Кадзов Г. Д., В. В. Титков

Вид материала

Документы

Содержание Рис.1 Конструкция аппарата ограничения перенапряжений ОПН-500 V – объем камеры. Уравнение (1) можно проинтегрировать от точки стагнации s до срезов клапанных устройств. Полагая плотность газ

Подобный материал:

• Титков Сергей Николаевич председатель комитета закон, 34.98kb.
• П. Ф. Титков Начальник Департамента Росприроднадзора по дфо доклад, 341.17kb.
• Отчет о результатах контрольно-надзорной деятельности Департамента Росприроднадзора, 185.67kb.

Кадзов Г.Д., В.В.Титков

Методы расчетных оценок давления при внутренних коротких замыканиях в высоковольтных ограничителях перенапряжений в фарфоровом корпусе.

Одним из основных требований, предъявляемых в процессе сертификации к высоковольтным ограничителям перенапряжений, является обеспечение взрывобезопасности при внутренних коротких замыканиях. Сертификат безопасности на ограничитель перенапряжений выдается на основании успешных натурных испытаний токами короткого замыкания до 100 кА промышленной частоты при длительности 0.2 с. В процессе разработки новых аппаратов ограничения перенапряжений, в особенности на высокие классы напряжения, возникает проблема выбора параметров конструкции (количества, конфигурации и размеров взрывозащитных клапанов), обеспечивающих достаточный уровень ограничения давления при возникновении внутри аппарата дуги короткого замыкания. Наличие расчетной методики оценивания максимальных давлений при внутренних коротких замыканиях, позволяет существенно сократить сроки и удешевить процесс разработки новой конструкции, путем сокращения до минимума объема натурных исследовательских испытаний.

Внутреннее короткое замыкания в аппарате ограничения перенапряжений представляет собой совокупность целого ряда процессов, включающих нагрев дуговой плазмы током короткого замыкания, мощное конвективное газодинамическое течение, вызываемое нагревом газа в дуговой камере аппарата, наконец, нагрев и испарение стенок дуговой камеры под действием излучения из дуговой плазмы. В данной работе мы подробно остановимся на начальной стадии процесса, ограниченной отрезком времени 0-10 мс, в течение которого достигается наибольшее значение давления в корпусе аппарата. Типичная конструкция высоковольтного ограничителя перенапряжений производства НПО «Электрокерамика» представляет собой полый цилиндрический корпус из электротехнического фарфора, внутри которого расположена цилиндрическая дуговая камера, ограниченная тонкостенным стеклопластиковым цилиндром, вокруг которой в располагаются колонки оксидно-цинковых варисторов (рис.1). При возникновении внутреннего короткого замыкания тонкостенный стеклопластиковый цилиндр механически пробивается продуктами разряда и дуговая плазма заполняет объем дуговой камеры. В одном или обоих фланцев аппарата имеются взрывозащитные клапаны, представляющие собой тонкостенные латунные мембраны пробивающиеся при незначительном превышении внутреннего давления над атмосферным. Свойства, возникающего после этого газодинамического течения в основном и определяют величину максимума давления в дуговой камере. Анализ газодинамического течения возбуждаемого нагревом газа электрической дугой может быть выполнен расчетным путем. В предположении осевой симметрии течения, что возможно для конструкции клапанов, обеспечивающих осевую симметрию газового потока при выбросе дугового газа в атмосферу, описание течения возможно на основе решения стандартной системы уравнения динамики сжимаемого газа в цилиндрической r-z системе координат [1]

, , , ,

где v_r, v_z - компоненты вектора скорости течения, ρ - плотность, P - давление, ε – внутренняя энергия единицы массы газа , μ - вязкость, - объемная плотность мощность тепловыделения, , где χ - показатель адиабаты для воздуха. Данная система уравнений описывает конвективное течение, возбуждаемое нагревом электрической дугой. При этом величина есть усредненная по объему дуговой камеры мощность тепловыделения электрической дуги. Данная характеристика может быть получена на основе экспериментальных осциллограмм тока и напряжения электрической дуги замыкания [2], как кривая, получаемая умножением значений тока дуги на соответствующие значения напряжения (рис.2). Полученная зависимость полной мощности тепловыделения в дуге усредняется по объему дуговой камеры. Таким образом вычисляется зависимость (t). Результаты численного решения приведенной выше системы уравнений газовой динамики для указанных условий испытаний аппарата ОПН-500 – распределения и скоростей в камере и за ее пределами представлены на рис.3. Структура течения за пределами аппарата определяется взаимодействием потока с поворотными устройствами верхнего клапана и горизонтальной поверхностью установки аппарата. Вместе с тем в дуговой камере аппарата распределение давления, плотности и температуры близко к однородному, исключая сравнительно малые области вблизи верхнего и нижнего клапанов. Максимум давления внутри аппарата формируется в результате двух конкурирующих процессов нагрева газа в дуговой камере вследствие интенсивного тепловыделения в дуге и истечением горячего газа через взрывозащитные клапаны. Зависимость давления в дуговой камере аппарата от времени, полученная в результате численного решения данной выше системы уравнений газовой динамики для (t), взятого из кривой рис.2, дана на рис.4. Максимум давления приходится на моменты времени 5-6 мс. Вертикальный газовый поток,

Рис.1 Конструкция аппарата ограничения перенапряжений ОПН-500

Рис. 2 Испытательные воздействия 1 – ток, 2- напряжение источника, 3 –напряжение дуги, справа – мощность тепловыделения в дуге

создаваемый поворотным устройством к этому моменту еще не сформирован (рис.3). Поэтому образование внешней дуги замыкания не влияет на величину первого максимума давления в камере аппарата, который определяется только режимом газодинамического течения.

Следует отметить, что расчеты, основанные на решении полной системы уравнений газовой динамики весьма трудоемки, требуют значительных затрат времени даже при использовании мощных компьютеров и, следовательно, не очень удобны при инженерном анализе взрывобезопасности в процессе конструкторского сопровождения разработок высоковольтных ограничителей перенапряжений. Для проведения численного анализа описан-

Рис.3 Распределение скоростей в газовом потоке при t=5 мс(слева) и t=6 мс

ным методом необходимы осциллограммы тока и напряжения дуги, которые могут быть получены только при дорогостоящих натурных экспериментах.




Рис.4 Расчетные зависимости от времени давления в камере аппарата: 1 газодинамическая модель; 2 – упрощенная интегральная модель
Поэтому целесообразны попытки разработок упрощенных методик анализа давления в корпусе высоковольтных аппаратов, доступных для использования большинству разработчиков высоковольтной аппаратуры. В данной работе предпринимается попытка разработки такой модели, основанной на упрощенном анализе газодинамического течения. На рис. 5 показана модель дуговой камеры с двухсторонним истечением газа. Как было показано выше, в относительно длинных камерах, характерных для ОПН-110-500, распределение давления, плотности и температуры близко к однородному. Поэтому процесс истечения газа из камеры можно описывать с помощью модели одномерного течения вдоль центральной оси аппарата z, уравнения которого без учета вязкости имеют вид


(1)


Уравнение энергии можно записать в интегральном виде для всего объема дуговой камеры

, (2)


где m - масса газа в дуговой камере, ε - внутренняя энергия единицы массы газа, P - среднее давление в дуговой камере, v_out1, v_out2 – скорости истечения газа, усредненныя по сечениям соответствующих клапанов S_out1, S_out1, - мощность тепловыделения в дуге. Уравнение, описывающее убывание массы газа m , в камере получается интегрированием уравнения неразрывности ( третье уравнение полной системы) по объему камеры:

, (3)

где V – объем камеры. Уравнение (1) можно проинтегрировать от точки стагнации s до срезов клапанных устройств. Полагая плотность газа ρ постоянной по объему камеры получим два уравнения относительно выходной скорости газа на выходе из защитных клапанов

, (4)





где l1 и l2 - растояние от точки стагнации до соотвествующих клапанов, которые оцениваются с помощью приближенных формул ,

, l – длина камеры, P₀ =10⁵ Па - давление вне камеры. Уравнения (2)-(4) образуют систему обыкновенных дифференциальных уравнений, которая может быть решена с помощью разработанной в для персонального компьютера программы opn1.






Рис.5 Геометрия упрощенной модели газодинамического течения


Для описания тепловыделения в дуге , воспользуемся подобием параметров электрических дуг внутреннего замыкания в аппаратах ограничения перенапряжений класса 110-500 кВ в фарфоровых по-крышках. В таблице представлены некоторые характерные электричес-кие параметры внутренних дуг, полу-ченные с помощью экспери-ментальных измерений [2].

Тип	Производитель	l	Id	Uд	Е	E/iД
		М	А	В	В/м	В\м А
ОПН-110	НИИ Защитных аппаратов	1,1	70000	6000	5454,545	0,077922
ОПН-500	НПО "Электрокерамика"	2,4	64000	9600	4000	0,0625
ОПН-110	НПО "Электрокерамика"	1,19	88000	5900	4957,983	0,056341
ОПН-500	НПО "Электрокерамика"	2,4	72000	12600	5250	0,072917

В приведенной таблице фигурируют следующие параметры l - длина дуговой камеры (высота аппарата) максимальный ток i_Д и напряжение U_Д дуги, напряженность электрического поля E= U_Д /l вдоль дуги и отношение напряженности к току дуги α=E/i_Д . Как показывают данные приведенные в таблице, отношение средней напряженности электрического поля к току дуги мало изменяется в зависимости от класса аппарата и находится в интервале α=0.06-0.08 если напряженность измерять в В/м, а ток дуги в амперах. Используя это обстоятельство можно унифицировать зависимость мощности тепловыделения в дуговой камере аппарата

, (5)

где зависимость тока дуги от времени изменяется по синусоидальному закону с частотой 50 Гц и амплитудой соответствующей норма испытания на взрывобезопасность. В качестве примера на рис. 4 представлена зависимость от времени давления в камере (кривая 2), рассчитанная по уравнениям (2)-(5) для условий рассмотренного выше примера (l=4,5 м, S_out=0.05 м², i_Дm=72 кА,

V=0.155 м3 ). Положение и величина максимума давления, рассчитанные с помощью упрощенной интегральной модели, мало отличаются от соответствующих параметров, полученных с помощью решение полной системы уравнений газовой динамики. Это обстоятельство позволяет применять описанную упрощенную методику для инженерного анализа параметров импульса давления, возникающего в дуговой камере аппарата при внутреннем коротком замыкании. При этом время, затрачиваемое на выполнение расчета давления с помощью интегральной модели, несопоставимо меньше времени, необходимого для численного решения приведенной выше системы уравнений в частных производных, строго описывающих истечение газа из дуговой камеры.

Выводы

1. Численное моделирование газодинамических потоков, возбуждаемых нагревом газа электрической дугой с известными характеристиками позволяет определять давление в дуговой камере аппаратов ограничения перенапряжений

2. Разработанная интегральная газодинамическая модель внутреннего короткого замыкания в высоковольтных ограничителях перенапряжений в корпусе из электротехнического фарфора обеспечивает приемлемую для инженерного анализа точность оценки максимума давления.

3. Использование взрывозащитных клапанов с конструкцией, предусматривающей поворот газового потока из верхнего фланца к нижнему для с целью образования внешней дуги замыкания, не влияет на величину первого максимума давления в дуговой камере, который наступает до момента перекрытия аппарата внешним вертикальным газовым потоком


Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа, М.: Наука, 1970

2. Протокол исследовательских испытаний № 20-99 ОАО НИЦ ВВА Москва, 1999, Ограничители перенапряжений 110-220 кВ, 330-500 кВ.

Apparatus	Producer	l	Id	Uд	Е	E/iД
		m	А	V	V/m	V\m А
ОPN-110	" ZAI"	1,1	70000	6000	5454,545	0,077922
ОPN-500	"Electroceramics"	2,4	64000	9600	4000	0,0625
ОPN-110	"Electroceramics"	1,19	88000	5900	4957,983	0,056341
ОPN-500	"Electroceramics"	2,4	72000	12600	5250	0,072917