Details

Выпускная квалификационная работа посвящена исследованию процессов гашения электрической дуги в устройстве защиты от импульсных перенапряжений с дугогасительной системой на основе газоструйного излучателя ультразвука и трубчатого резонатора при эксплуатации в высокогорных районах на высоте 3 км над уровнем моря. В работе выполнен анализ современных устройств защиты от импульсных перенапряжений, рассмотрены причины возникновения импульсных перенапряжений в электрических сетях и основные методы дугогашения в искровых разрядниках. Проведён анализ существующих конструкций дугогасительных устройств и обоснован выбор конструкции с газодинамическим воздействием на электрическую дугу. Проведён расчёт численной модели дугогасительного устройства в программной среде COMSOL Multiphysics, которая основана на совместном решении уравнений Максвелла, Навье–Стокса, баланса энергии и переноса излучения. При моделировании использованы термодинамические свойства плазмы воздуха в диапазоне температур до 30000 К и давлений до 100 атм. Для условий эксплуатации на высоте 3 км в модели задано пониженное атмосферное давление около 70 кПа. Исследование проводилось для импульсного тока формы 8/20 мкс с амплитудой до 26 кА при напряжении сети 275 В. Установлено, что снижение атмосферного давления на высоте 3 км приводит к уменьшению плотности воздуха примерно на 25–30 %, снижению электрической прочности воздушного промежутка и ухудшению условий охлаждения плазменного канала. В результате напряжение пробоя межконтактного промежутка уменьшается приблизительно до 3,8 кВ, а время существования высокотемпературной области электрической дуги увеличивается. Для компенсации ухудшения дугогасительных свойств выполнена параметрическая оптимизация геометрии разрядной камеры методом Нелдера–Мида. В качестве критерия оптимизации использовалась максимизация сопротивления дугового канала в момент времени 150 мкс. В результате оптимизации определены новые геометрические параметры дугогасительного устройства: h1 = 20,56 мм, h2 = 15,42 мм, h3 = 17,82 мм. Полученная конструкция обеспечивает более интенсивное вытягивание и охлаждение электрической дуги, что повышает вероятность её гашения в импульсе тока. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании устройств защиты от импульсных перенапряжений, предназначенных для эксплуатации в высокогорных районах и в условиях пониженного атмосферного давления.

This graduate qualification work is devoted to the investigation of electric arc extinction processes in a surge protective device equipped with an arc-extinguishing system based on an ultrasonic gas-jet emitter and a tubular resonator under high-altitude operating conditions at an elevation of 3 km above sea level. The work includes an analysis of modern surge protective devices, the causes of transient overvoltages in electrical power systems, and the main arc extinction methods used in spark-gap arresters. Existing arc-extinguishing system designs were reviewed, and the choice of a structure employing gas-dynamic воздействия on the electric arc was substantiated. A numerical model of the arc-extinguishing device was developed in the COMSOL Multiphysics environment based on the coupled solution of Maxwell equations, Navier–Stokes equations, energy balance equations, and radiation transport equations. The simulation employed thermodynamic properties of air plasma in the temperature range up to 30000 K and pressure range up to 100 atm. For operating conditions at an altitude of 3 km, a reduced atmospheric pressure of approximately 70 kPa was specified in the model. The study was carried out for an 8/20 μs impulse current waveform with an amplitude up to 26 kA at a network voltage of 275 V. It was established that the reduced atmospheric pressure at an altitude of 3 km leads to a decrease in air density by approximately 25–30 %, a reduction in dielectric strength of the air gap, and deterioration of plasma cooling conditions. As a result, the breakdown voltage of the interelectrode gap decreases to approximately 3.8 kV, while the lifetime of the high-temperature arc region increases. To compensate for the deterioration of arc-extinguishing performance, a parametric optimization of the discharge chamber geometry was performed using the Nelder–Mead optimization method. The optimization criterion was the maximization of arc resistance at a time instant of 150 μs. As a result of optimization, the following geometric parameters were obtained: h1 = 20.56 mm, h2 = 15.42 mm, h3 = 17.82 mm. The optimized design provides more intensive arc stretching and plasma cooling, thereby increasing the probability of current impulse extinction. The obtained results can be used in the design of surge protective devices intended for operation in mountainous regions and under reduced atmospheric pressure conditions.