Практические результаты совершенствования процессов коммутации автоматических выключателей распределительных устройств

Введение.

Одним из наиболее важных электротехнических устройств систем электроснабжения (СЭС) предприятий ТЭК, который определяет устойчивую и безопасную работу энергосистемы, является коммутационный аппарат на базе автоматического выключателя (АВ) [1-4]. В этой связи его можно представить в качестве устройства, предназначенного для оперативных и защитных коммутаций электрической цепи в распределительных устройствах низкого и высокого напряжения в комплектных трансформаторных подстанциях (КТП) [5-8] (рис. 1).

б)

Рисунок 1 - Общий вид современных автоматических выключателей для СЭС: а) воздушный АВ до 6300 А; б) АВ в литом корпусе до 1600 А; в) модульные АВ

Защитные функции любого автоматического выключателя направлены на безопасность людей и предотвращение повреждения электрической цепи от токов перегрузки или короткого замыкания [9-12]. Кроме того, АВ можно использовать для изменения конфигурации электрической сети при смене режимов и оптимизации или нештатных ситуациях.

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 и требуется компьютерное моделирование динамических процессов в выключателе, включая процессы нагрева отдельных частей АВ [13-16]. Поэтому наиболее актуальными вопросами проектирования и эксплуатации низковольтных автоматических выключателей в энергосистеме является глубокое изучение контактных, токоведущих систем, а также системы дугогашения. Отечественными специалистами в области проектирования, разработки и моделировании АВ внесен значительный вклад в развитие теории, повышения ресурса работы и моделирования коммутационных процессов. Преимущество численного моделирования АВ заключается в возможностях получения эволюции физических величин, которую трудно адекватно измерить при натурных испытаниях.

Анализ теплового состояния токовых вводов в низковольтном АВ

Описание математической модели работы автоматического выключателя низкого напряжения основано на применении фундаментальных физических законов: закон Джоуля-Ленца и Фурье [17-20], описывающих физические процессы в виде дифференциальных уравнений в частных производных. Решение данных уравнений аналитически не представляется возможным, поэтому для их решения применяются численные методы. Наиболее распространенными являются методы контрольного объема и метод конечных элементов, получивший широкое распространение в современных программных продуктах таких, как ANSYS и Comsol Multiphysics.

В основе нестационарной математической модели низковольтного автоматического выключателя переменного тока заложена геометрия конкретного изделия. В качестве исходных данных задается аналитическое описание функции тока от времени или данные экспериментальных исследований (для последующей верификации математической модели). Вследствие динамически изменяемой величины тока во времени, а с тем и количества джоулева тепловыделения процессы моделирования значительно увеличиваются во времени.

Нестационарная математическая модель работы АВ основана на следующих допущениях:

• -    плазма находится в локальном термодинамическом равновесии (ЛТР);

• -    термодинамические и транспортные свойства являются функцией от температуры;

• -    поток является ламинарным;

• -    плазма является оптически тонкой;

• -    при этом электродные процессы не учитываются.

а)                                             б)

Рисунок 2 - Распределение электрического потенциала (а) и температуры в момент времени t = 0 с при температуре окружающей среды 20 °С

Численное моделирование плазменных процессов нуждается в решении мультифизической задачи, включающей в себя гидродинамику, теплопередачу и электромагнетизм. Соответствующие уравнения связаны термодинамическими и транспортными свойствами в неявном виде, а также в явном виде через джоулев нагрев в случае уравнения баланса энергии и системы уравнений Максвелла. Распределение скорости может быть получено из решения уравнения движения для ламинарного потока (уравнение Навье-Стокса).

Результаты моделирования, соответствующие экспериментальному исследованию, представлены на рис. 2 и рис. 3.

а)

б)

Рисунок 3 - Распределение температуры при температуре окружающей среды 20 °С: в момент времени t = 2 ч (а) и в момент времени t = 4 ч (б)

Данные результаты получены для фиксированной температуры окружающей среды, составляющей 20°С. . Верификация осуществляется по распределению температуры на поверхности контактной системы и падению напряжения на контакте. Время расчета при исследовании динамического режима составило: 18 мин 28 с. Максимальная температура нагрева по результатам моделирования составляет 34,96 °С (по результатам экспериментального исследования 34 °С). Результаты моделирования для изменяющейся температуры окружающей среды (см. рис. 4а), полученной из результатов экспериментального исследования и заложенной в математическую модель, представлены на рис. 4б и рис. 5. Максимальная температура нагрева по результатам моделирования составляет 85°С.

Необходимо отметить, что с увеличением градиента температуры поверхности, участвующей в конвективном теплообмене, и окружающей среды, теплообмен усиливается, что приводит к более интенсивному отводу тепловой энергии от тела.

Time=O 5 Распределен» температуры (degC)

T, degC

а)                                             б)

Рисунок 4 - Экспериментальные данные по температуре окружающей среды (а) и распределение температуры в момент времени t = 0 с при температуре окружающей среды T = var (б)

Time=27Q00 s Распределение температуры IdegC)

а)                                             б)

Рисунок 5 - Распределение температуры при температуре окружающей среды T = var : в момент времени t = 3 ч (а) и в момент времени t = 7 ч 30 мин

Разработанная математическая модель позволяет учесть данное явление, при задании фиксированного значения коэффициента теплопередачи в случае с увеличением градиента температуры возникает избыточный нагрев тела (статическая ошибка при расчете).

Таблица 1. Результаты параметрического численного исследования

Распределение температуры. °C

Основной задачей компьютерного моделирования является расчет и прогнозирование систем без дополнительных дорогостоящих экспериментальных исследований. Параметрическое решение математической модели позволяет оценить работоспособность моделируемого устройства при изменении различных параметров системы, а также установить характер влияния параметров системы.

В качестве интересующих параметров системы исследовались температура окружающей среды и значения тока. Результаты численного моделирования для установившегося режима представлены в таблице 1, где наглядно представлена динамика нагрева АВ в функции тока.

Обсуждение результатов

Почему эксперты ключевых отраслей промышленности и производители распределительных устройств на протяжении нескольких лет отдают предпочтение бренду MNS?

• 1.    Автоматические выключатели MNS зарекомендовал себя, как лучшее предложение по оптимальному соотношению цены, качества и сроков. Новая номенклатура выводится на рынок только при полном соблюдении данного принципа.

• 2.    Широкая ассортиментная линейка аппаратов MNS, технические параметры и полное соответствие стандартам позволяют комплектовать распределительные устройства низкого и среднего напряжения для решения задач на любых промышленных и инфраструктурных объектов.

• 3.    Автоматические выключатели MNS отличается качеством и надежностью, благодаря 100% проверке каждой единицы продукции. Доверие к продукции подтверждается 5-летней гарантией на всю линейку.

• 4.    Вся производимая продукция сертифицирована и соответствует высоким российским требованиям ГОСТ и нормативно-технической документации. Научное обоснование проектов изделий подтверждено проведенным компьютерным моделированием.

Электрооборудование на базе MNS защищает энергосистемы предприятий различных отраслей России. Устройства имеют продолжительный положительный опыт применения. Вот лишь часть проектов, где устройства продемонстрировали свою долговечность и безотказность:

• -    Нефтехимия. Оборудование было использовано при строительстве комплекса установки гидроочистки бензина каталитического крекинга на одном из ведущих нефтеперерабатывающих производств страны.

• -    Переработка газа. Устройства MNS нашли применение в строительстве новой установки деэтанизации газового конденсата на заводе по подготовке конденсата к

транспорту.

• -    Автомобилестроение. В рамках реконструкции промышленной площадки для производства отечественных автомобилей электрооборудование MNS стало важным составным элементом модернизации энергетической инфраструктуры предприятия.

• -    Жилищное строительство. При строительстве многоквартирного дома с помещениями общественного назначения, встроенной дошкольной образовательной организацией и стоянкой автомобилей было применено техническое решение на базе оборудования MNS.

• -    Сельское хозяйство. На одном из крупных проектов по строительству птицеводческих блоков были использованы автоматические выключатели MNS.

Выводы

Разработана нестационарная трехмерная математическая модель процессов теплообмена контактной системы автоматического выключателя. Математическая модель включает корреляцию Купера-Микича-Йовановича. 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. Предложенный способ позволяет значительно сократить количество экспериментальных исследований при проектировании, ведет к снижению финансовых затрат.