Численное моделирование взаимодействия дуги отключения с потоком элегаза в автокомпрессионном дугогасительном устройстве элегазового выключателя 110 кВ
Автор: Поповцев Владислав Викторович, Хальясмаа Александра Ильмаровна, Патраков Юрий Витальевич
Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика @vestnik-susu-power
Рубрика: Электроэнергетика
Статья в выпуске: 2 т.23, 2023 года.
Бесплатный доступ
Требования к повышению коммутационной способности элегазовых выключателей, диктуемые электросетевыми компаниями вследствие увеличения расчётных токов короткого замыкания в сетях 110 кВ и выше, в настоящее время являются сложной технико-экономической задачей. Очевидно, что материальные затраты на такое мероприятие высоки и перед созданием прототипа нового оборудования или модернизации существующего необходимо произвести расчёт сложнейших комплексных физических процессов гашения дуги, происходящих в дугогасительном устройстве элегазового выключателя высокого напряжения при отключении токов короткого замыкания. Последнее сводится к задаче моделирования процессов взаимодействия дуги отключения с неизотермическим потоком элегаза. В статье исследуется возможность решения вышеописанной задачи в численном программном комплексе при учёте дуги в форме источника температурного нагрева на основе экспериментальных данных измерения температуры ствола дуги при отключении симметричного тока короткого замыкания 10 кА. Расчёты проводились при коммутации автокомпрессионного дугогасительного устройства элегазового выключателя 110 кВ. Приведены результаты изменения давления и массового расхода в подпоршневой области, скорости, температуры в зависимости от хода контактов. Разработанная модель взаимодействия дуги отключения с потоком элегаза также использована для моделирования процесса отключения симметричного тока короткого замыкания 25 кА в реальном автокомпрессионном дугогасительном устройстве.
Элегазовый выключатель, автокомпрессионное дугогасительное устройство, численное моделирование газодинамики, гашение дуги
Короткий адрес: https://sciup.org/147240934
IDR: 147240934 | УДК: 621.3.064.4 | DOI: 10.14529/power230203
Computational fluid dynamics in a 126 kV auto-puffer sf6 circuit breaker taking arc effects into account
The requirements for increasing the switching capacity of SF6 circuit breakers, dictated by power grid companies due to the increase in rated short-circuit currents in networks of 126 kV and above, are difficult to satisfy. Firstly, the material, resource, and financial costs are significant, and secondly, before creating a prototype circuit breaker or upgrading an existing one, it is necessary to calculate the physical processes of arc extinguishing occurring in a high-voltage SF6 circuit breaker arc interrupter. The latter is reduced to the problem of modeling the interaction between the arc and the non-isothermal SF6 gas flow. This paper investigates this problem in a numerical software package, taking into account the arc in the form of a thermal heating source, based on experimental data on measuring the temperature of the arc during the breaking of a symmetrical short-circuit current of 10 kA. The calculations were carried out during the breaking of a 126 kV SF6 circuit breaker. Calculations of changes in the pressure and mass flow in the under-piston area, and the speed and temperature, depending on the contact movement, are given. The model of the arc interaction with the SF6 flow was used to simulate the symmetrical short circuit of a 25 kA current.
Список литературы Численное моделирование взаимодействия дуги отключения с потоком элегаза в автокомпрессионном дугогасительном устройстве элегазового выключателя 110 кВ
- Расчет токов коротких замыканий в энергосистемах: учеб. пособие / С.А. Ерошенко [и др.]. Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2019. 104 с.
- Khalyasmaa A.I. et al. Improvement of Short-Circuit Calculation Results Reliability for Large Electric Power Systems // 2019 Electric Power Quality and Supply Reliability Conference (PQ) & 2019 Symposium on Electrical Engineering and Mechatronics (SEEM). 2019. P. 1-6.
- Ильин А.С. Математическое моделирование термодинамических процессов гашения дуги в потоке элегаза (SF6) в электрических аппаратах: дис. ... канд. техн. наук: 05.09.01, 05.14.02 / Ильин Александр Сергеевич. Екатеринбург, 2012. 164 с.
- Аверьянова С.А. Численное моделирование потока газа в дугогасительном устройстве высоковольтного выключателя: дис. ... канд. физ.-мат. наук: 01.02.05 / Аверьянова Светлана Андреевна. СПб., 2005. 166 с.
- Аверьянова С. А. Теория гашения дуги в электрических аппаратах. Взаимодействие дуги отключения с газовым потоком в выключателях высокого напряжения: учеб. пособие. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2015. 68 с.
- Полтев А.И. Конструкции и расчет элегазовых аппаратов высокого напряжения. Л: Энергия, Ленингр. отд-ние, 1979. 240 с.
- Чунихин А.А., Жаворонков М.А. Аппараты высокого напряжения: учеб. пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1985. 432 с.
- Switching in Electrical Transmission and Distribution Systems / R. Smeets et al. John Wiley & Sons, 2014. 440 p.
- Тонконогов Е.Н. Конструкция электрических аппаратов. Элегазовые выключатели высокого напряжения: учеб. пособие. СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2008. 160 с.
- Кукеков Г.А. Выключатели переменного тока высокого напряжения: учеб. для вузов. Изд. 2-е, перераб. Л.: Энергия, 1972 336 с.
- Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа: учеб. для вузов. 7 -е изд., испр. М.: Дрофа, 2003. 840 с.
- Swanson B.W., Roidt R.M. Thermal Analysis of an SF6 Circuit Breaker ARC // IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems. 1972. Vol. PAS-91, no. 2. P. 381-389. DOI: 10.1109/TPAS.1972.293219
- Yuqing Pei. Computer Simulation of Fundamental Processes in High Voltage Circuit Breakers Based on an Automated Modelling Platform: Ph.D thesis. The University of Liverpool, 2014. 182 p.
- Jian Liu. Modelling and Simulation of Air and SF6 Switching Arcs in High Voltage Circuit Breakers: Ph.D thesis. The University of Liverpool, 2016. 235 p.
- Batchelor G.K. An introduction to Fluid dynamics. Cambridge university press, 2012. 658 p.
- Arc Shape and Arc Temperature Measurements in SF6 High-Voltage Circuit Breakers Using a Transparent Nozzle / S. Bai, H. Luo, Y. Guan, W. Liu // IEEE Transactions on plasma science. 2018. Vol. 46, no. 6. P. 2120-2125.
- Chernoskutov D., Popovtsev V., Sarapulov S. Analysis of SF6 circuit breakers failures elated to missing current zero - Part I // 2020 Ural Smart Energy Conference (USEC). Ekaterinburg, Russia, 2020. P. 51-54.
- Chernoskutov D., Popovtsev V., Sarapulov S. Analysis of SF6 circuit breakers failures elated to missing current zero - Part II // 2020 Ural Smart Energy Conference (USEC). Ekaterinburg, Russia, 2020. P. 55-58.
- Kapetanovic M. High Voltage Circuit Breakers. Sarajevo, Bosnia and Herzegovina: Faculty Electrotech. Eng., Univ. Sarajevo, 2011. 648 p.
- PTFE Vapor Contribution to Pressure Changes in High-Voltage Circuit Breakers / J.-J. Gonzalez, P. Freton, F. Reichert, A. Petchanka // IEEE Transactions on Plasma Science. 2015. Vol. 43, no. 8. P. 2703-2714. DOI: 10.1109/TPS.2015.2450536
