Автореферат (Мультифизические методы численного моделирования поля для решения задач электротехники), страница 4

Для поперечного сечения трансформатора, в котором длина моделисущественно меньше габаритов в плоскости расчета, сведение к двумерной модели требуетвнимательного обоснования применимости. Так, в модели опыта холостого хода оказалосьнеобходимым выбирать осевую длину модели, равной длине сердечника, а в опыте короткогозамыкания заменять ее на среднюю длину витка обмотки, либо учитывать влияние лобовых частей обмотки сосредоточенными элементами присоединенной электрический цепи. Формулируязадачу теплопередачи как нестационарную, оказывается возможным моделировать повторно-12кратковременный рабочий цикл нагрузки сварочного трансформатора, как в прямоугольном приближении (включен-выключен), так и с учетом сложноорганизованного реального сварочногоцикла. Упруго-напряженное состояние элементов трансформатора под нагрузкой обусловленосовместным действием магнитных усилий и термических напряжений.

ELCUT на сегодняшнийдень не позволяет совместно учитывать оба эти фактора. Поэтому магнитные и термические механические напряжения моделируются по отдельности. Наибольший интерес представляет уровень механических напряжений и деформаций в компаунде, которым залиты обмотки, посколькудля длительной эксплуатации трансформатора необходимо избежать растрескивания компаунда.При некоторой условности двумерного чисто упругого моделирования, предложенный подходпозволяет сделать обоснованные выводы об уровне внутренних напряжений в компаунде.В главе 4 изучается стойкость грозозащитного троса со встроенным оптоволоконным модулем (ОКГТ) для воздушной линии электропередач (ВЛ) к прямому удару молнии [8], [18]. Основное отличие этой задачи от предыдущих в том, что источником поля является короткий токовый импульс, что приводит к необходимости решения которых квазистационарного уравненияэлектромагнитного поля во временной области.

Основная задача грозозащитного тросаВЛ - проводить ток короткого замыкания и токи, вызванные атмосферными перенапряжениями:прямыми ударами молнии в трос и наведенными импульсами. Тепловая стойкость ОКГТ должнаобеспечить остаточную механическую прочность и эффективно отводить теплоот оптического модуля. Физическая картина изучаемого явления оказываетсяотносительно сложной. Высокая скорость нарастания тока на переднем фронтеимпульса обуславливает резко выраженный эффект вытеснения тока и эффектблизости, что требует тщательного выбора шаговдискретизации в пространстве и во времени.Существенный вклад в поведение решения вносятнелинейные магнитные свойства стальныхпроводников.Многопроволочнаяструктурагрозозащитного троса требует совместногорешения уравнений электромагнитного поля иприсоединенной электрической цепи.Для моделирования удара молнии вгрозотрос и его теплового эффекта необходимо задаться формой импульса тока молнии.

В работесравниваются две модели токового импульса:стандартный грозовой импульс 1.2/50 мкс и 4-хкомпонентный токовый импульс, описанный стандартом NASA для молниевых тестов. Учитываядвумерный характер моделирования, необходимо задаться априорной гипотезой ораспределении тока молнии по проволокам троса.

Выбор конкретной гипотезы лежит запределами данной работы и должен основываться на экспериментах, демонстрирующих, что токскорее всего в начальный момент сосредоточен в 1-2 проволоках. Проведено сравнениеначальных гипотез и двух разных стандартных импульсов тока. Показано хорошее, в целом,согласие кривых температурного хода отдельных проволок троса и поверхности оптическогомодуля при разных испытательных импульсах.13ЗАКЛЮЧЕНИЕВ работе исследовано содержание и основные сложности реализации мультифизическихмоделей электротехнических устройств, основанные на методе конечных элементов.

Показанаосуществимость и практическая полезность моделей этого класса. Методами мультифизическогомоделирования получено решение ряда практических задач, в результате чего установлено:1. При расчете температурного состояния подземных кабельных линий электропередачи дляразличных однофидерных конфигураций результаты мультифизического моделированияпрактически полностью совпадают с расчетом по МЭК 60287, в то время как для коллективных кабельных сооружений с несколькими фидерами стандарт МЭК систематически недооценивает степень электромагнитного и температурного взаимодействия фазных кабелей [1],[2], [9], [11].2. Систематическое расчетное исследование различных методов снижения магнитного поляподземных кабельных линий показало, что большинство мер управления МП приводят к повышению температуры проводников, что требует снижения токовой нагрузки.

Впервые исследован тепловой эффект от надвижных кольцевых магнитных экранов, показаны конструктивные пределы их применения [6].3. Предложен и опробован метод расчета добавочных потерь на переменном токе в кабельныхжилах из скрученных фасонных сегментов, использующий сведение трехмерной модели кдвумерной с уравнениями подключенной электрической цепи. На основе проведенных расчетов даны рекомендации заводу производителю по нормированию конструктивных факторов для эффектов вытеснения и близости4. Выполненное исследование способов выравнивания поля в высоковольтной соединительноймуфте для кабелей из сшитого полиэтилена путем одновременной оптимизации геометрической формы двухкомпонентного стресс-конуса и диэлектрических свойств материалов позволило установить оптимальные сочетания проницаемости и электропроводности основноготела и рефлектора стресс-конуса.

По результатам исследований разработан и изготовленопытный образец кабельной муфты 110 кВ [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 которых точность расчета в двумерной моделиоказывается удовлетворительной для определения параметров трансформатора. На основемоделирования опыта холостого хода, режима противовключения и нагрузочного режимаоценены параметры эквивалентной схемы трансформатора, температурная стабильность, втом числе и при повторно-кратковременной нагрузке и механическая прочность компаунда крастрескиванию [7], [10], [12].6.

Впервые проведен мультифизический анализ грозозащитного троса с оптическим элементомпри ударе молнии. Использован нестационарный анализ электромагнитного поля с учетомнасыщения стальных проволок, эффектов вытеснения и близости. Существенно трехмернаямодель сведена к двумерному расчету совместно с рабочими гипотезами о характере растекания тока молнии.

Проведено сравнение двух разных модельных импульсов молниевоготока [8], [18].14ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИПубликации в научных журналах из списка ВАК:[1] Г.В. Грешняков, Г.Г. Ковалёв, С.Д. Дубицкий. К вопросу о выборе предельно допустимыхтоков силовых кабелей. - Кабели и провода, №6(331), 2011, стр. 12-16[2] Г.В. Грешняков, С.Д.

Дубицкий, Г.Г. Ковалёв, Н.В. Коровкин Электромагнитный и тепловой расчет токовой нагрузки кабельной системы методом конечных элементов. Кабели ипровода, №3(340) 2013 с. 15 21[3] С.Д. Дубицкий, Г.В. Грешняков, Г.Г. Ковалев, Н.В. Коровкин Численное моделированиеэлектрического поля в усиливающей изоляции кабельной муфты.

Кабели и провода, №4,2013, с. 9-14[4] Бутырин П.А., Дубицкий С.Д., Коровкин Н.В. Использование компьютерного моделирования в преподавании теории электромагнитного поля. – Электричество, № 10, 2014. ‑ с. 6671[5] Андреев А. М., Дубицкий С. Д., Муравьева Т. Н., Шикова Т. М.

Моделирование теплофизических свойств электрической изоляции со стохастической геометрией расчетной области//Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. – 2016. – №. 4. – С. 89-97[6] С.Д. Дубицкий, Г.В. Грешняков, Н.В. Коровкин Управление магнитным полем подземнойкабельной линии электропередач. – Научно-технические ведомости CПбПУ. Естественныеи инженерные науки, т. 23, №3, 2017, с. 88-100[7] Сахно Л.И., Сахно О.И., Дубицкий С.Д., Вальков В.В., Зарываев Р.Г. Использование методаконечных элементов для комплексного расчета трансформаторов машин контактнойсварки. – Сварочное производство 1(974), янв.

2016, с. 16-22Публикации, индексируемые в база Scopus:[8] S. Dubitsky, N. Korovkin, M. Hayakawa, N. Silin Thermal Resistance of Optical Ground Wire toDirect Lightning Strike. ‑ Proceedings of the "2013 International Symposium on ElectromagneticTheory". pp 108-111[9] Korovkin N., Greshnyakov G., Dubitsky S. Multiphysics approach to the boundary problems ofpower engineering and their application to the analysis of load-carrying capacity of power cableline //Electric Power Quality and Supply Reliability Conference (PQ), 2014. – IEEE, 2014. – С.341-346.[10] L.

Sakhno, O. Sakhno, S. Dubitsky Field-Circuit Modelling of an Advanced Welding Transformerwith Two Parallel Rectifiers. ‑ Archives of Electrical Engineering. Volume 64, Issue 2, Pages249–257 – June 2015.[11] Simon Dubitsky, Georgy Greshnyakov, Nikolay Korovkin Comparison of Finite ElementAnalysis to IEC 60287 for Predicting Underground Cable Ampacity // 2016 IEEE InternationalEnergy Conference (ENERGYCON) 4-8 April 2016, Leuven, Belgium, Conf. Proc.,pp. 1411-1416 DOI: 10.1109/ENERGYCON.2016.7514107, ISBN: 978-1-4673-8464-3[12] L. I. Sakhno, O.

I. Sakhno, S. D. Dubitskiy, V. V. Valkov & R. G. Zaryvaev (2017) Using the finite element method for calculating transformers for resistance welding machines, Welding International, 31:1, 58-63, DOI: 10.1080/09507116.2016.121304015Патент[13] Пат. РФ №160436 Концевая муфта силового кабеля с пластмассовой изоляцией. Патентообладатель НИИ «Севкабель», авторы: Г.В. Грешняков, Г.Г. Ковалев, С.Д. Дубицкий, Н.В.Коровкин, приор. от 01.04.2015, рег. 20.02.2016, публ.