Детальная информация

Данная работа посвящена моделированию электротепловых и электромагнитных процессов в вакуумной дугогасительной камере с осевым магнитным полем для выключателя среднего напряжения 10 кВ на номинальные параметры 3150 А и 31,5 кА. В ходе выполнения исследования была разработана геометрическая модель вакуумной дугогасительной камеры в программной среде SOLIDWORKS, с последующим проведением численного анализа в пакете COMSOL Multiphysics. Моделирование охватывало решение электротепловой задачи для замкнутых контактов (длительное протекание номинального тока) и электромагнитной задачи для разомкнутых контактов (горение вакуумной дуги). Для этого была сформирована мультифизическая модель, включающая физико-геометрические параметры конструкции, выбор материалов (медь, серебро, сплав CuCr, сталь AISI 4340, кварц) и задание граничных условий. В результате численного анализа были получены: распределение линий плотности тока, электрического потенциала и температуры в конструкции ВДК с замкнутыми контактами при контактном давлении 1 МПа и 10 кПа для двух материалов контактных колец (серебро и сплав CuCr). Для разомкнутых контактов получены распределения линий плотности тока в межконтактном промежутке, нормы и направления вектора магнитной индукции в конструкции камеры и в области дуги. Кроме того, был проведён анализ переходных восстанавливающихся напряжений при отключении несимметричных коротких замыканий (90% и 30%) и при отключении 100% и 10% номинального тока. На основе этих данных проведён сравнительный анализ, демонстрирующий влияние материала контактных колец и контактного давления на тепловой режим работы камеры, а также влияние материала на распределение магнитного поля в разомкнутом состоянии. Итогом работы стала формулировка выводов о пригодности исследуемых материалов (серебро и сплав CuCr) для использования в контактных кольцах ВДК на параметры 10 кВ-3150 А/31,5 кА с точки зрения теплового режима и характеристик магнитного поля.

This research is dedicated to the modeling of electrothermal and electromagnetic processes in a vacuum interrupter with an axial magnetic field for a medium-voltage 10 kV circuit breaker with rated parameters of 3150 A and 31.5 kA. As part of the study, a geometric model of a vacuum interrupter was developed in SOLIDWORKS, followed by a multiphysics numerical analysis performed in COMSOL Multiphysics. The simulation included solving an electrothermal problem for closed contacts (continuous rated current flow) and an electromagnetic problem for open contacts (vacuum arc burning). A multiphysics model was created, incorporating the physical and geometrical parameters of the contact system, material selection (copper, silver, CuCr alloy, AISI 4340 steel, quartz), and boundary conditions. The numerical analysis yielded the distribution of current density lines, electric potential, and temperature in the vacuum interrupter design with closed contacts at contact pressures of 1 MPa and 10 kPa for two contact ring materials (silver and CuCr alloy). For open contacts, the distributions of current density lines in the inter-electrode gap, as well as the magnitude and direction of the magnetic flux density vector in the chamber design and in the arc region, were obtained. Additionally, an analysis of transient recovery voltages was performed for unbalanced short-circuit faults (90% and 30%) and for 100% and 10% of the rated current interruptions. Based on these results, a comparative analysis was carried out, demonstrating the influence of contact ring material and contact pressure on the thermal performance of the chamber, as well as the influence of the material on the magnetic field distribution in the open state. As a result, conclusions were formulated regarding the suitability of the investigated materials (silver and CuCr alloy) for use as contact rings in a vacuum interrupter rated at 10 kV-3150 A/31.5 kA from the perspective of thermal performance and magnetic field characteristics.