вопроса

1.2. Физическая модель взаимодействия электрической

11

дуги с продольным газовым потоком.

1.3. Основные допущения исследования

1.4. Электро- и теплофизические свойства дугоразрядной плазмы. Физические свойства элегаза.

1.5. Приближенные математические модели газотермодинамических процессов при дуговом разряде в 52 потоке плазмообразующего газа.

1.6. Выводы по главе 1, обоснования актуальности проблематики в целом.

2. Глава 2. Интегральные модели процессов теплообмена дугового разряда с газовым потоком.

2.1. Моделирование электрической дуги каналовой моделью применительно к моделированию процессов дугогашения в высоковольтной аппаратуре.

2.2. Применение модели раздельного течения газов при моделировании процессов дугогашения

2.3. Теорема подобия и некоторые характеристики дуги

2.4. Учет конфигурации геометрии дугогасительных

91

элементов.

2.5. Газодинамическая часть модели и методика учета нелинейных газо- и термодинамических 100 зависимостей.

61

63

64

77

Ill

120

120

2.6. Обобщенные комплексы газо-термодинамических процессов.

2.7 Выводы по главе 2

3. Глава 3. Применение модели для расчета различных режимов процессов дугогашения.

3.1. Интерфейс программы, ввод параметров, необходимых для расчета процесса дугогашения.

3.2. Применение математического моделирования для расчета процесса дугогашения тока 30 кА для дугогасительной камеры выключателя типа ВЭБ 125 1 Юкв и исследование процесса с помощью созданной модели.

3.3. Сравнение полученных расчетным путем параметров

с экспериментальными данными, полученными при

коммутационных испытаниях.

3.4. Определение максимального тока отключения выключателя расчетным методом и сравнение с 139 реальными данными

3.5. Определение коммутационной способности выключателя с линейной геометрией дугогасителных 140 сопел

3.6. Выводы по главе 3

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математическое моделирование термодинамических процессов гашения дуги в потоке элегаза (SF6) в электрических аппаратах»

ВВЕДЕНИЕ

Широкое применение высоковольтных коммутационных аппаратов в энергетике выдвигает задачу в проблеме изучения сложных процессов развития обдуваемого дугового разряда, поскольку именно зона развития составляет основу дугогасительных камер создаваемых аппаратов. Эта проблематика определяет важность изучения процессов, сопровождающих работу коммутационных аппаратов. Генерируемая между главными контактами аппарата электрическая дуга представляет собой плазму, находящуюся в сложном тепловом, газодинамическом и электродинамическом взаимодействии с плазмообразующим газовым потоком. Это стимулировало изучение механизмов горения установившегося дугового разряда и процессов тепло - и массообмена при течении низкотемпературной плазмы в каналах при наложении и отсутствии внешних электромагнитных полей. Накоплен большой материал по изучению дуговых процессов в работах:

В последние годы создаются высоковольтные аппараты преимущественно с применением элегаза (шестифтористая сера 8Б6) в качестве дугогасительной среды и изоляции. Применение элегаза распространяется на коммутационные аппараты практически всех классов напряжения от 35 до 1150 кВ. В Российской Федерации такие аппараты начали широко использоваться относительно недавно и в основном западного производства, однако, зарекомендовав себя как надежные и практически не требующие обслуживания, заслужили признание во всех энергосистемах. Что, конечно, привело к потребности разработки новых конструкций отечественного аппаратостроения. В условиях современного рынка предприятия не имеют возможности тратить огромные средства на проведение многочисленных опытов при конструировании новых дугогасительных устройств. Что определило актуальность изучаемой тематики в данной научной работе.

Проблема изучения процессов дугогашения в высоковольтных коммутационных аппаратах состоит не только в сложности описания плазмы, взаимодействующей с газовым потоком, но и необходимостью исследования процессов взаимодействия дугового разряда с внешним электрическим контуром, в котором дуга является нелинейным резистивным элементом. Это требует знаний не только статических, но и динамических свойств обдуваемого дугового разряда. В условиях взаимодействия дугового разряда с потоком газа происходит активная деионизация дугового столба, способная привести к нарушению устойчивого горения дуги, то есть гашению. Физические явления в настоящее время объясняются лишь с качественной стороны.

Интенсификация тепло - и массообмена между дугоразрядной плазмой (столбом дуги) и потоком плазмообразующего газа создается относительно большим перепадом давления на дугоразрядной камере, чем достигается режим плазмообразующего газа, близкий к критическому. В этом случае основными механизмами теплообмена и потерь энергии от дуги становятся конвективный перенос и совершаемая газом работа сил давления; роль же излучения и радиальной теплопроводности, существенных в стабилизированных стенках и не обдуваемых дугах, учитывается соответствующими коэффициентами.

Экспериментальные исследования в этой области явлений сталкиваются с серьезными трудностями, связанными со сложным переплетением в обдуваемом дуговом разряде связанных между собой высокоинтенсивных тепловых, газодинамических и электрических явлений. Следует считать, поэтому перспективным изучение этих явлений методом математического моделирования.

Это изучение основано на решении системы дифференциальных уравнений, описывающих динамические свойства обдуваемой электрической дуги, и уравнений электрического контура с источником напряжения. За исключением случаев, когда условие горения дугового разряда обеспечивают

возможность задания разрядного тока ¡(1:) или напряженности поля дуги такая задача может быть решена лишь численно на ЭВМ.

Настоящее исследование посвящено изучению газо-термодинамических и электрических явлений, сопровождающих физический процесс взаимодействия дугового разряда с потоком плазмообразующего газа. В работе исследованы методами математического моделирования механизмы и особенности этих явлений, результаты математических расчетов сравнивались с испытаниями реальных объектов.

Диссертация выполнена по программе, которая включала:

1. Исследование возможных математических описаний различных потоков газа, их взаимодействие с электрической дугой, критерии гашения.

2. Выбор или разработка математической модели, ее численная реализация, позволяющая изучить:

- явление газового потока в дугогасительной камере различной геометрической конфигурации;

- явления взаимодействия дуги с потоком плазмообразующего газа;

- развитие обдуваемого дугового разряда в дугогасительной камере и его гашение потоком газа.

3. Адаптация математических моделей к экспериментальным данным.

4. Влияние внешнего электрического контура на процессы гашения и развития электрической дуги в элегазовых высоковольтных выключателях.

Заключение диссертации по теме «Электромеханика и электрические аппараты», Ильин, Александр Сергеевич

3.6. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3

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 начальных параметров, заводимых в программу описанных в начале Главе 3.1, как это было сделано для расчета в части 3.5. Учитывая большое количество вероятностных явлений в дуговых процессах, можно утверждать, что применение математического моделирования процессов дугогашения не исключает необходимость проведения экспериментальных исследований, что показано гак же в [106], однако данные, получаемые в процессе моделирования, значительно облегчают работу исследователя, сокращают число экспериментов, и помогают анализировать полученные результаты, корректируя вводимые данные и физическую модель.

Так же полученная методика и программа позволяют проводить оценочные расчеты различных конфигураций дугогасительных сопел с целью разработки рекомендаций, по улучшению их геометрического профиля. Результирующая двумерная интерактивная картина в полной мере отражает весь процесс гашения дуги, однако, для более детального изучения профиля дуги, обдуваемой потоком газа, влияния турбулентности необходимы более крупные масштабы, а это приведет к резкому увеличению времени расчета и объема памяти, занимаемой результирующим файлом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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. Разработана математическая модель, позволяющая учитывать геометрию дугогасительных сопел без введения громоздких математических выражений геометрии.

3. Разработан метод расширяющихся ячеек, позволяющий более реально смоделировать физический процесс тепло- и массообмена газа, имеющего разные физико-химические показатели в сетке дискретизации.

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 разработки новых дугогасительных устройств высоковольтных выключателей, а так же обработку результатов экспериментов, тем самым, снижая количество необходимых экс п снимет ;ов 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 необходимо делать перерасчет параметров, заводимых в программу: начальное давление газа или смеси газов, графические зависимости функций газа или газовой смеси, описанные в главе 2, двумерное осесимметричное изображение конфигурации дугогасительного устройства с точным сохранением геометрических размеров, графическая зависимость скорости движения контактов выключателя (характеристика привода выключателя), параметры, определяющие воздействие ПВН.

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. Диссертация является завершенной научно-квалификационной работой, решающей важную научную и промышленную проблему для страны, так как ее основные положения могут быть применены предприятиями, занимающимися разработкой и конструированием высоковольтной коммутационной аппаратурой, в которых в качестве дугогасительной и изоляционной среды используется элегаз (81;6)

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ильин, Александр Сергеевич, 2012 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Рагаллер К. Отключение токов в сетях высокого напряжения, пер. с английского // М.: Энергоиздат, 1981, С.328, с ил.

2. Афанасьев В.В., Вишневский Ю.И. Воздушные выключатели // Ленинград, 1981, С. 380.

3. Кукеков Г.А. Выключатели переменного тока высокого напряжения // Ленинград, 1972, С.336.

4. Ильин A.C., Шипицын В.В. Влияние геометрии и материала элементов ДК на процессы гашения дуги в высоковольтной аппаратуре // сборник докладов международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» , «X Бенардосовские чтения», г. Иваново, 2001, С. 82-83.

5. Бортник И.М. Физические свойства элегаза и электрическая прочность элегаза // Москва, Энергоатомиздат, 1988, С. 80, с ил.

6. Бородянский Г.Я. Математическое моделирование термогазодинамических процессов взаимодействия дугового разряда с газовым потоком//Л., 1985, С.182.

7. Механика жидкости и газа / Швыдкий B.C., Ярошенко Я.М., Гордон Я.М., и др. под ред. B.C. Швыдкого // М., Академкнига, 2-е изд., 2003, С. 464, с ил.

8. Заруди М.Е. Методы расчета дуги в канале при движении газа (установившееся движение) // В сб. «Явления переноса в низкотемпературной плазме», Минск, 1969, С. 69-81.

9. Смеляиский М.Я., Жигалко Е.К., Кувалдин А.Б. ТВТ,5, №6 (958), 1967г.

10. Меккер Г. О характеристиках электрической дуги // В сб. «Движущаяся плазма», М., 1961, С. 438-477.

11. Осииова T.B. Оптические исследования характеристик электрической дуги в высоковольтных аппаратах // в сб. «Высоковольтное аппаратостроение», Л., «Энергия», 1969, С. 274-286.

12. Даутов ПО. Положительный столб электрической дуги в потоке // Г1МТФ, 1963, №4, С. 106-109.

13. Кузнецова Т.Д., Паневин И.Г. Влияние начального профиля температуры на развитие каналовой дуги в осевом потоке газа // Тезисы докладов V Всесоюзной конференции по генераторам низкотемпературной плазмы. Новосибирск, 1972, т.1, С. 42-45.

14. Г азодинамические параметры дугового разряда в продольном потоке аргона / Воропаев A.A., Гольдфарб В.М., Дресвин C.B., Клубникин B.C. // ТВТ, 1970, С. 78-81.

15. Белянин ILM. Модель электрической дуги с продольным обдувом газа // Из. СО АН СССР, серия техн. наук, 1966, №10, выи.З, С.13-21.

16. Зыричев И.А. Турбулентная модель электрической дуги в продольном потоке газа // В сб. «Генераторы низкотемпературной плазмы». Минск, 1969, С. 29-42.

17. Investigation of cylindrical, axially blown, high-pressure arc / Hermann W., Kogelschat/ U., Ragaller K., Shade E. // J.Phys.D: Appl.Phys. 1974, том 7., С. 607619.

18. Урюков Б.А. Продольно обдуваемая дуга в цилиндрическом канале // из. СО АН СССР, серия техн. наук, 1968, №3, вып.1, С.42-53.

19. Ватажин А.Б., Любимов Г.Д., Регирер С.А. Магнитогидродинамические течения в каналах // М., «Наука», 1970.

20. Вулис A.A., Генкин А.Л., Фоменко Б.А. Теория и расчет магнитогазодипамических течений // Москва, Атомиздат, 1970.

21. Georgees Bernard Breaking by auto-expansion // E/CT, Cahier Technique Merlin Gerin, Гренобль, №171, 1995, С. 1-16.

22. Numerical Лгс Modcl Paramctcr Extraction for SF6 Circuit Breaker Simulations / Lioncl R. Orama-Exclusa, Bienvenido, Rodríguez-Medina // Internationa Conference on Power Systems Transiente - IPST, in New Orleans, USA, 2003.

23. Белоцерковский O.M., Давыдов Ю.М., Метод крупных частиц в газовой динамике /7 М., Наука, 1982, С 370.

24. Ветлуцкий В.Н., Севастьяненко В.Г. Электрическая дуга в потоке водорода при высоком давлении // 11МТФ, 1969, №1.

25. Иванов М.Я., Ивлютин А.М. и др. Стабилизированный цилиндрическими стенками столб дуги в потоке газа // В сб. «Физика и техника применения низкотемпературной плазмы» Алма-Ата, 1970, С. 315-318.

26. Божко О.Ф., Курочкин Ю.В. и др. Расчет газа в канале плазматрона линейной схемы // Тезисы доклада V Всесоюзной конференции по генераторам низкотемпературной плазмы, Новосибирск, 1972, т. 1, С. 12-15.

27. Жайнаков А. и др. Расчет плазматрона с учетом магнитного поля электрической дуги //. В сб. «Физика, техника применения низкотемпературной плазмы», Алма-Ата, 1970, С. 355-357.

28. Гуревич В.И. и др. Расчетная модель плазматрона // в сб. «Исследование электрической дуги и плазматрона», Фрунзе, 1968, С. 3-10.

29. Жайнаков А., Энгельшт В.С. К расчету плазматрона // ст. в сб. «Применение плазматрона в спектроскопии», Фрунзе, 1970, С. 194-196.

30. Жеенбаев Ж., Энгельшт В.С. Ламинарный илазматрон // Изд. «ИЛИМ» Фрунзе, 1975, С. 82.

31. Десятков Г.А. и др. Методы расчета и численный анализ течений проводящего газа в сильноточных электрических дугах // МЖГ, 1978, №5, С. 103-110.

32. Энгельшт В.С. Математическое моделирование электрической дуги // Фрунзе, «ИЛИМ», 1983, С.382.

33. Прокофьев А.Н., Синярев Г.Б. Численное исследование электрической дуги обдуваемой потоком газа // VI Всесоюзная конференция по генераторам низкотемпературной плазмы, Алма-Ата, 1977, С. 19-21.

34. Аверин И.Б., Синярев Г.Б. Метод расчета электрической дуги, обдуваемой ламинарным потоком газа в цилиндрическом канале с учетом химической неравновесности //' VI Всесоюзная конференция по генераторам низкотемпературной плазмы, Алма-Ата, 1977, С. 23-26.

35. Лесбак В.А. Численное исследование влияния подмешивания воздуха на течение в канале подогревателя с продольно обдуваемой дугой // VI Всесоюзная конференция по генераторам низкотемпературной плазмы, Алма-Ата, 1977, С. 15-18.

36. Gleizes A., Influence of radiation on temperature field calculation in SF6 arcs // Plasma Source Sci. Technol., №1, 1992, C. 135-140.

37. Lowke J., Predictions of arc temperatures profiles using approximate emission coefficient for radiation losses // J.Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 14, 1974.

38. Calculation of Net Emission Coefficient in N2 , SF6 and SF6-N2 Arc Plasmas / Gleizes A., Rahmani В., Gonzales J., Liani В., // J.Phys. D: Appl.Phys. 24, 1991, C.1300-1309.

39. Eby S., Trcpanier J., Zhang X., Modelling radiative transfer in SF6 circuit breakers arcs with the P-l approximation // J.Phys. D: Appl.Phys. 31, 1998, C.1578-1588.

40. Godin G., Trepanier J., Zhang X., Camero R., Modeling and Simulation of Nozzle Ablation in High Circuit-Breakers // J.Phys. D: Appl.Phys. 33, 2000, C.2583-2590.

41. Martin A., Reggio M., Trepanier J., Solution of Multi-Species Gas Flows in Circuit Breakers with Arc Wall Interactions // XIV International Conference on Gas Discharges and their Applications, 2004, C.33-36.

42. Исследование электрической дуги в выключателе с помощью кибернетической модели и с учетом влияния турбулентности / Хохрайнер,

Шварц, Тхиел, Грютц // В сб. «Выключатели высокого напряжения» СИГРЭ-72, под. Ред. Н.В. Шилина, М., Энергия, 1974, С. 77-99.

43. Выключатели высокого напряжения / под. Ред. Шилина Н.В. // доклад №13-03 на сессии 1978г., перевод с анг., М., Энергия, 1980, С. 29-40.

44. Исследование воздушного выключателя серии ВИВ методами математического моделирования / Авдонин А.В., Буйнов А.Л., Егоров В.Г., Пузырийский Г.Е., Серяков К.И. // «Электротехника», №1, 1978, С. 30-33.

45. Наумкии И.К. Идентификация высоковольтного выключателя как объекта электрической системы автоматического управления // В сб. «Электротехническая промышленность» серия «Аппараты высокого напряжения, трансформаторы, силовые конденсаторы», М., 1982, С. 1-4.

46. Паумкин И.И. Математическое моделирование работы высоковольтного выключателя на основе феноменологического подхода // В сб. ЭЛ. серия «Аппараты высокого напряжения, трансформаторы, силовые конденсаторы»,вып. 5/85 1978, С. 10-13.

47. Johnson D., King L., Mathematically Simple Turbulence Closure Model for Attached and Separated Turbulent Boundary Eayers // AIAA Journal, Vol. 23, Nov. 1985, C. 1684-1692.

48. Свирчук Ю.С. Теория электрической дуги переменного тока // в сб. «Теория электрической дуги в условиях вынужденного теплообмена», Новосибирск, 1977, С. 87-114.

49. Крижанский С.М. К теории вольтамперной характеристики столба нестационарного дугового разряда высокого давления // ЖТФ, 1965, 35, №10.

50. Заруди М.Е. О влиянии нелинейных свойств плазмы на характер нестационарных процессов в стволе капаловой дуги // (вопросы теории и расчета). ЖТФ, т. XVI вып. 4, 1971, С. 734-743.

51. Ураев В.II. Некоторые вопросы расчета температуры электрической дуги переменного тока // ЖТФ т. XXXIX вып.1, С. 82-92.

52. Белоусова Л.Е. К теории нестационарных процессов в столбе дуги // ЖТФ т.XVIII вып. 10, 1973, С. 2099-2105.

53. Авдонин A.B., Егоров В.Г., Серяков К.И. Математическое моделирование электрической дуги отключения // «Электричество» №6, 1975, С. 5-8.

54. Индуцированная радиальная скорость в нестационарных электрических дугах // ЭМА, перевод с английского, 1971, №4, 59, С. 446-473.

55. Влияние газодинамики и свойства элегаза и воздуха па отключение // ЭМА №31, перевод с английского, 1971, С. 18-35.

56. Охлаждение дуговой плазмы теплопроводностью // ЭМА, №17, перевод с английского, 1970, С. 33-34.

57. Численная модель дуги отключения вблизи нуля тока // ЭМА, №4, перевод с английского, 1975, С. 21-31.

58. Крижанский С.М. Теоретическая модель дуги переменного тока в продольном потоке газа // «Электричество», №6, 1976, С. 1-4.

59. Гинзбург И.П. Прикладная гидрогазодинамика // изд. ЛГУ, 1958, С. 338.

60. Залесский A.M. Электрическая дуга отключений // M.-JL, ГЭИ, 1963.

61. Мартинек Ф. Термодинамические и электрические свойства азота при высоких температурах // в сб. «Термодинамические свойства и свойства переноса газов, жидкостей и твердых тел». «Энергия», М.-Л., 1964, С. 170-207.

62. Фильксльнбург В., Меккер Г. Электрические дуги и термическая плазма //М.,ИЛ, 1961, С. 370.

63. Севастьянов P.M., Здункевич М.Д. Электрическая проводимость воздуха в диапазоне от 1000° до 2000° К // «Инженерный журнал», 5, №2, 1965, С. 227229.

66. Быркин А.П., Межиров И.И. О расчете течения вязкого газа в канале // МЖГ, 1967, №6, С. 227-229.

67. Krenek P. Electronic and Ionic Electrical Conductivity of the Decaying SF6 Arc Plasmas // Acta Techn., CSAV 41, 1996, C. 331-341.

68. Arc modelling in SF6 circuit breakers / Verite J.C., Boucher Т., Comte A., Delalondre C., Robin-Jouan P., Serres E., Texier V., Barrault M., Chevrier P., Fievet C. // IEE Proceedings of Science, Measurement and Technology. May 1995, Volume 142, Issue 3, C. 189 - 196.

69. Кутателадзе С.С., Ясько О.И. Обобщение характеристик электродуговых подогревателей //' ИФЖ, 1964, №4.

70. Ясько О.И. Обобщение характеристик электрических дуг // ИФЖ, т.VII, №12, 1964, С. 112-116.

71. Бородянский Г.А. О возможных приближенных уравнениях течения в канале газового потока, обдувающего дуговой разряд // в сб. «Конвекция в каналах», Минск, ИТМО, АН СССР, 1971, С. 106-116.

72. Lin Xin, Liu Zhigang, Geng Yingsan. Influence of Nozzle on Electric field of SF6 Tank-Type Circuit Breaker // Journal of Chinese Electrical Engineering, vol. 21, №2, 2001, C. 1-4.

73. Belhaouari J., Gonzalez J., Gleizes A., Simulation of decaying SF6 arc plasma: hydrodynamic and kinetic coupling study // J.Phys. D: Appl.Phys. 31, 1998, C.1219-1232.

74. On the Hot Gas Exhaustion in the Exhhaust Chamber of a Gas Circuit Breaker after Short Circuit Current Interruption / Hayashi Y., Suzuki K., Haginomori E., Toda H„ IkedaH. // J.Phys. D: Appl.Phys. 30, 1997, C.3123-3130.

75. Calculation of the Uniform Breakdown field Strength of SF6 Gas / Cliteur G., Hayashi Y., Suzuki K., Haginomori E.// IEEE Trans, on Dielectrics and Electrical Insulation, 5, №6, 1998, C.843-849.

76. Rothhardt L., Blahan J., Breakdown Experiments in Diluted SF6 at Elevated Temperatures // J.Phys. D: Appl.Phys. 18, 1985, C. L155-157.

77. Measurement of Hot Gas Density Distribution in SF6 Gas Circuit Breaker / Uchii Т., Miyazaki K., Mori Т., Suzuki K., Iwamoto K., Kato N. // IEE of Japan High Voltage Switchgear Protection Session, SP-99-73, 1999 Июнь.

78. Fros L., Liebermann R., Composition and Transport Properties of SF6 and Their Use in a Simplified Enthalpy Flow Arc Model // Proc. of IEEE, vol.59, № 4, 1971, C. 474-485.

79. Robin-Jouan Ph., Kairouani N., Numerical and experimental analysis of the propagation of hot arc plasma in high voltage circuit-breakers // Proc. XIV International Conference on Gas Discharges and their Applications, vol.1, Liverpool-Great Britain 2002, C. 103-107.

80. Robin-Jouan Ph., Limits and problems in CFD analysis for high voltage circuit-breaker desighn // Proc. 5th World Conference in Applied Fluid Dynamics, Freiburg-Germany, 2001.

81. Gas-Insulated Substations / Boggs S., Chu F., Fujimoto N., eds. // Pergamjn Press, New york, 1986, C. 437.

82. Maiss M., Levin I., Global Increas of SF6 Observed in the Atmosphere // Geophys. Res. Lett., vol.21, 1994, C. 569-572.

83. Christophorou L., Van Brunt R., SF6/N2 Mixtures, Basic and IIV Insulation Properties // IEEE Trans, on Dielectrics and Electrical Insulation, vol.2, 1995, C.952-1003.

84. Claessens M., Moller K., Thiel LI., A computational fluid dynamics simulation of high- and low-current arcs in self-blast circuit breakers // J.Phys. D: Appl.Phys. 30, 1997, C. 1899-1907.

85. Barrault M., Study of the post-recovery current in SF6 circuit breakers // J.Phys. D: Appl.Phys. 28, 1995, C. 1133-1140.

86. Thiel IL, Modeling of pressure build-up and temperature distribution in SF6 circuit breakers // 6th International Conference on Switching Arc Phenomena, Eodz, Technical University of Lodz, 1989, C. 109-113.

87. Muller L., Modelling of an ablation controlled arc // J.Phys. D: Appl.Phys. 26, 1993, C. 1253-1259.

88. Claessens M., Thiel II., A new physical model of an ablation dominated arc in self-blast circuit breaker // Proc. XXIst International Conference on Phenomena in

lionized Gases, Bochum vol.2, edited by Ecker G., Arendt U., Bosler J., 1993, C. 4445.

89. Kirchesch P., Progress in Circuit Breaker Modeling with respect to Ablation Controlled Arcs, Pressure build-up and Performance Limits // CIGRE, Paris, 1994.

90. Moller, Progress in Modeling of Circuit Breaker Arcs Considering Gas Flow iteraction /'/' CIGRE, Paris, 1994.

91. Niemeyer L., Evaporation dominated high current arcs in narrow channels // IEEE Trans. Power Appar. Syst. 97, 1978, C. 950-958.

92. Launder B., Spalding D., The numerical computation of turbulent flows // Comput. Methods Appl. Mech. Eng. 3, 1974, C. 269.

93. Brossa M., Pfender E., Probe measurements in thermal plasma jets // Plasma Chem. Plasma Processing 8, 1988, C. 75.

94. Fang M., Guo X., The effects of uncertainty in radiation transport on a turbulent SF6 arc // Proc. XXIst International Conference on Phenomena in lionized Gases, Bochum vol.1, edited by Ecker G., Arendt U., Bosler J., 1993, C. 48.

95. Fang M., Zhuang Q., Guo X., Current-zero behavior of an SF6 gas-blast arc. Part II: turbulent flow // J.Phys. I): Appl.Phys. 27, 1994, C. 74-83.

96. Liebermann R., Lowke J., Radiation emission coefficients for sulphur hexafluoride arc plasmas // J.Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 16, 1975, C. 253.

97. Ragaller K., Egli W., Brand K., Dielectric Recovery of an Axially Blown SF6-Arc after Current Zero: Part II - Theoretical Investigation // IEEE Transactions on Plasma Science, vol. PS-10, № 3, 1982, C. 154-162.

98. Swanson B., Theoretical models for the arc in the current zero regime // Current Interruption in High-Voltage Networks, ed. Ragaller K., Plenum, New York, 1978, C. 137.

99. Hermann W., Ragaller K., Theoretical description of the current interruption in hv gas blast breakers // IEEE Trans. Power App. Syst., vol. PAS-96, 1977, C. 1546.

100. Frind G., Prescott L., van Noy J., Current zero phenomena in an orifice type gas blast interrupters // IEEE Trans. Power App. Syst., vol. PAS-99, 1980, C. 268.

101. Swanson В., Nozzle arc interruption in supersonic flow // IEEE Trans. Power App. Syst., vol. PAS-96, 1977 C. 1697.

102. Tuma D., A comparison of the behavior of Sp6 and N2 blast arcs around current zero // IEEE Trans. Power App. Syst., vol. PAS-99, 1980 C. 2129.

103. Richley E., Tuma D., Free recovery of gas-blast arc column // EI5E Transactions on Plasma Science, vol. PS-8, № 3, 1980, C. 405.

104. Frost L., Eiebermann R., Composition and properties of SF6 and their use in a simplified enthalpy flow arc model // Proc. IEEE, vol.59, 1971, C. 474.

105. Дородицын А.А. Об одном методе численного решения нелинейных задач аэрогидродинамики // В кн. «Труды III Всесоюзного и математического съезда» т.З, Москва, Издательство АН СССР, 1958, С. 447.

106. Публикация СИГРЭ №135 / State of the art of circuit-breaker modeling // рабочая группа 13.01 комитета 13, Декабрь, 1998.

107. Ильин А.С., Ягов Д.А., Программа моделирования термогазодинамических процессов гашения дуги в дугогасигельной камере заданной геометрии, применительно к высоковольтной аппаратуре (Программа моделирования процессов дугогашения), Свидетельство об официальной регистрации программы ЭВМ № 2006612254 от 30 июня 2006 года.

108. Публикация СИГРЭ №47 / Line-charging current switching of IIV lines. Stresses and testing // (Часть 1 и 2), рабочая группа 13.04, Октябрь, 1996.

109. Dielectric Recovery of an Axially Blown SF6-Arc after Current Zero: Part III -Comparison of Experimental and Theory / Ragaller K., Egli W., Brand K., Niemeyer L. // IEEE Transactions on Plasma Science, vol. PS-10, № 3, 1982, C. 162-172.

110. Ragaller K., Shneider W., Hermann W., A special transformation of the differential equations describing blown arcs // Zamp, vol.28a, 1973, C. 443.

111. Ragaller K., Shneider W., Hermann W., Decay of an axially blown cylindrical arc // Proc. 11th International Conference on Phenomena in Ionized Gases, Prague, Czechoslovakia, 1973, C. 212.

112. O'Connor Т., Comfort E., Cass L., Turbulent mixing of an axisymmetric jet of partially dissociated nitrogen with ambient air //AIAA Journal, vol.4, 1966, C. 2026.

113. Experimental and theoretical study of a stationary high-current arc in a supersonic nozzle flow / Hermann W., Kogelschatz U., Niemeyer E., Ragaller K., Schade E. // J. Phys. D., vol.7, 1974, C. 1703.

114. Brand K., Kopainsky J., Particle densities in a decaying SF6-piasma // Appl. Phys., vol.16, 1978, C. 425.

115. Clark A., Burns G., Trajectory studies of atomic recombination rates // J. Chem. Phys., vol.56, 1972, C. 4636.

116. Ragaller K., Tuma D., Similarity relations for the electric arc in forced axial flow// IEEE Trans. Plasma Sci., vol. PS-9, 1981, C. 75.

117. ТОСТ P 52565-2006. Выключатели переменного тока на напряжения от 3 до 750 кВ. Общие технические условия. М, Стандартинформ, 2007.

118. Advanced Modeling Methods for Circuit Breakers / Claessens M., Drews L., Govindarajan R., Ilolstein M., Eohrberg II., Robin-Jouan P. // CIGRE, A3-106, 2006, C. 1-10.

119. Trepanier J., Reggio M., Analysis of Dielectric Strength of SF6 Circuit Breaker // IEEE Trans. Power delivery, vol.6, 1991, C. 809.

120. Ильин A.C., Шипицын B.B., Актуальные проблемы дугогашения // сборник докладов конференции, УПИ 2001 г., г. Екатеринбург

121. Ильин А.С., Шипицын В.В., Преимущество выключателей бакового типа по сравнению с выключателями колонкового типа // Научные труды III отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-У11И, Екатеринбург, 2002 г., С.381-382.

122. Ильин А.С., Шипицын В.В., Различные влияния на характеристику дуговых процессов в дугогасительных камерах элегазовых выключателей // Научные труды I отчетной конференции молодых ученых ГОУ BIIO УГТУ-УПИ, Екатеринбург, 2001, С.267-268.

123. Ильин A.C., Шипицын В.В., Влияние геометрии и материала элементов дугогаеительной камеры на процессы гашения дуги в высоковольтной аппаратуре // Научные труды II отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВИО УГТУ-УПИ, Екатеринбург, 2002, С.411-412.

124. Ильин A.C., Шипицын В.В., Основные параметры для расчета газового потока при моделировании процессов дугогашения // Научные труды V отчетной конференции молодых ученых Г ОУ ВПО УГТУ-УПИ, Екатеринбург,

2004, С.441.

125. Ильин A.C., Шипицын В.В. Обобщенные вольтамперные характеристики дугового разряда, охлаждаемого продольным потоком газа и радиальной теплопроводностью // Научные труды VI отчетной конференции молодых ученых ГОУ BIIO УГТУ-УПИ, Екатеринбург, 2005

126. Ильин A.C., Шипицын В.В. Применение модели раздельного течения газов при моделировании процессов дугогашения // Научные труды VII отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГ ТУ-УПИ, Екатеринбург,

2005, С.71-74.

127. Ильин A.C., Шипицын В.В., Ягов Д.А. Моделирование газодинамических и термодинамических процессов при гашении дуги в элегазе // V-я научно-практическая конференция с международным участием «Проблемы и достижения в промышленной энергетике» Екатеринбург, 2005 г., С.171-174.

128. Ильин A.C., Шипицын В.В. Оценка лидерного канала в элегазе // Научные труды VIII отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, Tl., 2005 г. С.216-217

129. Ильин A.C., Шипицын В.В. Моделирование электрической дуги капаловой моделью применительно к моделированию процессов дугогашения в высоковольтной аппаратуре // Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение и нетрадиционные возобновляемые источники энергии», Екатеринбург, 2004 г.

130. Ильин A.C., Шипицын B.B. Применение теоремы подобия физических процессов в расчетах газодинамических процессов при гашении дуги в высоковольтной аппаратуре // Научные труды IX отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, Tl., 2005 г. С.308-310.

131. Ильин A.C., Шипицын В.В. Определение скорости газового потока при расчетах процессов дугогашения в высоковольтной аппаратуре /У Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение и нетрадиционные возобновляемые источники энергии», Екатеринбург, 2005 г., С.70-72.

132. Ильин A.C., Шипицын В.В. Турбулентность газового потока в дугогасительных устройствах высоковольтной аппаратуры // Материалы Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий», Екатеринбург, 2006 г., С.302-305.

133. Ильин A.C., Шипицын В.В. Основные критериальные уравнения, используемые при расчетах газодинамических процессов дугогашения // Сборник докладов по материалам VIII научно-практической конференции с международным участием «Энергосберегающие техника и технологии», Екатеринбург, 2005 г., С.96-98.

134. Ильин A.C. Численное моделирование процессов гашения дуги в высоковольтном выключателе / Электротехника, №12, Москва, 2011г., С 36-42.

135. Ильин A.C. Численное моделирование процессов гашения дуги в элегазовом выключателе высокого напряжения и сравнение результатов с реальными испытаниями // Научно-технический вестник Поволжья, №5, Казань, 2011, С.140-146.

136. Ильин A.C., Шипицын В.В., Ягов Д. А. Моделирование газодинамических и термодинамических процессов при расчетах дугогасительного устройства в высоковольтных выключателях // Материалы

Всероссийской научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение и нетрадиционные возобновляемые источники энергии», Екатеринбург, 2004 г., C.139-14L

137. Knobloch II., Habedank U. Arc resistance at current zero: a tool to describe the breaking capacity of SE6 circuit-breakers at short-line faults // Proc. Eleventh International Symposium on High Voltage Engineering (ISH-99). 1999. (Conf. Publ. No. 467). vol. 3, pp. 205-208 | DOI: 10.1049/cp: 19990735.

138. Ильин A.C. Определение максимальной коммутационной способности элегазового выключателя высокого напряжения с помощью численного моделирования процессов дугогашсния // Энергетика: Эффективность, надежность, безопасность: материалы XVII Всероссийской научно-технической конференции, ТПУ, Томск, 2011, С. 31-33.

139. Аракелян В .Г. Физическая химия элегазового электротехнического оборудования // М.: Издательство МЭИ, 2002, С. 296, с иллюстрациями.

140. Ильин А.С. Применение численного моделирования ири расчетах процессов дугогашения в газовой среде в выключателях высокого напряжения // ЭЛЕКТРО. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность, №1 Москва, 2012, С. 44-47.

1. Шаг:

Дано:

Контур ДГК, dS/dt (график движения подвижного контакта), ро- плотность газа при нормальных условиях, V - объем газа;

M ро* V/(R*T)

Будем считать W=E/m -удельная энергия по массе [Дж/кг]. То=273К -начальная температура

Wo энергия газа начальная/масса газа (исходя из начальной температуры), At временной шаг;

Графики зависимостей:

a=-=f(W) проводимость газа от удельной энергии по массе; I t'(W) температура газа от удельной энергии по массе; a -f(W) -- скорость звука в газе от удельной энергии по массе;

Ф -- фаза начала процесса для тока отключения, Отключаемый ток I, кА

> i(t)~ I*sin(cot I ф) ид - напряжение на дуге, В

RKp -- критическое сопротивление, Ом (определяет критерий, когда считается, произошло отключение)

к(%) -- коэффициент излучения - определяет часть энергии дуги, затраченную на излучение (возможно учесть и потери на абляционный массоперенос); Принимается частота синусоиды тока ^ 50Гц; UriHH f(t) график напряжения IIBH.

2. Шаг t0:

Определение поля температур, распределенное по всем ячейкам. Для каждой ячейки: T f(W). а \¥>1Ч С*Т„

тяч %1/п, где п - кол-во ячеек газа (считаем равномерным распределение массы газа в

начальный момент времени to)

Определяем проводимость каждой ячейки по W:

аяч T(W„4)

Считаем проводимость по слоям, путем сложения проводимостей ячейки одного слоя, например, слоя]:

а,- - ? гг . .

,-Ъ

Ы

И так для каждого слоя - получим поле проводимостей для всех ячеек г аза. Определяется Нагрев канала протекания тока 1(1):

цг

0 т , распределяем энергию канала но ячейкам

канала: А№яЧ=\Уд/псл .

Далее выполняется обмен энергиями ячеек холодных и горячих за счет конвективного теплопереноса, пропорционально массам по закону:

дТ дТ д Г

с- р- — + с-р-и-— = стэЕ- +

dt р дх уду

„ дТ у ■ Л--

v дУ ;

Р

¿Яд - ¿Яс = <3(1¥г • тг ) + рдУ => разделим все на массу: IV -IV - ¿/(ТУ ) +

гг д гг с ™ \гг г) за счет переноса масс:

т 1

IV,

1-.1

■т

/,,+Л? ^

/П+А/

<п

получим энергию ячеики.

'о+Л'

Уравнение постоянства расходов.

1. При адиабатическом движении масса втекающего газа в сечение 1 за 1 секунду:

™x=P\f\®\i С1)

где f- сечение, со- скорость, р - плотность.

Для сечения 2 можно найти аналогичное значение т2, принимая mi=m2. можно получить условие постоянства массового расхода:

qfco = const. (2)

При неравномерном сечении f но длине потока можно получить уравнение скорости вдоль линии потока по уравнению Гюгонио с учетом скорости звука

а:

df dco

f ®

f 2 со

Ka2 j

(3)

Далее по уравнению Бернулли получим энергию, втекающую в неравномерный канал с сечениями Г, которая будет равна выносимой энергии из этой трубы.

Пока это делается без учета нагрева дугой.

Полная энергия и равна сумме потенциальной ип и кинетической ик энергий, в свою очередь энергия потенциальная равна сумме энергий от давления ир, веса ит, и внутренней энергии газа иг, которая будет в свою очередь равна сумме внутренних кинетических 11вк и потенциальных ивп энергий . Так как тесопБ! из (2), то для сечения 1:

(4)

т 2

= Л (5)

т р,

и

m 1

т

= (6)

;с' ^ v*7; = ^ , (7)

т т р, cv Р\\к-Ч

То же самое можно выполнить и для сечения 2. Далее, учитывая закон сохранения энергии, имеем:

^ 1 7' 4- /' , + + ¡} (8) 2 Р\ Рх{к-\) 1 2 р2 р2{к-1)

где к - постоянная адиабаты, г - координата горловины сопла, Р - давление, g -ускорение свободного падения.

Отсюда можно получить начальную величину теплосодержания - энтальпию

Ь0:

= (9)

к-1 к-\р

где Я - универсальная газовая постоянная.

После чего добавлялся учет турбулентности, описанный в главе 2 и учет нагрева от дуги.