Слова благодарности
Авторы хотели бы искренне поблагодарить всех участников экспериментов, благодаря которым была подготовлена данная статья. В первую очередь, авторы выражают благодарность Александру Рэку и Маржи Олбинадо из «ESRF» (г. Гренобль) за их высокопрофессиональный способ решения требований экспериментов. Авторы также хотели бы поблагодарить аспиранта Ксавьера ЮСТА и Пьера Луисье, исследователя лаборатории «SIMAP» (г. Гренобль), которые инициировали сближение с «ESRF». Огромная благодарность также Жан-Марку Ше и Реми Дендивелю из лаборатории «SIMAP» (г. Гренобль) и Оливье Боннефою и Жерару Тома из Высшей горной школы г. Сент-Этьен, которые внесли огромный вклад благодаря своим научным и технологическим навыкам в отношении сыпучих сред. Кроме того, авторы выделяют работу, выполненную Матье Морати из команды НИОКР компании «Mersen», по проектированию и конструированию испытательного оборудования.
Аннотация
Несмотря на свою кажущуюся обыденность, предохранители по-прежнему являются обязательными элементами современного электрооборудования ‑ они обеспечивают максимальную защиту в случае состояний неисправности и гарантируют разъединение нарушенных фаз. Плавление электрического провода не настолько усложняет ситуацию, как отключение тока электрической дугой, возникающей во время срабатывания предохранителя. Поколения инженеров и ученых проводили исследования, чтобы понять сложные явления, связанные с взаимодействием между дугой и песком, который выступает в качестве энергопоглощающего материала. Большинство из их наблюдений воплощалось в жизнь postmortem. Все мечтали снять актуальное видео дуги внутри огибающей предохранителя. Некоторые из них приблизились к осуществлению данной фантазии, используя такие обходные пути, как спектроскопия через окно или матрицу магнитных датчиков. К сожалению, это дало недостаточно информации. Впервые команда компании «Mersen» вместе с исследователями из лаборатории «SIMAP» в Гренобльском университете воспользовались возможностями синхротрона «ESRF» (также в г. Гренобль), чтобы выполнить ультрабыструю рентгенографическую визуализацию дуги внутри огибающей.
Выполнены наблюдения до 5 000 000 кадров в секунду. Анализ зарегистрированных данных дает ценную информацию о дуге в предохранителе и позволяет настраивать модели, уделяя особое внимание очень быстрой работе в условиях высокой скорости нарастания тока.
1. Введение
Предохранители являются одним из старейших элементов электрической технологии. Как только инженеры стали использовать электричество для практического применения, они столкнулись с проблемами сверхтоков и нашли решение в виде использования предохранителей [1]. Без безопасной защиты электрических предохранителей электричество, вероятно, считалось бы слишком опасным для широкого использования, а современной электротехнической промышленности не существовало бы [2]. Кроме того, предохранитель обычно рассматривается как очень простое устройство, и большинство людей помнят, что когда нагрев слишком высок, предохранитель плавится. Но все не так очевидно. Предохранитель должен выполнять две основные функции: проведение и размыкание, которое, в свою очередь, включает две фазы — образование дуги и предварительно образование дуги. Нагрев происходит во время проводимости в результате воздействия эффекта Джоуля. Электрические и термические уравнения хорошо известны и могут быть легко взаимосвязанными, особенно, с помощью современных ПО и мощности современных компьютеров. Предварительное образование дуги требует также взаимосвязи электрического и теплового явлений, с той лишь разницей, что охватывается большой температурный диапазон, что заставляет учитывать такие изменения физических характеристик, как электрическое и тепловое удельное сопротивление. Гораздо сложнее рассмотреть образование дуги. Разумеется, на протяжении десятилетий инженеры и исследователи провели много исследований и предложили много моделей. Но за исключением особых случаев, когда использовались разнообразные методы, были доступны только наблюдения postmortem, а увидеть дугу внутри предохранителя для того, чтобы найти подход к изучению ее динамики, так и осталось мечтой.
Впервые команда исследователей провела испытания и записала видео дуги в огибающей с помощью сверхбыстрой рентгенографической визуализации.
Благодаря очень высоким скоростям записи выполненные в «ESRF», позволяют визуализировать, как проводящий материал превращается из твердо-жидкой фазы в зародыш плазмы. В конце этого перехода выполняются условия для роста дуги в разрезе и по длине. Кроме того, конец этого перехода соответствует начальным условиям обычного моделирования дуг. С другой стороны, видео дают доступ к рассмотрению прогаров. Благодаря синхронизации изображений с электрическими параметрами, то есть с напряжением и током, становится доступным большое количество информации. В данной статье мы решили учесть расчеты электрического поля E в дуговой плазме и сравнить кривые E (i) с данными в литературе.
2. Образование электрической дуги в предохранителе — крайне динамическое явление
В оставшейся части данного текста мы больше не будем учитывать функцию проводимости, а сосредоточим внимание на размыкании, а точнее ‑ на образовании дуги. После плавления металлического проводника ток переходит в ноль не сразу же. В течение этого времени происходит переход электрических зарядов через предохранитель. Средой, которая обеспечивает эту передачу, является электрическая дуга. На Рисунке 1 приведено сравнение работы предохранителя в условиях максимального энергопотребления в соответствии со стандартом IEC 269.1 для напряжения переменного тока при 50 Гц и функционирование в условиях инверторов напряжения (VSI).
Рис. 1- Кривая тока для времени предварительного образования дуги и образования дуги. Слева: принципиальная схема прерывания при силе тока I2 в соответствии со стандартом IEC 269.1. Справа: принципиальная схема для короткого замыкания VSI.
Например, предохранитель, рассчитанный на 1000 А и 690 В, работающий в соответствии с условиями IEC 60-260-1 I2, должен будет управлять энергией дуги, стандартные значения которой достигают около 100 кДж, путем передачи этой энергии в окружающую среду. Из-за высоких значений удельной теплоемкости, температуры плавления и скрытой теплоты плавления кремнезема необходим только уменьшенный объем материала, в отличие от происходящего в воздухе или в вакууме. От его воспламенения дуга распространяется по песку в соответствии с непрерывным процессом. На Рисунке 2 ниже приводится эскиз того, что должно произойти.
Поколения инженеров и ученых проводили исследования, чтобы понять сложные явления, связанные с взаимодействием между дугой и песком, который выступает в качестве энергопоглощающего материала. Большинство из их наблюдений воплощалось в жизнь postmortem. Все мечтали снять актуальное видео дуги внутри огибающей предохранителя. Некоторые из них приблизились к осуществлению данной фантазии, используя такие обходные пути, как спектроскопия через окно или матрицу магнитных датчиков. Тем не менее, несмотря на нехватку информации, были сделаны весьма важные выводы. В. Бусье [3] выстроил эксперимент вокруг специальных предохранителей, оснащенных окном, позволяющим наблюдать и записывать видео с помощью быстрой камеры со скоростью 35 000 кадров в секунду. Он смог измерить скорость повторного возгорания во время работы переменного тока. К сожалению, эксперименты были неточными, поскольку энергопоглощающая среда не полностью окружала дугу.
Кроме того, кажется, что скорость съемки была достаточной, так как она предусматривает 350 изображений в течение половины периода при 50 Гц, однако она остается все еще низкой для наблюдения за более быстрыми явлениями, например, установление напряжения электрической дуги и функционирования в условиях VSI.
3. Рентгенографическая визуализация со скоростью 510 6 кадров в секунду
Впервые команда инженеров компании «Mersen» и исследователи из Гренобльского технологического института и Высшей горной школы г. Сент-Этьен выполнили сверхбыструю рентгенографическую визуализацию дуги вдоль огибающий.
Выполнены наблюдения до 5 000 000 кадров в секунду [4]. Анализ зарегистрированных данных дает ценную информацию о дуге в предохранителе и позволяет настраивать модели, уделяя особое внимание очень быстрой работе в условиях высокой скорости нарастания тока.
В целях проведения экспериментов предохранитель включен в разрядный контур конденсатора, причем этот конденсатор предварительно нагружен до требуемого напряжения источником постоянного тока. Условия разряда корректируются по индуктивности электрокабеля. Предохранитель освещается параллельным рентгеновским лучом, энергия которого была предварительно настроена в соответствии с поглощением материалов, встроенных в образец предохранителя. Изображение формируется на сцинтилляторе, который преобразует информацию с рентгеновского излучения в видимый свет. Данное изображение захватывается ПЗС-камерой в задней части объектива для адаптации увеличения.
Синхронизация открытия луча, закрытия разрядного контура и съемки ПЗС-камерой обеспечиваются программируемым микроконтроллером.
Рис. 2- 4 графических описания непрерывного явления дуги в сыпучей среде.
Первый сигнал подается на затвор камеры для открытия рентгеновского луча с задержкой в 100 мс, чтобы убедиться, что луч открыт. Затем одновременно отправляются три сигнала:
- Получение электрических сигналов осциллографом
- Открытие затвора ПЗС-камеры и начало получения изображений
- Разряд конденсатора
Испытуемыми образцами были цилиндрические предохранители (диаметр 10 мм, длина 38 мм) из коммерческой линейки компании «Mersen». Они представляют собой класс gR с номинальной мощностью тока 20 А и номинальным рабочим напряжением 690 В.
Протокол проведения экспериментов состоит в проведении испытания образцов в нескольких электрических условиях (напряжение, длина контура схемы), установке элемента предохранителя таким образом, чтобы его край или поверхность попадали под рентгеновский луч и, наконец, при разных скоростях съемки. В действительности, память ПЗС-камеры позволяет записывать только 128 кадров. Затем, в зависимости от того, нужно ли записывать все образование дуги или только начало, необходимо адаптировать частоту получения. При 1 кадре в 100 микросекунд можно записать всю длительность дуги. Более высокие скорости, например 1 кадр в 0,2 микросекунды, будут использоваться для фокусировки при переходе от предварительного образования дуги к образованию дуги и первых моментов дуги. Хорошая повторяемость работы предохранителя позволяет оптимизировать получение информации, воспроизводя несколько раз те же электрические условия при разных скоростях съемки и для двух перпендикулярных положений элемента предохранителя.
 |  |
| Рис. 3- Упрощенная организация испытательного оборудования с указанием его основных частей | Рис. 4- Электрическая цепь |
Рис. 5- Синограмма для синхронизации событий
Рис. 6- Синхронизация тока и напряжения с двумя изображениями, извлеченными из двух разных фильмов, один с элементом, видимым на его плоской поверхности, другой — на кромке. В этом случае для всех кривых и изображений время составляет 53 мкс.
4. Анализ наблюдений
Для того, чтобы покрыть весь период образования электрической дуги и получить как можно больше информации были повторно проведены испытания для нескольких частот съемки для одного и того же определения образцов, то есть элемента с такой же шириной и толщиной, с одной и той же геометрией сужений, в том же песке и с тем же уплотнением песка, и при тех же электрических условиях, то есть при одинаковом напряжении и при такой же индуктивности.
Первый анализ касался стандартных плавких предохранителей, испытанных при разрядах конденсаторов при 300, 400 и 450 В с коротким контуром. Конечно, можно нарисовать кривые тока и напряжения на плавком предохранителе в зависимости от времени.
Рис. 7- Кривые тока и напряжения. Слева: были проведены испытания пяти образцов под напряжением 450 В и с коротким контуром. Справа: были проведены испытания образцов под напряжением 300, 400 и 450 В.
Кривые напряжения показывают резкое повышение, соответствующее началу спада тока. За очень короткое время проводимость электрических зарядов переходит от металлического режима к передаче в электрическом поле между двумя электродами. Эта переходная фаза между фазой предварительного образования дуги и фазой образования дуги не рассматривается в публикациях, к которым у нас был доступ. Обычно авторы определяют начальное условие, которое сводится к предположению о том, что дуга мгновенно достигает ненулевой начальной длины λ 0, эта дуга затем расширяется и удлиняется по мере изменения тока и напряжения. Применение данной гипотезы по отношению к предохранителю означает, что переход между предварительным образованием дуги и образованием дуги мгновенный, начальная дуга имеет размеры, близкие к размерам сужения, и готова к увеличению:
Рис. 8- В целом, авторы строят гипотезу, что проводимость идет непосредственно от (а) до ©.
В недавней работе А. Кулбуа [5] применил квази-исчерпывающий подход ко всем явлениям, которые могут участвовать в переходе от предварительного образования дуги к образованию дуги. Наиболее интересным представляется внутреннее зарождение, магнитогидродинамика и испарение поверхности. Во время испытаний в «ESRF» запись на рентгенопленки выполнялась со скоростью до 1 кадра в 0,2 микросекунды. Благодаря этому можно наблюдать переход от предварительного образования дуги к образованию дуги. Ниже приведен ряд изображений, извлеченных из предоставленной видеозаписи.
Рис. 9- Серия изображений, извлеченных из видео; скорость съемки — 1 кадр в 0,2 мкс.
Вначале самая узкая область сужения расширяется, а затем постепенно отделяется от обеих сторон оставшегося проводника. Это, похоже, подтверждает магнитогидродинамическую гипотезу.
Но на тот момент были учтены рентгенографические записи при измерении длины дуги с момента фактически установленного времени t 0. Время t 0 выбирается как момент первого изображения на пленке, где нет материала между двумя разделенными сторонами сужения. Например, на рисунке 9 выше изображение справа, при t = 2 мкс, считалось, что дуга установлена не полностью. Длина дуги измерялась покадрово в ходе всех испытаний, проводимых на стандартных образцах предохранителей при 300, 400 и 450 В с коротким контуром. Для высоких скоростей съемки (1 кадр/мкс и выше) записываются только первые моменты дуги; соответствующая длина дуги отображена в нижней левой части графика. Для низких скоростей съемки (1 кадр в 10 ‑ 100 мкс) записывается вся продолжительность дуги; соответствующие длины дуги нанесены на полную ширину графика. Все точки, записанные на высоких и низких скоростях съемки, были приведены в соответствие с кусочно-линейным законом в осях log × log. Данные расчеты выполнялись для трех напряжений 300, 400 и 450 В.
В качестве справочного документа об удлинении дуги использовалась статья, написанная Тернером и Тернером [6] в 1977 г.
Исходя из кусочно-линейного закона, возможно оценить длину дуги в любое время и сравнить ее с электрическими параметрами, то есть с током и напряжением.
Также можно оценить значение электрического поля в дуге. Предполагается, что поле будет однородным в пределах дуги, а напряжение на электродах будет оцениваться с помощью уравнений из литературы. Например, авторы Долеговски [7], Онуфриенко [8], Райт и Бомонт [9] предлагают следующие законы:
U электроды = (20 ± 5) + 1.5.[i(t)]0.39 Долеговски
Для выполнения следующих вычислений была использована модель, заданная Гненелингемом и Уилкинсом [10]:
U электроды = 15 + 1.0.[i(t)]0.39 Гненелингем и Уилкинс
Следовательно, электрическое поле
вычисляется в соответствии с выражением:
E = U измерение — 15 — 1.0.[i(t)]0.39 / LРасчетный кусочно-линейный закон
Рис. 10- Измерения удлинения дуги. Слева: повторяемость испытаний при 450 В для нескольких скоростей съемки. Справа: эффект напряжения конденсатора, кусочно-линейный закон для каждого напряжения.
Рис. 11- Удлинение дуги в зависимости от тока. Слева: повторяемость испытаний при 450 В. Справа: эффект напряжения конденсатора.
Рис. 12- Электрическое поле. Слева: повторяемость испытаний при 450 В. Справа: эффект напряжения конденсатора.
5. Обсуждение
Гненелингем — Уилкинс и Даальдер — Шройрс [11] исходили из следующего уравнения для моделирования электрической дуги:
 | Где |
Основываясь на этих библиографических данных, авторы сосредоточили свое исследование на кривой электрического поля относительно кривой тока.
Рис. 13- Кривые измеряемого электрического тока в зависимости от тока. Слева: значение поперечного сечения элемента также нанесено на диаграмму. Справа: Кривые, рассчитанные Уилером также были нанесены на диаграмму.
Электрическое поле рассчитывается по измерениям напряжения и длине дуги либо с учетом падения напряжения электрода, либо без. Однако как показано на рисунке 13, результаты обоих методов очень близки. Одна и та же цифра представляет несколько областей. Справа налево:
- Справа — очень резкое увеличение электрического поля, соответствующее установлению напряжения дуги и «взрыву» металлического проводника.
- В диапазоне между 2500 и 1650 А, быстрое падение значения поля, форма кривой E = f (i) далеки от описаний в литературе. Объяснение может заключаться в том, что дуга еще не находится в термодинамическом равновесии. Примечательно то, что ток в этом случае достигает 1650 А, а время составляет 10 мкс. Данная длительность должна соответствовать постоянной времени деионизации (или ионизации) дуги.
- В диапазоне между 1650 и 620 А кривая поля в зависимости от тока может быть установлена законом E (i) = (5.5.i0.4) / S0.55, который, согласно Уилеру, находится между законами для цилиндрических и плоских проводников.
При 620 А кривая поля относительно тока может быть установлена законом E (i) = (5.i0.4) /S0.85, близким к предложению Уилера для плоского проводника.
6. Заключение
Исследователи из компании «Mersen» в Сен-Бонне-де-Мюр, Гренобльского технологического Института, Высшей горной школы г. Сент-Этьен, в сотрудничестве с учеными из Европейского центра синхротронного излучения, расположенной в г. Гренобль, использовали сложные однократные методы визуализации, доступные в «ESRF» для отслеживания сверхбыстрых процессов, которые происходят в предохранителях во время электрического пробоя. Многочисленные рентгенографические видеозаписи, синхронизированные током и напряжением во время работы для нескольких комбинаций электрических и геометрических параметров предохранителя составляют ценную базу данных.
Сеансы проведения испытаний привели к получению новых и усовершенствованных знаний о дуге в предохранителе. Во-первых, крайне ценная информация касается определения исходных условий для любой модели дуги. Получены крайне впечатляющие снимки перехода между предварительным образованием дуги и образованием дуги, которые помогут принять решение об исходных размерах дуги. Испытания также позволяют наблюдать «взрыв» металлического проводника, благодаря чему можно подтверждать (или не подтверждать) различные гипотезы, описанные в литературе, то есть внутреннее зарождение, магнитогидродинамику или испарение поверхности. Во-вторых, ценная информация исходит из сравнения кривой электрического поля в зависимости тока с помощью моделей, доступных в литературе, и касается возможной предварительной фазы дуги, в течение которой плазма выходит из термодинамического равновесия. Пока еще не было продемонстрировано, что эта фаза специфична для высокой скорости образования дуги di/dt, но, вероятно, необходимо учитывать это при проектировании предохранителей.
7. Список литературы
