Моделирование и разработка системы дугогашения низковольтного автоматического выключателя тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.01, кандидат наук Квашнин Андрей Олегович

• Квашнин Андрей Олегович
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Квашнин Андрей Олегович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Анализ состояния современных теории и практики в области проектирования системы дугогашения низковольтного автоматического выключателя

1.1 Патентные исследования по элементам конструкций дугогасительной камеры и контактной части автоматического выключателя

1.2 Технический уровень и тенденции развития

1.3 Анализ формы токоподводов к контактам

1.4 Анализ конструкции неподвижных контактов

1.5 Анализ конструкций подвижных контактов

1.6 Анализ конструкции дугогасительной решетки

1.7 Анализ элементов пламягашения дугогасительных камер

1.8 Выводы и постановка задачи исследования

ГЛАВА 2. Разработка методики расчета теплового состояния токовводов и перемещения электрической дуги в низковольтном автоматическом выключателе

2.1 Анализ теплообменных процессов контактной системы автоматического выключателя

2.1.1 Описание математической модели теплообменных процессов контактной системы автоматического выключателя

2.1.2 Результаты моделирования теплообменных процессов системы контактов автоматического выключателя

2.2 Разработка математической модели дугогасительной системы автоматического выключателя

2.2.1 Реализация движущейся сетки

2.2.2 Учет ферромагнитных свойств дугогасительной решетки

2.2.3 Учет влияния испарения на охлаждение в модели

2.2.4 Результаты моделирования работы дугогасительной камеры

2.3 Выводы по главе

ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования низковольтного автоматического выключателя

3.1 Исследование теплового состояния контактной системы низковольтного автоматического выключателя

3.2 Исследование отключающей способности низковольтного автоматического выключателя

3.3 Выводы по главе

ГЛАВА 4. Верификация математических моделей работы низковольтного автоматического выключателя

4.1 Верификация математической модели теплообменных процессов контактной системы автоматического выключателя

4.2 Верификация математической модели дугогасительной системы автоматического выключателя

4.3 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение 1. Таблица патентов

Приложение 2. Акт внедрения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование и разработка системы дугогашения низковольтного автоматического выключателя»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации. В последние десятилетия электроэнергия стала необходимой для развития и благосостояния индустриальных обществ, а взаимосвязь инноваций в области электроэнергетики и экономического развития государства является общепризнанным фактом.

В наши дни электропотребление продолжает стремительный рост, в сложившейся ситуации возрастает ответственность энергосистемы по бесперебойной поставке и эффективному использованию электроэнергии. Таким образом, обслуживание и оптимизация всех её компонентов является важнейшей задачей. Одним из наиболее важных электротехнических устройств, определяющим устойчивую и безопасную работу энергосистемы, является коммутационный аппарат.

Первоначальный анализ безопасной работы энергосистемы приводит к выделению двух основных типов защитных устройств: автоматических выключателей и предохранителей. В отличие от предохранителей, которые должны заменяться после каждого срабатывания, автоматические выключатели имеют возможность повторного включения, что делает эти устройства более совершенными. Автоматический выключатель может быть определен как электротехническое устройство, предназначенное для оперативных и защитных коммутаций электрической цепи. Защитные функции автоматического выключателя направлены на безопасность людей, а также на предотвращение повреждения электрической цепи от токов перегрузки или короткого замыкания. Автоматический выключатель также можно использовать для изменения конфигурации сети, удовлетворяя потребности в оптимизации или реконфигурации. Все автоматические выключатели имеют общие особенности, касающиеся описания режимов работы, хотя некоторые детали существенно варьируются в зависимости от диапазона напряжения или тока.

В последние годы анализ коммутационных процессов в автоматическом выключателе вызывает все больший интерес в исследовательском сообществе из-

за потребности в повышении их коммутационной способности. В тоже время модернизация автоматических выключателей не может быть решена только экспериментальными исследованиями. В связи с чем, разработка математической модели переходных процессов в дугогасительной камере выключателя, отражающей основные закономерности горения и гашения электрической дуги, приобретает главенствующее значение. Тем не менее, в опубликованных научных работах отмечается недостаточная разработанность адаптивных расчетных моделей горения и гашения электрической дуги в автоматических выключателях.

В связи с вышесказанным и важностью низковольтных автоматических выключателей в энергосистеме вопрос о методике проектирования контактных, токоведущих систем, а также системы дугогашения является одним из наиболее актуальных вопросов в области разработки электротехнических устройств.

Проектирование системы дугогашения автоматического выключателя и повышение его эксплуатационных характеристик базируются на глубоком понимании дугогасительных процессов. Отечественными специалистами в области проектирования, разработки и моделирования внесен значительный вклад в развитие теории, к ним относятся Брон О.Б., Сушков В.В., Беляев А.В., Таев И.С., Буткевич Г.В. и др. исследователи. Повышением ресурса работы низковольтных аппаратов и моделированием коммутационных процессов занимались известные отечественные специалисты: Куклев Ю.В., Апполонский С.М., Фролов В.Я., Могилевский Г.В., Намитоков К.К. и др. Описание переходных процессов может быть получено с помощью инструментов моделирования и экспериментальных исследований. Описание данных процессов может быть получено с помощью инструментов моделирования или экспериментальных исследований. Преимущество численного моделирования заключается в том, что оно позволяет получить эволюцию физических величин, которую было бы трудно измерить при лабораторных испытаниях. Таким образом, нестационарная математическая модель работы автоматического выключателя, описывающая физические явления в системе дугогашения, будет способствовать повышению эффективности проектирования низковольтных автоматических выключателей.

Объектом исследования является система дугогашения низковольтного автоматического выключателя.

Предметом исследования являются тепловые процессы при длительном протекании тока через контактную систему низковольтного автоматического выключателя и переходные процессы гашения электрической дуги в дугогасительной системе низковольтного автоматического выключателя.

Цель диссертационной работы заключается в повышении эффективности проектирования дугогасительной системы низковольтного автоматического выключателя путем разработки методики расчета перемещения и гашения электрической дуги в системе с электромагнитным дутьем с учетом конфигурации контактной системы и дугогасительной решетки.

Задачи исследований

1. Выполнить анализ состояния современных теории и практики в области проектирования системы дугогашения низковольтного автоматического выключателя.

2. Разработать математическую модель теплового состояния контактной и токоведущей систем автоматического выключателя и выполнить ее верификацию.

3. Разработать нестационарную математическую модель перемещения и гашения электрической дуги в процессе работы автоматического выключателя и выполнить ее верификацию.

4. Выполнить экспериментальные исследования теплового состояния контактной и токоведущей систем автоматического выключателя.

5. Разработать методику проведения экспериментальных исследований коммутационной способности низковольтного автоматического выключателя.

Научная новизна

1. Разработана математическая модель теплового состояния контактной и токоведущей систем автоматического выключателя. Применение данной математической модели позволяет получить распределение температуры в

элементах конструкции автоматического выключателя с абсолютной погрешностью, не превышающей 4°С в динамическом и 1 °С в установившемся режимах.

2. Разработана нестационарная математическая модель с двигающейся расчетной сеткой процесса коммутации низковольтного автоматического выключателя.

3. Разработана адаптивная модель, позволяющая выполнить анализ физических процессов в дугогасительной системе низковольтного автоматического выключателя и оценить влияние конструктивных элементов и свойств материалов на процесс дугогашения.

Теоретическая значимость работы заключается в разработке:

- методики численного анализа теплового состояния контактной токоведущей системы низковольтного автоматического выключателя;

- рекомендаций по проектированию контактной системы низковольтного автоматического выключателя с целью повышения эксплуатационного ресурса;

- методики анализа системы дугогашения автоматического выключателя на основе результатов численного моделирования;

- рекомендаций по проектированию системы дугогашения автоматического выключателя.

Методы исследования. Теоретические исследования основаны на разработке как стационарных (установившийся режим), так и нестационарных математических моделей работы автоматического выключателя низкого напряжения с применением численных методов моделирования в обеспечении Comsol Multiphysics. Лицензированное программное обеспечение Comsol Multiphysics основано на использовании метода конечных элементов. Экспериментальные исследования базируются на изучении теплового состояния контактной и токоведущей систем на основе применения методов нестационарной прикладной теплометрии, а также коммутационной способности низковольтного автоматического выключателя с использованием высокоскоростной съемки и синхронной системы регистрации электрических параметров. Верификация

результатов численного моделирования осуществлена на основе полученных экспериментальных данных.

Обоснованность и достоверность научных положений, изложенных в диссертации, основана на применении фундаментальных законов физики и общеизвестных положений МГД и термодинамики. Расчет работы автоматического выключателя низкого напряжения основан на применении методов численного моделирования в программном продукте Comsol Multiphysics для моделирования физических процессов и верификации результатов моделирования с использованием экспериментальных данных.

Практическая значимость работы заключается в применении результатов диссертационного исследования при проектировании новых и модернизации существующих конструкций низковольтных автоматических выключателей.

Положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель теплового состояния контактной и токоведущей систем автоматического выключателя.

2. Нестационарная математическая модель с двигающейся расчетной сеткой процесса коммутации низковольтного автоматического выключателя.

3. Методика выполнения экспериментальных исследований теплового состояния контактной и токоведущей систем автоматического выключателя.

4. Методика выполнения экспериментальных исследований коммутационной способности низковольтного автоматического выключателя.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на следующих научных конференциях:

1. XXII Международная конференция «Physics of Switching Arcs» (Чехия, Нове-Место-на-Мораве, 2017).

2. Международная конференция «2018 IEEE NW Russia Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference» (Россия, Санкт-Петербург, 2018).

3. XXIII Международная конференция «Physics of Switching Arcs» (Чехия, Нове-Место-на-Мораве, 2019).

Личный вклад. На всех этапах работы автор непосредственно принимал участие в постановке задачи и методах исследования, разработке математических моделей работы автоматического выключателя низкого напряжения, разработке методик экспериментальных исследований, проектировании и изготовлении опытного образца и методов диагностики, монтаже экспериментального оборудования, обработке результатов численного моделирования и экспериментальных исследований работы автоматического выключателя.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 71 наименование и двух приложений. Полный объем диссертации - 106 страниц, в том числе рисунков - 71, таблиц - 8.

Список публикаций автора по теме диссертации:

1. Murashov I. Investigation and numerical simulation of a high-current ac circuit breaker / Murashov I., Frolov V., Kvashnin A., Valenta J., Simek D., Dostal L., Kloc P. // Plasma Physics and Technology. - 2017. V. 6(3). - P. 235-238. doi: https: //doi.org/10.14311 /ppt.2019.3.235 (рекомендовано ВАК, индексируется в базе SCOPUS)

2. Frolov V.Y. Nonstationary mathematical model of a magnetic arc blast system

/ Frolov V.Y., Kvashnin A.O., Murashov I.V. // Proceedings of the 2018 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering, ElConRus 2018. - 2018. - P. 622-625. doi: 10.1109/EIConRus.2018.8317173 (рекомендовано ВАК, индексируется в базе SCOPUS)

3. Murashov I. Analysis of electromagnetic processes inside the arc interrupting system of a high-current circuit breaker / Murashov I., Frolov V., Ivanov D., Kvashnin A. // 22nd Symposium on Physics of Switching Arc. - 2017. - P. 161-164. doi: 10.14311/ppt.2017.2.161 (рекомендовано ВАК, индексируется в базе SCOPUS)

4. Murashov Iu. Numerical simulation of heat transfer processes of the circuit breaker contact system / Murashov Iu., V. Frolov, A. Kvashnin // IOP conference series: materials science and engineering. - 2019. - V. 643. doi: 10.1088/1757-899X/643/1/012116

ГЛАВА 1. Анализ состояния современных теории и практики в области проектирования системы дугогашения низковольтного автоматического выключателя

Основной задачей автоматического выключателя является возможность своевременного переключения из проводящего состояния в изолированное (токонепроводящее) состояние и наоборот. Характеристика идеализированного выключателя представляет собой мгновенный разрыв во временной области, приводящей к сингулярности производной по времени. В реальных электрических сетях такое не представляется возможным в виду наличия индуктивности, т.е. в реальных сетях процессы коммутации протекают быстро (чем быстрее, тем лучше), но не мгновенно.

Работа большинства низковольтных автоматических выключателей основана на прерывании электрического тока, за счет увеличения расстояния между электродами в среде диэлектрика. В процессе размыкания контактов эта среда, как правило, газообразная, становится проводящей из-за высоких температур, что позволяет проводить электрический ток через нее (электрический разряд в газе). Данный процесс ионизации газа приводит к формированию электрической дуги. Таким образом, протекающие процессы в большинстве низковольтных автоматических выключателей характеризуются электрической дугой, которая представляет собой сложное явление, при котором происходит множество физических взаимодействий за очень короткое время.

Во время размыкания нагрев окружающего воздуха инициируется, как только начинает уменьшаться контактное давление между замкнутыми токоведущими контактами. Площадь контакта, которая определяется контактным давлением, жесткостью и геометрией контактов, постепенно уменьшается с соответствующим приращением электрического сопротивления и джоулева нагрева. Вырабатываемая таким образом энергия сначала диссоциирует, а затем ионизирует молекулы и атомы, приводя воздух в состояние плазмы.

Термин «плазма» был введен Ирвингом Ленгмюром [1, 2] (амер. химик), который был первооткрывателем данного поля исследований, от греческого слова «лАяаца», означающего формуемое вещество. Также называемое четвертым состоянием вещества после твердого, жидкого и газообразного состояний. Плазма, по сути, является ионизованным газом, причем электроны, удаленные из молекул или атомов, являются носителями заряда, которые гарантируют проводимость [3]. В случае высокой плотности, т.е. при нормальных условиях давления и типичных температурах низковольтной плазменной дуги автоматического выключателя (приблизительно в диапазоне от 10000 К до 20000 К) электрическая проводимость может достигать 104 См/м, что на три порядка ниже, чем у металлов, но на много порядков выше, чем у «холодного» воздуха (диэлектрика).

Вследствие сильно нелинейной температурной зависимости электрической проводимости дуга представляет собой физическое явление, позволяющее очень быстро переходить из проводящего в изолирующее состояние и наоборот. С другой стороны, дуга вносит ряд очень негативных последствий в работу автоматического выключателя. Джоулев нагрев приводит к выделению значительной тепловой мощности, рассеиваемой внутри дугогасительной камеры автоматического выключателя, вызывая абляцию материала как электрических контактов, так и окружающих пластиковых элементов конструкции, тем самым постепенно ухудшая коммутационные характеристики после каждой операции. Кроме того, повышение давления, вызванного тепловым расширением газа (воздуха), также может быть разрушительным и привести к механическим повреждениям выключателя. Одним из наиболее отрицательных недостатков низковольтной электрической дуги является ее недостаточная повторяемость даже при схожих условиях, что обусловлено ее нестабильностью и механической деградацией элементов конструкции под воздействием высоких температур.

Очевидно, что моделирование любого автоматического выключателя, особенно низковольтного, является моделированием дуговой плазмы, и её динамического развития, которое определяет рабочие характеристики автоматического выключателя. С развитием компьютерной техники и

программного обеспечения для моделирования вычислительной механики жидкости и термической плазмы численный анализ стал эффективным методом по изучению магнитной газовой динамики электрической дуги автоматического выключателя.

Одна из наиболее значимых моделей была создана М. Линдмайером и представляет собой трехмерную МГД-модель низковольтной дуги для дугогасительной камеры с параллельными электродами для анализа процесса изменения температуры и давления [4]. Ключевыми недостатками данной модели являются отсутствие учета влияния дугогасительной решетки, отведением тепла за счет теплопроводности окружающих материалов и статичное положение контактов (оказывает существенное влияние на динамические характеристики электрической дуги). Исследователи из Сианьского университета транспорта создали трехмерную модель электрической дуги воздушного выключателя, основанную на применении МГД уравнений, с учетом процесса размыкания контактов и дугогасительной решетки [5-8]. Необходимо отметить, что в данных моделях положение контактов является статичным и соответствует предельному положению, магнитные свойства материала дугогасительной решетки описываются линейным выражением (1.1) без учета нелинейности кривой намагничивания ферромагнитного материала.

В = juH (1.1)

На данный момент модели, представленные лабораторией электрической изоляции и электротехники Сианьского университета транспорта, наиболее близко описывают работу автоматического выключателя. Кроме того, публикационная активность сотрудников данной лаборатории является самой высокой (см. рис. 1.1), даже в сравнении с промышленными гигантами индустрии по производству автоматических выключателей (данные актуальны на 8.11.2019г. в соответствии с базой SCOPUS [9]).

Лидирующую позицию в направлении развития воздушных автоматических выключателей в энергетическом оборудовании занимают компании: Schneider Electric, Siemens, ABB, о чем также свидетельствует анализ публикационной активности в период с 1974г. по 2019г. (см. рис. 1.2). При анализе публикационной

активности последних пяти лет необходимо отметить существенное увеличение числа публикаций компании Siemens, что позволило им занять лидирующую позицию в рейтинге среди коммерческих организаций (см. рис. 1.3). Тем не менее, технические решения, используемые в разработках этих компаний, как показывает анализ, не являются совершенными, а больше нацелены на массовость производимой продукции.

В основе современных технических решений лежат научные исследования российского электротехника и конструктора Михаила Осиповича Доливо-Добровольского (1862-1919). Подтверждением выше сказанного являются патенты № 266745 и № 272742 [10]. В практике нашли применение два основных вида конструкций дугогасительной камеры автоматического выключателя (см. рис. 1.4).

Рисунок 1.1 - Публикационная активность в области проектирования автоматических

выключателей в период 2014-2019гг.

В схеме на рис. 1.4, а дуга 5 зажигается на дугогасительных контактах и переходит на боковые пластины 1, двигаясь в направлении дугогасительной решетки 4 под действием магнитного поля. Напряжение на дуге достигает максимального значений напряжения питания и ток в цепи снижается до нуля по экспоненциальной зависимости. На рис. 1.4, б электрическая дуга 5 зажигается на контактах 2,3 и последовательно входит в промежутки дугогасительной решетки 4 по мере увеличения расстояния между подвижным контактом 3 и неподвижным 2. Значение падения напряжения на дуге увеличивается постепенно по закону близкому к линейному. Длительность горения дуги обратно пропорционально

зависит от скорости разведения контактов и числа пластин дугогасительной решетки. Схема на рис. 1.4, а (при равных условиях) позволяет получить меньшую продолжительность горения электрической дуги, чем схема, представленная на рис. 1.4, б. Обеспечение одновременного втягивания дуги во все промежутки дугогасительной решетки осуществляется за счет создания внешнего магнитного поля.

Рисунок 1.2 - Публикационная активность в области проектирования автоматических выключателей среди коммерческих организаций в период 1974-2019гг.

Рисунок 1.3 - Публикационная активность в области проектирования автоматических выключателей среди коммерческих организаций в период 2014-2019гг.

Рисунок 1.4 - Виды конструкций систем магнитного дутья

1.1 Патентные исследования по элементам конструкций дугогасительной камеры и контактной части автоматического выключателя

Объектами патентных исследований являются: элементы дугогасительной системы, а именно: контактная часть (подвижные контакты, неподвижные контакты, токоподводы) и дугогасительная камера (дугогасительная решетка, пламягасительная часть) низковольтных автоматических выключателей. Поскольку эффективность работы выключателя зависит от особенностей конструкций элементов выключателя, то при анализе технических решений будем руководствоваться публикациями отечественных и зарубежных изданий, а также анализом патентов (авторских свидетельств) зарубежных и отечественных. Целью и основной направленностью анализа является повышение отключающей способности автоматического выключателя, обусловленной большими токами коммутации, посредством увеличения скорости перехода тока и дугового разряда в системе: главные контакты - дугогасительные контакты - дугогасительная решетка (включая дугогасительные рога).

В процессе анализа патентных (см. Приложение 1) и литературных данных основное внимание обращалось на пять аспектов, связанных с разработкой элементов конструкции автоматического выключателя:

анализ конструкций токоподводящих элементов;

3

2

- анализ конструкций контактной системы главных и дугогасительных контактов (подвижных и неподвижных);

- анализ конструкций дугогасительной решетки;

- анализ конструкций пламягасящей сетки;

- обоснование и выбор электротехнических материалов, применяемых в качестве электрических контактов, дугогасительной решетки.

Разрабатываемое в диссертационном исследовании дугогасительное устройство многополюсного выключателя, в котором электрическая дуга под действием электродинамических сил, создаваемых собственным магнитным полем и полем, создаваемым расположением подвижного и неподвижного контактов, перемещается в направлении дугогасительной решетки.

Однако, как показывает практика, отсутствие электрического потенциала на одной из двух ферромагнитных пластин (см. рис. 1.5), затрудняет быстрый сход электрической дуги с ламелей подвижного контакта и втягивание в дугогасительную решетку. Это приводит к длительному процессу (до 3...5мс) перемещения дуги к пластинам дугогасительной решетки при отключении токов короткого замыкания, и как следствие, приводит к сильной эрозии электродов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является дугогасительное устройство низковольтного автоматического выключателя с параллельными контактами Патент Европейский EP0957500A1, 29.04.1999 Schneider Electric - низковольтный автоматический выключатель c параллельными контактами, содержащее вспомогательные ферромагнитные пластины, закрепленные с двух сторон дугогасительной решетки. Под действием электродинамических сил (сила Лоренца) электрическая дуга перемещается на ферромагнитные пластины, что значительно снижает эрозию дугогасительных контактов. Однако, необходимость создания выключателей с большой коммутационной способностью на токи до 150...300 кА показала, что такое устройство уже исключает возможность успешной коммутации больших токов из-за относительно медленного перехода дуги на вспомогательные ферромагнитные пластины. Это приводит к возрастающей эрозии дугогасительных контактов (как

следствие провал электродов) и пластин дугогасительной решетки, ограничивая коммутационный ресурс аппарата.

Рисунок 1.5 - Вид дугогасительной камеры и контактов низковольтного автоматического

выключателя в разрезе Повышение коммутационной способности и коммутационного ресурса достигается тем, что в дугогасительном устройстве многополюсного выключателя к обеим вспомогательным ферромагнитным пластинам дугогасительной решетки подводится питающее напряжение через электрическую связь с подвижным и неподвижным контактами. Причем электрическая связь подвижного контакта обеспечивается через подключение к вспомогательной ферромагнитной пластине катушки из ферромагнитного материала. Новизна предлагаемого технического решения заключается в новой совокупности известных признаков. Взаимодействие данных признаков явилось причиной возникновения нового свойства, выражающегося в увеличении скорости перемещения электрической дуги в дугогасительную решетку и собственного ограничения коммутируемого тока с ускорением деионизационных процессов в дугогасительной решетке.

1.2 Технический уровень и тенденции развития

При анализе уровня технического развития в области проектирования низковольтных автоматических выключателей привлекалась информация об изобретениях, раскрытая в охранных документах. По фондам охранных документов России, США и стран Евросоюза, ФИПС (Федеральный институт промышленной собственности); в информационных базах: ЕАПО (Евразийская патентная организация); EPO (European Patent Office); USPTO (United States Patent and Trademark Office); INPI (European Patent Database); Google Patent (Международная патентная база).

В процессе поиска для дальнейшего анализа из более, чем 900 результатов поиска было отобрано 11 патентов.

Небольшое количество отобранных патентов из фондов стран Евросоюза и США подтверждает локальный характер проблем и разработок.

В настоящем исследовании в качестве объекта рассматриваются контактная часть (подвижные контакты, неподвижные контакты, токоподводы) и дугогасительная камера (дугогасительная решетка) низковольтных автоматических выключателей.

В соответствии с темой диссертационного исследования, а именно повышение отключающей способности автоматического выключателя, позволит обеспечить эффективную работу аппарата и сократить эрозию электродов, прогнозировать и управлять режимами работы оборудования.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Квашнин Андрей Олегович, 2020 год

Комплект источников

постоянного тока ГОРН-К - -

регулируемых

зав.№ 7244

Вольтамперметр М2044 свид. №0060834 от 03.05.2017 г. 02.05.2018

Прибор для измерения температуры ТЕРМОДАТ 25М5 зав.№ ТВ10Х14804 свид. первичное от 27.10.2016 г. 27.10.2018

В таблице 3.3 представлены результаты измерения температуры в контрольных точках, температуры окружающей среды (Ю) и тока в каждом полюсе при испытании на нагревании номинальным током. Испытания выполнялись в течение 4 часов до достижения установившейся температуры.

Графики зависимостей температуры от времени показаны на рисунке 3.1.

Таблица 3.3

Результаты измерения температуры при температуре окружающей среды 20°С

Время нагрева Температура в контрольных точках, 0С Ток, кА

10 11 12 13 14 15

0 18 20 20 20 20 19 1

20 мин. 20 23 23 23 23 20 1

40 мин. 20 26 26 25 26 20 1

1 ч. 20 28 28 27 27 20 1

1 ч.30 мин. 20 30 30 28 30 21 1

2 ч. 21 32 31 30 31 21 1

2 ч.30 мин. 21 33 33 32 32 21 1

3 ч. 21 34 33 32 33 22 1

3 ч.30 мин. 22 34 34 33 33 22 1

4 ч. 22 34 34 33 34 22 1

О 50 100 1 50 200 250

I, МИН

Результаты измерений в контрольных точках показывают, что максимальное установившееся значение температуры на шинах полюсов выключателя (й-14) составило 34°С; максимальное установившееся значение температуры на кнопке управления лицевой панели выключателя ^5) составило 22°С. Для верхних и нижних полюсов выключателя перегрев относительно окружающей среды составил 12°С, что не превышает допустимых значений. Максимальное установившееся значение температуры кнопки управления лицевой панели выключателя соответствует максимальному установившемуся значению температуры окружающей среды.

В таблице 3.4 представлены результаты измерения температуры в контрольных точках, температуры окружающей среды ^5 и t6) и тока в каждом полюсе при испытании на нагревание при повышенной температуре окружающей среды.

Таблица 3.4

Результаты измерения температуры при повышенной температуре окружающей среды

Время нагрева Температура в контрольных точках, 0С Ток, кА

11 12 13 14 15 16 17

0 34 29 34 29 46 40 43 1

30 мин. 42 37 42 37 53 47 50 1

1 ч. 51 43 51 43 58 53 56 1

1 ч.30 мин. 57 47 56 47 62 56 59 1

2 ч. 62 52 61 51 64 58 61 1

2 ч.30 мин. 65 55 64 54 65 60 63 1

3 ч. 68 57 67 56 66 61 64 1

3 ч.30 мин. 71 60 71 59 67 62 65 1

4 ч. 72 61 72 60 68 63 66 1

4 ч.30 мин. 73 62 73 61 69 64 67 1

5 ч. 74 63 74 62 70 64 69 1

5 ч.30 мин. 75 64 75 63 70 64 70 1

6 ч.30 мин. 76 64 76 64 70 64 70 1

7 ч.30 мин. 76 64 76 64 70 64 70 1

Графики зависимостей температуры от времени при повышенной температуре окружающей среды показаны на рисунке 3.2. Результаты измерений в контрольных точках показывают, что максимальное установившееся значение температуры на шинах верхних полюсов выключателя (и и t3) составило 76°С; максимальное установившееся значение температуры на шинах нижних полюсов выключателя ^2 и t4) составило 64°С. Для верхних и нижних полюсов выключателя перегрев относительно окружающей среды составил 6°С, что не превышает допустимых значений. Максимальное установившееся значение температуры кнопки управления лицевой панели выключателя соответствует максимальному установившемуся значению температуры окружающей среды.

Рисунок 3.2 - Результаты измерения температуры (при повышенной температуре окружающей

среды)

3.2 Исследование отключающей способности низковольтного автоматического выключателя

Экспериментальные исследования отключающей способности низковольтного автоматического выключателя были выполнены на силовом стенде Технического университета г. Брно (Чехия) с использованием аттестованного оборудования лаборатории (осциллограф, камера высокоскоростной съемки и др.). Для верификации математической модели разработана методика экспериментальных исследований, включающая в себя исследования с тремя типами дугогасительной решетки (см. рис. 3.3) и различных значений токов короткого замыкания (см. таблицу 3.5).

Рисунок 3.3 - Конструкции исследуемых дугогасительных решеток Принципиальная электрическая схема для исследования отключающей способности автоматического выключателя представлена на рисунке 3.4. Измерение электрических параметров (временных зависимостей тока и напряжения) автоматического выключателя синхронизировано с высокоскоростной съемкой. Измерение тока осуществлялось с использованием пояса Роговского. Подключение автоматического выключателя осуществлялось на испытательном стенде (см. рис. 3.4) между фазным и нейтральным проводами для реализации однофазного короткого замыкания. Активация автоматического выключателя реализована с применением пневмопривода (см. рис. 3.5). Управление пневмоприводом синхронизировано с сетью для возможности коммутации в различные моменты времени относительно начала периода синусоидального напряжения. Блоки переменных индуктивностей и резисторов позволяют регулировать коэффициент мощности и величину коммутируемого тока. Прототип низковольтного автоматического выключателя разработан со

специализированными смотровыми окнами для высокоскоростной съемки (см. рис. 3.6). Испытания проводились при температуре окружающей среды 23,5°С и относительной влажности 30%.

Следующие параметры зафиксированы в протоколах экспериментальных исследований по отключающей способности автоматического выключателя:

• осциллограммы токов;

• осциллограммы напряжений на дуге;

• выделяемая в дуге тепловая энергия;

• время гашения.

Рисунок 3.4 - Принципиальная электрическая схема экспериментальной установки

Рисунок 3.5 - Пневмопривод для активации автоматического выключателя дистанционно

Рисунок 3.6 - Смотровые окна для высокоскоростной съемки

Таблица 3.5

Сводная таблица результатов экспериментального исследования

№ Тип камеры (см. рис. 3.3) 1кз, кА (дейст. зн.) 1ком., мс cosф Qдуги, кДж Гашения., мс Примечание

1 1 4 6,78 0,80 0,49 3,28 Отстройка

2 1 4 9,00 0,80 2,17 8,46 Отстройка

3 2 4 9,00 0,80 2,38 9,16 Отстройка

4 2 4 4,72 0,80 1,46 4,98 Отстройка

5 2 10 4,72 0,47 3,35 10,32 Перегрев конт-в. Гаш-е во II нуле тока

6 2 10 5,20 0,47 1,25 3,64 Успешное гаш-е См. рис. 3.7

7 2 10 5,90 0,47 0,98 2,96 Успешное гаш-е

8 2 10 6,62 0,47 0,28 2,24 Успешное гаш-е

9 1 10 6,62 0,47 3,66 9,30 Успешное гаш-е

10 1 10 4,72 0,47 3,53 5,50 Успешное гаш-е

11 1 10 5,20 0,47 1,67 3,42 Успешное гаш-е См. рис. 3.8

12 1 13 4,56 0,26 12,28 12,44 Успешное гаш-е

13 1 13 5,26 0,26 5,37 8,94 Гаш-е во II нуле тока

14 1 13 6,96 0,26 7,13 8,64 Гаш-е во II нуле тока

15 2 13 6,96 0,26 8,93 9,16 Гаш-е во II нуле тока

16 2 13 5,26 0,26 1,47 3,60 Успешное гаш-е

17 2 13 4,02 0,26 6,34 5,98 Успешное гаш-е

18 2 16 5,62 0,30 3,69 7,82 Гаш-е во II нуле тока

19 2 16 1,46 0,30 9,33 6,96 Успешное гаш-е

Таблица 3.5 (продолжение)

№ Тип камеры (см. рис. 3.3) кз, кА (дейст. зн.) 1ком., мс cosф Qдуги, кДж Гашения., мс Примечание

20 2 16 5,03 0,30 5,39 9,04 Гаш-е во II нуле тока

21 1 19 7,01 0,26 6,19 9,44 Гаш-е во II нуле тока

22 1 19 3,49 0,26 17,96 12,68 Гаш-е во II нуле тока

23 1 19 1,47 0,26 12,04 5,86 Успешное гаш-е

24 2 19 2,70 0,26 18,56 13,08 Гаш-е во II нуле тока

25 2 19 5,00 0,26 11,36 11,02 Гаш-е во II нуле тока

26 2 19 6,23 0,26 14,34 18,86 Гаш-е в III нуле тока

27 2 26 7,04 0,22 17,69 9,08 Гаш-е во II нуле тока

28 2 26 4,51 0,22 4,43 5,36 Успешное гаш-е

29 3 4 5,34 0,80 2,85 12,72 Гаш-е во II нуле тока

30 3 4 8,73 0,80 2,39 9,02 Гаш-е во II нуле тока

31 3 4 1,96 0,80 1,98 6,92 Успешное гаш-е

32 3 10 1,98 0,47 4,31 6,66 Успешное гаш-е

33 3 10 4,02 0,47 7,13 14,04 Гаш-е во II нуле тока См. рис. 3.9

34 3 10 6,52 0,47 5,29 10,44 Гаш-е во II нуле тока

35 3 12 4,48 0,26 11,32 12,16 Гаш-е во II нуле тока

36 3 12 7,06 0,26 >34,07 >40,48 Нет гашения

Таблица 3.5 (продолжение)

№ Тип камеры (см. рис. 3.3) кз, кА (дейст. зн.) ^ом., мс cosф Qдуги, кДж Гашения., мс Примечание

37 3 13 1,07 0,26 6,85 6,58 Успешное гаш-е

38 3 13 4,27 0,26 >22,23 >22,14 Нет гашения

39 3 13 6,49 0,26 8,39 10,46 Гаш-е во II нуле тока

40 3 16 7,36 0,30 9,56 9,76 Гаш-е во II нуле тока

41 3 16 3,27 0,30 13,45 12,62 Гаш-е во II нуле тока

42 3 16 0,17 0,30 9,25 7,22 Успешное гаш-е

Д ,ополнительные испытания*

43 1 (модерн.) 19 7,46 0,26 13,22 9,2 Гаш-е во II нуле тока

44 1 (модерн.) 19 4,49 0,26 4,10 4,38 Успешное гаш-е

45 1 (модерн.) 19 2,17 0,26 9,56 5,62 Успешное гаш-е

46 1 (модерн.) 26 9,89 0,22 25,64 15,76 Гаш-е в III нуле тока

47 1 (модерн.) 26 1,56 0,22 16,40 5,54 Успешное гаш-е

48 1 (модерн.) 26 7,04 0,22 15,51 9,16 Гаш-е во II нуле тока

*Используется модернизированная дугогасительная решетка с приложенным

потенциалом.

Кадры с высокоскоростной камеры, синхронизированные с осциллограммами тока и напряжения, для опыта №23 (см. таблицу 3.5) представлены на рисунках 3.10-3.19 (масштаб по току: 100 кА/В; масштаб по напряжению: 1,1 кВ/В).

/Л / \ лЛЛЛ J*V

\ / \ V \ I У V / / '

--\ ~ -уМЧ V \ 1 Y / / 1

чУ 1 1 \лЛ | / -

■1.5

0.23 0.24 0.25 0.26

t, с

Рисунок 3.7 - Осциллограммы тока и напряжения (опыт №6, см. таблицу 3.5)

Рисунок 3.8 - Осциллограммы тока и напряжения (опыт №11, см. таблицу 3.5)

Л i \ \

/ / / / / \ \ \ 1 а \

1 / / - / "Ч/ / / /

чУ V7

х10" 1.5

0.19 t, с

Current Time +00:00:00.153900

FASTCAM SA-X2 type 1000KM2

30000 fps

1/3410520 sec

640 x 640

Start

191 frames 0.006367 sec TRG-EXP: 3.90us LUT:002,001,0.565

Рисунок 3.10 - Результаты высокоскоростной съемки, кадр 4617 (опыт №23, см. таблицу 3.5)

Рисунок 3.11 - Результаты высокоскоростной съемки, кадр 4686 (опыт №23, см. таблицу 3.5)

Current Time +00:00:00.1 56267

FASTCAM SA-X2 type 10OOK-M2 ЗОООО fps 1/3410526 sec 640 x 640 Start

191 frames 0.006367 sec TRG-EXP: 3.90us LUT:002,001,0.565

[Jill 111w

4650 4700 4750 4800

[frame]

Рисунок 3.13 - Результаты высокоскоростной съемки, кадр 4705 (опыт №23, см. таблицу 3.5)

Рисунок 3.14 - Результаты высокоскоростной съемки, кадр 4706 (опыт №23, см. таблицу 3.5)

+00:00:00.1 57800

РАЗТСАМ БА-Х2 1уре 10ООК-М2 ЗОООО 1"рз 1/3410526 вес 640 х 640

31аг1

191 (гатей 0.006367 вес ТРЮ-ЕХР: 3.90иБ 1_иТ:002,001,0.565

0.1

4650 4700 4750 4800

|#ате]

+00:00:00.157933

File Info.

FASTCAM SA-X2 type 1000K-M2

30000 fps

1/3410526 sec

640 x 640

Start

191 frames 0.006367 sec TRG-EXP: 3.90us LUT:002,001,0.565

Рисунок 3.16 - Результаты высокоскоростной съемки, кадр 4738 (опыт №23, см. таблицу 3.5)

Рисунок 3.17 - Результаты высокоскоростной съемки, кадр 4775 (опыт №23, см. таблицу 3.5)

Current Time +00:00:00.1 59500

FASTCAM SA-X2 type 10OOK-M2

ЗОООО fps

1/3410526 sec

640 x 640

Start

191 frames 0.006367 sec TRG-EXP: 3.90us LUT:002,001,0.565

4650 4700 4750 4600

[frame]

3.3 Выводы по главе

Применяемые методики экспериментальных исследований соответствуют государственным стандартам РФ. Экспериментальные исследования по нагреву контактной системы автоматического выключателя выполнены в соответствии с ГОСТ 2933-83. Результатом испытаний являются графики зависимостей температуры от времени при 20°С и повышенной температуре окружающей среды. Данные результаты позволяют верифицировать разработанную математическую модель теплового состояния контактной системы автоматического выключателя.

Выполнено экспериментальное исследование отключающей способности низковольтного автоматического выключателя. Исследование выполнено с использованием методов высокоскоростной съемки. Выполнен анализ влияния конструкции дугогасительной решетки на процесс дугогашения. Также выполнено параметрическое исследование влияния коэффициента мощности, величины коммутируемого тока и момента коммутации на гашение электрической дуги в дугогасительной системе автоматического выключателя.

В результате экспериментальных исследований установлено, что третий тип дугогасительной решетки (см. рис. 3.3) не осуществляет дугогашение при токах короткого замыкания от 10 кА и выше. При малых значениях тока короткого замыкания (до 19 кА) процесс дугогашения более эффективно происходил при использовании второго типа дугогасительной решетки (см. рис. 3.3), значение выделяемой тепловой мощности при дугогашении в случае второго типа дугогасительной решетки значительно меньше, чем первого типа (см. таблицу 3.5)

С уменьшением значения коэффициента мощности значительно снижается отключающая способность автоматического выключателя. С увеличением времени задержки коммутации отключающая способность автоматического выключателя снижается, при коммутации автоматического выключателя во второй половине полупериода синусоидального тока короткого замыкания гашение в первом нуле тока не происходило. При модернизации дугогасительной решетки путем приложения потенциала на крайнюю пластину решетки в области подвижного

контакта наблюдается повышение отключающей способности автоматического выключателя.

На пластинах дугогасительной решетки видна эрозия пластин, что объясняется наличием на поверхности контрагированных привязок дуги в опорных точках каждой пластины по мере перемещения дуги между ними. Такое деление дуги на последовательно соединенные участки разделенных пластинами дуг будет всегда приводить к существенному расходу материала пластин.

ГЛАВА 4. Верификация математических моделей работы низковольтного автоматического выключателя

4.1 Верификация математической модели теплообменных процессов контактной системы автоматического выключателя

Верификация математической модели осуществляется по сопоставлению с результатами экспериментальных исследований, выполненных при схожих с моделируемыми режимах.

На рисунке 4.1 приведены графики зависимостей максимальной температуре на поверхности с заданным граничным условием «Terminal» (см. рис. 2.7), максимальное значение температуры контактной системы выключателя в установившемся режиме и экспериментальные данные в зависимости от времени.

Рисунок 4.1 - Графики зависимости температуры от времени при температуре окружающей

среды 20°С

Из рисунка 4.1 видно, что абсолютная погрешность не превышает 4°С, а в установившемся режиме не превышает 1°С, с учетом упрощения математической модели и принятых допущений результаты моделирования в достаточной мере

согласуются с результатами экспериментального исследования. Полученные результаты позволяют верифицировать математическую модель контактной системы автоматического выключателя.

Графики зависимостей температуры от времени при повышенной температуре окружающей среды представлены на рисунке 4.2.

д|-1-1-1-1-1—

О 5000 10000 15000 20000 25000

1, 5

Рисунок 4.2 - Графики зависимости температуры от времени при повышенной температуре

окружающей среды

Разница между результатами моделирования и экспериментального исследования обусловлена допущением о постоянном значении коэффициента теплопередачи. Для адаптации математической модели и уменьшения ошибки при моделировании необходимо использовать динамический коэффициент теплопередачи, изменяющийся при изменении градиента температуры.

4.2 Верификация математической модели дугогасительной системы автоматического выключателя

На всех этапах анализа магнитогазодинамической модели может возникать определенное количество неопределенностей и ошибок в зависимости от сложности модели. Неопределенность обычно определяется как потенциальный

недостаток вычислительной модели. Этот недостаток может возникать либо из-за недостатка знаний пользователя, относительно инструмента моделирования или значения некоторых параметров, либо из-за сложности самого физического процесса. Ошибка определяется как распознаваемые недостатки, которые обычно не вызваны недостатком знаний.

Типы ошибок можно структурировать следующим образом:

• подтвержденные ошибки: ошибки дискретизации или числа, ошибки итерации или сходимости и ошибки округления;

• неподтвержденные ошибки: ошибки пользователя и ошибки кода.

Некоторые из этих ошибок, такие как ошибки итерации и округления, в настоящее время хорошо поняты и обрабатываются. Но некоторые проблемы могут все еще возникнуть в вычислительной модели из-за ошибок дискретизации. Являясь основной целью процесса верификации, идентификации и количественного определения ошибки в вычислительной модели и ее решения, это обычно делается путем сравнения результатов решателя с высокоточными решениями.

Однако в случае очень сложных моделей или связанных задач, таких как электрическая дуга, такой подход не может быть использован.

Одним из основных источников ошибок в процессе верификации является пространственная и временная дискретизация. Таким образом, для выполнения проверки вычислительной модели необходимо экспериментальное подтверждение результатов моделирования.

Результаты моделирования, совмещенные с результатами экспериментальных исследований, представлены на рисунке 4.4 и 4.5.

Одним из важнейших данных для построения математической модели является время разведения контактов, которое было установлено в ходе экспериментальных исследований с использованием высокоскоростной камеры (см. рис. 4.3). В соответствии с результатами экспериментальных исследований время разведения контактов составляет 20 мс. В качестве исходных данных для

моделирования использована временная зависимость тока (опыт №23, см. таблицу 3.5).

Рисунок 4.3 - Идентификация скорости разведения контактов

Рисунок 4.4 - Распределение температуры (результаты численного моделирования) и осциллограммы тока и напряжения (опыт №23, см. таблицу 3.5)

На рисунке 4.4 можно наглядно наблюдать совмещение осциллограммы тока и напряжения с фрагментами визуального моделирования процесса коммутации. На рисунке отображены основные моменты, а именно, зажигание электрической дуги при разведении контактов, повторное зажигание электрической дуги в новой точке привязки и гашение электрической дуги.

1 1 1 -Результаты экспериментального исследования -Результаты моделирования 1 1

1 1 1 1 1

0.25 0.2505 0.251 0.2515 0.252 0.2525 0.253 0.2535 0.254 0.2545 0.255

Рисунок 4.5 - Верификация результатов численного моделирования На рисунке 4.5 представлен график наложения осциллограмм напряжения. Кривая напряжения красного цвета получена экспериментально (опыт №23, см. таблицу 3.), кривая напряжения синего цвета получена в результате моделирования процесса коммутации в разработанной нестационарной математической модели с подвижной расчетной сеткой при задании в качестве исходных данных времени разведения контактов и временной зависимости тока, полученных опытным путем. Результаты моделирования практически идентичны экспериментальным данным в том числе на участке шунтирования дуги сопровождающегося падением напряжения.

4.3 Выводы по главе

Выполнена верификация математической модели теплового состояния контактной системы автоматического выключателя. Верификация выполнена на основе результатов экспериментальных. Разница между результатами моделирования и экспериментального исследования обусловлена допущением о постоянном значении коэффициента теплопередачи. Абсолютная погрешность не превышает 4°С в динамическом режиме, и 1°С в установившемся режиме, с учетом упрощений математической модели и принятых допущений результаты моделирования в достаточной мере согласуются с результатами экспериментального исследования.

Верификация математической модели дугогасительной системы автоматического выключателя выполнена на основе экспериментальных исследований совместно с Брненским техническим университетом. Результаты моделирования подтверждаются результатами экспериментального исследования. Во время моделирования наблюдается многократное образование новой точки привязки дуги на неподвижном контакте, что соответствует флуктуации напряжения на дуге (из экспериментальных исследований).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Выполнен анализ состояния современных теории и практики в области проектирования системы дугогашения низковольтного автоматического выключателя. При анализе привлекалась информация об изобретениях, раскрытая в охранных документах. По фондам охранных документов России, США и стран Евросоюза, ФИПС (Федеральный институт промышленной собственности); в информационных базах: ЕАПО (Евразийская патентная организация); EPO (European Patent Office); USPTO (United States Patent and Trademark Office); INPI (European Patent Database); Google Patent (Международная патентная база). Основным трендом технического развития в области проектирования низковольтных автоматических выключателей является численное моделирование. Ключевыми недостатками существующих моделей являются отсутствие учета влияния дугогасительной решетки, отведения тепла за счет теплопроводности окружающих материалов и статичное положение контактов (оказывает существенное влияние на динамические характеристики электрической дуги).

2. Разработана математическая модель теплового состояния контактной и токоведущей систем автоматического выключателя. Математическая модель включает корреляцию Купера-Микича-Йовановича. Представлена методика расчета свойств металлокерамического материала КМК-А40. На основе разработанной математической модели теплообменных процессов контактной системы электрического аппарата выполнено численное параметрическое исследование, позволяющее идентифицировать максимальную установившуюся температуру при различных условиях и режимах работы низковольтного автоматического выключателя.

3. Разработана нестационарная математическая модель (с подвижной сеткой) перемещения и гашения электрической дуги в процессе работы автоматического выключателя. Для генерации сетки использовался метод сглаживания Лапласа. Модель учитывает влияние испарения на охлаждение и ферромагнитные

свойства дугогасительной решетки. Разделительные пластины дугогасительной камеры являются наиважнейшим фактором создания магнитной силы для удлинения, разделения и охлаждения электрической дуги. На основе результатов численного моделирования установлено, что геометрия, количество, расположение и материал пластин являются важными параметрами, которые необходимо учитывать при проектировании. Добавление большего количества разделительных пластин приводит к увеличению напряжения дуги, однако после определенного количества пластин увеличение напряжения становится менее значительным и приводит к созданию условий шунтирования электрической дуги, тем самым снижая отключающую способность автоматического выключателя.

4. Выполнены экспериментальные исследования теплового состояния контактной и токоведущей систем автоматического выключателя. Экспериментальные исследования по нагреву контактной системы автоматического выключателя выполнены в соответствии с ГОСТ 2933-83. Результатом испытаний являются графики зависимостей температуры от времени при 20°С и повышенной температуре окружающей среды. Данные результаты позволяют верифицировать разработанную математическую модель теплового состояния контактной системы автоматического выключателя.

5. Разработана методика экспериментальных исследований отключающей способности низковольтного автоматического выключателя. Исследование выполнено с использованием методов высокоскоростной съемки. Выполнен анализ влияния конструкции дугогасительной решетки на процесс дугогашения. Также выполнено параметрическое исследование влияния коэффициента мощности, величины коммутируемого тока и момента коммутации на гашение электрической дуги в дугогасительной системе автоматического выключателя. С уменьшением значения коэффициента мощности значительно снижается отключающая способность автоматического выключателя. С увеличением времени задержки коммутации отключающая способность автоматического выключателя снижается, при коммутации автоматического выключателя во

второй половине полупериода синусоидального тока короткого замыкания гашение в первом нуле тока не происходило. При модернизации дугогасительной решетки путем приложения потенциала на крайнюю пластину решетки в области подвижного контакта наблюдается повышение отключающей способности автоматического выключателя.

6. Выполнена верификация математической модели теплового состояния контактной и токоведущей систем автоматического выключателя. Верификация выполнена на основе результатов экспериментальных исследований. Разница между результатами моделирования и экспериментального исследования обусловлена допущением о постоянном значении коэффициента теплопередачи. Абсолютная погрешность не превышает 4°С в динамическом режиме, и 1°С в установившемся режиме.

7. Верификация математической модели дугогасительной системы автоматического выключателя выполнена на основе экспериментальных исследований совместно с Брненским техническим университетом. Результаты моделирования подтверждаются результатами экспериментального исследования. Во время моделирования наблюдалось многократное образование новой точки привязки дуги на неподвижном контакте, что соответствует флуктуации напряжения на дуге (из экспериментальных исследований).

8. Результаты диссертационного исследования планируются к внедрению и апробации в рамках опытно-конструкторских работ по созданию низковольтных автоматических выключателей серии «Патриот».

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[1] Райзер Ю.П. Физика газового разряда. 3-е изд. переработанное и дополненное. - Долгопрудный: Издательский дом "Интеллект", 2009. - 736 с.

[2] Ghezzi L. Modeling and simulation of low voltage arcs: Dr.D. Thesis / L. Ghezzi. Delft University of Technology, 2020. - 348 p.

[3] Жданов С.К. Основы физических процессов в плазме и плазменных установках / В.А. Курнаев, М.К. Романовский, И.В. Цветков; Под ред. В.А. Курнаева. М: МИФИ, 2007. - 368 с.

[4] Karetta F. Simulation of the gasdynamic and electromagnetic processes in low voltage switching arcs / M. Lindmayer // Proceedings of the 42nd IEEE Holm Conference. - 1996

[5] Fei Y. Low-voltage circuit breaker arcs—simulation and measurements / Yi Wu, M. Rong, Hao Sun, A. Murphy, Zhigang Ren, Chunping Niu // Journal of Physics D: Applied Physics. - 2013. - V. 46(27)

[6] Rong M. Simulation of Arc Characteristics in Miniature Circuit Breaker / Y. Fei, W. Yi, A.B. Murphy, W. Wang, J. Guo // IEEE Transactions on Plasma Science. -2010. - V. 38(9). - P. 2306-2311. doi: 10.1109/TPS.2010.2050703

[7] Wu Y. Numerical analysis of arc plasma behaviour during contact opening process in low-voltage switching device / M. Rong, S. Zhiqang, Y. Fei, X.H. Wang, L. Xingwen // Journal of Physics D Applied Physics. - 2007. - V. 40(3). - P. 795-802. doi: 10.1088/0022-3727/40/3/016

[8] Chunping N. Simulation and Experimental Analysis of Arc Motion Characteristics in Air Circuit Breaker / Ding Juwen, W. Yi, Y. Fei, D. Delong, F. Xingyu, R. Mingzhe // Plasma Science and Technology. - 2016. - V. 18(3). - P. 241. doi: 10.1088/1009-0630/18/3/05

[9] URL: https://www.scopus.com/

[10] Брон О.Б. М.О.Доливо-Добровольский - изобретатель искрогасительной решетки // «Электричество». 1949. - № 9. - с.71-73

[11] Авторское свидетельство СССР №771743 МКИ HOIH 9/36 (1978 г.).

[12] Патент Японии №51-22181 МКИ HOIH 9/34.

[13] Патент Японии 54 - 31195 МКИ HOIB 3/00, H0ICI/00.

[14] Игумнов Н.П. Типовые элементы и устройства систем автоматического управления: Учебное пособие для студентов специальности 220301. - 3 - е изд., Канск: КПК, 2009. - 180 с.

[15] Патент ФРГ №2826243 (1978 г.).

[16] Патент США № 2134543 МКИ HOIH 9/36 (1971).

[17] Авторское свидетельство №771743 (1980 г.) МКИ HOIH 9/36, 9/30.

[18] Авторское свидетельство №836691 (1981г.).

[19] Авторское свидетельство №851517.

[20] Патент Франции №2461349 (1979г.) МКИ HOIH 73/18, 71/00.

[21] Патент США №3997746 (1976 г.), ФРГ №3307062 (1984 г.).

[22] Авторское свидетельство СССР №538010 (1976 г.).

[23] Авторское свидетельство СССР №474549 (1975 г.) МКИ mBL 83/04.

[24] Патент Франции №2179815, МКИ HOIH 9/34, 33/08.

[25] Патент Японии №59-24481 (1984 г.) HOIB 3/12.

[26] Патент ФРГ №2752653.

[27] Патент Великобритании №2011448 (1977 г.).

[28] Патент ФР 0410902 А1 от 12.07.90).

[29] Патент ФР ER0957500 А1 от 17.11.1999).

[30] Патент РФ RU153928U1 от 31.07.2014.

[31] Патент USA US9281144B2 от 08.03.2016).

[32] Патент ФР 2632772 от 10.06.1988.

[33] Патент ФР EP0977233B1 от 29.07.1999.

[34] Патент ФР 0410902A1 от 26.07.1989.

[35] Патент ФР EP2254136A1 от 19.03.2010.

[36] Патент США US6689979B1 от 10.02.2004.

[37] Патент РФ 109326U1 от 28.02.2011 (рис.15).

[38] Патент ФР 0410902 А1 от 12.07.90).

[39] Патент США US6969816B2 от 29.11.2005.

[40] Патент США US6879227B2.

[41] Патент ФР ER0957500A1 от 17.11.1999г.

[42] Патент ФР ER1020882A1 от 19.07.2000г.

[43] Патент США US 6784393B2 от 27.09.2002.

[44] Патент США US 7495190B2 от 24.02.2009.

[45] Патент России РФ RU109326U1 от 28.02.2011.

[46] Патент России РФ RU153928U1.

[47] Патент ФР ER0957500A1 от 17.11.1999г.

[48] Патент ФР ER1020882A1 от 19.07.2000г.

[49] Патент США US 6784393B2 от 27.09.2002.

[50] Murashov I. Investigation and numerical simulation of a high-current ac circuit breaker / Frolov, V., Kvashnin A., Valenta J., Simek D., Dostal L., Kloc P. // Plasma Physics and Technology. - 2017. - V. 6(3). - P. 235-238. doi: https://doi.org/10.14311/ppt.2019.3.235

[51] Frolov V.Y. Nonstationary mathematical model of a magnetic arc blast system / Kvashnin A.O., Murashov I.V. // Proceedings of the 2018 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering, ElConRus 2018. 2018. P. 622-625. doi: 10.1109/EIConRus.2018.8317173

[52] Murashov I. Analysis of electromagnetic processes inside the arc interrupting system of a high-current circuit breaker / Frolov V., Ivanov D., Kvashnin A. // 22nd Symposium on Physics of Switching Arc. - 2017. - P. 161-164. doi: 10.14311/ppt.2017.2.161

[53] Murashov Iu. Numerical simulation of heat transfer processes of the circuit breaker contact system / V. Frolov, A. Kvashnin // IOP conference series: materials science and engineering. - 2019. - V. 643. doi: 10.1088/1757-899X/643/1/012116

[54] Chusov A.N. Development of a physical 2-d model for arc quenching chamber of lightning protection multi-chamber systems / G.V. Podporkin, M.E. Pinchuk, D.V. Ivanov, Iu.V. Murashov, V.YA. Frolov // Proceedings 33rd international conference on lightning protection. - 2016.

[55] Murashov Iu.V. Analysis of arc processes in multi-chamber arrester for lightning protection at high-voltage overhead power lines / V. Ya. Frolov, D. Uhrlandt, S. Gortschakow, D. V. Ivanov, A. D. Sivaev // Plasma physics and technology. - 2017. - V. 4(2). - P. 124-128. doi: https://doi.org/10.14311/ppt.2017.2.124

[56] Брон О.Б. Электромагнитное поле как вид материи - Москва; Ленинград: Госэнергоиздат, 1962. - 260 с.

[57] Брон О.Б. Явления в контактах низковольтных аппаратов при включении ими больших токов короткого замыкания / В.И. Гусев // Электросила. - 1973. - №29. - с. 124-128.

[58] Брон О.Б. Движение электрической дуги в магнитном поле - Москва; Ленинград: Госэнергоиздат, 1944. - 214 с.

[59] Брон О.Б. Движение электрической дуги в магнитном поле. Исследования при помощи скоростного кино : дис... канд. техн. наук; Харьк. электротехн. ин-т. - Харьков, 1940. - 283 с.

[60] Брон О.Б. Потоки плазмы в электрической дуге выключающих аппаратов / Л.К. Сушков - Л.: Энергия, 1975.

[61] Таев И. С. Электрическая дуга в аппаратах низкого напряжения. - М.: Энергия, 1965.

[62] Залесский А.М. Тепловые расчеты электрических аппаратов / Г.А. Кукеков - Л.: Энергия, 1967.

[63] Кукеков Г.А. Проектирование выключателей переменного тока высокого напряжения - Л.: Энергия, 1972.

[64] Yovanovich M.M. // IEEE Transactions on components and packaging technologies. - 2005. - V.28(2). - P. 182-206

[65] Cooper M.G. Thermal Contact Resistance / B.B. Mikic, M.M. Yovanovich // Int. J. Heat Mass Transfer. - 1968. -V. 12, - P. 279-300

[66] Mikic B.B. Technical report no. 4542-41 / W.M. Rohsenow. - 1966. - P. 130

[67] Bonnissel M. Compacted exfoliated natural graphite as heat conduction medium / L. Luo, D. Tondeur // Carbon. - 2001. - V. 39. - P. 2151-2161

[68] Mastin C. W. Quasiconformal mappings and grid generation / J. F. Thompson // SIAM J.Sci.Stat.Comput - 1984. - V. 5(2). - P. 305-316. doi:10.1137/0905022.

[69] Thompson J.F. A general three-dimensional elliptic grid generation system on a composite block structure // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering.

- 1987. -V. 64. - P. 377-411. doi:10.1016/0045-7825(87)90047-8

[70] Spekreijse S.P. Elliptic grid generation based on Laplace equations and algebraic transformations // J.Comput.Phys. - 1995. - V. 118(1). - P. 38-61. doi: 10.1006/jcph.1995.1078

[71] Monteith J.L. Principles of environmental physics / M. H. Unsworth. - 1990.

- P. 291

Приложение 1. Таблица патентов

№ Страна выдачи, вид и номер охранного документа, дата выдачи Патентообладатель Название изобретения

1 Авторское свидетельство СССР №771743 МКИ НО1Н 9/36, 1978г. Лярский, Брон Дугогасительная камера закрытого типа

2 Патент Японии №51-22181 МКИ НО1Н 9/34 - -

3 Патент Японии 54 - 31195 МКИ НО1В 3/00, НОГСШО - -

4 Патент ФРГ №2826243, 1978 Brown, Boveri&Cie AG Принцип дугогашения низковольтных переключателей

5 Патент США № 2134543 МКИ НО1Н 9/36, 1971 Siemens Выключатель с дефлектором гашения дуги

6 Авторское свидетельство №836691, 1981г. Лярский, Брон Дугогасительная камера

7 Авторское свидетельство №851517 Лярский, Претро Дугогасительная камера

№ Страна выдачи, вид и номер охранного документа, дата выдачи Патентообладатель Название изобретения

8 Патент Франции №2461349 (1979г.) МКИ НО1Н 73/18, 71/00 Merlin Gerin (Schneider Electric) Дугогасительная камера автоматического выключателя

9 Патент США №3997746, 1976г. Airpax Electronics Автоматический выключатель с дугогасящей камерой

10 Патент ФРГ №3307062, 1983г. Christian Geyer Gmbh&Co Дугогасительная камера автоматического выключателя

11 Патент Франции №2179815, МКИ НО1Н 9/34, 33/08, 1972г. - Дугогасительная камера

12 Патент Японии №59-24481 (1984г.) НО1В 3/12 - -

13 Патент на полезную модель РФ RU109326U1, 28.02.2011 ABB Приводящий механизм для электрических переключающих устройств и относящееся к нему устройство

14 Патент на полезную модель РФ RU153928U1, 31.07.2014 ABB Электрическое переключающее устройство для низковольтных цепей

15 Патент на полезную модель РФ RU101863U1, 17.12.2009 ABB Электрическое переключающее устройство для низковольтных цепей

№ Страна выдачи, вид и номер охранного документа, дата выдачи Патентообладатель Название изобретения

16 Патент РФ RU2505876 , 28.09.2009 ABB Низковольтный автоматический выключатель

17 Патент РФ RU2524402 , 14.10.2009 ABB Низковольтный автоматический выключатель

18 Патент РФ RU2297066C2, 10.04.2003 Siemens Электрический силовой выключатель с присоединенной шиной и разрядным рогом

19 Патент США Ш6784393В2, 31.08.2004 Siemens Дугогасящая камера низковольтного выключателя

20 Патент США Ш6689979В1, 10.02.2004 Siemens Контактная часть низковольтного автоматического выключателя

21 Патент США Ш6969816В2, 29.11.2005 Siemens Контактная часть низковольтного автоматического выключателя

22 Патент США Ш6879227В2, 12.14.2005 Siemens Контактная часть низковольтного автоматического выключателя

23 Патент США Ш7064640В2, 20.06.2006 Siemens Низковольтный автоматический выключатель

24 Патент США Ш7470870В2, 30.12.2008 Siemens Низковольтный автоматический выключатель

№ Страна выдачи, вид и номер охранного документа, дата выдачи Патентообладатель Название изобретения

25 Патент США Ш7495190В2, 24.02.2009 Siemens Электрический выключатель

26 Патент США Ш9281144В2, 08.03.2016 Siemens Контактная часть низковольтного автоматического выключателя

27 Патент Франции 2632772, 10.06.1988 Merlin Gerin (Schneider Electric) Низковольтный автоматический выключатель с применением постоянных магнитов для дугогашения

28 Патент Европейский 0410902А1, 12.07.1990 Merlin Gerin (Schneider Electric) Контактная часть низковольтного автоматического выключателя

29 Патент Европейский 0437151А1, 27.11.1990 Merlin Gerin (Schneider Electric) Низковольтный автоматический выключатель

30 Патент Европейский EP0789380A1, 29.01.1997 Schneider Electric Механизм привода

31 Патент Европейский EP0957500A1, 29.04.1999 Schneider Electric Низковольтный автоматический выключатель с параллельными контактами

32 Патент Европейский EP0977233B1, 22.07.1999 Schneider Electric Выключатель с улучшенными электродинамическими показателями

33 Патент Европейский ЕР1020882А1, 15.12.1999 Schneider Electric Дугогасительная камера

№ Страна выдачи, вид и номер охранного документа, дата выдачи Патентообладатель Название изобретения

34 Патент Франции 2830671, 23.08.2002 Schneider Electric Фильтрующий элемент дугогасительной камеры

35 Патент Европейский ЕР1251533А1, 20.02.2002 Schneider Electric Сетка плямягашения

36 Патент Европейский ЕР2254136А1, 19.03.2010 Schneider Electric Приводной механизм автоматического выключателя

37 Патент Европейский ЕР2383760В1, 21.03.2011 Schneider Electric Система клапанов дугогасящей камеры автоматического выключателя

38 Патент Евразийский 001564В1, 28.10.1999 Schneider Electric Сменное распределительное устройство (варианты)

39 Патент Евразийский 002504В1, 25.06.2001 Schneider Electric Многополюсный прерыватель напряжения с повышенной электродинамической характеристикой с расположением полюсного вала в полюсном отсеке

40 Заявка на изобретение РФ RU2008120250, 27.11.2009 Schneider Electric Дугогасительная камера и автоматический выключатель, оборудованный этой дугогасительной камерой

41 Патент РФ RU2394298C2, 18.01.2007 ОЭЗ С.Р.О. (CZ) Дугогасительная камера для автоматического выключателя, имеющая вытяжной канал для дугового газа

№ Страна выдачи, вид и номер охранного документа, дата выдачи Патентообладатель Название изобретения

42 Патент РФ RU2502147C2, 17.02.2009 ИТОН ГМБХ (АТ) Коммутационное устройство

43 Полезная модель РФ RU37271U1, 01.12.2003 ООО «Компания Транс-Сервис» Дугогасительная камера выключателя постоянного тока

44 Полезная модель РФ RU71813U1, 10.10.2007 ОАО «Дивногорский завод низковольтных аппаратов» Дугогасительная камера

45 Полезная модель РФ RU148761U1, 15.07.2014 ЗАО «КЭАЗ» Выключатель автоматический

46 Полезная модель РФ RU156781U1, 25.05.2015 ООО «МФК ТЕХЭНЕРГО» Дугогасительная камера

47 Полезная модель РФ RU158211U1, 03.08.2015 ООО «МФК ТЕХЭНЕРГО» Дугогасительная камера

48 Полезная модель РФ RU158688U1, 25.05.2015 ООО «МФК ТЕХЭНЕРГО» Дугогасительная камера коммутационного аппарата

Приложение 2. Акт внедрения