Автореферат (Мультифизические методы численного моделирования поля для решения задач электротехники)

На правах рукописиДУБИЦКИЙ Семен ДавидовичМУЛЬТИФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПОЛЯДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИСпециальность 05.09.05 – Теоретическая электротехникаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степени кандидата технических наукСанкт-Петербург – 2019 г.Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого» на кафедре «Теоретическая электротехника и электромеханика»Научныйруководитель:доктор технических наук, профессорКоровкин Николай Владимирович,заведующий кафедрой «Теоретическая электротехника иэлектромеханика», Федеральное государственное автономноеобразовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургскийполитехнический университет Петра Великого».Официальныеоппоненты:Кручинина Ирина Юрьевна,доктор технических наук, Федеральное государственное бюджетноеучреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химиисиликатов им.

И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН),г. Санкт-Петербург, врио директора институтаЯрмаркин Михаил Кириллович,кандидат технических наук, доцент, Федеральное государственноеавтономное образовательное учреждение дополнительногопрофессионального образования «Петербургский энергетическийинститут повышения квалификации», заведующий кафедрой«Электроэнергетическое оборудование электрических станций,подстанций и промышленных предприятий»ВедущаяорганизацияАкционерное общество «Научно-технический центр Единойэнергетической системы», г. Санкт-ПетербургЗащита состоится 26 марта 2019 г. в ___ часов на заседании диссертационного советаД 212.229.16 при Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого»по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29, главное здание, ауд.

284.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГАОУ ВО «СПбПУ»http://www.spbstu.ru.Автореферат разослан «____» января 2019 гУченый секретарь Диссертационного совета Д 212.229.16,к.т.н., ассистент ___________________________________Резник Александр СергеевичОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследования и степень проработанности. Одной из тенденций впрактике исследования проблем современной электротехники является максимально полная замена натурного эксперимента численным моделированием, особенно в стадии концептуальнойразработки и поискового конструирования. Эта тенденция диктует необходимость создания численных моделей физических процессов, которым можно было бы задавать релевантные вопросыи получать на них адекватные ответы.

Частные численные модели, охватывающие одну группуфизических уравнений, например подмножество системы уравнений Максвелла, или уравнениетеплопроводности, или уравнение упруго-напряженного состояния с успехом используются ужеболее полувека. Однако, специфика электротехнических изделий в широком спектре, от кабелейи кабельной арматуры, до электрических машин, трансформаторов, исполнительных механизмови др. состоит в том, что адекватность численной модели значительно возрастает при включениив нее уравнений из разных областей физики – например, уравнений электромагнитного поля, теплопередачи и упругого-деформированного состояния [1]-[7].

Кроме того, в большинстве случаевуравнения электромагнитного поля целесообразно, а порой необходимо, решать совместно суравнениями подключенной электрической цепи [8]-[12]. В инженерной практике это позволяетсократить размерность задачи и ускорить получение значимых результатов.

Представляет практический интерес также сочетание различных способов описания физических явлений, в частности, включение стохастических элементов в детерминированную модель [5]. Совместное решение в одной модели уравнений из разных областей физики открывает дополнительные возможности анализа, уточняет критерии оптимизации устройств и расширяет возможности обученияспециалистов [4], однако, приводит к дополнительным техническим сложностям реализации вычислительной схемы [14]-[18], [23]-[24].Решению мультифизических задач посвящена обширная литература. Она включает теоретическое рассмотрение вопросов, возникающих при совместном анализе физических процессовиз разных областей, либо описываемых уравнениями разной природы, так и непосредственноерешение практически важных мультифизических задач.

Для численного решения связанных задач необходимо не только указать способ решения каждой подзадачи, но и решить ряд дополнительных проблем: разномасштабность в пространственной и временной области, нетривиальныемеханизмы обмена данных между отдельными задачами, алгоритмы вычисления интерфейсныхпеременных, при помощи которых осуществляется связь.

В каждом конкретном случае необходимо изучить, требует ли задача сильной (прямой) связи между подзадачами, или возможна слабая (каскадная) связь. При использовании каскадных связей необходима оценка возможностиприменения однонаправленной или двусторонней связи. В последнем случае вычислительнаясхема становится итерационной и требует специального внимания к вопросу сходимости и численной устойчивости алгоритма.

В изучении особенностей постановки и численного решенияцепно-полевых и мультифизических задач электротехники внесли большой вклад отечественныеи зарубежные ученые К.С. Демирчян, В.В. Домбровский, М.А. Шакиров, Н.В. Коровкин, В.Л.Чечурин, В.В. Титков, А.Б. Кувалдин, Н.Н. Хренков, А.В. Сидельников, А.И. Боровков, Н.М Труфанова, М.Ю. Шувалов, А.Д. Подольцев, J. K. Sykulski, M.F. Horstemeyer, J.

Dolbow, K. Hameyer,H. De Gersem, O. Biro, P. Zhou, Z. J. Cendes, J-J. Simond, G.J. Anders, F. de Leon и многие другие.3Цель работы: на основе отечественной программы расчета электромагнитных, тепловыхполей и упруго-напряженного состояния исследовать проблемы, возникающие при решениимультифизических задач, определить пути их преодоления и подтвердить эффективность последних при решении практически значимых мультифизических задач электротехники, в частности,для кабельной техники.Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:1.

Выработать методику и найти решения задачи расчета теплового состояния многоцепныхподземных кабельных линий с учетом электромагнитного и теплового взаимодействия кабелей и сопоставить результаты мультифизического моделирования с методикой стандартаМЭК, выявить и проанализировать ситуации существенного расхождения, а также показатьосуществимость инженерного анализа теплового состояния кабельных линий на базе отечественного программного продукта.2. Исследовать проблемы снижения внешнего магнитного поля подземной кабельной линии путем варьирования расположения фазных кабелей и экранирования магнитными пленками сосверхвысокой магнитной проницаемостью, изучить взаимосвязь мер по уменьшению внешнего магнитного поля со снижением пропускной способности кабельной линии путем мультифизического моделирования. Выработать способы преодоления сложностей, связанных спространственной разномасштабностью задачи.3.

Создать методику определения дополнительных потерь от поверхностного эффекта и эффекта близости для перспективных конструкций алюминиевых и медных кабельных жил,скрученных из массивных профилированных секторов, сопоставить результаты с расчетамипо стандарту ГОСТ Р МЭК 60287, выявив границы применимости последнего.4. Предложить и реализовать на базе отечественного программного продукта методику нахождения оптимальной геометрической формы и электрических свойств конструктивных элементов кабельных муфт высокого напряжения в части выравнивания электрического поля в плоскости разделки путем численного моделирования переменного электрического поля.5. Разработать методику анализа электромагнитного, температурного и механического состояния высоконагруженных сварочных трансформаторов при повторно-кратковременном режиме работы путем мультифизического моделирования.

Предложить способ сведения трехмерной задачи к двумерной, оценить возникающие погрешности и сопоставить результатымультифизического моделирования с классической методикой расчета.6. Исследовать задачу термической стойкости грозозащитного троса с встроенным оптоволоконным модулем к прямому удару молнии путем мультифизического моделирования импульсного электромагнитного поля и вызванных им тепловых эффектов. Найти и обосновать способ сведения трехмерной задачи к двумерной с подключенной электрической цепью. Выработать пути преодоления сложностей, связанных с разномасштабностью постоянных времениэлектромагнитного и теплового процессов.Научная новизна работы заключается в том, что:1. Подтверждено совпадение результатов моделирования с методикой МЭК 60287 для одиночных кабельных линий.

Впервые указано расхождение результатов моделирования поля с ме-4тодикой МЭК 60287 для коллективных кабельных сооружений. Показано, что основная причина расхождений вызвана недооценкой стандартом степени электромагнитного взаимодействия близкорасположенных кабельных линий. Вторая причина расхождений кроется в недооценке стандартом эффекта подогрева кабелями друг друга [1], [2], [9], [11].2.

Показана взаимосвязь мероприятий по снижению внешнего магнитного поля кабельной линии с увеличением температуры кабелей. Выявлены ограничения мер по магнитному экранированию с точки зрения их неблагоприятного температурного эффекта. Выработаны способыпреодоления проблемы разномасштабности при экранировании кабельных линий тонкимипленками [6].3.

Разработана методика раздельного учета добавочных потерь кабеля с жилой из скрученныхмассивных сегментов из-за поверхностного эффекта и эффекта близости. Методика построена таким образом, чтобы избежать вычисления потерь путем вычитания близких большихвеличин.4.