Диссертация (1144049), страница 27
Текст из файла (страница 27)
Моделирование холостого хода,короткого замыкания и нагрузочного режима трансформатора с использованиемформулировки полевой задачи как задачи магнитного поля переменных токовпозволяет получить зависимость параметров от частоты, что необходимо припитании трансформатора от инвертора или работе на полупроводниковыйпреобразователь.Разработанаметодикатемпературногорежиматрансформаторавустановившемся, переходном и повторно-кратковременном режиме.
В отличие отусредненного теплового расчета методом тепловых сопротивлений прямоемоделирование температурного поля позволяет выявить локальные перегревы иустранить их на стадии конструирования.Расчет механического состояния трансформатора, при некоторой условностидвумерного чисто упругого моделирования, позволяет сделать обоснованныевыводы о внутренних напряжениях в компаунде, обусловленных как термическимидеформациями, так и магнитными силами.188ГЛАВА 4.
СТОЙКОСТЬ ГРОЗОТРОСА С ОПТИЧЕСКИМ ЭЛЕМЕНТОМ КУДАРУ МОЛНИИ4.1 Постановка задачиДля удешевления развертывания инфраструктуры широкополосной связи вкачестве субстрата широко используются существующие транспортные каналы, втом числе воздушные линии электропередачи (ВЛ). Прокладка волоконнооптических линий связи (ВОЛС), интегрированных в существующие и строящиесяВЛ, использует различные подходы [121], один из которых – встраиваниеоптоволоконных линий в тело грозозащитного троса.
Такой вид грозозащитноготроса принято называть оптическим грозозащитным тросом (ОКГТ). УстановкаОКГТ считается предпочтительным методом при строительстве новых или приглубокой реконструкции существующих ВЛ. По сведениям [131], до 80% всехоптических кабелей, совмещенных с ВЛ, монтируется с применением ОКГТ. Потем же данным, в 2006 году, когда началось первое в России сертифицированноепроизводство оптических грозотросов, объем продаж такого кабеля составлял 1015 тыс. км.
в год.Оптический грозотрос может включать в себя один или несколькооптических модулей. Оптический модуль имеет наружный диаметр 3…8 мм. Еслиоптический модуль единственный, он располагается вдоль оси троса, вокруг него водин или два повива навиваются стальные проволоки. Стальные проволоки могутбыть плакированны алюминием, либо комбинироваться с проволоками изалюминиевых сплавов для снижения сопротивления троса на переменном токе.Если оптических модулей несколько, они включаются в первый повив параллельносо стальными проволоками.Рис. 4.1 Грозозащитный трос с одним оптическим элементом189Основная функция грозотроса - проводить ток короткого замыкания и токи,вызванные атмосферными перенапряжениями: ударами молнии в трос инаведенными импульсами.
С появлением в структуре троса оптического модулязадача теплового расчета становится более ответственной, поскольку помимообеспечения достаточной механической прочности троса, деградирующейвследствие множественных быстрых перегревов в течении срока службы,необходимо эффективно защищать оптический модуль от перегрева.В работе изучается перегрев оптического грозотроса при прямом ударемолнии методом мультифизического численного моделирования, включающегорасчет нестационарного электромагнитного и температурного поля. Физическаякартина изучаемого явления усложняется следующими обстоятельствами:• Задача имеет выраженный мультифизический характер, вовлекающийдвунаправленный обмен данными между электромагнитной и температурнойзадачами.• Задача проявляет признаки значимой разномасштабности во временнойобласти из-за высокой скорости нарастания тока в переднем фронтеимпульса.
Соотношение характерных времен нарастания тока (1 мкс) ивремени остывания (500 и более мкс) требует тщательного выборавременного шага. Сильный эффект вытеснения тока и эффект близоститребует внимательного отношения к дискретизации пространства, особенновнутри проводящих тел.• Необходимо учитывать нелинейность из-за насыщения ферромагнитногоматериала;• Сведение пространственной задачи к двумерной осуществляется путемвведения дополнительных уравнений Кирхгофа для присоединенной кполевой задаче электрической цепи, составленной из отдельных проволокИсследуемому вопросу посвящено большое количество статей, которыеможно разделить на две группы: экспериментальные и статистическиеисследования интенсивности грозовой деятельности в различных районах мира и190стойкости ОКГТ, и теоретические исследования, связанные с расчетомэлектромагнитного и температурного поля в упрощенном сечении грозотросааналитическими и численными методами.
К первой группе относятся, в частности,работы В. Чизхолм и Дж. Левайн [128], В. Раков и Ф. Рашиди [129]. Во второйгруппе работ можно выделить серию статей бразильских авторов под руководствомС.Колле[122]-[125],которыепоследовательнорешалисериюзадачэлектромагнитного поля и распределения температуры в сечении грозотроса.Аналитическое решение задачи распределения токов, полученное в [122],использовало упрощенную модельную геометрию сечения троса без насыщения. Вработе [123] численное моделирование распределения плотности тока грозовогоимпульса выполнено с использованием методом конечных разностей.
Геометрия вэтом расчете также упрощена сведением проволочной структуры к сплошнымпроводящим цилиндрам. Дальнейшие шага состояли в учете реальной проволочнойструктуру троса, что потребовало перехода к методу конечных элементов [124],[125]. Расчет электромагнитного поля выполнен в частотной области, чтооправдано при анализе процесса короткого замыкания, но не вполне подходит дляимпульсногоисточникаполя.Использованнаяформулировкауравненийэлектромагнитного поля не включала учет магнитного насыщения.В данной работе поставлена задача оценить тепловой эффект при прямомударе молнии в грозотрос с оптическим модулем путем методом совместногочисленного моделирования электромагнитного и температурного поля вреалистичном поперечном сечении ОКГТ.
Исходными данными является импульстока молнии I(t) и граничные условия охлаждения на поверхности троса. Решениесостоит из следующих этапов:1. Выбор формы и параметров испытательного токового импульса, являющегосяисточником электромагнитного поля;2. Моделированиенестационарногомагнитногополя,доставляющеераспределение плотности тока в функции от координат и времени.Формулировка уравнений электромагнитного поля во временной области191учитывает кривую насыщения стали, поверхностный эффект и эффект близости.Существенно трехмерная задача электромагнитная задача сводится к двумернойследующим приемом: параллельно включенные проводники связываются вэлектрическую цепь, и принимается априорная гипотеза о том, как ток молниираспределяется между проволоками.3.
Плотность мощности омических потерь, рассчитанная на шаге 2, передается взадачу нестационарную тепловую здачу. Решение температурной задачи,включающее максимальное значение температуры по сечению, среднюютемпературу каждой проволоки и температуру оптического модуля, позволяетсудить о тепловой устойчивости ОКГТ.4.2 Форма импульса тока молнииФорма импульса I(t) тока молнии, которая служит исходным данным длямоделирования электромагнитного поля, известна лишь статистически.
Тем неменее, следует задаться неким стандартизованным импульсом, который можетприменяться как для расчетов, так и для испытаний.Часто для указанных целей применяется стандартный грозовой импульс тока1.2/50 мкс, являющийся суммой двух экспоненциальных функций с разнымипостоянными времени: t t I = I 0 exp − − exp − 1 2 (4.1)Другой вариант стандартизованного молниевого импульса тока выработан ваэрокосмической промышленности.
Он описан в техническом меморандуме NASA[126], которыйбыл позднее стандартизованмеждународнымобществаиндустрии.инженеровSAE Internationalавтомобильнойи[127] –аэрокосмической192Для испытаний и расчетов SAE предлагает 4-компонентный токовыйимпульс (рис. 2), включающий двойные экспоненты A, B, D и постоянныйкомпонент С (SAE ARP5412), показанных на рис.
5.2:Рис. 4.2 Идеализированный грозовой импульс тока [127]Компоненты A, B, и D описываются двойной экспонентой (5.1), а ток компонента C считаетсяприблизительно постоянным.Таблица 4.1 – Параметры грозового испытательного импульса SAEКомпонент A Компонент ВКомпонент СКомпонент Dначальныйпромежуточный постоянныйповторныйимпульсимпульстокимпульс218.8 кA11.3 кAВеличина тока109.4 кAI0, кAI=0.4кА1.54 мкс1428 мкс44.04 мксτ1, мксДлительность88.1 мкс500 мкс0.77 мксτ2, мксΔt=0.5 cСтатья [128] содержит указания на то, что методика испытаний, принятая дляобычных грозозащитных тросов, недостаточна для грозотросов с оптическиммодулем.
Там же приводится обоснование желательности моделирования токамолнии 4-х компонентным импульсом SAE.4.3 Моделирование электромагнитного поляГеометрия задачи, общая для электромагнитной и тепловой частей,представляет собой поперечное сечение оптического грозотроса. Двумерная задачарасчета магнитного поля имеет трансляционную симметрию, т.е.
задача решаетсяв плоско-параллельном приближении. Молниевый ток, переходя в грозозащитный193трос, как-то распределяется между проволоками троса. Логически возможныследующие гипотезы:1. Ток занимает все сечение троса, распределяясь по нему неравномерно;2. Ток молнии в начальный момент процесса сосредоточен в основном вединственной проволоке, в то время как другие проволоки, параллельновключенные с токонесущей, выполняют роль демпфера;3.
Ток распределяется по небольшому числу соседних проволок.Фотографии повреждений троса [128], сделанные при анализе реальныхударов молнии (рис. 5.3) убеждают в том, что по-видимому основная масса токадействительно сосредоточена в одной-двух проволоках.Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
