Исследование жидкометаллического ограничителя тока со стабилизированной защитной характеристикой

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОТЧЁТ

О НАУЧНОЙ - ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ

По теме: Исследование жидкометаллического ограничителя тока со стабилизированной защитной характеристикой



Обозначения и сокращения

В настоящем отчете о НИР применяют следующие обозначения и сокращения:

ЖСП - жидкометаллический самовосстанавливающийся предохранитель;

СТРЭ - система транспортировки и распределения энергии;

СЭС - система электроснабжения сетей;

КЗ - короткое замыкание;

АПВ - автоматическое повторное включение.



Введение

При создании энергосберегающих систем транспортировки и распределения электроэнергии возникает необходимость объединять силовые трансформаторы на параллельную работу. При этом возрастают токи короткого замыкания. В ряде случаев эти токи могут превышать токи предельной отключающей способности существующей коммутационной аппаратуры, что ограничивает возможности использования таких решений. Возникает необходимость разработки новых токоограничивающих устройств, позволяющих расширить возможности развития технологий создания энергосберегающих СТРЭ. Одним из вариантов новых устройств может быть устройство на основе жидкометаллических самовосстанавливающихся предохранителей (ЖСП). Однако уровень исследований как в нашей стране, так и за рубежом пока не позволяет перейти к созданию промышленных образцов ЖСП. Наиболее полное научное обоснование в технической литературе получил вариант использования ЖСП как ограничителя тока в комплексе с шунтирующем сопротивлением. Научный задел в этом отношении более всего приближен к практическому выходу. Целесообразно продолжить исследования в направлении создания макетных образцов ЖСП, их лабораторных и эксплуатационных испытаний, которые могут обеспечить возможность развития технологии создания энергосберегающих систем транспортировки электроэнергии.



1. ЖСП как токоограничитель в электроэнергетических сетях

В настоящее время исследования по ЖСП как в Российской Федерации, так и в Германии, США, Японии обеспечили уровень научных знаний, всё ещё далёкий до воплощения этих аппаратов в промышленном серийном производстве. Эти исследования в текущий момент являются уделом небольших групп учёных в различных странах мира [1,2,11].

Принцип действия ЖСП схож с принципом действия обычного предохранителя, то есть является аппаратом защитного отключения, предназначенным для защиты электрооборудования с помощью расплавления плавкого элемента. В результате перехода в другое агрегатное состояние сопротивление аппарата резко возрастает, что ограничивает ток короткого замыкания.

В ЖСП для создания плавкого элемента применяются, как следует из названия жидкие металлы, например, ртуть, галлий или индий, которые заливают в непроводящий канал диэлектрического резервуара. При подаче тока короткого замыкания на ЖСП, содержащийся в нём жидкий металл переходит в парообразное агрегатное состояние и снижает протекающий ток. Однако в отличие от простого предохранителя, ЖСП после остывания и конденсации паров плавкого элемента (возврата металла в жидкое состояние) снова готов к дальнейшей работе.

Природа высокого сопротивления металла в газообразном состоянии определяется резким ростом давления в резервуаре. После отключения электроприёмника, гашения дуги, возникшей от приложенного тока короткого замыкания и самовосстановления ЖСП электрическая цепь снова готова к использованию без необходимости привлекать обслуживающий персонал. Таким образом, ЖСП способен осуществить цикл автоматического повторного включения (АПВ). Выведем ряд преимуществ ЖСП над обычными предохранителями:

- Токоограничивающие свойства ЖСП превосходят токоограничивающие свойства обычных предохранителей;

- ЖСП способны самовосстанавливаться, что позволяет совершить цикл АПВ без одноименной аппаратуры;

- После восстановления ЖСП продолжает работу и не требует замены;

- ЖСП не подвержен воздействию окружающей среды, поскольку жидкий металл находится в герметичном резервуаре. Таким образом, окисление жидкого металла невозможно при любой его температуре, даже температуре кипения;

- Срок службы ЖСП превышает срок службы обычных предохранителей в среднем в 15 раз [1];

- ЖСП имеет низкое отношение пограничного тока к номинальному, что позволяет защищать от перегрузок кратности 110% от номинального тока, когда у обычных предохранителей производится защита от перегрузок кратности 130-200% от номинального тока.

Флагманами работ по разработке ЖСП являются японские Hitachi и Toshiba, в США данные работы выполняет General Electric [2]. В Российской Федерации разработку ЖСП осуществляют МЭИ, ВНИИ Электроаппарат, СГТУ, УлГТУ и НПИ (в настоящее время - ЮРГПУ) [1, 3, 4, 5]. Однако ни одна из вышеперечисленных организаций не смогла сформировать практических рекомендаций для запуска ЖСП в серийное производство [6].

Основная проблема, с которой сталкиваются отечественные учёные - выбор материала диэлектрического резервуара. Самым перспективным является применение керамики, однако не решен ряд вопросов, связанных с технологией изготовления.

Обзор источников, связанных с разработкой ЖСП, позволяет сформулировать две основных группы этих предохранителей.



Рисунок 1 Виды жидкометаллических самовосстанавливающихся предохранителей

Первую группу составляют ЖСП с управляемым временем восстановления. Их необходимо готовить к повторному включению тем или иным способом, например, перемещением в пространстве после отключения тока короткого замыкания. Эти предохранители не нужно заменять на новые, но для возврата в рабочее состояние требуется внешнее воздействие, произведённое оперативным персоналом или устройством автоматики.

Вторую группу составляют ЖСП с неуправляемым временем восстановления. Восстановление этих ЖСП происходит по завершению конденсации паров металла в резервуаре. Эти ЖСП в источниках иногда носят название жидкометаллических ограничителей тока. Важной особенностью применения таких ЖСП в системе электроснабжении (СЭС) является возможность применения только при использовании в комплексе с дополнительными коммутационными и защитными аппаратами, например, автоматическими выключателями.

2. Защитные токоограничительные аппараты с ЖСП

Одна из конструкций ЖСП с управляемым временем восстановления изображена на рисунке 2. Она состоит из металлического корпуса 1, в котором размещена диэлектрическая втулка 2 из термостойкой керамики с отверстием 3, выходящим в цилиндр 4. Отверстие во втулке и в цилиндре заполнены жидким металлом 5. Сильфон 6, выполняющий роль демпфирующего устройства и расположенный в этом цилиндре, соединен со вторым сильфоном 7, расположенным в цилиндре 8, заполненным сжатым газом 9, через обратный клапан 10 и обводную трубку 11 с вентилем 12. Оба сильфона заполнены жидкостью 13, например, маслом. Общий корпус 14 цилиндров служит одним из контактных выводов. Второй контактный вывод 15 изолирован от корпуса слоем изоляции 16.

Рисунок 2 Жидкометаллический предохранитель

При протекании номинального тока электроприёмника путь тока начинается с первого контактного выхода, проходит через жидкий металл, находящийся в отверстии диэлектрической втулки, к другому контактному выходу. В случае возникновения тока короткого замыкания жидкий металл внутри втулки переходит в газообразное состояние и образуется паровая пробка, обладающая значительный сопротивлением. Такой разрыв электрической цепи сохраняется до отключения с помощью оперативного персонала, либо устройства защитного отключения, после чего металл в отверстии втулки возвращается в жидкое состояние.

Другой способ построения ЖСП с управляемым временем восстановления заключается в применении другого демпфирующего устройства. В отличие от предыдущего, после гашения электрической дуги происходит частичная конденсация паров металла, что приводит к снижению давления и уменьшению сопротивления, что ведёт к повторному появлению дуги и дальнейшей стабилизации.

Повысить надежность и при этом уменьшить габаритные размеры конструкции позволит использование демпирующего устройство, выполненное в виде сильфона (Рисунок 3).

Рисунок 3 Жидкометаллический самовосстанавливающий предохранитель 1-термостойкая диэлектрическая втулка; 2-металлический корпус; 3- контактный вывод; 4-переходная втулка; 5,6-накидная гайка; 7-изоляционная втулка; 8-укрпляющая втулка; 9-сильфон; 10-сжатый газ

Преимущества первой конструкции (Рисунок 3) выражаются в высокой степени токоограничения, малых размерах занимаемой площади, потерях мощности и падениях напряжения, относительно низкой стоимости, возможность работы совместно с автоматическими выключателями без непосредственного воздействия на максимум расцепителя. Также ЖСП имеет один существенный недостаток. Это малый ресурс отключения токов короткого замыкания из-за увеличения диаметра канала керамической втулки 2 (дуговая эрозия). Но этот недостаток можно устранить, совершенствуя конструкцию устройства (об этом говориться ниже).

Для оценки второй конструкции рассмотрим макетный образец СамГТУ (Рисунок 4). К преимуществам можно отнести: малые перенапряжения, относительно небольшое давление в межэлектродных каналах токоограничителя (позволяет использовать для их изготовления обычные электротехнические изоляционные материалы). Недостатки конструкции: разброс между разрушением жидкого металла в диафрагмах центральных и прилежащих к электродам зависит от тока перегрузки и может составить несколько миллисекунд (приводит к снижению ресурса предохранителя), достаточно большое время восстановления плавкой вставки (с количеством срабатываний это время возрастает), имеет место магнитогидродинамическая неустойчивость жидкого металла (пинч-эффект), а также работа данного ограничителя тока возможно в горизонтальном положении угол поворота вокруг вертикальной плоскости допускается до 45-50?.

Существенным недостатком обеих конструкций можно назвать подверженность канала диэлектрической трубки дуговой эрозии. Устранить эрозию в данном случае не удастся из-за большой разницы между температурой плавления известных диэлектрических материалов и температурой плазмы электрической дуги. Всё вышесказанное оказывает существенное влияние на надёжность конструкции при каждом срабатывании [1].



Рисунок 4 Токоограничитель СамГТУ 1-твердометаллические электроды; 2- герметизирующие шайбы; 3- керамические изоляционные пластины; 4- отверстия капиллярного сечения; 5- медные проводящие пластины; 6- сквозные отверстия; 7- отверстия в твердометаллических электродах; 8,9- демпфирующие сильфоны

Примером для второго вида ЖСП с неуправляемым временем восстановления служит ограничитель тока, изображенный на рисунке 5.

Рисунок 5 Ограничитель тока с неуправляемым временем восстановления. 1-диэлектрическая втулка из термостойкой керамики; 2, 10- металлический корпус; 3- цилиндр; 4- поршень; 5- инертный газ; 6- клапан; 7- пружина; 8- упор пружины; 9- контактный вывод

Ограничитель тока состоит из диэлектрической втулки 1, выполненной из термостойкой керамики и расположенной внутри металлического корпуса 2. Капиллярное отверстие диэлектрической втулки, переходящее в цилиндр 3, заполнено жидким металлом, находящимся под начальным давлением, создаваемым действием поршня 4. На поршень 4 воздействует сжатый инертный газ 5. Вход капиллярного отверстия со стороны цилиндра 3 закрыт клапаном 6, в котором имеется отверстие c диаметром, меньшим диаметра капиллярного отверстия. Клапан 6 подпружинен пружиной 7, имеющий упор 8. Корпус цилиндра 3 является одним из контактных выводов. Второй вывод 9 изолирован от корпуса устройства слоем изоляции 10.

Принцип действия такого ЖСП состоит в следующем. Цепь тока проходит от одного контактного вывода (цилиндра 3) к другому выводу 9 через жидкий металл, заполняющий капиллярное отверстие в диэлектрической втулке. При возникновении аварийного тока жидкий металл в отверстии диэлектрической втулки 1 испаряется, что приводит к разрыву электрической цепи и повышению давления слева от клапана 6. Клапан 6 отрывается и неиспарившаяся часть жидкого металла из капиллярного отверстия выбрасывается в цилиндр 3, отодвигая вправо поршень 4. Возникающая дуга гасится. При конденсации паров металла давление в капиллярном отверстии втулки 1 падает, и клапан 6 закрывается. Возникшее вакуумное пространство в капиллярном отверстии диэлектрической втулки 1 медленно заполняется жидким металлом через отверстие в клапане 6, имеющее малый диаметр. Заполнение происходит под воздействием давления, создаваемого инертным газом 5. После возращения поршня 4 в исходное положение ограничитель тока готов к повторному действию. Металлический корпус 2 служит для предотвращения разрыва керамической втулки 1 при чрезмерном давлении.

В иностранной литературе освещён вопрос использования ЖСП в качестве допустимой замены токоограничивающих реакторов, используя токоограничительное свойство ЖСП в случаях недостаточной токоограничивающей способности автоматических выключателей. Кроме того, описано применение ЖСП в СЭС, имеющих в своём составе электроприемники с низкой перегрузочной способностью [6,10,12]. Варианты использования ЖСП в схеме электроснабжения приведены на рисунках 6 и 7. Следует заметить, что при применении ЖСП в комплекте с автоматическим выключателем требуется сделать время самовосстановления длительным настолько, чтобы избежать повторного срабатывания ЖСП, поскольку это приведёт к дополнительному нагреву, а как следствие, повышенному износу ЖСП.

Интересным техническим решением является установка специального клапана на выходе диэлектрического резервуара ЖСП. Это техническое решение позволяет существенно удлинить процесс самовосстановления, поскольку клапан усложняет возвращение жидкого металла в канал после возврата в жидкое агрегатное состояние

Рисунок 6 Схема распределительного пункта с ЖСП

Рисунок 7 Использование ЖСП в комплекте с автоматическим воздушным выключателем



Рисунок 8 Зависимость изменения тока от времени а- через выключатель; б- через ЖСП; в- через шунтирующее сопротивление

Зависимость тока ЖСП от времени (рисунок 8) определяется следующими процессами. При появлении короткого замыкания в защищаемой зоне ток короткого замыкания достигает такого значения, что расцепители автоматического выключателя размыкают цепь без выдержки времени. Поскольку время срабатывания расцепителей автоматического выключателя превышает 10 - 20 мс, ток короткого замыкания продолжает расти.

С наступлением преддугового времени испаряется жидкий металл плавкого элемента ЖСП, что приводит к резкому росту сопротивления и появлению электрической дуги. Ток короткого замыкания начинает течь по пути наименьшего сопротивления по цепи шунтирующего резистора до . Ток в цепи ЖСП снижается до значения , а в цепи шунтирующего резистора начинает изменяться по синусоидальному закону. Токи и составляют собой по 1 закону Кирхгофа ток цепи замыкания . В конце полупериода ток расцепители автоматического выключателя отключают цепь, ток перестаёт течь через шунтирующий резистор и ЖСП, после чего за время дуга гасится, а за время металл снова возвращается в жидкое агрегатное состояние. Электрическая цепь снова оказывается в исходном состоянии.

В том случае, если расцепители автоматического выключателя не обесточили электрическую цепь, то происходит включение ЖСП на короткое замыкание и весь цикл повторяется за время и . Число повторных срабатываний может быть определено из времени срабатывания автоматического выключателя.

Ключевым моментом можно считать правильный подбор материала диэлектрического резервуара и жидкого металла, которые совместно смогут дать ЖСП максимальный ресурс и наибольшую надёжность.

Воздействие электрической дуги на диэлектрическую втулку наблюдалось в испытании макетного образца, которые производил Ульяновский государственный технический университет, изображенные на рис. № 9.



Рисунок 9 Фотографии диэлектрической втулки из оксида бериллия а- до испытания; б- после пяти опытов с ударным значением тока 50 кА при шунтирующем сопротивлении 0,05 Ом; в - то же при значении сопротивления 0,1 Ом; г- тоже при значении сопротивлении 0,2 Ом

На рисунке 9 приведены фотографии диэлектрической втулки на испытаниях в специальной лаборатории ОАО «Контактор» г. Ульяновск. Испытания имели цель выявить керамические материалы отечественного производства, предназначенные для изготовления ЖСП. [1]

Из проделанных опытов можно выделить несколько положительных результатов, при которых не было износа диэлектрической втулки. Положительным результатом оказался окиси бериллия, эвтектики индий-галий-олово, а так эвтектики галлия в сочетании с кварцевым стеклом. Во всех случаях наблюдалось не значительный отход поршня с возвратом в исходное положение, а также не происходил нагрев фланцев.

Помимо материалов, которые были указаны в исследовании, так же можно использовать другие материал, такие как цирконий, тантала и карбид тантала-гафния. Эти материалы обычно использую для изготовления изделий сложных форм. Их сплавы применяются в ядерной энергетике для изготовления тепловыделяющих элементов, тепловыделяющих конструкций и в ракетно-космическом строительстве.

Для стабилизации защитной характеристики ЖСП существуют предложения использовать составную плавкую вставку, т.е. помимо легкоплавкого материала используется тугоплавкий электрод.

Такой электрод в ЖСП позволяет создать дополнительное сопротивление, большее чем сопротивление жидкого металла. При прохождении тока короткого замыкания электрод нагревается гораздо быстрее, чем жидкий металл. Когда температура электрода становится равной температуре кипения жидкого металла, испаряется только его часть, непосредственно граничащая с электродом, что приводит к обрыву пути протекания тока и гашению электрической дуги.

В этом случае требуется меньшее время для образования высокоомного сопротивления. Следовательно, дуговая эрозия оказывает минимальное влияние на диэлектрическую втулку и преддуговой интеграл не увеличивается. Упрощенная модель предохранителя с составной плавкой вставкой изображена на рисунке 10 [22].

Рисунок 10 Упрощенная модель предохранителя с составной плавкой вставкой 1-электрод; 2- жидкий металл;3- диэлектрическая втулка, L1- длина электрода; L2- длина жидкого металла

Однако при использовании тугоплавкого электрода при коротком замыкании после нескольких срабатывания ЖСП происходит износ электрода по длине вместе с диэлектрической втулкой. Рис. № 11.

Рисунок 11 Упрощенная модель предохранителя с составной плавкой вставкой после нескольких срабатывания. 1-электрод; 2- жидкий металл;3- диэлектрическая втулка; 4-зона эрозии; L1- длина электрода; L2- длина жидкого металла

Данные конструкции имеют существенный недостаток, связанный с разрушением тугоплавкого электрода при больших токах короткого замыкания, нагревающих электрод сильнее температуры плавления. Максимальное значение тока короткого замыкания, сопровождающееся разрушением тугоплавкого электрода возможно увеличить за счёт подбора шунтирующего сопротивления.

Из опытов, проводимых УлГТУ можно сделать вывод, что шунтирование ЖСП низкоомным резистором является эффективным способом стабилизации процессов, протекающих в ЖСП, а именно путём стабилизации преддугового интеграла и интеграла отключения. Для ещё большей стабилизации допустимо расположить тугоплавкий электрод в суженной части резервуара [1].



Рисунок 12 Зависимость относительного значения преддугового интеграла и интеграла отключения от числа коммутаций ЖСП

- преддуговой интеграл ЖСП; - преддуговой интеграл ЖСП в первом опыте; -интеграл отключения ЖСП; - интеграл отключении я в первом опыте.

1-включения ЖСП без шунтирующего сопротивления, 2- с шунтирующим сопротивлением, 3- с шунтирующим сопротивлением и при расположении в суженной части канала диэлектрической втулки вольфрамного электрода.

Проведение дальнейших работ возможно в области улучшения стабильности защитной характеристики ЖСП, а именно создания ЖСП со стабилизированной защитной характеристикой (ЖСПС) сделает возможным их запуск в серийное промышленное производство и применение в СЭС. За счёт этого потери на производство и передачи до электроприёмника 1 кВт•ч сократятся на 1,8% [6]. Это делает разработку ЖСП очень важной и актуальной задачей отечественной науки.



3. Математическая модель коммутационного процесса в ограничителях тока с составной плавкой вставкой из разных материалов при коротком замыкании

Математическое моделирование, расчёт, имитация процессов нагрева является сложнейшим и трудоёмким комплексом проблем. Точность подобных математических моделей оставляет желать лучшего, по причине невозможности в настоящий момент решить уравнения теплопроводности без применения приближённых численных методов Сложнейшие математические модели не обеспечивают должной точности также из-за отсутствия точных значений многочисленных коэффициентов, многие из которых могут быть определены только экспериментальным путём. Всё это обуславливает большие погрешности в имеющихся математических моделях [1].

Процесс срабатывания ЖСПС при коротком замыкании напрямую связан с процессами нагрева, является чрезвычайно сложным, поскольку не может быть решён напрямую. при коротком замыкании является довольно сложной и не может быть решен путем логического решения. Для исследования этого процесса нужно использовать методы анализа сложных функций. Анализ процесса начнём с построения схемы замещения.

Эквивалентная схема замещения цепи изображена на рисунке 13. Она состоит из источника перемененного напряжения, сопротивления легкоплавкого материала плавкой вставки и сопротивления электрода.

Данная схема замещения применима для любых видов короткого замыкания: трехфазного, двухфазного и замыкания на землю.



Рисунок 13 Электрическая схема замещения цепи с ЖСП

Rлпл - сопротивление легкоплавкого материала плавкой вставки; Rэл - сопротивления электрода.

Приводимая математическая модель является частным случаем уравнения теплового баланса.

Q_выд = Q_внутр + Q_отв, (1)

где Q_выд - выделяемая энергия; Q_внутр - внутренняя энергия; Q_отв - отводимая энергия.

Данный баланс не содержит интересующих переменных, поэтому выражаем их через другие физические законы, а именно:

Q_выд = Рdt = I²·Rdt - закон Джоуля-Ленца;

Q_внутр = C_o·ф - не имеет наименования;

Q_отв = k_т·F·ф·dt - закон Ньютона,

где Р = I²R- выделяемая мощность, здесь I = const - значение (действующее) тока; R = const - значение сопротивления проводникового материала жилы; С_о = cV - общая теплоёмкость однородного тела, здесь с - эквивалентная удельная объёмная теплоёмкость однородного тела определяемая удельными объёмными теплоёмкостями проводника, изоляции и свинцовой оболочки; V - объём однородного тела; k_т - коэффициент теплоотдачи с боковой стенки однородного тела; F - Площадь поверхности боковой стенки однородного тела; ф = (и ? и_о) - текущее превышение температуры тела и над температурой окружающей среды и_о.

Подставляем составляющие в исходное уравнение теплового баланса. Получим:

Рdt = I²·Rdt = C_o·ф+k_т·F·фdt. (2)

Протекание токов КЗ в СЭС ограничено очень коротким временем действия аппаратуры защитного отключения. Поэтому допустимо принять допущение, что этот нагрев происходит при отсутствии теплообмена с окружающей средой, поэтому уравнение (2) принимает вид:

Рdt = I²·Rdt = C_o·ф. (3)

Ключевым параметром устройств защитного отключения можно считать быстродействие [1]. Аналогично стандартному предохранителю, быстродействие ЖСП при аварийном режиме допустимо оценить величиной интеграла отключения.

; (4)

где - интеграл отключения; - преддуговой интеграл; - интеграл дуги.

Преддуговой интеграл любого плавкого металлического элемента можно определить из выражения:

, (5)

где S- минимальное сечение составной плавкой вставки; А - постоянная для данного материала плавкой вставки величина.

В общем случае расчетное выражение постоянной А имеет следующий вид:

, (6)

Где

; (7)

; (8)

; (9)

; (10)

где и - теплоемкость материала плавкой вставки в твердом и в жидком ее состоянии; и - плотность материала плавкой вставки; б - температурный коэффициент изменения сопротивления; - удельная теплота плавления; - удельная теплота парообразования; ,,,- удельная сопротивления материала плавкой вставки при температуре 0°C и при температуре для твердого и жидкого состояния материала плавкой вставки, а так же жидкого состояния при температуре кипения ; - температура окружающей среды.

Постоянная определяется суммой постоянных, определяющих очередной этап преддугового процесса.

Первая составляющая характеризует нагрев плавкой вставки до температуры плавления, вторая учитывает переход в жидкое состояние, третье составляющая соответствует стадии нагрева расплавленной плавкой вставки до температуры кипения, четвертая учитывает переход в газообразное состояние. В случае, если температура плавления жидкого металла больше, чем температура места установки ЖСПС в процессе необходимо учитывать все 4 постоянные. В ряде случаев для ЖСП в расчётах можно считать первую и вторую постоянную равными нулю.

Для определения воспользуемся типичной осциллограммой тока при срабатывании ЖСП (рисунок 14).

Рисунок 14 Осциллограмма тока при срабатывании ЖСП

Очевидно, что за время ток через предохранитель изменяется по синусоидальному закону:

, (11)

а за время закономерность изменения тока не имеет строгого математического описания.

Между тем, допущение, что этот ток при возникновении дуги до нулевого значения снижается линейно не должно привести к большим погрешностям.

. (12)

Подставляя выражение (11) в выражение для преддугового интеграла, получим:

. (13)

С учетом (5) выражение 13 получит вид:

. (14)

Получено трансцендентное уравнение, которое необходимо решить относительно с помощью систем компьютерной математики. Применение численных методов обуславливает погрешность, которую необходимо контролировать.

После этого определяется ток среза , при котором происходит испарение плавкой вставки,

, (15)

а затем с учетом выражения (12) определяется .

(16)

Полное время отключения для стандартной электрической сети равняется 0,01 с, поскольку соответствует полупериоду. Очевидно, что погрешности, возникающие от принятия линейной зависимости снижения тока от времени, делают значения и больше реальных, что позволяет назвать их максимально возможными.

Для нахождения оценки быстродействия необходимо знать сечения сравниваемых плавких вставок, выполненных из различных материалов и имеющих один и тот же номинальный ток. По уравнению теплового баланса интеграл отключения легкоплавкого материала связан с температурой электрода в зависимости от амплитуды тока, тогда принимаем следующее уравнение:

, (17)

где T - температура электрода в зависимости от интеграла легкоплавкого материала плавкой вставки.

Из выражения (17) можно алгебраическим методом определить температуру электрода:

, (18)

, (19)

(20)

(21)

(22)

Так же для определения предельно отключающей способности ЖСП с составной плавкой ставкой необходимо сравнить интеграл отключения жидкометаллической плавкой вставкой и преддуговой интеграл электрода.

, (23)

где - преддуговой интеграл электрода;- составляющая, которая характеризует нагрев электрода до температуры плавления; - сечение электрода.

Из формул (4) и (22) принимаем следующее нестрогое неравенство:

, (26)

Если неравенство (26) выполняется, то тугоплавкий электрод в ЖСП с составной плавкой вставки разрушается, после которого ЖСП больше не предназначен для повторного использования.

Данная математическая модель позволит определить токоограничивающие способности жидкометаллических самовосстанавливающих предохранителей с составной плавкой вставкой.

4. Применение математической модели для снижения сечения линий электропередачи

жидкометаллический предохранитель ток замыкание

Основным фактором, повышающим сечение кабельных линий, выбранных по максимальному рабочему току является несоответствие сечения проверке по термической стойкости.

Сечение, обеспечивающее термическую стойкость при протекании тока КЗ определяется из выражения:

(27)

где F - сечение кабеля, мм²; I - действующее значение установившегося тока КЗ, А; t - время КЗ, с; С - постоянная, определяемая согласно ПУЭ исходя из характера проводника.

Для проводников, защищённых ЖСП, руководствуясь вышеуказанной терминологией, выражение принимает вид:

(28)

Таким образом, очевидна возможность регулировать сечение за счёт снижения тока среза I_с путём уменьшения сечения плавкой вставки S.



Заключение

- ЖСП и комплекты защитной аппаратуры на основе ЖСП превосходят по своим техническим характеристикам, а именно быстродействию и токоограничению применяемые в настоящий момент электрические аппараты. Поэтому дальнейшие научные изыскания в части создания промышленных образцов ЖСП являются очень актуальными и несут существенную практическую ценность.

- В данный момент ЖСП за счёт своих технических и экономических характеристик являются конкурентоспособны с имеющимися устройствами токоограничения, например, реакторами. Приведены сведения из литературных источников, подтверждающие данный тезис.

- Для любого из разработанных на данный момент ЖСП имеет место недостаток конструкции, связанный с дуговой эрозией во время каждого срабатывания. Устранить эту эрозию полностью невозможно из-за физики процесса протекания токов короткого замыкания. Эта эрозия на данный момент не позволяет изготовить ЖСП, выдерживающий многократные срабатывания. Замена керамики на карбиды металлов теоретически может повысить стойкость ЖСП к воздействию электрической дуги, но практических результатов, подтверждающих эту гипотезу пока не опубликовано.

- Опубликованы конструктивные и схемные решения для применения ЖСП. Перспективные конструктивные решения предполагают использование тугоплавкого электрода, стойкого к разрушению от токов короткого замыкания. Применение схемных решений, в основном, сводится к шунтированию ЖСП резистором с низким сопротивлением. Шунтирование позволяет существенно снизить энергию, образующуюся внутри ЖСП на дуговой стадии короткого замыкания.

- Наиболее близким к практической реализации в виде промышленного образца является применение ЖСП совместно с шунтирующим сопротивлением и автоматическим выключателем.

- С точки зрения быстродействия и токоограничивающих свойств, предпочтительно использовать в ЖСП плавкие вставки из щелочных металлов.

- При анализе зависимости тока срабатывания ЖСП от времени допустимо принять участок от тока среза до нуля изменяющимся линейно, что делает значения интегралов отключения слегка завышенными, но абсолютно точно максимальными.

- Уменьшение сечения плавкой вставки ЖСП позволяет регулировать ток среза, позволяющий снизить требования к кабелю при проверке на термическую стойкость.



Список литературы

1. Кузнецов А.В. Жидкометаллические предохранители и инвестиционная привлекательность их разработки. М.: Энергоатомиздат, 2006. 207 с.

2. Патент 2242818 (RU), МКИ3 7Н01Н 87/00. Жидкометаллический самовосстанавливающийся ограничитель тока / А. В. Кузнецов (RU), И. В. Сычева (RU)

3. Niayesh K., Tepper J., Kцnig F. A Novel current limitation principle based on application of liquid metals // IEEE transaction on companents and packaging technologies. 2006, vol 29, №2 P. 303-309.

4. L.Yiying, W.Yi, Н. Chen, H. Hailong Investigation on the behavior of GaInSn liquid metal Current Limiter // IEEE transaction on companents. 2014, №2 P. 209-215.

5. E.Zienicke, Ben-Wen Li, A. Thess, A. Kr?zschmar, P. Terhoeven Theoretical and Numerical Stability Analysis of the Liquid Metal Pinch Using the Shallow Water Approximation // Journal of Thermal Science. 2008, №3 vol.17 P. 261-266.

6. T. Itoh, T. Miyamoto, Y. Wada, T. Mori, and H. Sasao, “Design considerations on the P. P. F. For a control center,” IEEE Trans. Power App. Syst., vol. PA-92, no. 4, pp. 1292-1297, Jul. 1973.

7. Намитоков К.К., Ильина Н.А., Шкловский И.Г. Аппараты для защиты полупроводниковых устройств. М.: Энергоатомиздат, 1988, 279 с.

8. A. A. Voronin, K. V. Kireev, P. A. Kulakov, and V. I. Prikhodchenko, Experience in the Application of Liquid-Metal Working Medium in High-Current Commutators and Contact Joints// Russian Electrical Engineering. 2008, vol. 79, no. 8 pp. 415 - 419.

9. Кржижановский Р.Е., Штерн З.Ю. Теплофизические свойства неметаллических материалов (карбиды). Справочник. Л.: Энергия, 1976. 120 с.

10. H. He et al., "Study of Liquid Metal Fault Current Limiter for Medium-Voltage DC Power Systems," in IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 8, no. 8, pp. 1391-1400, Aug. 2018.

11. Приходченко, В.И. Жидкометаллический токоограничитель/ В.И. Приходченко, М.Е. Серпуховитин, М.О. Скрипачев, А.В. Ситников// Известия вузов. Электромеханика. 2011. №3. С.60-61.

12. H. Wilfried, H. Werner, R. Klaus-Dieter, W. Alf and S-F. Rainer, “Selbstrьckstellendes Strombegrenzungselement,” D.E. Patent 102006029693, Mar. 1, 2007.

13. А.с. 1647680 СССР, МПК5 H01H29/30. Самовосстанавливающийся ограничитель тока/ А.И. Лавриненко, Л.Т. Николаева, В.И. Приходченко, Ю.Н. Скоморохов, Вал.В. Танаев, В.В. Танаев (СССР). № 4663876; заяв. 21.03.1989; опубл. 07.05.1991. Бюл. №17, 3 с.

14. Кужеков, С.Л. Оценка быстродействия жидкометаллического самовосстанавливающегося предохранителя/ С.Л. Кужеков, Б.Н. Васильев, Н.Н. Куров// Изв. высших учебных заведений. электромеханика. 2012. №2. С. 134-136.

15. Кузнецов А. В. Новая область применения самовосстанавливающихся предохранителей / А. В. Кузнецов // Научно-техническая конференция «Крайний Север 96. Технологии, методы, средства»: тез.докл. Норильск, 1996.

16. Кузнецов, А. В. Повышение эффективности функционирования устройств управления передачей электроэнергии в системах электроснабжения потребителей / А. В. Кузнецов // Электрика. 2004. №11. С. 7-12.

17. Определение патентной ситуации в области электрических аппаратов с использованием жидких металлов: Технический отчет / ВНИИЭлектроаппарат. ОАК.120.436. Харьков, 1981. 29 с.

18. Определение патентной ситуации в области самовосстанавливающихся токоограничителей. НИР «Предохранители многократного действия»: Отчет о НИР / ВНИИЭлектроаппарат. OAK.I20.397; № ГР 79046254. Харьков, 1980. 95 с.

19. Патент 2242818 (RU), МКИ³ 7Н01Н 87/00. Жидкометаллический самовосстанавливающийся ограничитель тока / А. В. Кузнецов (RU), И. В. Сычева (RU) - №2003122171/09; Заявл. 15.07.03; Опубл. 20.12.04, Бюл. 35. 4 с.

20. Патент №2254636 (RU), МКИ³ 7Н01Н 87/00. Ограничитель тока / П.В. Кузнецов (RU), А.В. Кузнецов (RU) - №2004106226; Заявл.02.03.04; Опубл.20.06.05, Бюл.17. 4 с.

21. Coleman, E. Advantages of Moulded Case Breakers with Fuses for High Fault Level Installations // Electrical Times. 1973. № 4242, August 2. P.14-15.

22. Патент №2242818, авторское свидетельство №1128303, авторское свидетельство №951449.

Размещено на Allbest.ru