Диссертация (1144049), страница 16
Текст из файла (страница 16)
их отношение имеет порядок 105–106. Хорошая современнаяпрограмма, реализующая метод конечных элементов, позволяет произвести расчет101на одной сетке конечных элементов при условии тщательного ручного контролякачества сетки и детального управления ее густотой.2.2.5 П-образные экраны из тонких магнитных пленокВ данном разделе обсуждается методика анализа расчета П-образныхэкрановизмагнитныхпленок(изготовленныхизпермаллояилиметаллополимерных композиций). Для обеспечения механической стабильностипленочный экран приклеивается к прямоугольным пластмассовым блокам,которые размещаются под землей на выбранном расстоянии от кабельной линии.Работа была выполнена по заказу НПО Техносервис-Электро (Москва), основныерезультаты приведены в соответствующем техническом отчете и статье [114].Объектом расчета является двухцепная кабельная линия, показанная нарис.
3.18Y, мм880018243456800800CB800ACB800800874A15201200808008007600X, мм014800Рис. 2.18 Эскиз кабельной линии, оснащенной П-образным магнитным экраном из тонкихпленокРасчетная область включает две одинаковые КЛ, снабженные однослойнымили двуслойным экраном из пермаллоевой пленки. Задача состоит в оценке102индукции МП на поверхности земли и на высоте человеческого роста в следующихпроектных решениях:1. Без экранов,2. С одним однослойным экраном, Пермаллой 79Н, толщина 0.35 мм.3. С одним двуслойным экраном, Пермаллой 50Н, толщина 0.20 мм каждый.4.
При комбинировании двух экранов –двухслойного и однослойного.Используются два вида пленки из пермаллоя: из сплава 50Н толщиной 0.2мм, и пленка из сплава 79НМ толщиной 0.35 мм. Для материала известна основнаякривая намагничивания.Помимо расчета эффективности экранирования каждой из описанныхконструкций, интерес представляют также методические вопросы:1. Как следует задавать в модели кабели – в виде нити с током или болеереалистичной моделью в виде концентрических цилиндров (жила, экран,броня)2.
Как минимизировать погрешность от замены задачи с бесконечноудаленнымиграницаминарасчетнуюобласть,ограниченнуювпространстве?3. Следует ли при анализе эффективности экранирования учитывать ненулевуюэлектропроводность грунта?4. Возможно ли с учетом значительной разномасштабности модели решатьзадачу на единственной сетке конечных элементов?Вопросы 1, 2 и 3 могут быть решены путем численного эксперимента скабельной линией без экранов.
Для этого проведена серия расчетов с разнымудалениемграницрасчетнойобласти,различнымипараметрамиэлектропроводности грунта в широком диапазоне (0 – идеальный непроводящийгрунт, 0.01 См/м – лессовидный суглинок, 0.1 См/м – увлажненный песок), и сразными геометрическими моделями кабелей. Путем сравнения профилеймагнитного поля на высоте 1.5 м над землей установлено, что увеличениеполуширины расчетной зоны свыше двойной полуширины кабельной линии не103приводит к заметному изменению профиля магнитного поля над поверхностьюземли.
Аналогичным образом выяснено, что для практических расчетов внешнегомагнитного поля запас пространства модели под кабелями достаточно выбиратьравным максимальной глубине заложения кабеля.Сравнительные расчеты МП с учетом электропроводности грунта показали,что варьирование электрической проводимости от нуля до максимальных значенийне оказывает заметного воздействия на внешнее МП. И, наконец, установлено, чтодля расчета внешнего МП подземной кабельной линии допустимо представлятькабель в модели в виде нити с током нулевого сечения, по крайней мере пока поусловиям заземления ток экрана ожидается малым в сравнении с током ТПЖ.Профиль МП над землей в указанных допущениях приведен на рис. 3.19Профиль внешнего поля двухцепной линии без экрановАмплитуда индукции магнитного поля B, мкТл353025201.5 m1.0 m150.5 m0m1050-8000 -7000 -6000 -5000 -4000 -3000 -2000 -100001000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000Координата от оси двухцепной линии, ммРис.
2.19 Внешнее магнитное поле кабельной линии над землей без экранированияКак и следовало ожидать, уровень магнитного поля уменьшается с удалениемот поверхности земли. Согласно гигиеническому нормативу [94] вне зданий104магнитное поле оценивается на высоте 0.5, 1.5 и 1.8 м над уровнем земли. Далеесравниваются значения индукции МП на поверхности земли, поскольку онидостигают максимальных значений, что позволяет более точно оценитьэффективность экранирования.При проведении практических расчетов технически сложным моментомоказалась борьба с разномасштабностью. Трудность в том, что степеньгеометрическойнеоднородности,оцениваемаяотношениеммаксимальногохарактерного размера расчетной области к минимальному (толщина пленки),достигает 40000:1 и более.
Отношение длин ребер самого мелкого и самогокрупного конечного элемента, разумеется, гораздо меньше, однако и становитсязначительным. Программа построения конечных элементов, обрабатывающаяобласть с такими особенностями должна обладать высоким качеством инадежностью, чтобы построить адекватную сетку конечных элементов.
Возникаетнеобходимость в специальных мероприятиях по увеличению градиента плотностиконечных элементов (КЭ), с целью обеспечить достаточную степень дискретизациитонких ферромагнитных пленок без неконтролируемого роста размерности задачи.По опыту расчетов, в достаточно слабых полях, когда в экранирующихпленках почти нет индуцированных вихревых токов, одного слоя треугольныхконечных элементов в тонкой магнитной пленке достаточно для достиженияприемлемой точности, при условии, что эти треугольники сохраняют разумнуюформу (не слишком вытянутые). Соблюдая это правило, удается сгенерировать вELCUT сетку из 500 тысяч КЭ для расчетной области габаритом 9х15 метров снесколькими экранирующими пленками толщиной 0.2 мм. Таким образом,проблема разномасштабности преодолевается методом грубой силы, что позволяетполучить решение задачи экранирования за разумное время.Результаты расчетов магнитного поля при симметричной нагрузкедвухцепной кабельной линии приведены с использованием следующих способовэкранирования: без экранов, с одним однослойным экраном, с одним двухслойнымэкраном и с одним двуслойным и одним однослойным экранами.105Рис.
2.20 Поле двухцепной линии без экранаНижепредставленыкартиныполяприэкранированииконструкциями экранов по отдельности:Рис. 2.21 Те же две кабельные линии с одним однослойным экраномразными106Рис. 2.22 Двухцепная КЛв присутствии двуслойного П-образного экранаИ,наконец,совместноеиспользованиеобоихэкрановдоставляетминимальный уровень МП на поверхности земли:Рис. 2.23 Поле двухцепной КЛ с двумя экранами – плоским и П-образнымПрофилидействующегозначениямагнитнойиндукциинауровнеповерхности земли при различных способах экранирования и без негопредставлены на следующем рисунке.107Профиль внешнего поля двухцепной линииАмплитуда индукции магнитного поля B, мкТл35302520151050-8000 -7000 -6000 -5000 -4000 -3000 -2000 -1000010002000300040005000600070008000Координата от оси двухцепной линии, ммБез экрановОдин однослойный экранОдин двуслойный экранДва экранаРис.
2.24 Профиль магнитного поля на уровне земли при разных способах экранированияИз графика на рис. 3.24 видно, что без экранирования двухцепная КЛ создаетна поверхности земли магнитное поле, превышающее предельное значение дляоткрытой местности в населенном пункте. Использование одного экранауменьшает индукцию МП примерно на половину.
Наибольшего эффекта можнодобиться при совместном использовании двух экранов: профиль индукции МПстановится более равномерным, а максимальный уровень уменьшается ещепримерно в 2.5 раза.При монтаже экранов, приклеенных к пластмассовым блокам невозможноизбежать небольших зазоров между плоскостями П-образного экрана. Висследуемой конструкции предусмотрен зазор шириной 4 мм. На рис. 3.25представлена картина магнитного поля в зоне стыка:108Рис. 2.25 Картина магнитного поля в зоне зазора между частями П-образного экранаРассмотрение картины поля вблизи стыка показывает, что влияниевоздушного зазора на картину поля очевидно заметно вблизи стыка, на расстоянияхдо 20 мм от него, но оно не сказывается сколько-нибудь существенно наэффективности снижения магнитного поля на поверхности земли, отстоящей болеечем на 500 мм от немагнитного зазора.Описаннаявсестороннюювышесериясравнительнуючисленныхоценкуэкспериментовэффективностипозволяетдатьтонко-пленочныхвысококоэрцитивных экранов плоской и П-образной конструкции для снижениявнешнего магнитного поля подземной кабельной линии.2.2.6 Кольцевые надвижные экраны со щельюВ стесненных условиях, например, в судовой энергосистеме, возникаетзадача локально защитить чувствительные приборы от магнитного поляпромышленной частоты, охватывающего силовой кабель.
Для этой цели109предложена идея кольцевого надвижного экрана [115], представляющего собойсогнутый в виде неполного цилиндра тонкий лист из магнитного материала илимагнитной пленки, частично охватывающий кабель или группу кабелей. Принципдействия кольцевого экрана состоит в том, что он, не меняя суммарный магнитныйпоток охватываемого кабеля, перераспределяет магнитное поле во внешнемпространстве. Экран изготавливается разомкнутым со щелью, открытой в томнаправлении, где допустимо увеличение уровня магнитного поля.Рис. 2.26 Кольцевого надвижной магнитный экран, надетый на внешнюю поверхность кабеля.Для изучения принципа действия кольцевого экрана и его теплового эффектарассмотрим кольцевой экран со щелью 60° из конструкционной стали толщиной1 мм, надвинутый на внешнюю оболочку одножильного кабеля.
На данном этапене будем рассматривать влияние соседних фазных кабелей. Методом анализавлияния кольцевого ферромагнитного экрана со щелью является решениедвумерной задачи магнитного поля переменных токов: уравнение Пуассонаотносительнокомплексногооднокомпонентноговекторногомагнитного110потенциала. Насыщение ферромагнетика учитывается по методике, предложеннойДж. Д. Лаверсом в 1983 г. [117], путем усреднения магнитной проницаемости вконечном элементе за период так, чтобы действующее значение индукцииB(t)=µequivH0·sin(ωt) магнитного поля в элементе при постоянной магнитнойпроницаемости µequiv совпадала с действующим значением B(t) с учетом реальнойкривой изменения энергии при синусоидальном поле H и несинусоидальном полеB:Основываясь на описанной выше методике программа ELCUT заранеевыполняет пересчет основной характеристики материала B(H).
Удобствоуказанного подхода в том, что производная характеристика материала BAC(H) независит от частоты задачи.Геометрическая модель задачи для исследования кольцевого магнитногоэкрана со щелью включает поперечное сечение кабеля: ТПЖ, слой изоляции изсшитого полиэтилена, сплошной цилиндр, моделирующий электрический экран измедных проволок и лент, пластмассовая оболочка, надвинутый магнитныйтонкопленочный экран и большая область окружающего пространства. Замыкаетобласть искусственная внешняя граница, расположенная достаточно далеко, чтобызадание на ней граничного условия исчезающего поля не искажала картину поля втеоретически неограниченной задаче.На графике рис.
3.27 приведено радиальное распределение модуля индукциимагнитного поля в сторону раскрытия (кривая (3) вправо) и в сторону,противоположную раскрытию (кривая (4) влево). Для сравнения представленысоответствующие кривые без экрана (1) и со сплошным кольцевым магнитнымэкраном без щели (2), которые, как и ожидалось, полностью совпадают друг сдругом.111Рис. 2.27 Влияние стального экрана со щелью на внешнее магнитное поля одиночного кабеляКривые на графике рис.
3.27 подтверждают предположение, что механизмэкранирования полузакрытого надвижного кольцевого экрана основан напространственномперераспределениикруговогомагнитногополя.Перераспределение наглядно представлено различием кривых (4) – максимальноослабленное поле, и (3) – усилившееся поле. Проделанный численный экспериментвыявляет следующие закономерности:• Степень перераспределения поля максимальна на близких расстояниях откабеля d < 2..3·Rкаб, и практически незаметна на расстоянии равном ипревосходящем 5·Rкаб;• Двухкратному ослаблению поля со стороны, противоположной щели,противостоит увеличение МП со стороны щели в 3-4 раза.112• Магнитное поле перераспределяется также и внутри магнитного экрана, втом числе и в токопроводящих частях кабеля, что приводит к заметномуросту омических потерь в ТПЖ и электрическом экране.Помимо концентрации магнитного потока в теле кольцевого экрана,перераспределение МП может быть вызвано также вихревыми токами,индуцированными в теле металлического экрана.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
