Мультифізичні моделі високовольтних вакуумних вимикачів з бістабільними поляризованими актуаторами в динамічних режимах

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктор технічних наук за спеціальністю 05.09.01 "Електричні машини і апарати" (141 – електрична інженерія). – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", м. Харків, 2018 р. У дисертаційній роботі розглянуто проблеми створення мультифізичних моделей, що використовуються при дослідженні і проектуванні вакуумних вимикачів середньої напруги. Об'єкт дослідження – нестаціонарні електромагнітні процеси в неоднорідному, нелінійному, рухомому середовищі, що проводить електричний струм і включає в себе висококоерцитивні постійні магніти; процеси, пов'язані з теорією пружності, механікою твердого тіла, явищами в нестаціонарних теплових полях і теорією механіки суцільних середовищ. Предмет дослідження – вакуумні вимикачі з бістабільними поляризованими актуаторами та закономірності їхньої роботі в динамічних режимах; закономірності та механізм статичної і динамічної деформації контактної системи вимикача під впливом актуатора; здатність вимикача до вмикання та його термічна стійкість під дією аварійних надструмів; рідинні демпфери; електричні схеми керування актуатором. Методи дослідження – дослідження електромагнітних, механічних, теплових процесів і процесів течії рідини базуються на аналітичних і чисельних математичних моделях, які враховують найбільш суттєві лінійні та нелінійні взаємозв'язки між явищами. Чисельні розв'язання диференційних рівнянь в часткових похідних проводяться в спеціальних прикладних пакетах програм, достовірність результатів яких багаторазово перевірена і не викликає сумнівів, а також програмах, написаних здобувачем, які перевірені експериментально. В роботі отримані такі наукові результати. Вперше розроблена модель динаміки поляризованого бістабільного актуатора з постійними магнітами, що базується на розрахунках нестаціонарного електромагнітного поля в нелінійному неоднорідному середовищі, що проводить електричний струм та містить постійні магніти з урахуванням руху частин актуатора у взаємодії з нелінійними рівняннями електричного кола і руху. Розраховані параметри форсованого підключення актуаторів та надано рекомендації щодо конструкції та параметрів актуаторів. Розроблено мультифізичні моделі дослідження впливу параметрів актуаторів на статичні і динамічні механічні напруження в сильфоні вакуумної камери, отримані рекомендації з вибору оптимальної конструкції сильфона і його довговічності, розрахована його втомна витривалість. Розроблено модель впливу параметрів актуаторів на динамічні механічні напруження в контактній системі та механізмі вимикача, що базується на теорії пружності, завдяки чому була розрахована геометрія приводного вала та обраний його матеріал та підшипники. Вперше розроблено мультифізичні моделі, що дозволяють визначити вплив динамічних характеристик актуатора на здатність вимикача до вмикання аварійного надструму: визначена динаміка зіткнення і час вібрації контактів; вирішена теплова задача Стефана з урахуванням теплоти фазових переходів і визначена можлива сила зварювання контактів; надано рекомендації щодо зниження швидкості зіткнення контактів за рахунок застосування рідинного демпфера засновані на рівняннях Нав'є – Стокса і динаміки руху актуатора; розроблена модель нагріву і деформації контактної поверхні і на її основі надані рекомендації щодо розрахунків необхідної сили контактного натискання і геометрії контактів за умов термічної стійкості. Досліджено та проаналізовано оригінальні моделі схем підключення котушок актуатора до різних джерел електричної енергії, надано рекомендації щодо їх практичної реалізації. Результати дослідження були перевірені на макетах, дослідних зразках які підтвердили отримані рекомендації та висновки і використовувались при розробці вакуумних вимикачів. Впровадження основних наукових і практичних результатів дисертаційної роботи знайшло відображення: в договірній роботі з ТОВ «АВМ Ампер» договір № 33 / 98-12 між НТУ «ХПІ» та ТОВ «АВМ Ампер», «Вплив параметрів бістабільного поляризованого актуатора вакуумного вимикача на його здатність до вмикання», м. Кременчук; науково-дослідній та дослідно-конструкторській роботі, яка була виконаної на замовлення ТОВ НВП «Укренергокомплекс-2», «Бістабільні актуатори в установках контролю і розподілу потоків рідини», м. Харків та навчальному процесі.Dissertation for the degree of Doctor of Technical Sciences in specialty 05.09.01 "Electric Machines and Apparatus" (141 – Electrical Engineering). – National Technical University "Kharkov Polytechnic Institute", Kharkov, 2018. In the dissertation work the problems of creation of multiphysical models used in the research and designing of medium voltage vacuum switching devices are considered. The object of the study is transient electromagnetic processes in a heterogeneous, nonlinear, moving medium conducting electric current and including high-coercive permanent magnets; processes related to the theory of elasticity, solid state mechanics, phenomena in non-stationary thermal fields, and the theory of continuum mechanics. Subject of research – vacuum switching devices with bistable polarized actuators; dynamics of actuators; static and dynamic deformation of the contact system of the circuit breaker and the mechanism under the influence of the actuator; the ability of the circuit breaker to switch on and the thermal stability of the circuit breaker under the influence of emergency overvoltage's; liquid dampers; electromagnetic actuator’s control circuit. Research methods – the investigations of electromagnetic, mechanical, thermal processes and fluid flow processes are based on analytical and numerical mathematical models that take into account the most significant linear and nonlinear interconnections between phenomena. Numerical solutions of partial differential equations are carried out using special application software packages, the reliability of which is repeatedly confirmed and does not cause doubts, as well as codes written by the applicant. The following scientific results have been obtained in the work. For the first time a model of dynamics of a polarized bistable actuator with permanent magnets has been developed based on calculations of transient electromagnetic field in a nonlinear non-uniform medium conducting electric current and containing permanent magnets taking into account the motion of parts of the actuator in conjunction with nonlinear equations of electric circuit and motion. The parameters of forced switching on of actuators are calculated and recommendations on the design and parameters of actuators are given. The multiphysical models of studying the influence of actuator parameters on static and dynamic mechanical stresses in a vacuum chamber bellows have been developed, recommendations have been obtained for choosing the optimal structure of a bellows and its durability, its fatigue endurance is calculated. A model of the influence of actuator parameters on dynamic mechanical stresses in the contact system and the switching mechanism based on the theory of elasticity was developed, due to which the geometry of the drive shaft was calculated and its material was chosen. For the first time, multiphysical models have been developed to determine the effect of the actuator's dynamic characteristics on the ability of the circuit breaker to activate the emergency overloads: shock dynamics and contact vibration time are defined; the Stefan thermal problem solved, the heat of phase transitions is taken into account, and the possible strength of contact welding is determined; recommendations for reducing the contact collision rate due to the use of a liquid damper based on the Navies-Stokes equation and dynamics of the actuator are given; the model of heating and deformation of the contact surface was developed and on its basis recommendations were given regarding calculations of the required force of contact pressure and the geometry of the contacts in the conditions of thermal stability. The original models of circuits connecting actuator coils to different sources of electric energy have been investigated and analyzed, and recommendations on their practical implementation have been given. The results of the study were checked on layouts, prototypes and used in the development of vacuum circuit breakers, tests of which models were confirmed by the obtained recommendations and conclusions. Implementation of the main scientific and practical results of the dissertation work was reflected: in agreement with «ABM Ampere», Kremenchk agreement No. 33/98-12 between NTU «KhPI» and «ABM Ampere» LLC «Influence of the parameters of a bistable polarized vacuum actuator of the circuit breaker on its ability to switch on», research and development work performed by order of Ukrenergokompleks-2 LLC, Kharkov «Bistable actuators in control plants and distribution of liquid flows».