Уточнена математична модель фізичних процесів у провіднику при сильноточному імпульсному розряді
DOI:
https://doi.org/10.33042/2079-424X.2021.60.3.05Ключові слова:
мультифізичні процеси, термічна стійкість, короткочасний електричний розряд, математична модельАнотація
У статті запропоновано та досліджено оригінальну математичну модель, що описує фізичні процеси при протіканні імпульсного струму аперіодичної форми великої амплітуди 100 кА по круглому в перетині провіднику. Показано як короткочасний електричний розряд впливає на розподіл густини струму в поперечному перетині провідника, викликаючи його нерівномірний нагрів і появу значних термічних сил. На основі розробленої математичної моделі показано взаємозв'язок між електромагнітними, тепловими та механічними явищами, що дозволяє глибше зрозуміти мультифізичні процеси, що відбуваються. Розраховані максимальні значення густини струму, які на поверхні провідника досягають значень 47 кА/мм2, при цьому перевищення температури мідного провідника діаметром 2,44 мм становить не більше 80ºC при великих градієнтах температури, що викликає появу термічних сил, які мають значення (40–50)% від величини межі короткочасної міцності електротехнічної міді. Використання даної моделі дозволяє більш точно визначити необхідний поперечний перетин провідника та зрозуміти процеси руйнування ізоляції на підставі характеристик електромагнітних, теплових та механічних процесів. Доведено, що спрощена модель (умова рівномірного розподілу струму по перетину) дає істотно занижені значення температур, які в два рази менші, ніж максимальна температура при нерівномірній густини струму і не враховує температурні деформації.
Посилання
SAE International. (2013). Aircraft lightning environment and related test waveforms (SAE Standard No. ARP5412B:2013). https://doi.org/10.4271/ARP5412B
SAE International. (2013). Aircraft lightning test methods (SAE Standard No. ARP5416A:2013). https://doi.org/10.4271/ARP5416A
Baranov, M.I. (2018). A choice of sections of electric wires and cables in circuits of devices of high-voltage high-current impulse technique. Electrical Engineering & Electromechanics, (6), 56–62. https://doi.org/10.20998/2074-272X.2018.6.08
Baranov, M.I. (2019). Calculation and experimental determination of critical sections of electric wires and cables in the circuits of devices of high-voltage high-current pulse technique. Electrical Engineering & Electromechanics, (2), 39–46. https://doi.org/10.20998/2074-272X.2019.2.06
Baranov, M.I. (2019). Peculiarities of the manifestation and influence on the electromagnetic processes of the transient skin effect in metal conductors with pulsed current. Electrical Engineering & Electromechanics, (4), 41–47. https://doi.org/10.20998/2074-272X.2019.4.06
Baranov, M.I. (2019). A choice of critical sections of electric wires and cables in power circuits of electrical equipment of power industry. Electrical Engineering & Electromechanics, (5), 35–39. https://doi.org/10.20998/2074-272X.2019.5.06
Baranov, M.I. (2020). A choice of acceptable sections of electric wires and cables in on-board circuits of aircraft electrical equipment. Electrical Engineering & Electromechanics, (1), 39–46. https://doi.org/10.20998/2074-272X.2020.1.06
Baranov, M.I., Buriakovskyi, S.G., & Kniaziev, V.V. (2021). Destruction of polymer insulation and threshold amplitudes of current pulses of different temporal shapes for electric wires and cables in the low- and high-current circuits of pulse power engineering, electrical engineering and electronic devices. Electrical Engineering & Electromechanics, (6), 31–38. https://doi.org/10.20998/2074-272X.2021.6.05
Kostiukov, I. (2021). Measurement of dissipation factor of inner layers of insulation in three-core belted cables. Lighting Engineering & Power Engineering, 60(1), 23–30. https://doi.org/10.33042/2079-424X.2021.60.1.04
Gerling, D. (2009). Approximate analytical calculation of the skin effect in rectangular wires. In 2009 International Conference on Electrical Machines and Systems (pp. 1–6). IEEE. https://doi.org/10.1109/ICEMS.2009.5382786
Koller, L., Novák, B., & Tevan, G. (2007). Heating effects of short-circuit current impulses on contacts and conductors – Part I. IEEE Transactions on Power Delivery, 23(1), 221–227. https://doi.org/10.1109/TPWRD.2007.905806
Hagglund, L., & Sandstrom, J. (2003). Current Distribution in Conductors (Report No. 2003:5). Uppsala University. http://www.it.uu.se/edu/course/homepage/projektF/vt03/projekt3.pdf
Mesiats, G.A. (2004). Pulse Power Engineering and Electronics. Nauka. (in Russian)
Waldow, P., & Wolff, I. (1985). The skin-effect at high frequencies. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 33(10), 1076–1082. https://doi.org/10.1109/TMTT.1985.1133172
Voršič, Ž., Maruša, R., & Pihler, J. (2019). New method for calculating the heating of the conductor. Energies, 12(14), 2769. https://doi.org/10.3390/en12142769
Ramo, S., & Whinnery, J.R. (1964). Fields and Waves in Modern Radio (2nd ed.). John Wiley & Sons.
Baida, E.I. (2015). Peculiarities of calculation of magnetic systems with short-circuited secondary windings in in-plane formulation. Electrical Engineering & Electromechanics, (5), 18–22. https://doi.org/10.20998/2074-272X.2015.5.02 (in Rus-sian)
Carlslaw, H.S., & Jaeger, J.C. (2011). Conduction of Heat in Solids (2nd ed.). Oxford University Press.
Timoshenko, S.P., & Goodier, J.N. (2008). Theory of Elasticity (3rd ed.). McGraw-Hill.
Kuhn, H.-A., Altenberger, I., Käufler, A., Hölzl, H., & Fünfer, M. (2012). Properties of high performance alloys for electromechanical connectors. In L. Collini (Ed.), Copper Alloys – Early Applications and Current Performance – Enhancing Processes (pp. 51–68). IntechOpen. https://doi.org/10.5772/35148
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2021 Світлотехніка та Електроенергетика
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
@LepeJournal