Автореферат (Мультифизические методы численного моделирования поля для решения задач электротехники), страница 3

Обычно эта задача решается по методу Нейера-MakГрафа,8обобщенному в стандарте МЭК 60287. Недостаток методики Нейера-Макграфа состоит в недооценке степени электромагнитного и термического взаимодействия между отдельнымикабелями. Предложено решать задачу расчета температуры кабелей из первых принципов путемчисленного моделирования электромагнитного поля в частотной области с обязательным учетомуравнений электрической цепи заземления и последующего анализа температурного поля [1], [2],[9], [11]. Преимуществом является полный учет эффектов вытеснения и близости, насыщениямагнитных материалов при их наличии, учета температурной зависимости сопротивленияпроводников, учете потерь от иных возможных сторонних металлических тел вблизи кабельнойлинии (трубопроводы, шпунт и т.п.) и детальном учете цепи схемы соединений и заземленияотдельных проводниковых слоев.

Проводится сопоставление окончательных (температур) ипромежуточных (потери, тепловые сопротивления) параметров модели при расчете по методикеМЭК 60287 с мультифизическим моделированием. Показано практически полное совпадениерасчетов однофидерных линий как по окончательным, так и по промежуточным результатам. Вто же время выявлена существенная недооценка стандартом электромагнитного и тепловоговзаимодействия кабелей между собой при многофидерной прокладке, например, в кабельномблоке. В таблице приведены отношение потерь в ТПЖ и экранах кабелей в составе блока из 10ти линий, вычисленных путеммультифизического моделированияк этим же величинам по уточненнойметодике Нейера-МакГрафа [11]. Вработевыяснено,чтовдействительности потери могутпревышать результаты методики на40%, что приводит к серьезнойнедооценкефакторасниженияпропускнойспособностииз-засоседних кабелей.Во второй части главы 2 рассматривается задача управления внешним магнитным полемкабельной линии для обеспечения требований электромагнитной экологии и ЭМС [6].

Особенностью предложенного подходаявляется анализ эффективностимер по снижению внешнего магнитного поля как с точки зренияпоставленной задачи, так и повлиянию на температурное состояние кабелей, ограничивающих токовую нагрузку. Показано, что мероприятия в пользуснижения внешнего поля могутухудшать температурное состояние кабельной линии. В первуюочередь это относится к методу9снижения внешнего магнитного поля путем уменьшения расстояний между фазными кабелями ирасстояния между соседними линиями. Предлагается начинать работу с оптимизации расположения отдельных фазных кабелей.

Когда эта возможность исчерпана, дальнейшие шаги могутсостоять в экранировании линии П-образными экранами из тонкопленочных магнито-мягких поликристаллических или аморфных материалов. Расчет таких конструкций осложняется существенной разномасштабностью с отношением характерных размеров порядка 105, преодолениекоторой требует тщательного адаптивного управления шагом сетки КЭ. Впервые исследованотепловое действие на кабель недавно предложенных кольцевых надвижных экранов для локального снижения внешнего магнитного поля силовых кабелей в стесненных условиях. Показано,что причиной почти двукратного локального повышения потерь является перераспределениеплотности тока в жиле из-за магнитного действия экрана.Численно исследовано тепловое действие экрана и скорость спадания теплового импульса помере отдаления от экрана в продольном направлении.В третьей части главы 2 рассматриваетсязадача уточнения омических потерь в проводниках кабельной линии с учетом эффекта вытеснения тока и эффекта близости для перспективной конструкции токопроводящей жилы кабеля изскрученных монолитных профилированных сегментов.

Стандарт МЭК 60287 учитывает влияниеэтих эффектов на потери в токопроводящей жиле(ТПЖ) при помощи эмпирических коэффициентов, значения которых для исследованной в работе конструкции ТПЖ было неизвестно. Предложена расчетная схема, сводящая существенно трехмерную задачу к серии двумерных расчетовмагнитного поля с использованием электрической схемы соединений для моделирования продольной неоднородности ТПЖ из-за скрутки сегментов. Предложенная вычислительная схемапозволяет моделировать эффект близости отдельно от существенно более сильного эффекта вытеснения тока, избегая погрешности вычитания больших близких чисел. Численное моделирование расширяет расчетные возможности по сравнению со стандартом МЭК не только на современные конструкции ТПЖ, но ив области больших сечений, гдеформулы стандарта подходят кграницам своей применимости.Вычислены значение эмпирических коэффициентов увеличения потерь для использования в формулах методики МЭК 6028710В четвертой части главы 2 анализируются способы выравнивания электрического поля вкабельных муфтах в месте обрезки экрана [3], [16], [17], [22].

Применяемый для этого активныйэлемент - стресс-конус - является высокотехнологичным устройством, мало освоеннымотечественной промышленностью. Анализ методов выравнивания поля вовлекает численноемоделирование электрического поля с учетомтоков утечки в неидеальномдиэлектрике.Изучается двухкомпонентнаяконструкциястресс-конуса, предусматривающая размещениеполупроводящегорефлектора внутри основногоизоляционного тела. Конструкция концевой муфтыпредставленавмоделиподробно, без упрощений, совсеми изоляционными слоями.Выделены контрольные точкиконструкции, наиболее опасные с точки зрения локального повышения поля.

Оптимизационныйпроцесс рассматривает покомпонентную вариацию большого числа параметров, часть изкоторых определяет геометрию стресс-конуса (зазоры, радиусы закруглений, угол раскрытияконуса), другие параметры представляют свойства изоляционных материалов основногоизолятора и рефлектора: диэлектрическую проницаемость и электрическую проводимость.Мультифизическая природа модели позволяет оценивать добавочные потери в изоляционнойконструкции от токов утечки и их тепловое действие. Насколько известно автору, модельэлектрического поля с токами утечки применена для моделирования стресс-конуса впервые вмировой практике. Предложенная в работе модель позволяет включить проводимость полупроводящих материалов в пространство оптимизируемых параметров и дает возможность оценкипотерь от токов утечки и их температурного эффекта.

Обнаружено, что повышение относительной диэлектрической проницаемости ε основного изоляционного тела до величины ε =12…14снижает максимальный уровень электрического поля примерно вдвое. При соблюдении этогоусловия, повышение электрической проводимости рефлектора снижает уровень напряженностиэлектрического поля еще в 5…6 раз по сравнению с непроводящим рефлекторомРазработанная модель применена также для исследования перспективного типа устройства выравнивания электрического поля в кабельной арматуре – трубки-регулятора, которая,имея простую цилиндрическую форму, сглаживает электрическое поле за счет нелинейных11свойств: зависимости проводимости от поля.

К числу варьируемых параметров относятся: диэлектрическая проницаемость трубки регулятора εтр, степень анизотропии электропроводноститрубки γZ/ γR, длина трубки регулятора lтр, форма торца трубки (конусный, спрямленный, срезанный) и параметры конусности (спрямления). Предварительный численный анализ показалслабую корреляцию между варьируемыми параметрами. В этих условиях вместо многокритериальной оптимизации правомерно использовать приближенный способ поиска глобального минимума путем поочередного варьирования одним параметром при постоянстве остальных. Оптимальными параметрами двуслойной трубки регулятора оказались следующие значения:форма торца трубки – усеченный конус, степень анизотропии электропроводности трубки γZ/ γR= 10…12, диэлектрическая проницаемость трубки-регулятора εтр=22...24Глава 3 посвящена мультифизическому анализу трансформатора для контактной сваркитрубопроводов [7], [10], [12].

Специфика трансформаторов этого типа включает повторно-кратковременный режим работы, жесткие габаритные ограничения, необходимость максимальногоснижения индуктивностикороткого замыкания. Впрактике эта спецификаучитываетсяэмпирическимипоправочнымикоэффициентами. Рост объемов перекачиваемого газавлечет увеличение давления в газопроводе, чтоотражается в его конструкции в виде увеличения толщины стенки и переходу к более прочным (и трудно свариваемым) маркам стали.

Ростпредельной мощности сварочных трансформаторов происходит при исчерпании возможностиувеличения габаритных размеров, поскольку они ограничены диаметром трубы. Эмпирическиеформулы, выведенные в условиях меньших удельных нагрузок, приближаются к границам свойприменимости и выходят за эти границы, вызывая необходимость численного моделированияэлектромагнитного, температурного и упруго-деформационного полей. Проведено численноемоделирование стандартных опытов холостого хода и короткого замыкания, а также рабочегорежима при заданных параметрах нагрузочной цепи на вторичной стороне. Выбор двумерногомоделирования обоснован тем, что полная трехмерная модель электромагнитного полятрансформатора с трудом осуществима на доступных компьютерах, и требует чрезвычайнодлительного времени счета.