Выбор конструкции дугогасительных устройств на основе газоструйного излучателя ультразвука с трубчатым резонатором

  • Матвей Игоревич Аполинский
  • Владимир Яковлевич Фролов
Ключевые слова: газоструйный излучатель ультразвука, молниезащита, численное моделирование, устройство защиты от импульсных перенапряжений, искровой разрядник

Аннотация

Способность газоструйных излучателей ультразвука генерировать высокочастотные звуковые волны за счет газодинамической неустойчивости сверхзвукового потока предлагается использовать в дугогасительных устройствах коммутационных аппаратов. Статья посвящена исследованиям характеристик дугогасительных устройств, имеющих элемент конструкции газоструйных излучателей в виде трубчатого резонатора. Исследуемые дугогасительные устройства могут применяться в виде единичного элемента многозазорного устройства молниизащиты воздушных линий электропередачи или в виде рабочего элемента устройства защиты от импульсных перенапряжений в системах низкого напряжения. На основе параметрической оптимизации трех рассматриваемых вариантов конструкций дугогасительных устройств выявлена наиболее эффективная. Приведены результаты экспериментальных исследований (осциллограммы тока) и результаты численного моделирования (распределение температуры и давления плазмы внутри разрядных камер трех вариантов конструкции в различные моменты времени). Разработанная численная модель позволяет подобрать наиболее эффективную конструкцию дугогасительных устройств коммутационных аппаратов.

Биографии авторов

Матвей Игоревич Аполинский

аспирант Высшей школы электроэнергетических систем, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург, Россия; matvei.apolinsky@yandex.ru

Владимир Яковлевич Фролов

доктор техн. наук, профессор, профессор Высшей школы электроэнергетических систем, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург, Россия; frolov.eed@gmail.com

Литература

1. Pinchuk M.E. et al. Studying Energy Evolution in the Discharge Chamber of a Multichamber Lightning Protection System. – Technical Physics Letters, 2016, vol. 42, pp. 395–398, DOI: 10.1134/S1063785016040222.
2. Liu Y. et al. Study on the Arc Motion Characteristics of Multi-Chamber Arrester Based on 3D Model. – IEEE Access, 2020, vol. 8, pp. 90035-90041, DOI: 10.1109/ACCESS.2020.2994249.
3. Фролов В.Я. и др. Математическая модель дугогашения в соседних камерах молниезащитного мультикамерного разрядника РМКЭ-10. – Электричество, 2022, № 7, c. 40–51.
4. Kozakov R. et al. Investigation of a Multi-Chamber System for Lightning Protection at Overhead Power Lines. – Plasma Physics and Technology, 2015, vol. 2, No. 2, pp. 150–154.
5. Li Z. et al. Study on Impulse Quenching Based Multichamber Arc Quenching Structure. – AIP Advances, 2019, vol. 9 (8), DOI: 10. 1063/1.5113853.
6. Chusov A. et al. A Review of Progress Towards Simulation of Arc Quenching in Lightning Protection Devices Based on Multi Chamber Systems. – Plasma Physics and Technology, 2017, vol. 4, No. 3, pp. 273–276, DOI: 10.14311/ppt.2017.3.273.
7. Murashov Yu.V. et al. Analysis of Arc Processes in Multi-Chamber Arrester for Lightning Protection at High-Voltage Overhead Power Lines. – Plasma Physics and Technology, 2017, vol. 4, No. 2, pp. 124–128, DOI: 10.14311/ppt.2017.2.124.
8. Chusov A., Chystiakov A., Apolinskiy M. Application of Numerical Simulations for Improvement of Line Lightning Protection Device Efficiency. – 36th International Conference on Lightning Protections, 2022, pp. 468–472, DOI: 10.1109/ICLP56858.2022.9942457.
9. Chusov A.N. et al. The Application of Gas-Generating Materials for Increase of Line Lightning Protection Device Efficiency. – Seminar on Industrial Electronic Devices and Systems (IEDS), 2023, pp. 72–77, DOI: 10.1109/IEDS60447.2023.10426310.
10. Apolinskiy M.I. et al. Analysis of the Arc Quenching System of an Arrester Operation Based on a Flow Ultrasound Generator. – Energies, 2024, vol. 17 (19), DOI: 10.3390/en17194975.
11. Fujimoto T. et al. Study on the Behavior of Fluid Acoustic Device by Numerical Simulation. – Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, 2023, vol. 89, No. 927, DOI: 10.1299/transjsme.23-00113.
12. Rensong C. et al. Numerical Simulation on the Acoustic Characteristics of the Hartmann Acoustic Generator Array. – IEEE Advanced Information Technology, Electronic and Automation Control Conference (IAEAC), 2015, pp. 446–450, DOI: 10.1109/IAEAC.2015.7428592.
13. Podporkin G. et al. Overhead Lines Lightning Protection by Multi-Chamber Arresters and Insulator-Arresters. – IEEE Transactions on Power Delivery, 2011, vol. 26 (1), pp. 214–221, DOI: 10.1109/TPWRD.2010.2076368.
14. Frolov V. et al. Development of a Two-Temperature Mathematical Model of Plasma Processes in a Discharge Chamber of a Multi-Chamber Arrester Operating in Conditions of Mountain Areas. – Plasma Physics and Technology, 2019, vol. 6, No. 2, pp. 135–139, DOI: 10.14311/ppt.2019.2.135.
15. Mürmann M. et al. Modeling and Simulation of the Current Quenching Behaviour of a Line Lightning Protection Device. – Journal of Physics D: Applied Physics, 2017, vol. 50 (10), DOI: 10.1088/1361-6463/aa560e.
16. D'Angola A. et al. Thermodynamic and Transport Properties in Equilibrium Air Plasmas in a Wide Pressure and Temperature Range. – The European Physical Journal D, 2007, vol. 46, pp. 129–150, DOI: 10.1140/epjd/e2007-00305-4.
17. Nordborg H., Iordanidis A.A. Self-Consistent Radiation Based Modelling of Electric Arcs: I. Efficient Radiation Approximations. – Journal of Physics D: Applied Physics, 2008, vol. 41 (13), DOI: 10.1088/0022-3727/41/13/135205.
---
Работа выполнена в рамках исследований по государственному заданию Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема FSEG-2023-0012)
#
1. Pinchuk M.E. et al. Studying Energy Evolution in the Dis-charge Chamber of a Multichamber Lightning Protection System. – Technical Physics Letters, 2016, vol. 42, pp. 395–398, DOI: 10.1134/S1063785016040222.
2. Liu Y. et al. Study on the Arc Motion Characteristics of Multi-Chamber Arrester Based on 3D Model. – IEEE Access, 2020, vol. 8, pp. 90035-90041, DOI: 10.1109/ACCESS.2020.2994249.
3. Frolov V.Ya. et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2022, No. 7, pp. 40–51.
4. Kozakov R. et al. Investigation of a Multi-Chamber System for Lightning Protection at Overhead Power Lines. – Plasma Physics and Technology, 2015, vol. 2, No. 2, pp. 150–154.
5. Li Z. et al. Study on Impulse Quenching Based Multichamber Arc Quenching Structure. – AIP Advances, 2019, vol. 9 (8), DOI: 10.1063/1.5113853.
6. Chusov A. et al. A Review of Progress Towards Simulation of Arc Quenching in Lightning Protection Devices Based on Multi Chamber Systems. – Plasma Physics and Technology, 2017, vol. 4, No. 3, pp. 273–276, DOI: 10.14311/ppt.2017.3.273.
7. Murashov Yu.V. et al. Analysis of Arc Processes in Multi-Chamber Arrester for Lightning Protection at High-Voltage Overhead Power Lines. – Plasma Physics and Technology, 2017, vol. 4, No. 2, pp. 124–128, DOI: 10.14311/ppt.2017.2.124.
8. Chusov A., Chystiakov A., Apolinskiy M. Application of Numerical Simulations for Improvement of Line Lightning Protection Device Efficiency. – 36th International Conference on Lightning Protections, 2022, pp. 468–472, DOI: 10.1109/ICLP56858.2022.9942457.
9. Chusov A.N. et al. The Application of Gas-Generating Materials for Increase of Line Lightning Protection Device Efficiency. – Seminar on Industrial Electronic Devices and Systems (IEDS), 2023, pp. 72–77, DOI: 10.1109/IEDS60447.2023.10426310.
10. Apolinskiy M.I. et al. Analysis of the Arc Quenching System of an Arrester Operation Based on a Flow Ultrasound Generator. – Energies, 2024, vol. 17 (19), DOI: 10.3390/en17194975.
11. Fujimoto T. et al. Study on the Behavior of Fluid Acoustic Device by Numerical Simulation. – Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, 2023, vol. 89, No. 927, DOI: 10.1299/transjsme.23-00113.
12. Rensong C. et al. Numerical Simulation on the Acoustic Characteristics of the Hartmann Acoustic Generator Array. – IEEE Advanced Information Technology, Electronic and Automation Control Conference (IAEAC), 2015, pp. 446–450, DOI: 10.1109/IAEAC.2015.7428592.
13. Podporkin G. et al. Overhead Lines Lightning Protection by Multi-Chamber Arresters and Insulator-Arresters. – IEEE Transactions on Power Delivery, 2011, vol. 26 (1), pp. 214–221, DOI: 10.1109/TPWRD.2010.2076368.
14. Frolov V. et al. Development of a Two-Temperature Mathematical Model of Plasma Processes in a Discharge Chamber of a Multi-Chamber Arrester Operating in Conditions of Mountain Areas. – Plasma Physics and Technology, 2019, vol. 6, No. 2, pp. 135–139, DOI: 10.14311/ppt.2019.2.135.
15. Mürmann M. et al. Modeling and Simulation of the Current Quenching Behaviour of a Line Lightning Protection Device. – Journal of Physics D: Applied Physics, 2017, vol. 50 (10), DOI: 10.1088/1361-6463/aa560e.
16. D'Angola A. et al. Thermodynamic and Transport Properties in Equilibrium Air Plasmas in a Wide Pressure and Temperature Range. – The European Physical Journal D, 2007, vol. 46, pp. 129–150, DOI: 10.1140/epjd/e2007-00305-4.
17. Nordborg H., Iordanidis A.A. Self-Consistent Radiation Based Modelling of Electric Arcs: I. Efficient Radiation Approximations. – Journal of Physics D: Applied Physics, 2008, vol. 41 (13), DOI: 10.1088/0022-3727/41/13/135205
---
The work was carried out within the framework of research activities conducted under the state assignment of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (the topic FSEG 2023-0012).
Опубликован
2025-01-30
Раздел
Статьи