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

Государственное образовательное автономное учреждение высшего образования«Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого»На правах рукописиДубицкий Семен ДавидовичМУЛЬТИФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПОЛЯДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИСпециальность 05.09.05 – Теоретическая электротехникаДиссертация на соискание ученой степени кандидата технических наукНаучный руководитель:доктор технических наук, профессор Н.В.

КоровкинСанкт-Петербург – 2018 г.СОДЕРЖАНИЕВведение ........................................................................................................................... 61.1 Актуальность работы ............................................................................................ 61.2 Цели и задачи .........................................................................................................

91.3 Научная новизна .................................................................................................. 101.4 Объект исследования .......................................................................................... 121.5 Методы исследования .........................................................................................

131.6 Достоверность научных положений ................................................................. 131.7 Научные положения, выносимые на защиту .................................................... 141.8 Практическая ценность результатов ................................................................. 151.9 Публикации ..........................................................................................................

161.10 Апробация и внедрение результатов ............................................................... 161.11 Личный вклад автора ........................................................................................ 181.12 Структура и объем диссертации.

..................................................................... 19Глава 1. Особенности мультифизических полевых задач электротехники ............ 231.1 Понятие мультифизических задач. .................................................................... 251.2 Классификация межзадачных связей ................................................................ 271.3 Вычислительные особенности мультифизических задач ............................... 291.4 Методы решения мультифизических задач...................................................... 331.5 Программные средства для мультифизических расчетов методом конечныхэлементов ...................................................................................................................

36Выводы по главе 1 ..................................................................................................... 41Глава 2. Мультифизические задачи кабельной техники – квазистационарныепроцессы ......................................................................................................................... 4332.1 Нагрузочная способность кабельных линий .................................................... 432.1.1 Постановка задачи, стационарный и переходный анализ........................ 452.1.2 Физические процессы, учитываемые при анализе ................................... 462.1.3 Стандартная расчетная методика Нейера-МакГрафа ...............................

482.1.4 Применение метода конечных элементов ................................................ 532.1.5 Магнитное поле одиночной кабельной линии ......................................... 552.1.6 Температурное поле одиночной кабельной линии. ................................. 602.1.7 Сопоставление расчетов по МЭК 60287 и методом конечных элементовдля одиночной подземной кабельной линии. ..................................................... 662.1.8 Взаимное влияние нескольких кабельных линий при совместнойпрокладке ............................................................................................................... 772.1.9 Выводы по разделу 2.1................................................................................. 872.2 Управление внешним магнитным полем кабельной линии ...........................

892.2.1 Актуальность задачи снижения магнитного поля кабельных линий ..... 892.2.2 Метод исследования .................................................................................... 912.2.3 Оценка внешнего магнитного поля подземной кабельной линии .......... 922.2.4 Методы экранирования подземных кабельных линий ............................. 982.2.5 П-образные экраны из тонких магнитных пленок.................................. 1012.2.6 Кольцевые надвижные экраны со щелью ................................................ 1082.2.7 Влияние кольцевых экранов на температуру кабеля ............................. 1142.2.8 Выводы по разделу 2.2............................................................................... 1202.3 Уточнение дополнительных потерь в кабельных токопроводящих жилах измассивных профилированных сегментов .............................................................

1212.3.1 Постановка задачи...................................................................................... 1212.3.2 Формулировка задачи расчета магнитного поля переменных токов.... 12542.3.3 Формулировка задачи для уединенного кабеля ...................................... 1292.3.4 Формулировка задачи для трехфазной кабельной линии ...................... 1302.3.5 Анализ эффекта вытеснения тока ............................................................. 1322.3.6 Анализ эффекта близости .......................................................................... 1372.3.7 Анализ эффекта близости при отсутствии транспозиции ..................... 1442.3.9 Выводы по разделу 2.3............................................................................... 1472.4 Способы сглаживания электрического поля в кабельных муфтах ..............

1482.4.1 Постановка задачи...................................................................................... 1482.4.2 Комбинированный метод выравнивания поля ........................................ 1502.4.3 Моделирование выравнивания поля с помощью двухкомпонентногостресс-конуса ....................................................................................................... 1522.4.4 Моделирование выравнивания электрического поля с использованиемтрубки-регулятора ...............................................................................................

158Выводы по главе 2 ................................................................................................... 161Глава 3. Мультифизический анализ трансформатора для контактной сварки труб....................................................................................................................................... 1633.1 Необходимость расчета поля при проектировании трансформаторовконтактной сварки ...................................................................................................

1643.1.1 Особенности конструкции исследуемого трансформатора ................... 1643.1.2 Физические явления, учитываемые при расчете электромагнитного итемпературного поля ........................................................................................... 1683.2 Моделирование электромагнитного поля....................................................... 1713.2.1 Расчет тока холостого хода ....................................................................... 1713.2.2 Сопротивление короткого замыкания...................................................... 1743.3 Моделирование температурного поля ............................................................

1773.3.1 Включение под нагрузку и остывание ..................................................... 17853.3.2 Повторно-кратковременный режим работы ............................................ 1813.4 Моделирование упруго-напряженного состояния......................................... 1823.4.1 Напряжения, вызванные термическими деформациями ........................ 1823.4.2 Напряжения, вызванными магнитными силами ..................................... 185Выводы по главе 3 ...................................................................................................

187Глава 4. Стойкость грозотроса с оптическим элементом к удару молнии ........... 1884.1 Постановка задачи............................................................................................. 1884.2 Форма импульса тока молнии .......................................................................... 1914.3 Моделирование электромагнитного поля....................................................... 1924.4 Тепловой расчет ................................................................................................