Слаботочка Книги жет быть достигнуто за счет уменьшения массы подвижных контактов и других подвижных элементов конструкции, регулирования жесткости контактных пружин и т. п. Несмотря на большое разнообразие конструктивных исполнений быстродействующих электромагнитных автоматических выключателей, основные технические решения, положенные в их основу, весьма немногочисленны. Поэтому после выбора того или иного принципиального решения необходима оптимизация формы и размеров конструктивных элементов. Требования же к форме и размерам при минимальных габаритных размерах и материалоемкости зачастую противоречивы В зависимости от конкретных условий могут потребоваться постановка и решение нескольких оптимизационных задач. 2.6. Оптимизация конструкции дугогасительных систем С точки зрения быстродействия необходимо, чтобы время движения электрической дуги по пути в дугогаситель-ную камеру автоматического выключателя и время нахождения ее в дугогасительной камере было минимально возможным. Исследования показали, что минимальные значения джоулева интеграла отключения как одного из основных показателей быстродействия и энергии дуги как показателя надежности будут достигнуты, если с момента размыкания контактов напряжение на дуге будет иметь прямоугольную форму и максимально допустимое значение. Более подробно этот вопрос рассматривается в гл. 7. Здесь лишь отметим, что полученный вывод целесообразно использовать в качестве основного положения при разработке быстродействующих высоконадежных аппаратов. Перенапряжения на дуге выключателей, возникающие при отключении аварийных токов и малых токов индуктивной нагрузки (токи XX трансформаторов), как правило, не превышают (1,5-=-2) [/ном и могут быть надежно ограничены различными средствами, в том числе с помощью РС-цепей. После того как с помощью тех или иных решений обеспечено минимальное собственное время срабатывания аппарата, необходимо обеспечить максимальную скорость достижения дугой дугогасительной камеры. При этом одно-разрывные контакты представляются недостаточно эффективными. Более эффективны многоразрывные аппараты, в которых контактная система совмещена с дугогасительной или находится в непосредственной близости от нее. Возможные усложнения управления аппаратом могли бы <быть в значительной степени компенсированы существенным повышением быстродействия, уменьшением энергии .дуги и как следствие снижением объема и упрощением конструкции дугогасительной камеры. В дугогасительных камерах обеспечивается гашение дуги с минимальным выбросом продуктов горения наружу при требуемом быстродействии аппарата, высокой его надежности, минимальных габаритных размерах, материалоемкости и энергопотреблении. Наибольшее распространение в быстродействующих автоматических выключателях получили дугогасительные камеры двух типов: щелевые и с деионной решеткой. В щелевых камерах горение и гашение дуги осуществляются в узкой щели между стенками из изоляционного материала, как это имеет место в выключателях типов ВАБ и ВАТ. В камерах с деионной решеткой дуга проходит между металлическими пластинами, как, например, в выключателях серии А3700. Процессы задержки дуги перед деионной решеткой, вхождение дуги в камеру, движение ее в решетке, образование опорных пятен дуги и другие физические процессы и явления были и остаются объектом многочисленных экспериментальных исследований. Тем не менее многие проблемы еще не решены и сложность взаимодействий тепловых, электромагнитных, электро- и аэродинамических процессов, протекающих в дугогасительной камере, затрудняет построение их моделей и оптимальное проектирование. В общем случае целью оптимизации дугогасительных камер является достижение максимального быстродействия, минимальной энергии дуги, минимальных габаритных размеров аппарата в целом, максимальной надежности, минимальных потерь энергии в длительном режиме и т. п. Постановка и решение задачи оптимизации конструкции дугогасительных камер описаны в [2. 18]. При этом в качестве целевой функции выбран объем дугогасительной камеры, а в качестве параметров оптимизации - толщина пластин деионной решетки, расстояние между ними и их количество. На область допустимых значений управляемых параметров оптимизации были наложены ограничения, включающие, в частности, максимально допустимую температуру нагрева стенок камеры. Кроме того, было принято допущение о том, что энергия дуги полностью расходуется на нагрев стенок камеры, а процесс восстановления напряжения является адиабатическим. Данная задача условной нелинейности оптимизации была сформулирована следующим образом: V = [X, (Хз + 1) + х,хз1 (п + Q) d- min; 4151/хз -0,6 f р) (2.6) где V - объем камеры, мм; Xi - толщина пластин, мм; Х2 - расстояние между пластинами решетки, мм; Хз - число разрывов решетки; /„ - длина пластины, мм; D - область допустимых значений управляемых параметров; «ь 02. bi, &2 - соответственно нижние и верхние границы управляемых параметров: щ - ! мм, Й2=5 мм, bi=2 мм, &2=12 мм; d-ширина пластины, мм; Q - расстояние от края камеры до дугогасительных пластин, мм; х - вектор управляемых параметров оптимизации; Tk - температура нагрева стенок камеры, "С; 7доп==1000°С - допустимая-температура нагрева стенок камеры; L - индуктивность коммутируемой электрической цепи, Гн; /о - отключаемый ток. А; fo - собственная частота сети, Гц. • При разработке алгоритма вычислений использовались эмпирические зависимости, полученные в [2.18]. В связи с нелинейностью целевой функции и ограничений для решения задачи использовался комплексный метод Бокса, позволивший оптимизировать недифференцируемые функции при наличии «оврагов». Полученные расчетом на ЭВМ значения толщины и длины пластин решетки оказались завышенными. Однако в качественном отношении результаты расчета удовлетворительно согласовывались с экспериментальными данными и принятыми допущениями. Большое распространение в последние десятилетия получили эмпирические модели дуги в выключателях, предохранителях и других контактных аппаратах [2.19]. Идентификация дуги в этих моделях производится путем обращения к априорно заданной структуре, параметры которой определяются экспериментально. Наиболее известны классические обобщения теории динамических дуг, выполненные О. Майром и М. Касси и построенные на привлечении дополнительных физических характеристик - электропроводности плазмы, ее температуры, удельной мощности излучения и т. п. Среди последних работ можно отметить исследования физических моделей дуги отключения [2.28], анализ новых численных методов интегрирования для рас- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 [17] 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 |
|