Регистрация / Вход
Прислать материал

14.579.21.0041

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.579.21.0041
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
Открытое акционерное общество "НПО "Стример"
Название доклада
Разработка экспериментального образца разрядной камеры, обеспечивающей безаварийную работу электрических сетей при воздействии молниевых перенапряжений.
Докладчик
Зайналов Роман Игоревич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
1. Исследование основных физических процессов, протекающих в разрядных камерах мультикамерной системы
2. Целью настоящего проекта является разработка модуля (разрядной камеры) устройства молниезащиты воздушных линий
электропередачи, обеспечивающей безаварийную работу электрических сетей при воздействии молниевых перенапряжений.
Актуальность и новизна исследования
1) Полученные в ходе прикладных научных исследований (ПНИ) результаты несомненно будут полезны в области изучения
физики плазмы.
2) Полученные данные найдут свое применение в молниезащитных (разрядники), а также, возможно, в коммутационных
аппаратах (выключатели).
3) Практическим результатом ПНИ будет являться универсальный модуль молниезащитного устройства - разрядная камера.
4) Разработка разрядной камеры, обеспечивающей гашение импульсной дуги без сопровождающего тока сети, даст толчок для
развития целого класса новых молниезащитных устройств, в том числе не имеющих в своей конструкции нелинейных
резисторов.
Описание исследования

Скоростная съемка

Скоростная съемка процессов в КР позволяет получить данные о конфигурации и эволюции канала разряда. Скоростная съемка позволяет анимировать движение и измерить скорость перемещения разрядного канала в объеме камеры и при выносе канала разряда из объема вне ее. Результатом являются данные о плотности тока в канале разряда, плотности тока в привязках на электродах, оценка напряженности поля в канале. Съемка проводится с использованием различных светофильтров для выделения определенных спектральных диапазонов и диапазонов яркости для обеспечения необходимых измерений.

Измерение импульсных давлений в КР различных конструкций

Вблизи стенки модельной КР посредине разрядного промежутка производится установка высокочастотного датчика давления, соединенного с разрядным объемом и производится измерение импульсных давлений в КР. Датчик давления удаляется от стенки КР с целью исключения воздействия высокого напряжения на датчик давления. Таким образом измеряются импульсные давления в КР для нескольких вариантов конструкции КР при амплитуде тока 2, 10, 20 и 30 кА с разрешением по времени до 1 мкс. Измерения могут производится при других параметрах токового импульса, которые может обеспечить источник питания, достаточных   для выявления   основных закономерностей   в исследуемом диапазоне токов. Измерение импульсного давления позволяет получить данные по температуре газа в КР, энергии переданной газу, оценить нагруженность стенок КР. Предполагаемый диапазон изменения давления диапазон измерений от 1 до 30 атм.

Пирометрическое измерение температуры поверхности электродов

Пирометрические измерения яркости на поверхности электродов с разрешением во времени на стадии роста тока. Измеряется яркостная температура площадки на центральной части электрода размером 1x1 мм на длине волны 550 нм и 694 нм, либо в другом спектральном диапазоне, для нескольких вариантов конструкции КР при амплитуде тока 2, 10, 20 и 30 кА. Соотносятся яркостная температура с реальной температурой объекта.

Скоростная регистрация процессов в КР в инфракрасном диапазоне

В процессе проведения скоростной регистрации процессов в дугогасящей камере в инфракрасном диапазоне основное внимание уделяется процессу остывания КР после прохождения импульса тока. Для получения корректных данных съемка проводится в специальных модельных камерах, с идентичными электродными узлами как в КР, но с модифицированной сопловой частью для увеличения телесного угла регистрации. Оценивается скорость остывания КР, скорость остывания электродов для нескольких вариантов конструкции модельной камеры при амплитуде тока 2, 10, 20 и 30 кА.  Основное внимание уделяется оптимизации КР с точки зрения скорейшего восстановления электрической прочности разрядного промежутка.

Экспериментальное изучение газового течения за пределами КР

Исследование процессов истечения струи теневым методом из дугогасящей камеры для нескольких вариантов конструкции КР при амплитуде тока 2, 10, 20 и 30 кА с необходимым временным разрешением. Для продуктивной теневой диагностики требуется изготовление специальной КР с прозрачными боковыми стенками. Просвечивание осуществляется в ортогональном направлении к оси струи. Просвечивание осуществляется в ортогональном направлении к плоскости, в которой располагаются электроды. Теневой метод позволяет получить данные о конфигурации и эволюции газового течения. Что позволяет анимировать движение и измерить скорость перемещения гидродинамических фронтов вне объема КР. Основное внимание уделяется подбору формы выхлопной части камеры оптимальной для обеспечения эффективного гашения импульсной дуги.

Моделирование струйного течения

Создание физико-математической модели нестационарного истечения из разрядной камеры с учетом деформации стенок камеры и сопла. Определение основных параметров плазмы в газоразрядной камере и режимов ее истечения, снижающих проводимость плазмы для обеспечения эффективного гашения импульсной дуги. Оптимизация основных параметров с учетом материала электродов и газоразрядной камеры.

Разработка программного обеспечения, реализующего разработанную физико-математическую модель. Проведение численных расчетов с помощью разработанного программного обеспечения для испытываемых 7 макетных конструкций, моделирующих работу КР, с расчетом электрического сопротивления к окончанию импульса тока молнии

Результаты исследования

Различия между КР с цельными и полыми электродами не обнаружено. На формирование течения значительное влияние оказывает деформация КР. Обратное заполнение КР атмосферным воздухом начинается через 200-300 мкс после начала разряда.

Предельное достигнутое напряжение гашения в импульсе составляет величину ~1 кВ для КР с цельными и полыми электродами. Для разных КР максимальное напряжение гашения в импульсе составило ~0.6, ~0.8, ~1 кВ при наблюдавшихся гашениях в нуле при меньших напряжениях, на тех же КР. Принципиального достоверного различия по отключающей способности между КР с цельными и полыми электродами не обнаружено. Увеличения или уменьшения отключающей способности КР при или отсутствии дутья воздуха в исследованных режимах не обнаружено.

Определен спектральный состав плазмы, диапазоны изменения температуры и давления во времени внутри КР, разработаны ФММ струйного течения и упрощенной физической картины плазменных процессов в КР при ее работе, проведена доработка испытательных установок и проведен ряд испытаний, проведена скоростная съемка разряда.

Определена необходимость повышения скорости фотосъемки с 1 кадра в 100 мкс до 1 кадра в 1 мкс. Проведена съемка со скоростью 1 кадр в 1 мкс с экспозицией до нескольких нс. С использованием скоростной фотосъемки определено, что для максимума тока средняя плотность тока ~30, 100, 200 и 300 кА/см2 для тока 3, 10, 20 и 30 кА соответственно. Установлен диапазон скорости истечения газов из КР (222-1110 м/с). Установлено опережающее развитие давления относительно температуры в КР при разряде. Получены спектры истекающих газов для различных конструкций КР. Проведена серия расчетов теплофизических свойств плазмы для диапазона давлений 1–20 атм и диапазона температуры
500-30 000 К. Анализ результатов зависимостей свойств плазмы от давления (при всех исследованных составах плазмы) показывает, что с ростом давления:
- плотность, вязкость, электропроводность и теплопроводность плазмы увеличивается;
- энтальпия плазмы уменьшается (здесь необходимо заметить, что энтальпия – это энергосодержание единицы массы плазмы, т.е. одного килограмма; если же путем перемножения энтальпии на плотность рассчитать объемное энергосодержание, то оно, конечно, будет расти с увеличением давления);
- нелинейная зависимость удельной теплоемкости от температуры спрямляется.

Разработана ФММ упрощенной физической картины плазменных процессов при работе КР без учета процесса истекания ионизированного газа.

Проведены расчеты по разработанной модели, позволяющие сделать следующие выводы:

- максимальная температура плазмы при разряде - 30 000 К;

- высокотемпературная струя достигает выхода разрядника через 30 мкс для случая медных электродов и через 40–45 мкс для случая вольфрамовых электродов;

- скорость плазмы в КР может достигать 3000–4000 м/с;

- избыточное давление в зоне горения дуги может достигать 20–30 атм. По мере увеличения области с высокой температурой максимальное значение избыточного давления уменьшается до 2–3 атм;

- область высокого давления достигает выхода КР раньше области высокой температуры. Разработано несколько моделей газового течения при разряде в РК в нульмерной, одномерной и двумерной постановке. Проведенный численный анализ по разработанной модели показал, что при решении задач газовой динамики применительно к этой задаче целесообразно использовать явные двухслойные по времени монотонные схемы с противоточными аппроксимациями потоков.

Практическая значимость исследования
С точки зрения энергетики, данные устройства помогут значительно повысить надежность электроснабжения объектов
промышленно-энергетического комплекса, а также объектов социальной инфраструктуры.