Автореферат (Мультифизические методы численного моделирования поля для решения задач электротехники), страница 2

Проведено исследование способов выравнивания поля в высоковольтной соединительноймуфте для кабелей из сшитого полиэтилена путем одновременной модификации геометрической формы стресс-конуса и оптимального выбора диэлектрической проницаемости и электропроводности материалов основного изоляционного тела и рефлектора. Использованиеуравнения переменного электрического поля с токами утечки позволило учесть влияние электропроводности на распределение электрического поля [3], [13], [16], [17], [22].5. Разработана методика оценки электромагнитных параметров сварочного трансформатора,прежде всего индуктивности короткого замыкания, при помощи двумерной модели электромагнитного поля.

Путем сопоставления с трехмерной моделью показаны границы применимости двумерного моделирования. Выполнено совместное моделирование электромагнитного поля, температурного состояния трансформатора с учетом водяного охлаждения и механических напряжений в изоляционном компаунде, вызванных одновременным действиемтермических деформаций и электродинамических усилий [7], [10], [12].6. Проведено исследование нестационарного электромагнитного и температурного поля грозозащитного троса воздушной линии со встроенным оптическим элементом при прямом ударемолнии. Обоснован выбор формы тестового импульса тока для моделирования.

Показано, чтостандартный грозовой импульс тока и тестовый импульс тока по SAE дают принципиальносходные результаты моделирования. Изучены гипотетические модели распределения плотности тока молнии по сечению грозотроса [8], [18].Теоретическая значимость работы заключается в обосновании границ применимостистандарта ГОСТ Р МЭК 60287-2012 при расчете токовой нагрузке многоцепных подземных кабельных линий [2], [11], впервые примененной для моделирования стресс-конуса формулировкеэлектрического поля с токами утечки, позволившей включить проводимость диэлектриков в пространство оптимизируемых параметров [3], [16], [17] систематически проработанном подходе кдвумерному мультифизическому моделированию сварочного трансформатора с электромагнитной, температурной и прочностной точек зрения [7], [10], [12], впервые решенной задаче о температурной стойкости грозозащитного троса ВЛ при импульсной токовой нагрузке [8].5Практическая значимость работы.

Разработана методика расчета нагрузочной способности подземных кабельных линий [2], [8], [11], которая внедрена в ГК «Севкабель», ряде другихпроектных организаций и включена в стандарт ПАО Ленэнерго. Предложена и проверена методика анализа эффективности тонкопленочных П-образных экранов для снижения внешнего магнитного поля подземной кабельной линии, которая используется в компании «ТехносервисЭлектро». Впервые проанализирован негативный температурный эффект кольцевого надвижного магнитного экрана, локально перераспределяющего магнитное поле вблизи кабеля [6].Предложена методика раздельного анализа потерь на переменном токе от эффекта вытеснения иэффекта близости в транспонированной ТПЖ из массивных профилированных сегментов, которая использована заводом Таткабель.

Проработаны расчетные схемы и алгоритмы сквозногомультифизического моделирования мощного сварочного трансформатора, включающие электромагнитное поле с вихревыми токами, нестационарное температурное поле и поле упругих напряжений, результаты которых используются на заводе ПсковЭлектросвар [7].Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач использовалсяметод конечных элементов в сочетании с уравнениями подключенной электрической цепи.

В качестве программного средства для решения мультифизических полевых задач выбрана программа ELCUT, обладающая комплектом инструментов для численного моделирования электрического и магнитного поля в частотной и временной области, стационарного и нестационарноготемпературного поля, поля упругих напряжений и деформаций, возможностью решать уравненияэлектромагнитного поля совместно с уравнениями подключенной электрической цепи. Для мультифизических задач разрабатывались скрипты, реализующие сценарии одно- и двунаправленноймежзадачной связи.Основные положения, выносимые на защиту:1.

Показано, что расчетная методика токовой нагрузки подземной кабельной линии поМЭК 60287 систематически недооценивает степень электромагнитного и теплового взаимодействия кабелей между собой. Для преодоления этой трудности предложено использоватьмультифизическое моделирование электромагнитного и температурного поля совместно суравнениями цепи заземления для кабельных блоков и других коллективных кабельных сооружений [1], [2], [9], [11].2.

Показано, что большинство мер по снижению внешнего магнитного поля приводят к локальному повышению потерь в проводниках. Анализ электромагнитной экологии кабельной линии должен включать в себя не только расчет магнитного поля, но и изменившегося теплового состояния [6].3. Предложено новое решение задачи вычисления эмпирических коэффициентов увеличенияпотерь на переменном токе для токопроводящих кабельных жил новой конструкции путемразделения потерь от эффекта вытеснения тока и от эффекта близости, исключающее вычитание больших близких величин.

Даны рекомендации для завода-изготовителя кабельнойпродукции.4. Предложено использовать уравнения переменного электрического поля с ненулевой электропроводностью для решения задачи численного моделирования электрического поля в высо-6ковольтной соединительной муфте для кабелей из сшитого полиэтилена. Особенностью процедуры является одновременная оптимизация геометрической формы элементов стресс-конуса и свойств диэлектрических материалов - диэлектрическую проницаемость и электропроводность [3], [16], [17], [22].5. Показана возможность сквозного расчета сварочного трансформатора путем моделированиявзаимосвязанных полей: электромагнитного, температурного и поля механических напряжений и деформаций.

Выяснены условия, при соблюдении которых точность расчета в двумерной модели оказывается удовлетворительной для определения параметров трансформатора[7], [10], [12].6. Предложена методика мультифизического анализа грозозащитного троса с оптическим элементом при ударе молнии. Использован нестационарный анализ электромагнитного поля сучетом насыщения стальных проволок, эффектов вытеснения и близости. Трехмерная модельсведена к двумерному расчету совместно с рабочими гипотезами о характере растекания токамолнии.

Проведено сравнение двух разных модельных импульсов молниевого тока [8], [18].Степень достоверности результатов подтверждается использованием хорошо изученного, всесторонне математически обоснованного численного метода решения полевых задач –метода конечных элементов; производством расчетов в качественном программном инструментеELCUT [14], [15], [24], проверенном сотнями пользователей в течение многолетней успешнойпрактики. Ряд полученных результатов удалось проверить экспериментально с помощью НИИСевкабель.

В частности, соединительные и концевые кабельные муфты 110 кВ для кабелей с полиэтиленовой изоляцией, спроектированные в НИИ «Севкабель» [13] на основе численного моделирования электрического поля [3], были изготовлены и успешно прошли предквалификационные испытания на стенде ОАО «ВНИИКП». Для части других результатов работы продемонстрировано хорошее совпадение с расчетами по альтернативным инженерным методикам.Апробация и внедрение результатов Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: кафедральных научных семинарах СПбПУ, Международнойнауч.-техн. конф.

«Современные методы и средства исследования теплофизических свойств веществ». (СПб, 30 ноября – 2 дек. 2010), VII Международной науч.-практ. Конф. «Повышениеэффективности энергетического оборудования-2012» (СПб, 13-15 ноября 2012), Международномсимпозиуме по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии (СПб, 13-16 сентября 2011), Международном симпозиуме по электромагнитной теории (EMTS-2013, Хиросима,Япония, 20-25 мая 2013), межд. конф. IEEE по качеству электроэнергии и надежности энергоснабжения PQ-2014, (Раквере, Эстония, июнь 2014), XXIII симпозиум по электромагнитным явлениям в нелинейных цепях (Пилзень, Чехия, 2 – 4 июля, 2014), межд. конф.

Recent Advances inEnergy, Environment and Materials, Europment. (СПб, 23-25 сент. 2014), межд. конф. IEEEEnergyCon-2016, (4-8 апр. 2016, г. Лёвен, Бельгия), XXVI Международная конференция «Электромагнитное поле и материалы (фундаментальные физические исследования)» 23-24 ноября2018, Москва.Методика расчета нагрузочной способности подземных кабельных линий внедрена в ПК«Севкабель», ряде других проектных организаций и включена в стандарт ПАО Ленэнерго. Мето-7дика моделирования электрического поля в концевых и соединительных муфтах для высоковольтных кабелей с пластмассовой изоляцией использована НИИ Севкабель для оптимизации и конструирования кабельной аппаратуры.

Опытные образцы соединительных и концевых муфт изготовлены и прошли испытания. Результаты мультифизического моделирования сварочного трансформатора и разработанная методика используется на заводе ПсковЭлектросвар при проектировании новых машин контактной сварки магистральных трубопроводов большого диаметра.

Копии актов о внедрении от Производственной компании «Севкабель», ЗАО «ПсковЭлектросвар»,ЗАО НПО «Техносервис-Электро» , ООО «Энерговектор», ООО «Невская энергосервисная компания» приведены в приложении к диссертации.Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в более 25-типечатных работ, в том числе 6 статей в рецензируемых изданиях, входящих в перечень ВАК, 5статей, индексированные в базе данных Scopus и 1 патент РФ на полезную модель.Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключенияи списка литературы, включающего 141 наименование.

Полный объем диссертации составляет226 страниц, в том числе 81 рисунок и 32 таблицы.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обсуждается актуальность работы, цели и задачи исследования, научная новизна, теоретическая и практическая значимость диссертации, личный вклад автора, достоверность полученных результатов, формулируются положения, выносимые на защиту, приводятсясведения о статьях и конференциях, в которых опубликованы результаты диссертационного исследования.В главе 1 на основе литературных источников обсуждается понятие мультифизических задач расчета поля, анализируется их классификация по степени связи отдельных физических доменов, рассматриваются вычислительные особенности мультифизических задач и методы их решения, обосновывается выбор метода конечных элементов и программы ELCUT для выполненияисследований.Глава 2 посвящена квазистационарным мультифизическим задачам кабельной техники.В первой части главы 2 рассматривается задача расчета нагрузочной способности кабельной линии в установившемся режиме.