автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Регулируемый феррогидродинамический указатель тока с бесконтактной передачей информации о достижении порогового значения

ДОНЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Бершадский Илья Адольфович '^^¿^р р ~ р д

^ 1 ДПР

УДК 621.317.71.064.1

ЕГУЛИРУЕМЫЙ ФЕРРОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ УКАЗАТЕЛЬ ТОКА С БЕСКОНТАКТНОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ ИНФОРМАЦИИ О ДОСТИЖЕНИИ ПОРОГОВОГО ЗНАЧЕНИЯ

Специальность 05.09.01 - электрические машины и аппараты

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Донецк - 1999

Диссертацией является рукопись.

Работа выполнена в Донецком государственном техническом университете Министерства образования Украины, г. Донецк

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Дудник Михаил Захарович, заведующий кафедрой электрических машин Донецкого государственного технического университета, г. Донецк

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Сосков Анатолий Гергиевнч, заведующий кафедрой электротехники Харьковськой государственной академии городского хозяйства, г. Харьков

кандидат технических наук, доцент

Корощенко Александр Владимирович, доцент. кафедры теоретических основ электротехники Донецкого государственного технического университета, г. Донецк

Ведущая организация:

Харьковский государственный политехнический университет, кафедра электрических аппаратов

Министерства образования Украины, г. Харьков

Защита состоится «27» января 2000 г. в 14 часов на заседании специализированного ученого совета К11.052.02 в Донецком государственном техническом университете по адресу: Украина, 83000, г. Донецк, ул. Артема, 58, 1 учебный корпус, к. 201

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДонГТУ по адресу: Украина, 83000, г. Донецк, ул. Артема, 58, 2 учебный корпус

Автореферат разослан декабря 1999 г.

Ученый секретарь специализированного ученого совета

Ларин А.М.

ЪЩЯШ-ОУр.З-Я. О

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теми Усложнение услэвий эксплуатации апп^атов контроля и сигнализации, в частности, расширение области их гцжменения за счёт использования в оельских распределительных сетях приводит х повышению требований к указанным апп^эзгам. Это в свою очередь является причиной усложнения и удорожания сущест-вукяцих полупроводниковых, электромеханических, электронных и других конструкций данного класса аппаратов.

Альтернативой такому развитию рассматриваемых устройств в раде случаев может стать приметшие боже простых по конструкции электрических аппаратов, использующих нетрадиционные подходы Так, устройства котролн, работающие на гадрсолжтромапгагшом принципе, в основе которого лежит влияние магнитного поля на жидкое рабочее тою, имеют ряд достоинств по сравнению с аппаратами, в настоящее время выпускакхцимися промыптенностыо: повышенный ресурс работы, высокую надёжность, отсутствие необходимости проф»пЕктического обслуживания.

Цзимером такого рода устройств является феррогидродинамичесхий указатель тока короткого замыкания (ФУ1КЗ), сохраняющий информацию о прохождении токов короткого замыкания через точку его установки в течение заданного времени. Однако использование существующих разработок такого типа не представляется возможным из-за несоответствия их технических характеристик особенностям сельских распределительных сетей. Таким образом, необходимо создание ФУТКЗ с новыми техническими характеристиками, к числу которых относятся: повышенная чувствительность за счёт совершенствования электромагнитной систолы, возможность регулировки по времени возврата и тону срабатывания, предотвращение лэжных пусков при уотешном автоматическом повторном включении линии, достаточный диапазон рабочих температур и дистанционное получение информации о состоянии индикатора

Связь работы с научными программами, планами, темами. Диссертационная работа выполнена в соответствии с тагами отраслевых научно-технических программ, одобренных научно-практичеосим совещанием «Совершенствование управления и автоматизации сельских распределительных сетей». Защищаемая работа подготовлена на базе тематических планов НИР и ИСГР ДонГТУ по договорам с предприятиями электрических сетей ГАЭК «Донщкоблжрго».

Цель работы. Цэтью диссертационной работы является разработка методики расчёта и создание феррошзродинами1 косого датчика контроля тока повышенной чувствительности с бескотпакшой передачей информации о его пороговом значении, праетичесзяя реализация которого осуществляется в виде указателя тока короткого замыкания для воздушных линий (ВЛ) электропередач .

Основные задачи исследования:

Согласно поставленной цели исследований в работе необходимо было решить такие основные вопросы

-обосновать целесообразность разработки рассматриваемого аппарата, наметить тута его совершенствования;

-получить математические модели для расчета параметров магнитных цепе дифференциалыных характеристик магнитного поля в межполосном пространств« также элаорамапштных многомерных уатий, влияющих на ферросушензию; ложить методику идалификации магнитных свойств ферромагнитных компонен дисперсной фазы суспензии, ранить задачу расчета динамических режимов УТК двухмерной постановке с учетом процессов магнитоожижения;

-разработать технические и конструктивные решения; которые позволяют л меишъ ФУТКЗ в сетях с воздушными линиями, для чего магнитную систему ориег! роватъ горизонтально относительно оси токоведущего алемепа, а полюсные након ники выполнить согласно результатов теоретических расчетов с использованием р работанных математических моделей;

-снизшь пороговый ток срабатывания указателя, разработать методы раупи вания его характеристик по току срабатывания и времези возврата, ооставшь ка; регулировок;

-разработать функциональную систему огтгоэлжтронного д атчика с автомат осой передачей сигнала о срабатывании устройства.

Идея работы заключается в том, что на ошове разработанных матемашчеа моделей и установленных закономерностей выбраны и сопвсованы параметры ы ншной отсталы, полюсных наконечников, ферросутензии и электронного порогов« устройства, что позволяет увеличить чувствительность указателя с целью умеяшки порогового значяшя тока срабатывания

Научная новизна полученных результатов:

-предложена ктасафжвционная схема существующих устройств контро применяемых при отыскании повреждённых участков воздушных линий распреде тельных сетей, согласно которой рассматриваются различные способы воздейсп параметров аварийных режимов на фушащоналшью элементы таких устройств, ' позволяет определить перспективныз направления их совершенствования;

-определены новые аналитические зависимости для расчёта электромагнита клиновидными полюсами с применением эквивашшной многоконтурной схемы мещения, отличающиеся тем, что межпсшюшое пространство прещставлено ин грапьнсй совокупностью элементарных фигур, дли которых впервьк определены м хштнью проводимости (усечашьш конус, полый усечашьш конус, призма с пфсм! ными размерами оснований);

-разработана математическая модель магнитного поля указателя с использова! ем метода конечных элементов, в которой представляю решение задачи в нелинейи постановке с учётом реальных характеристик мапштных материалов, и которая об печивает возможность оценки влияния осевых размеров элементов путём аппрокси? тщи треугольных призм набором пшешн, что позволяет установить взаимосвязи и метрических параметров активных размеров магнитной системы указателя, а таю исходя из разработанного вариационного подхода, выполнен синтез профиля полк пых наконечников, три котором достигается заданная чувствительность в режиме ЬС

-получен шгтегральный критерий, состоящий в статистической оценка верот-ьных усилий, позволякзщий по статическим характеристикам электромагнита ТКЗ прогнозировать его динамические показатели;

-впфЕыг предгюжена методика идентификации магтпной восприимчивости росуспаши и её отдельных вькокодисперсньк частиц, основанная на законе поло тока, что даёт возможность повысить точность моделирования динамических имов устройства;

-обоснована структура оптоэластронного датчика индикатора и возможные ролы его работы в зависимости от состояния контролируемой линии, вследствие чего ширены функциональные возможности устройства (самовозвраг по току и времени эзможносшо регулирования последнего, а также бесконтактная передача инфор-ии о пороговом значении). Практическое значение пллтенных результатов заключается в том, что: -разработаны и реализованы в виде компьютерных программ алгоритмы расчёта тредеткпия магнитного поля в рабочем зазоре ФУГКЗ и тяговой характеристики, а ке динамики работы в режимах срабатывания и возврата;

-выработаны практические рекомендации по выбору основных параметров ТКЗ, составляв карта регулировок;

-определзю время трогаши прибора с помощью оадалшграфирования его ди-ических характеристик; проведена коррекция осциллограмм и определены посго-ью времени низкочастотных осцшшографических гальванометров;

-выполнена схема устройства дистанционной передами информации о срабаты-т ФУТКЗ, а именно машпотреблякщий оптоэлааронный датчик с дежурным имом работы и самовозвратом по вралям и тону нагрузки;

-разработаны с использованием полученных в работе моделей процессов и ре-юв работы указателя методы регулировки его основных характеристик — тока сра-двагаи и времени возврата, позволяющие согласовывал, работу прибора с релей-защитой линии;

-на основе расчётов и преджжеяных технических решений разработан эскизный ект и изготовжны опытные образцы

Методы исследований. Теоретические исследования базируются на положениях жи магнитных цепей и электромагнит! юго поля, ферромагнетизма и гидродиками-основах хтромьшшашой элжтроншси, математических методов теории конформ-. отображений и вариационного исчисления.

Экспериментальные исследования выполнены с применением современной из-ителшой аппаратуры, удовлетворяют^ требованиям точности и соответствия их амических характеристик: частоте измеряемых процессов, а также с использовани-¿етодик аппарата математической статистики.

Достоверность полученных результатов и их реализация подтверждается теримеиталшыми исследованиями и испытаниями, которыз были выполнены в ла-атории кафедры «Электроснабжения промышленных предприятий и городов» (ГТУ, лаборатории ннсппуга «Укршшпгвстмасс» на макетных и опытных образцах угокол испытания прилагается) и показали максимальное расхождение с результат

тами расчетов не более 15%. Разработанный в дасоертационной работе методики f чёта и конструирования ФУТКЗ приняты к внедрошю НШ> «Берустел» и предпрш ем «КЗировасие электрические сети» ГАЭК «Донецкоблэнерго» при изготовлении у загелей для установки в сетях 6-10 кВ Сеяидовосого РЭС, что подтверждено аю внедрения.

Апробация результатов работы. Осиовпыз положения диссертации и отде ные разделы докладывались и обсуждались на заседаниях кафедр ДонГТУ «Элекг снабжения промышленных предприятий и городов» и «Элжгричеасие машины», Донацкой региональной научной конференции «Творческое наследие ВИ Вернадс го и современность» (секция «Актуальный проблемы вычислительной техники, инф машки и энергетики»), 1995 г. (Донецк); на семинаре «1мошрностт лроцеся в ел тричних системах» Научного Совета HAH УБфаины по комплексным проблемам «£ KOBi ошови елекгроенергетки», 1998 г.

Публикации. ГЪ теме диссертации опубликовано шесть печатных работ в на ных годашшх Украины и России.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти п выводов, списка использованных источников, приложений. ГЬлное содержание ра ты изложено на 270 страницах машинописного текста, из них 89 иллюстрации заниз ют 58 страниц, 9 таблиц - 4 страницу список использованных источников (в количе ве 109 наименований) - 7 страниц приложения (в количестве 10) - 42 страницы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во «ведении обоснована акзуапьность темы, определены цель работы и зад исследования, показана научная новизна и отмечаю практическое значение получ ных результатов.

В первом разделе приведет анализ особенностей, присущих распределитель« сетям напряжением 6-35 кВ в сельских районах и пригородных зонах ГЬказано,1 такие сети отличаются большой протяжённостью при маюй передаваемой мощное закольцованность их незначительна Основными схемами распределительной высо: вольтной сети в сельасих районах являются радианы ськ магистрали с многочислен! ми ответвлениями, выполненными в некоторых случаях глухими отпайками. Расхм рена реалшая действующая схема электроснабжения Селидовского элэстрошабжЕ тцего участка (предприятие «Кировские электрические сети» г.Донецк). Доказанс конкретными ссыпками на схему, чпго для нахождения повреждённого ответвления, < локализации и включения остальных приооединший традиционными для стран С методами требуется значительное время; посжаварийные ремонт! восстановитеяьньк работы связаны с повшпегшой опасностью!, могут ашрсиоядас ошибочными действиями персонала, а метод секционирования линии и проби включений также уменьшает срок службы оборудования.

Поэтому для улучшения технико-экономических показателей зжасгроснабжа t сокращения аварийного недоотпуэса электроэнергии потребителям, предотвраще} развшия повреждения и повышения безопасности работ необходимо оснащение се

распределительных сета} фиксирующими приборами им указателями тока ко-ого замыкания.

Выполнен подобный анализ существующих типов отечественных фиксирую-приборов, а также зарубежных и отечественных УТКЗ. Подчёркнуто, что даже воздушная линия оснащена дистанционными односторонними средствами оты-та мест повреждения и они работают без погрешностей, то всё равно нельзя точ-сазать точку возникшего КЗ, так как неизвестно, по какому направлению протекал С в местах разветвлений. Составлена юиссификвционная схема средств диагно-% применяемых при отьзжании повреждённого участка, в основу которой поло-I разшчнью способы воздействия параметров аварийных режимов на функцио-плг элементы рассматриваемых. устройств. Анализ схемы покашвагт, что по ато-отборз информации с ВЛ указатели могут быть разделены да две основные груп-шжтромеханичесхие и индукционные, йлявлгны достоинства и недостатки наи-г характерных существующих УТКЗ, входящихв эти группы Большинство из них ги, многоожмнгнь^ сочетают бесконтактные и контакшьк части, требуют про-кшческих осмотров и проверок, не имеют надёжного самовозврата Отмечаю, £>УГКЗ, использующий герметизированную камеру с ферросуотешией, позволяет и к минимуму отказы из-за износа дегажй, засорения, коррозии и пробоя изоля-

ФУТКЗ имеет такую конструкцию (рис.1): магнитопровод 1 одет ва тоюэведу-провод 2 вблизи траверсы опоры ВЛ без каких-либо доголнигелымх операций, а г зафишфован с помощью болтов 3 и немагнитной скобы 4. Чтобы исключить нше частичных электрических разрядов, магнитная систола и токоведущий пропс находятся под одним потенциалом. В межполосном зазоре, который обрззо-олкхиыми наконечниками и суживается кверху, расположена прозрачная для ви-го или инфракрасного излучения индикаторная камера 5, заполненная рабочей

жидкостью и составом из ферромагнитного порошка, немагнитного порошка-добавки и магнитомягкой несимметричной детали -смесителя. Здесь же распохгагаегея спектрально согласованная огггопара, являющаяся вместе с индикаторной камерой датчиком прозрачности: Для размещения и позицио-1шрования оптопары предусмотрела пирамида б. Е&еппше метанические воздействия (вибрации, вьпванньЕ пляской проводов) устраняются применением установочного кронштейна, связанного с траверсой опоры и закрепляющего указатель на дополнительном изоляторе. Последний используется в 6 целях безопасности.

Принцип действия прибора основан на Рис.1 - Общий вид ФУТКЗ согласовании работы гидромипштной части

(влиянии увеличенного при КЗ магнитного

поля на ферроматишую фазу суспензии) и оптсолзоронного индикатора. В нормаи ном режиме работы сеш суспензия находится на дне камеры, сквозь жидкость перед ется теговой сигнал, который фиксируется фотоприемным устройством. Если I контролируемом участке происходит КЗ, что сопровождается режим возрастание тока и напряженности магнитного поля, феррспорошж в течение заданного времеж <^>0,3 с) перемещается вверх, создавая непрозрачную суспензию, которая попиэща излучение источника света. Эхо состояние индикаторной камеры в сово!$гпности с » чезновезшал тока в линии приводит к загажу злноронного блока с последующей п< дачей выходного сигнала Ш протяжении 3-6 чаоов порошок осаждается, а жидкое освепевает, то есть реализуется самовозврат по временам. Пэсга самовозврата ус ройство вновь готово к работе.

В соответствии с выполненным анализом требований к УТКЗ для воэ!пушнь линий и имеющимся опытом эксплуатации ФУТКЗ в городских сетях, были определ ны згдачи исследования, направленные на совершенствование технико-экономичеаа показателей и расширение допустимого рабочего диапазона температур, а также св. зшшые с разработкой системы дистанционного сьема сигнага (ДОС) о срабатывай устройства

Второй раздел посвящен анализу и расчёту магнитных проводимостш возгон ных зазоров электромагнита со (кошенными полюсами, статических характеристик, также распределения потоков и МДС для различных вариантов мшнншой систем Дан краткий анализ основных положений теории магнишых цепей применительно расчёту электромагнитов, шггагацихся от источника тока Учёт магаганого сопроти лзшя елапи приводит к необходимости использовать при расчетах метод посшяов тельных приближений. Цзименеиие эквивалентных электрических схем замещения у рощаех гфоцедуру решения задачи. Предварительно был получен ряд формул для н стандартных фигур вращения, которые соответствуют наиболее вероятной сгругау] трубок магнишого потока К ним относятся; усечённый и полый усеченный полук нус, фшурэ, образованная вращением трапеции во1фуг оа), паралжльной основашв часть кольцу призма с переменной шириной зазора Схема замещения машшной ца ФУТКЗ показана на рис.2, рис.3. Цювод ВЛ эквиважнтируется обмоткой, распред ленной по стержням и основанию. Расчёт ведётся методом участков, который позв ляег учитывать потоки рассеяния и нелинейные свойства стали. Иэюльзуем образною схему замещения участка и наход им значения потока Ф^ и магнишого н пряжения и^ц в конце 1-го участка, если известны соответствукщие величины на пр дыоущем участке. В общем случае для (¿+1}-го участка;

УТКЗ с клняовиднынн полюсами

О" - параллельное соединение Сп, Сгг, СЬ, С!з, Об,О; Рис.3 - Схема замещения участка «полюс-зазор»

Ф1 + Л^/ (Уде- (/--2^ <2>;)х,)

' 9

2/-

ф; Ф; + Лдх;(Цц]- (/-Ф; глг1)х;)

г ,'п _,

га-л^^м)

гае л; — длина ьго участка; Л,- — проводимость утечки единицы длины сгераа 2М — хомплезсшое магнитное сопротивление обоих стержней на единицу длины;) удельная МДС.

В качестве начального приближают принят поток Ф„ на входе двухполюсни «полюс-зазор», полученный при условии отсутствия падения магнитного напряжшш стержнях и основании. Описанная модель позволиш получить алгоритм и програм?* в которой решается прямая и образная задача расчета магнишой системы ФУТКЗ переменном токе.

Влбор типа задачи расчёта проводится на основе анализа исходных данных. Е ли в них задастся нулевое значение МДС ^ , то выполняется расчёт прямой зада1 иначе—обратной

При её решении уточняется поток Ф„ 2-х полкхника «полюс-зазор» с использ ванием итерационного апгоргама метод а Ньютона. В начаж счёта задаётся значен удельной МДС/ в посвдцукхцих итерациях она уточняется до тех пер, пока не буп выполнено неравенство: Роцг<е. В этом неравенстве е - малое число (точность вьго лений). Нжязка

Ровг=ф I (гио + ) + (АЛ - V) /+ г/дш,

(

где Ь - пфаметр, равный числу участков +1; N - суммарное число участков >жня и основания (N1 =N-1)', Др—магнитное сопротивление нерабочих зазоров; 2ио »противление основания.

Сопвшо методу Шотона, значение удельной МДС на/-й итерации определяет-ю формуле:

0) 0-1) ' О-»4 Г 0-1)

/ = / -у / !у /

к , к J

где у^1') - значение невязки в (3) на предыдущей итерации; у - значение изводной функции невязки.

№ основании выполненных расчётов проанализирована зависимость величины лпного напряжения 1ЛМ[2] (рис.3), которая соответствует магнитному потенциалу в рабочей части зазора, от числа листов АГ, размеров стержня магаитопровода ВС, дины листа С. Очевидно, что в данном электромагните, питающемся от источника з, наиболее эффективным будет вариант, в котором обеспечивается наибольшее >вое усилие три ограниченном объёме его активных частш. В связи с этим опреде-1сь также массогабаритные показатели каждого варианта. Общие рекомендации по структивным параметрам магшпной системы с учётом указанных выше особшно-г Ог=1 мм, 15-20, Ж>0,025-0,03 м.

Учгпывая то, что для уменьшения стоимости и повышения технологичности из-жжния указателя его магнитную систему предпгаигаегся набирать из листов кондиционной стали, наряду со стаптчеоими характеристиками рассмотрены также яромагашные переходньв процессы в ферромагнитных элементах с заданными шшыми свойствами, происходяпще при намагничении и наличии вязкости (релэк-юнный процесс движения эжментарных носителей магнитного момента). Спредо з время их протекания и доказана возможность использования сердечников из ука-юш материала. Затем, на основе 1-го уравняли Максвелтн для аэотвегствующего 1ура получено аналитическое выражение переходного процесса при измене-амютпуцы тока 1„ (1) произвольным образом и условии, что глубина проникнове-волны соответствует «скин-сшю» А. Граале переходного процесса имеет колгба-ньй затухающий характер с постоянной времени тя2-3*Ш7 с.

Третий раздел посвящен постановке и религию задачи распределения магаиг-э поля в рабочем зазоре ФУТКЗ и в зоне рассеяния. Оюжность геометрической мы деталей магнитной системы указателя, а также необходимость получения ин-мнции о дифференщкзлтльк характеристиках поля приводят к необходимости раз-этать численный алгоритм расчёта, ориентированный на применение ЭВМ. Выго адажено использовать для этих цежй метод конечных элементов (МКЭ), являются одним го наиболее эффективных

В анализируемой конфигурации мншшного поля преобладает плоежопаралтль-': двухмерный характер, задаваемый магнитным нолем проводника Ижнжения «мерного поля, вносимь» сердечником с трехмерными, конечными размерами, шо учитывать за счёт влияния вклада в магнитное поле рабочей обгвети намагни-гшхусговных ячеек мапштопровода с учётом их воздействия также друг на друга тому в дальнейшем расчёты производились только в одной плоскости, проходя-[ через ось инд икаторной камеры и перпендикулярной токоведущему проводнику.

Цэоанализированы основные соотношения МО, рассмотрены способы форь рования глобальной матрицы, а также учёт краевых условий 1-го рода В разработг ной программе МКЭ используется метод объединения по узлам, позволяющий экот мель оперативную память ЭВМ. Дан обзор сущесгвукхцих методов решения систег линейных и нелинейных алгебраических уравнений МКЭ (прямых и итерационны отмечены их достоинства и нздостатки.

Анализ электромагнитных сил, д^ствующих на частицы ферропорош показал, что в неоднородном магнитном полз силы тяги, атособныз вызвать движем тела в заданном направлении определяются выражениями вида'

д\Н?"

где jio— магнишая постоянная; Кф — магнитная восприимчивость частицы фер{ порошка; рф - плотность частицы ферропорошка, [Л] - модуль напряжённости маш ного поля; Уф - обьач частицы ферропорошка

Для создания ФУТКЗ, обладающего болге вькхжой чувствительносшо п снижении крашости токов КЗ, был проведен теоретический поисзс конструктивы решений, позволяющих увеличить значение F,. С применением разработанной nj 1раммы по МЮвыполнжаналюрззличньк вариантов магнитных систем. Ихяэдо: лось распределение магнганого поля в зазоре указателя при Будировании угхв ас< а, высоты полюса Н^ а также различных конфигурациях полюсных наконечников. С метено, что изменение формы тяговых характеристик электромагнита ФУТКЗ моя быть достигнуто путем выбора угла скоса и начального положения рабочей каме$ Так как в рассматриваемом устройстве возникает дополнительная сила, создавай, потоком рассеяния, проходящим через часть порошка, и в общем случае тяшвая: ракгериешка имеет седлообразный вид, предложено условную работоспособно« оценивать следующим образом. Вводится величина В в, характеризующая импу прямоугольной формы длительностью Q непрерывно скользящий по пути движеь сутензии. №аче говоря, проводится скользящее осреднение при различных & (5, 15,20, 25 мм) и начальных координатах^,. Значения при 6Н30 мм (Bg¡o) строилис функции ГЪлученньк зависимости показывают, что на них можно выделить м симум, который с уменьшением вьюоты полюса сменяется в сторону увеличени (начало координат совмещено с верхним срезом магаигопровода). Поэтому наибо ший интерес представляют Н„=50 мм и ¿x=S-15°.

В этом же разделе представлены известные решения уравнения Лапшса и по зано, что при условии постоянства зазоров в верхней и нижней части полюса преиг тцества имеет конфигурация полюсных наконечников, создающих неравномерное п< по пути движения ферросушеязии. С использованием теории вариационного исчис ния (решение уравнения Эйлера с заданными краевыми усювиями) предложены нот профили полюсных наконечников нелинейной формы, близкие к параболическ (рис.4).

Распределение тяговых усилий синтезировано таким образом, чтобы управление приводило к максимизации интегрального функционала Ж который записывается в виде:

тти=У1/Цдв,Р30>)ф. (б) Л

где - входной параметр,

зависящий от характера электромагнитной тяговой силы; уа, У! — начальное и конечное положение тела.

Достоверность полученных результатов подтверждена сравнительным статистическим анализом работы индикаторных камер в рекомендованных уоювиях, который заключатся в сопоставлении средних значений и дасперсий двух, выборок. На основе анализа сделан вывод о статистически значимом увеличении уровня затемнения шщикаторной камеры Ау на 20% по сравнению с использовавшимся ранее клиновидным линейным полюсом

Я четвёртом разделе исследовано поведение ферросушеизии в магнитном поле,, а также получаты д анные о её концентрации, магнитной восприимчивости отдельных частиц и столба ферропорошка С целыо выбора наилучшего порошка, который при 1350ЧИХ равных условиях обеспечивал бы максимальный ход сушешии, были выполнены экспериментальные исследования девяти видов промышленных ферропо-рошков и рекомендован феррит стронция марки ФС-0,65. Оповым анализом определена его фракционная крупность и процентное весовое содержание каждой фракции (<63 мкм - 78,8%, 63-100 мкм - 18,5%, 100-200 мкм - 2,7%). Установлено, что магнитные свойства ферросушеизии зависят от ряда факторов: формы частиц, их размера и взаимного влияния; степени магактоожкжения и агрегирования; температуры и вязкости жидкой фазы; напряжённости магнитного поля; концентрации дисперсного материал б суспензии.

Для разработки математической модели динамики срабатывания указателя необходим учет магнитных свойств дисперсной фазы и отдельных частиц. С этой целью собиралась мостовая измерительная сдав, позволяющая контролировать изменение индуктивности катушки датчика при внесении в её полость пробы с ферросуспензией. Результаш испытаний показывают, что в заданном диапазоне изменений натяжённости внешнего поля магнитная восприимчивость супгегоии 2-0,3.

№шш1ьк свойства отдельных частиц определялись расчётно-экспериментальным методом на оаюве данных о токах трогания в жидкости и уравнения дшшмики в режиме срабатывания. Отменено, что при токах КЗ до 2000 А характеристика намагниченности отдельных частиц находится на падающем участке в зоне насыщения и маю меняется при Н*ЗЦ/су*8-Ю*Ю'> А'/м3 (в расчётах можно принимать к^З-4).

ГЪкнзано многообразие функциональных связей параметров суакзпии, обоснованы допущения, позволяющие рассматривать динамику частиц при ламинарном обтекании. Так как в общем а^чае частица общцаег шестью степенями свободы (тремя поступательными и тремя врашзтелы гыми), характер движения частиц отличается от движения якоря электромагнита. В переменном поле частицы могут врашахься или колебаться с частотой, соответствующей частоте поля, т.е. испытывать явление магаи-тоожижеиия. С учётом излаженной информации построена математическая модель ФУТКЗ в режиме срабатывания. Движение частицы произвольной формы в вязкой жидкости может быть описано системой двух векторных уравнений:

+ + К + (7)

Тп

Гв=Мм + Мс, (8)

tp&F, — электромагнитная сига; F¿ — выталкивающая оси Архимеда; Fг - гравитационная сила, учитывающая неправильную форму ансамбля ферромапппной и немагнитной частицы, а также увеличение его объела и массы по сравнению с ферро-частицей; Fc - сила сопротивления движению (вязкого трения); FM - «подъемная обе», обусловленная эффектом Магнуса; т - радиус вектор положения частицы; е - угловое ускорение частицы; Л^,, Л4 - магнитный момент и момент сопротивления движению.

ГЬсле анализа исходных параметров, решалась система 3-х дифференциальных уравнений 2-го порядка, соответствующая проекциям уравнения (7) на декартову систему координат х, у; z. Учёт изменения электромагнитной силы в пространстве и во времени проводшгя с использованием двухмерной интерполяции характеристик магнитного поля в зависимости от коорд инат х, у полиномом Нютона С использованием (7), (8) рассчитано и проанализировано влияние на уровень затемнения индикаторной камеры сгецующих конструктивных факторов: формы и крупности феррочаспщы; температуры окружающей среаы, параметров рабочей жидкости (вязкости, плотности, концешрации растворов); содержания феррита в сросхке с немагнитной частицей; установившейся скорости вращения; положения рабочей камеры по координате у, угш скоса полюсов и вьюоты полюсных наконечников.

Установлено, что в ФУТКЗ время трогания фсрросуспензии í^, зависит от ряда факторов. Экспериментальное исследование динамических режимов с помощью датчика фототока и светолучевого осциллографа позвошш определить зависимость от уровня засыпки порошка и места установки камеры колгбжгся в диапазоне 0,045..0,085 с).

В пятом разделе дано решение проблемы сьёма сигнала о состоянии указателя на расстоянии 'по обеспечивает уменыление времени поиска и снижает опасность поражения элжтрическим током обслуживакхцего персонат. Было рассмотрою несколько вариантов такого рода систем, основанных на эффекте поглощения шетового излучения частицами суспензии, создающими взвесь в рабочей жидкости (зеркально-призменньв перископы, оптоволоконные прерыватели и датчики изображения, переносные блоки со сьйжэм электрического сигнала). Установлшо, что наиболее технологичной является система дистанционного сьСма шгнагв с автономным источником питания в качестве которого может быть использована аккумуляторная батарея с рабочим напряжением 9В (например, 7В-0Д25). Основными функциональными элементами эласгронного блока являются (рис.5): зарадное устройство, состоящее из стабилизатора тока (УПЛТЗ, Ш, 1?2), напряжения (УЕб, УЕЗб) и вместе с дополнительной

*

Рис. 5 - Схеиа дистанционной передачи информации показаний индикаторной камеры с взтонсыным источником питания

обмоткой (Ы), выпрямитежм (МЛ-УЕМ) и аккумуляторной батареей (вВ) образующее источник питания; генератор тактовых импульсов (ГТИ), собранньй в виде мультивибратора на лэгичесхой микросхеме (ГО1.2, ЕЮ1.3, С7, С&. Ш2, ЮЗ, \Т313); термостабильный пороговый орган (компаратор ЕС2, а также \Ж8-У010, реаги-рукхций на уровень прозрачности индикаторной камеры; коммутатор в виде электронного ключа (\ГГ4) и элемент индикации (ЭИ).

Схема поддерживает работу в трёх режимах: в режиме I линия нагружена током боже 10 А; при этом происходит автоматическая подзарядка аккумулятора Режим подзарядки обеспечивается введением дополнительной обмотки, расположенной на том же сердечнике. Режим II соответствует уезювию, когда отсутствует блокировочное напряжение га выходе моста У01-УЕМ, но камера ие затемнена (холэсгой ход, шиповое отключение, опслючеЕше неповреждённого ответвления при КЗ). В этом ре-

4%

С7 :СЯ

жиме также, как и в режиме I устройство находится в дежурном состоянии. ЦзиКЗна контролируемом ответвлении (режим III) камера затемнена и ток в линии отсутствует. Указатель ерэбалывэгт, подавая прерывистый звуковой сигнал. В схеме обеспечена регулировка времени возврата 1в=1-7 часов.

С целью регулирования тока срабатывания 1С рассмотрено влияние на этот параметр чисти листов матгагтопровода Н положения верхнах> слоя ферросушеязии у, типа ферромагнишого интенсификагора И, процентного соотношения натагшпной и магнитной фаз сушапии t\ и некоторых других Ржомз щуемые значяшя и соответствующие уставки приведены на карте роулировок в табл. 1.

Таблица 1 - Карта регулировок ФУТКЗ-ВЛ (4>0,4 с, t,<3 ч, п,)

N 1с, Л 4

600 700 800 900 1000 1200 1400 1600

4 — — — — — У2 № Уз И1 У1 И1

8 — — Уь т Уз. Уз И1, ИЗ У1 и — — —

15 Уг,Уз И2 Уз>У4 И, ИГ У4 ИГ — — Уг ИЗ У1 И1 —

20 Уз, Уз И2 Уз,У< И1, из — У1 И1 Уз И — . — —

25 Уь Уз И2 Уз> Уз Ю,ИЗ У<. У5 И1, и* -У1 И1 Уз И1,ИЗ ' — — —

И1,И1* И2 ИЗ

h„=50MM a-VP

Толщина листа 1 мм

В этом же разделе разработан алгоритм расчёта, проезоироваг шя и технология заполнения герметизированных индикаторных камер, что позволяет увеличить срок их эксплуатации. Рассмотрено влияния температурных режимов на функционирование ФУТКЗ с учётом полного времени рабочего цикла' был осуществжн расчётно-эксперименталшый анализ, в котором использовались зависимости времени возврата 4 от вязкости жидкости разной концентрации Исследование' ситуации при низких температурах проводили с приматением климатической камеры (в лаборатории института «УКРНИИговсшасс»). В результате исследований выяснено, что нормальное функциошфование указателя при минимальных токах КЗ возможно при снижении температуры т до -23° С. Предложено конструктивное решение^, позволяющее расширить температур!шй диапазон до -25..-28° С. Он состоит в том, что в межполюсный зазор помещается дополнительная (вторая) индикаторная камера с иным составом ра-

D

dl [wj _ ni=10..15% п2=20..25% Уь Уг, Уз, У), JL ri( Уз =60,50,45,40,35 мм

бочей жидкости. В качестве «зимней» жидкости рекомеащуется применение водных растворов 23,8%, 25,7% СаС12 или 23,1% №а2.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

В диссертационной роботе получено решение актуальной научно-технической задачи, которая состоит в разработке методики расчёта и элементов конструкции фер-ропиродинамического указателя тока короткого замыкания с целью повышения его чувствительности, введения регулировок по току срабатывания и времени возврата, а также получения бесконтактной передачи сигнала о срабатывании указателя, что имеет определённое значение в элекгроаппарагостроезши.

Ниже сформулированы основные результаты, представленные в работе:

1. Разработаны технические решения, которыз повысили чувствительность при-борав режиме КЗ и позволили устанавливать ФУГКЗ на опорах ЕЛ

- предложена специальная магнитная система с клиновидными полюсами и оптимальными по критерию интегралшой силовой характеристики сочетаниями конструктивных факторов, позволяющая уменьшить допустимые краткости токов КЗ;

- синтезирован нелинейный профиль полюсного наконечника с заданной неравномерностью магнитного поля, повышающий абсолютный ход ферросушеязии в режиме срабатывания;

- функциональны; возможности указателя расширены за счёт применения опто-элжтронного датчика и системы индикации, согласованной с его рабочими состояниями.

2. Предложены методики расчёта распределения МЦС в элементах магнитной системы ФУТКЗ и топографии пространственного распределения магнитного поля в рабочем зазоре^ а именно:

- растёт магнитных проводимостей и магнитной цепи в схеме с распределёнными параметрами методом участков на перемятом токе с учётом особенностей элск-тромагнита ФУГКЗ;

- метод учёта нелинейности, вызванной ферромагнетиками, основанный на МКЭ и геометрическом с^шщютит вкладов вторичной намагничетности в отдельные расчетные точки;

- получат интегральный критерий статистической оценки вертикальных усилий магнитной системы указателя с учётом влияния краевых эффектов.

3. Шполпен анализ динамических характеристик ФУТКЗ, моделирующий элек-тромаппгшый переходный процесс в линии и зависимость изменения напряжённости и градиента магнитного поля в межполюшом пространстве по 2-м координатам. Установлена зависимость основных параметров системы - времени срабатывания, возврата и вькоты подъема - от основных факторов в новых условиях

4. Разработаны и реализованы простые в эксплуатации методы регулировки тока срабатывания и времени возврата, что позволила расширить область применения указателя для BJI различной протяженности и токов в диапазоне КЗ 6001600 А

5. Цюведены исследования возможности функционирования ФУТКЗ в условиях изменения температуры окружающей среды, определен диапазон рабочих температур: -23° - +40°С.

6. Разработаны возможные конструкции креютжия указателя к существующей траверсе опоры, обеспечивающие полную безопасность, удобство монтажа и предохраняющие от кожбаний, связанных с плеокой проводов.

7. Оснсшнью результаты работы, касающиеся изменения конструкции, применения новых решений в схемах дистанционной индикации, а также разработай ие и реализованные в виде программ методики расчётов могут используются при проектировании ФУТКЗ. Изготовла мьк макетные и опышьк образцы испытаны в лаборатории и приняты к установке предприятием «Кировские электрические сели» ГАЭК «Донец-кобюнерго».

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

I. Берпщцсжий ИА, ЦЬстааин НС. Математическое моделирование магнитного поля указателя тока короткого замыкания // Известия вузов. Электромеханика-1999. -№3. — С.85-89.

2 Бершадсжий ИА' Магшпньв проводимости воздушных зазоров электромагнитов с клиновидными полюсами// Об. науч. тр. Электротехника и энергетика ДонГТУ. - Донецк; 1998. - Вып.2 - С. 109-113.

3. Вернадский ИА Оппез конфигурации профиля полюсных наконечников в электромагните с градиентным распределением вертикальных усилий // Сб. науч. тр. Электротехника и энергетика ДонГТУ. - Донецк; 1999. - Выл 4. - С. 195-199.

4. Бфинбдзг АД, Бфшздашй ИА, Балховишн ДЛ, Инвия MB Методика расчёта магнитной систолы указателя тока короткого замыкания// Об. науч тр. Электротехника и энергетика. ДонГТУ. - Донецк; 1998. — Вып.2 - С.42-45.

5. Штепне» C.R, Бершадсхий И А, Епиософ RA и др. Игсждование динамических параметров указателя тока короткого замыкания// Об. науч. тр. Электротехника и энергетика ДонГТУ - Донецк; 1998. - Выл 2 - С.74-78.

6. Баринберг АД, Елиософ RA, Шпшнш GB, Бсршадский ИА и др. Анализ основных динамических параметров феррощцродинамичеашх указателей тока короткого замыкнния//Докщды региональной научной конференции «Творческое наследие ВИ Вернадского и современность». Секция 4 «Актуальные проблемы вычислителшой техники, информатики и энергетики». Часть 2 - Донецк ДонГТУ. -1995.-С.85.

В [1] соискателем предложено конструкция ФУТКЗ для воздушных линий, а также разработана математическая модешь магнитного поля в межполкхзгом пространстве ФУТКЗ с применением метода конечных элементов, проведен анаше влияния утла скоса полюсных наконечников на эффективность работы прибора

В [4] соискателем разработан алгоритм расчёта многакошурной магнитной цепи с раофеделёнными параметрами электромагнитной системы ФУТКЗ и выполнен оце-

ночный расчйг магнитных потоков и напряжений в стержнях, основании, полюсных наконечниках, воздушном зазоре

У [5] автору принадлежит метод представления картины магнитного поля, близкой к реальной и переходных процессов в математических моделях динамических режимов устройства

В [б] соискателем выполнены испытания индикаторных камер с двумя типами рабочей жцдаосш при условии варьирования конструктивных параметров ФУТКЗ.

АННОТАЦИЯ

Бершадошй И А Регулируемый феррогидродинамичеосий указатель тока с бесконтактной передачей информации о достижении порогового значения - Рукопись.

Диссертация на соискание кучной степени кандидата технических наук по специальности 05.09.01 — электрические машины и аппараты — Донецкий государственный технический университет, Донецк, 1399.

Диссертация посвящай вопросам создания, разработки методик расчёта и основных функциональных узлов феррогидродинамических указатешт тока короткого замыкания (ФУКГГЗ) для воздушных лишй раатределигтиых сетей. Такой указатель обладает высокой надёжностью, которая обусловлена отсутствием подвижных и контактных деталей, а также элементов, подверженных механическому или электрическому износу, старению и требующих профилактическою ухода Существующие ферро-щцродинамические указателя не могут использоваться в новых условиях из-за низкой чувствительности, отсутствия регушфовок и уставок, а также вследствие тою, что не была обеспечена возможность беасонтакшой дистанционной передачи информации о срабатывании устройства ГЬэтому возникает необходимость изменения и совершенствования ряда технических характеристик

Работоспособность ФУТКЗ существенно зависит от характеристик его электромагнитной системы, которая в значительной мере обусгишлшаег их технико-экономические показатели и позволяет расширить область возможного применения, особенно при снижении кратности токов КЗ в сетях, выполненных воздушными линиями. В связи с этим разработаны методики и алгоритмы расчёта электромагнитной системы с клиновидными полюсами, в частности, математические модели на основе схем замещения в виде многоконтурной разветвлённой нелинейной магнитной цепи с учётом потоков рассеяния и комплексного сопротивления стали ГЪлучеи ряд формул для нестандартных фигур вращения, описывающих магнитную проводимость воздушного зазора электромагнита ФУТКЗ с клиновидными полюсами, а затем решай обратная задача расчета магнитной цепи, вычисляю распределение магнитных потоков и напряжений при различных сочетаниях конструктивных и массогабаретных факторов. Для создания возможности исследования тяговых характеристик электромагнита ФУТКЗ при различной (в том числе нелинейной) геометрии полюсных наконечников предложен общий алгоритм и программа расчёта на ЭВМ, основанная на численных методах анализа (метод конечных элементов). Выполнен анализ различных вариантов магнитных систем с использованием этой программы и статистического интегрального критерия, суть которого заключается в сравнении эффективности величины, похученной в результате скользящего осреднения тяговой характеристики.

В результате этих исследований, а также после рассмотрения известных решений уравнения Лапласа, выявлен подход к выберу конфигурации профиля полюсных наконечников, позволякидай провести максимизацию хода ферросуспекзии в течении заданного времени при фиксированной МЦС. Репвэие вариационной задачи позволило рекомендовать рад нелинейных полюсных наконечников, которьк статистически значимо повышают уровень затемнения индикаторной камеры - на 15-20%. Определены магаигныг и механические свойства ферромагнитной суспензии и её отдельных частиц, полечен алгоритм расчёта д инамических режимов ФУГКЗ с учётом переходного процесса в линии и топографии магнитного шля в зазоре.

С учётом особенностей существующих опор ВЛ напряжением 6-10 кВ проанализированы варианты крепления и установки указателя на дополнительном стандартном изоляторе. Влжшнены схемные решения в области дистанционной передачи информации о срабатывании ФУГКЗ, а именно малопотребляющая отгалектронная схема с дежурным режимом работы и самовозвратом по времени току нагрузки. В результате проведенных исследований ток срабатывания снижен не мшее, чем в 2-2,5 раза, а также предгожены экшлунгациоБНьаз методы регулирования его характеристик по току срабатывания и времени возврат?), основанные на оперативной замене параметров магнитной системы и индикаторных камер с набором интенсификгпоров. йлявляа зависимость рабочих характеристик аппарата от температуры окружающей среды УЬ-готовленные опытные образцы приняты в качестве базовых вариантов при внедрении в практику эксплуатации на предприятии «Кировские электрические оети» ГАЭК «До-нецкоблэнерго».

Ключевые слова; сельская распределительная сеть, ффрогиародинамический указатель тока короткого замыкания, электромагнитная система, числа шые методам фсрросусхетпия, вариационное исчисление, раушфование характеристик; дистанционный сьём сигнала.

АНОТАЦ1Я

Берпщдаысий I. А Р&ульований фероддродингапчний покажчик струму з без-контаюною передачею шформацц про досягаашя граничного значения - Рукопис.

Дисертягдя на здобуття наукового сгупеяя кандидата техшчних наук за шеадальмстю 05.09.01 - елэаричш мапшни 1 апарати. - Донецький держанний техьйчнийуьпверапет, Донецыс; 1999.

Дисертацш присвячена питаниям створення, розробки методик розрахунку та еиемеяпв конструкци феропдродинам1чного поквжчика струму короткого замикання для повпряних лшш розподшьчих мереж Такий покажчик мае тдвищау надштсть^ зумовлену вщеутшепо схилышх зносу рухомих 1 кошахпшх деталей та механтсв. Опрацьовано методики 1 алгоритмы розрахунку егкюромапатно1 системи, у тому чиси магалатичш модезж на основ: схем замццення в вад багахокошурового розга-лужа гого нелшйного магапного кола, а також Ь викориеккням чисдавих засобш (метод юнцевих еяеменлв). Вяконаний аналЬ динам!чних характеристик ФЛСКЗ з урахуванням перемдного процесу в лиш та топографа ежктромагагших сил у робо-чому зазорь Визначек конструютшш фагсгорл; при яких тщщшцуеться ефекшвглстъ функщонування приладу в умовах зниження крашосп струму КЗ. Запропоноваш нов1 техтчьа ршгсння: вдосконалена магштна система ФГСКЗ 1 геометр1я його полюсних

наконечниюв, розглянуп та рекомщдоват найкрагщ типи феропорогшав, розробпэта безкошактна маюатоживаюча оптоежктронна схема дистанщйноГ щдикацЙ, про-аншлзоват вграти кргплзгня i встановжиня покаисчика на iatyKyn опори ПЛ. Запро-понована методика проежтування припаду, виявлена зажжгасть його робочих характеристик вщ темперазури навколишнього оередовиша, запропоноват заходи щодо роз-ширеиню робочого температурного диапазону. Виготовлега макета зразки прийняп в жосп базових при впровзджап у практику eKainyarsnji на гцдприемспа «Кровсыа ежктричт мереяа» ДАЕК«Донецькобленерго>>.

Кшочов1 слэва: альсыса розподшьча мережа, феродлродинашчгшй покажчик струму короткого замикання, ежктромагттна система, числов1 метода, феросуспэгая, валацшне обчислеяня, регушсвання характеристик, дистанцдане отримання сигналу.

ABSTRACT

Bershadsky I.A Adjustable feirohydrodynamic the indicator of a current with con-tactless transfer of an information about reaching threshold significance.- Hie manuscript

Thesis for a candidate's of technical sciences degree by speciality 05.09.01 - electrical machines and apparatuses. — The Etonetsk state technical university, Donetsk, 1999.

Dissertation is devoted to problems of creation, development of techniques of account and dements of a design of fcxrohydrodynarrac the indicator of current short circuit for air lines of distributive networks. Such indicator has increased reliability, stipulated by a lade of the mobile wear mobile and contact detailses and mechanisms. The techniques and algorithms of account of an dectromagnctic system, including mathematical models on base of equivalent circuits as a multiple loop ramified magnetic circuit, and also with use of numerical methods of the analysis (finite dement method) are devdoped The analysis of dynamic characteristics И CSC is carried out in view of transient in a line and topographies of dectroirsEgnetic forces in a working dearance. The constructive factors are defined, at which the eflectivenes s of operation of a gear in conditions of a drop of a multiplicity of a current short circuit raises. The new engineering solutions are offered; flie magnetic system F1CSC and geometry of its polar tips is advanced, are considered and the best types ferro-powders are recommended, the circuit of remote indication is devdoped out of contact few-consumpting optic-dectronic, the variants of strengthening and installation of the indicator on existing supports of air lines are analysed. The technique of projection of a gear is offered, the assotiation of its working characteristics from of tanperature of an environment is detected, the modes of expansion of a working temperature range are offered. The made modd samples are accepted as base at introduction in practice of operation at the enterprise «Kirov dectrical networks» GAEK «Ebnetskoblenergo».

Key words: rural distributive network, ferrohydrodynamic the indicator of current short circuit dectrorrcgnctic system, numerical methods, ferrosuspension, calculus of variations, regulation of performances, remote deriving of a signal.

Пып. до друку 20.12.99 г Формат 60*84 Патр РоШрееё

Цифровий трафаретний друк Ум. друк. арк. 1,0 Обл. вид.-арк. 1,01

Уч, друк. арк.. 1,0 Тираж 50 экз Зам № 390

Рекламно-видавниче агентство ДонДГУ

340000. г. Донецьк, Артема, 58, ГЧрничий ¡нститут, 9 уч. корпус Тел.: (0622) 99-99-94, 90-36-31