Детальная информация

Цель данного исследования заключается в разработке и научном обосновании метода повышения отключающей способности вакуумного выключателя путем применения внешнего вращающегося магнитного поля для управления электрической дугой. Моделирование исследования проводилось с использованием программного пакета COMSOL MULTIPHYSICS. С его помощью была создана модель вакуумного выключателя с системой создания внешнего вращающегося магнитного поля, включающая упрощенную геометрию статора с трехфазной обмоткой и проводник-дугу. Также был произведен расчет силы Лоренца, воздействующей на дугу, и исследовано ее влияние на процессы гашения дуги в межконтактном промежутке. Было проведено исследование зависимости силы Лоренца от параметров тока дуги и внешнего магнитного поля при различных режимах работы выключателя. При всех исследованиях рассматривались критические режимы, когда дуга переходит из диффузного в сжатое состояние. Задачи, решаемые в ходе данного исследования, включают изучение физических процессов гашения электрической дуги в вакуумных выключателях и выявление основных проблем существующих конструкций, разработку математической модели взаимодействия электрической дуги с внешним вращающимся магнитным полем на основе уравнений Максвелла, создание компьютерной модели для численного исследования влияния параметров вращающегося магнитного поля на процесс гашения дуги, проведение серии расчетов для определения силового воздействия магнитного поля на дугу, анализ возможности управления движением дуги по поверхности контактов с помощью внешнего магнитного поля. В ходе работы была разработана трехмерная модель вакуумного выключателя с системой создания вращающегося магнитного поля в программном комплексе COMSOL Multiphysics. Для упрощения вычислений материалом контактов была принята медь, а дуга моделировалась как проводник с током, находящийся в вакуумной среде с заданными электрическими характеристиками. Была создана упрощенная модель статора для генерации трехфазного вращающегося магнитного поля с часто- 5 той 50 Гц. Установлена линейная зависимость силы Лоренца от тока дуги и достигнуты максимальные значения силы при токе 20 кА на уровне 0,057 Н при индукции магнитного поля 0,51 Тл. Результаты исследования показали, что внешнее вращающееся магнитное поле оказывает значительное воздействие на электрическую дугу в вакуумном выключателе, при этом максимальное воздействие достигается в наиболее критические моменты работы устройства, когда происходит переход дуги из диффузного в сжатое состояние. Была выявлена принципиальная сложность точного численного расчета скорости движения дуги, связанная с определением адекватной массы дугового столба, что требует разработки более сложных моделей для практического применения результатов исследования.

The purpose of this research is to develop and scientifically substantiate a method for increasing the breaking capacity of a vacuum circuit breaker by applying an external rotating magnetic field to control the electric arc. The research modeling was conducted using the COMSOL MULTIPHYSICS software package. A model of a vacuum circuit breaker with an external rotating magnetic field generation system was created, including a simplified stator geometry with three-phase winding and an arc conductor. The Lorentz force acting on the arc was calculated and its influence on arc quenching processes in the contact gap was investigated. The dependence of the Lorentz force on arc current parameters and external magnetic field under various circuit breaker operating modes was studied. All investigations considered critical modes when the arc transitions from diffuse to constricted state. The tasks solved during this research include studying the physical processes of electric arc quenching in vacuum circuit breakers and identifying main problems of existing designs, developing a mathematical model of electric arc interaction with external rotating magnetic field based on Maxwells equations, creating a computer model for numerical investigation of rotating magnetic field parameters influence on arc quenching process, conducting a series of calculations to determine magnetic field force effects on the arc, analyzing the possibility of controlling arc movement on contact surfaces using external magnetic field. 6 A three-dimensional model of a vacuum circuit breaker with rotating magnetic field generation system was developed in COMSOL Multiphysics software. For calculation simplification, copper was chosen as the contact material, and the arc was modeled as a currentcarrying conductor in vacuum environment with specified electrical characteristics. A simplified stator model was created to generate three-phase rotating magnetic field at 50 Hz frequency. Linear dependence of Lorentz force on arc current was established with maximum force values at 20 kA current reaching 0.057 N at magnetic field induction of 0.51 T. The research results demonstrated that external rotating magnetic field significantly affects the electric arc in vacuum circuit breakers, with maximum effect achieved during the most critical operating moments when arc transitions from diffuse to constricted state. A fundamental complexity in accurate numerical calculation of arc movement velocity was identified, related to determining adequate arc column mass, which requires development of more complex models for practical application of research results.