Konference ANSYS 2009 Simulace oteplení typového trakčního odpojovače pro různé provozní stavy Regina Holčáková, Martin Marek VŠB-TUO, FEI, Katedra elektrických strojů a přístrojů Abstract: Paper focuses on the heating calculation of the standard traction HV disconnector. A finite element method is used for calculating the effect of short-circuit currents. Paper publishes results of Diploma thesis. Abstrakt: Příspěvek se zabývá výpočtem oteplení typového trakčního odpojovače VN metodou konečných prvků při působení především zkratových proudů. Výpočet je proveden na 3D modelu, užitím metody konečných prvků. Příspěvek publikuje výsledky řešení Diplomové práce. Keywords: Disconnector, heating, finite element meth, steady-state analysis, transient analysis, harmonic analysis. Klíčová slova: Odpojovač, oteplení, metoda konečných prvků, steady-state analýza, transientní analýza, harmonická analýza. 1. Úvod Odpojovač je elektrický přístroj, který spojuje a rozpojuje nezatížený elektrický obvod mechanicky, s viditelnou drahou rozpojení, zpravidla za účelem revize, opravy nebo změny řazení, slouží především k ochraně osob pracujících na odpojených částech zařízení, ale za určitých podmínek může spínat i zatížený elektrický obvod. V zapnutém stavu musí odpojovač vydržet tepelné a dynamické namáhání největším dovoleným proudem. Teplo vznikající ve vodiči průtokem elektrického proudu se z části spotřebuje na zvýšení teploty vodiče, druhá část se pak předává jeho povrchem do okolí. Tyto tepelné ztráty charakterizuje rovnice Dosáhne-li vodič po dlouhodobém průtoku proudu I=konst. ustáleného stavu, jeho teplota se již nezvyšuje a rovnice pak nabude tvaru El. zařízení se občas dostávají do poruchových stavů, při nichž jsou krátkodobě namáhána proudem větším než jmenovitým. Pokud se jedná o čas kratší než asi 0,2.τ, lze zanedbat odvod tepla z místa vzniku do jeho okolí a pro tento případ platí vztah Uvedené rovnice popisují tepelné ztráty, které vznikají jednak při působení jmenovitého proudu a jednak při působení proudu zkratového. Modelová analýza oteplení VN odpojovače byla provedena pro oba zmíněné stavy a pro různé hodnoty proudu. Vybrané výsledky uvádím v následujících částích. (1) (2) (3)
TechSoft Engineering & SVS FEM 2. Popis řešeného odpojovače Vlastní analýza oteplení VN odpojovače byla řešena na konkrétním vývojovém typu, který tvoří součást elektrické výzbroje elektrických lokomotiv a jehož provedení je znázorněno na obr. 1. Jedná se o typ trakčního nožového VN odpojovače vycházejícího ze základní řady se zvýšenými požadavky na zkratovou odolnost. Tato odolnost byla pro tento typ odpojovače definována 150 ka v maximální hodnotě a době trvání 1s. Prototyp tohoto odpojovače byl vyroben a zkoušen na danou zkratovou odolnost. Výsledek zkratové zkoušky je nejlépe patrný z následující fotky (obr. 2), kdy je na první pohled zřejmé, že odpojovač dané zkratové namáhání nevydržel. Obr. 1. Prototyp odpojovače před zkouškou Obr. 2. Prototyp odpojovače po zkoušce Příčinami zničení odpojovače jsou beze sporu silové účinky v kontaktním styku, rozevření kontaktů dynamickými silami a následné hoření oblouku mezi kontakty. Určitý vliv na poškození může mít i nadměrné oteplení především kontaktního styku. Podrobněji lze proces zničení analyzovat z uvedených časových záznamů proudu a napětí na odpojovači při zkratové zkoušce, které jsou uvedeny na obr. 3 a 4. Obr. 3. Průběh proudu při zkratové zkoušce Obr. 4. Průběh napětí při zkratové zkoušce
Konference ANSYS 2009 3. Postup řešení Vlastní analýzu oteplení odpojovače jsem provedla postupně pro určité modelové varianty. V první fázi jsem řešila oteplení samotného kontaktního nože a v další fázi pak oteplení celého odpojovače. 3.1 Analýza č. 1a - Výpočet oteplení nože odpojovače oteplení nože odpojovače jmenovitým proudem I n =1000, 2000 a 4000 A počítáno metodou: a) steady-state analýzy b) transientní analýzy pro t=1 hod oteplení nože odpojovače zkratovým proudem I k =50, 100 a 150 ka počítáno metodou: transientní analýzy pro t=1s Popis provedení modelu Pro výpočet oteplení jsem uvažovala měděný vodič obdélníkového průřezu v okolí vzduchu, rozměrově odpovídající provedení nože odpojovače. Byl použit 3D model (obr. 5), který tvoří právě dva objemy: objem nože a objem okolního vzduchu. Pro měď a vzduch byly zadány tyto materiálové vlastnosti: hustota, měrná tepelná kapacita, tepelná vodivost a rezistivita. Použitý typ elementu SOLID 69. Obr. 5. Model nože v okolí vzduchu Obr. 6. Ukázka výpočetní sítě Výsledkové přehledy PC simulace Steady-state analýza Transientní analýza teplota T [ C] řez nože Obr. 7. Rozložení teploty na modelu nože odpojovače pro jmenovitý proud I n = 4000 A
TechSoft Engineering & SVS FEM Transientní analýza teplota T [ C] řez nože Obr. 8. Rozložení teploty na modelu nože odpojovače pro zkratový proud I k = 150 ka / t=1 s Analytický výpočet oteplení nože odpojovače výpočet oteplení jmenovitým proudem pro I n =1000 A: pro I n =2000 A: pro I n =4000 A: výpočet oteplení zkratovým proudem pro I k =50 ka, t= 1 s: pro I k =100 ka, t= 1 s: pro I k =150 ka, t= 1 s:
Konference ANSYS 2009 Shrnutí výsledků Θ [ºC] Výpočet v softwaru ANSYS Analytický výpočet 1000 7,241 (232,946) 7,813 I n [A] 2000 30,023 (931,784) 31,250 4000 132,961 (3727,000) 125,000 50 5,284 5,622 I k [ka] 100 21,757 22,490 150 51,404 50,602 Pozn.: hodnoty uvedené v závorce platí pro steady-state analýzu Tab. 1. Výsledky oteplení nože odpojovače vyhodnocené softwarem ANSYS a analyticky 3.2 Analýza č. 1b - Harmonická analýza nože odpojovače Cílem této analýzy je výpočet proudové hustoty s ohledem na povrchový jev, tzv. skin efekt, při němž dochází k vytlačování elektrického proudu k povrchu vodiče. Proudovou hustotu nože odpojovače jsem hodnotila pro střídavý zkratový proud I k =50, 100 a 150 ka. Popis provedení modelu Pro harmonickou analýzu byl použit stejný 3D model jako v předchozí analýze č. 1a. Liší se typem elementu a materiálovými vlastnostmi. Pro měď byly zadány tyto materiálové vlastnosti: relativní permeabilita a rezistivita, pro vzduch: relativní permeabilita. Použitý typ elementu SOLID 117. Výsledkové přehledy PC simulace Harmonická analýza proudová hustota J [A/mm 2 ] řez nože a celý nůž Obr. 9. Rozložení proudové hustoty na modelu nože odpojovače pro zkratový proud I k = 150 ka
TechSoft Engineering & SVS FEM 3.3 Analýza č. 2 - Výpočet oteplení celého odpojovače oteplení odpojovače jmenovitým proudem I n =1000, 2000 a 4000 A / t= 1 hod kontaktní styk: plošný oteplení odpojovače zkratovým proudem I k =50, 100 a 150 ka / t=1 s kontaktní styk: a) plošný Popis provedení modelu b) linkový Pro výpočet oteplení nožového odpojovače byl použit 3D model (obr. 10), který jsem vzhledem ke složitosti výpočtu zjednodušila. 3D model tvoří dva objemy: objem odpojovače a objem okolního vzduchu. Materiál nože a kontaktů je měď. Typ elementu a materiálové vlastnosti jsou stejné jako v předchozí analýze č. 1a. Liší se pouze v rezistivitě mědi, která byla pro tuto analýzu nastavena na hodnotu vyšší. Obr. 10. 3D model odpojovače Obr. 11. Kontaktní styk Obr. 12. Ukázka výpočetní sítě Výsledkové přehledy PC simulace Plošný styk teplota T [ C] odpojovač s detailem Obr. 13. Rozložení teploty na modelu odpojovače pro jmenovitý proud I n = 4000 A / t=1 hod
Konference ANSYS 2009 Plošný styk Linkový styk teplota T [ C] odpojovač s detailem Obr. 14 Rozložení teploty na modelu odpojovače pro zkratový proud I k = 150 ka / t=1 s Shrnutí výsledků I n [A] I k [ka] Θ [ºC] Plošný styk Linkový styk 1000 8,098-2000 32,392-4000 129,569-50 48,954 47,52 100 195,816 190,081 150 440,586 427,682 Tab. 2 Výsledky oteplení celého odpojovače pro plošný a linkový styk 4. Závěr Z dosažených výsledků je patrné, že steady-state analýza, přestože je principálně vhodnější, se pro výpočet oteplení jmenovitým proudem nehodí. Příčinou jsou výpočtově respektované sdílení tepla pouze vedením, jako by okolní vzduch byl v prostoru pevně fixován a není tedy výpočtově respektováno vzlínaní a proudění tepla. Z tohoto důvodu jsem zvolila metodu transientní analýzy, jejíž výsledky jsou téměř shodné s výsledky analytického výpočtu. Pro oteplení nože odpojovače zkratovým proudem jsem zvolila metodu transientní analýzy, která vyhovuje po všech stránkách. Z PC simulace je zřejmé, že největšího oteplení dosáhl krajní kontaktní palec odpojovače, který se při zkratové zkoušce nejvíce odchýlil. Z toho vyplývá, že zničení odpojovače nebylo způsobeno jen silovými účinky zkratového proudu, ale určitý vliv mělo i oteplení odpojovače. 5. Reference [1] Holčáková, R., Modelová FEM analýza oteplení typového VN odpojovače, Diplomová práce, VŠB-TU Ostrava, FEI, Kat453, 2009
TechSoft Engineering & SVS FEM