Диссертация (1144049), страница 28
Текст из файла (страница 28)
4.3 Дефект ОКГТ вызванный ударом молнии в грозотрос [128]Error! Reference source notfound.Для расчетов выбрана простая конструкция ОКГТ, состоящая и 6-тистальных проволок, расположенных вокруг оптического модуля. Предложенныйметод не принципиально не ограничивает сложность поперечного сечения троса,но с ростом сложности растет и время счета.В работе сопоставляются расчеты, выполненные для разных гипотез ораспределении тока между проволоками.194Рис. 4.4 Гипотеза 1: все проволоки троса нагружены током молнииИсточником поля в задаче является полный ток провода в функции времени,т.е. интеграл плотности тока по сечению провода. Плотность тока как функциякоординат и времени выясняется в ходе моделирования.Всилуосевойсимметриизадачи,достаточнорассмотретьодингеометрический период, в нашем примере – 60-градусный сектор.
Линиимагнитного поля и цветная карта плотности тока показаны на рис. 5.5.195Рис. 4.5 Картина магнитного поля и плотности тока в начальной фазе импульса (вверху)и вблизи максимума тока (внизу)На рис. 5.5 виден процесс проникновения поля от внешней границы внутрьпроводника.Несимметрияполявызванаэффектомблизостисоседнихпроводников, которые косвенно включены в модель при помощи граничныхусловий.Противоположная гипотеза предполагает, что в первые мгновения послеудара молнии, ток сосредоточен в единственной проволоке, помеченной на рис. 5.6196красным цветом. Остальные проволоки, по которым течет обратный ток,соединены в электрическую цепь, на рис. 5.6 слева:Рис.
4.6 Схема соединений (слева) и расчетная область с сеткой конечных элементов (справа):ток молнии протекает в единственной проволокеКартина поля (рис. 5.7) приведена для двух характерных моментов времени:в начальной фазе переднего фронта импульса А (вверху) и в момент максимуматока(внизу).Здесьтакжехорошозаметнопроникновениеэнергииэлектромагнитной волны в тело проволоки и демпфирующее влияние обратныхпроводов.Далее рассматриваются промежуточные гипотезы, состоящие в том, что токмолнии протекает в нескольких, но не всех проволоках троса. Схема соединений(рис. 5.6 слева) сохраняется, но источник тока включен последовательно стоконесущими проводниками «Провод 1», «Провод 2», … .197Current Density102jtotal (10 A/m )1.6001.2810.9620.6430.3240.005-0.314-0.633-0.952-1.271-1.590Рис. 4.7 Картина плотности тока в двух (сверху) и трех (внизу) соседних проволоках примаксимуме тока4.4 Тепловой расчетНа этом этапе нестационарное уравнение теплопроводности решается на тойже сетке конечных элементов и с теми же шагами дискретизации по времени, чтои электромагнитная задача.
Вычисленное на предыдущей фазе распределениемощности омических потерь является источником тепла в зависимости от времени.Осложняющим фактором является большая разница постоянных времениэлектромагнитного и теплового процессов. После затухания электромагнитныхявленийрасчеттемпературногополядолженбытьпродолжен,чтобы198промоделировать остывание троса с выравниванием температуры в нем. Шаг повремени на этом этапе расчета выбирается более крупным.В качестве результата расчета температурного поля на рис. 5.8 приводитсявременной ход температурных кривых для следующих точек: внешняя поверхностьсамой нагретой проволоки (синяя кривая), поверхность оптического модуля(красная кривая), а также средняя температура самой горячей проволоки (зеленаякривая).
Расчеты сделаны для двух модельных грозовых импульсов: стандартныйгрозовой импульс 1.2/50 мкс (пунктиром) и начальной фазыимпульса SAE 3.5/70мкс (сплошная линия). Амплитуды обоих импульсов одинаковы Imax=200 кА,согласно рекомендациям SAE.199200Сплошная линияПунктиримпульс SAE 3.5/70 мксстандартный импульс 1.2/50 мксРис.
4.8 Температурное состояние наиболее нагретой проволоки при различных гипотезах охарактере растекания импульса тока молнии по отдельным проволокам.Результаты расчетов для разных грозовых импульсов оказываютсясопоставимыми.Болеекрутойпереднийфронтстандартногоимпульсаувеличивает плотность вихревых токов и объем омических потерь в начальныйпериод, в то время как растянутый задний фронт импульса SAE повышаетконечную температуру. Наибольшее расхождение между временным ходомтемпературных кривых для разных импульсов проявляется при принятии гипотезыо распределении тока молнии между всеми проводниками линии, которая в светеимеющихся экспериментальных данных выглядит наименее вероятной.Зависимость численных значений температуры от наперед принятойгипотезы оставляет некоторую неопределенность в оценке результатов анализа.Предложенная схема лучше подходит для сопоставительного моделированияразных конструкций грозотроса и условий его нагружения током молнии.
Дляокончательных выводов о тепловой стойкости ОКГТ полезно привлечьэкспериментальные данные. Тем не менее, основываясь на имеющихся данных отермическом разрушении проволок троса, можно сделать вывод о том, что тепловаястойкость кабеля исследованной конструкции недостаточна для тока молнии 200кА.201Выводы по главе 4Предложена методика мультифизического моделирования термостойкостиоптического грозотроса по отношению к прямому удару молнии. Проведеносравнение разных модельных предположений, совокупность которых позволяет внекотором приближении заменить трудоемкое и ресурсоемкое трехмерноемоделирование.
Моделирование задачи электромагнитного поля в грозотросе,насколько известно автору, впервые в мировой практике проведено во временнойобласти, что позволило рассмотреть такой быстротекущий режим, как молниевыйимпульс тока. Особенностью модели является естественное сопряжение с расчетомнестационарного температурного поля. В ходе формированиястратегиивычислений решена проблема существенной разница электромагнитной итемпературной постоянных времени.1.
Мультифизический анализа электромагнитного и теплового поля в сеченииоптического грозотроса при прямом ударе молнии позволяет принять вовнимание: реальную геометрическую форму троса, необходимый вид импульсатока молнии, поверхностный эффект, эффект близости, магнитное насыщениеферромагнитного материала.2. Сравнение стандартного импульса 1.2/50 мкс и импульса 3.5/70 мкс (SAE)показывает, что на тепловое состояние ОКГТ влияет как крутизна переднегофронта, так и длина импульса, причем это влияние различно для разных гипотезо распределении тока по проволокам. В целом, обе формы импульса приемлемыдля анализа.3.
Численное моделирование демонстрирует, что исследованный кабель простойконструкции не выдерживает прямого удара молнии максимальной силы.202ЗАКЛЮЧЕНИЕНа основе обзора литературы сделан вывод о том, что содержаниеммультифизического анализа является не только совместное решение уравнений изразных физических доменов, но и сочетание в одной модели существенно разныхвычислительных схем. В работе показана осуществимость и практическаяполезностьиспользованиямультифизическихподходовприрешениипрактических задач электротехники путем численного моделирования физическихполей, в том числе на базе отечественного программного комплекса на основеметода конечных элементов.
На основе имеющихся литературных источниковпроанализированы характерные вычислительные сложности мультифизическихзадач и приемы их преодоления.Методымультифизическогомоделированияэлектромагнитного,температурного и упруго-напряженного полей на основе отечественного пакетапрограмм использованы для решения практических задач кабельной техники,проектированиявысоконагруженныхсварочныхтрансформаторовипредпроектной оценки осуществимости устройства электромагнитного разгона. Входе исследования получены следующие результаты:1. Прианализетемпературногорежимаподземнойкабельнойлинииэлектропередачи установлено, что для однофидерных линий различныхспособов укладки и схемы заземления экранов, результаты мультифизическогоанализа с высокой точностью совпадают с расчетами по стандарту МЭК 60287.С другой стороны, при анализе сложного кабельного сооружения из 10-тивысоковольтных цепей установлено, что вычисления по стандарту МЭК 60287систематически недооценивают степень электромагнитного и температурноговзаимодействия кабелей, что приводит к завышению расчетной оценкимаксимальной токовой нагрузки.
Предложено использовать мультифизическоемоделирование при проектировании коллективных кабельных сооружений дляболее точной оценки нагрузочной способности.2032. Проведено систематическое расчетное исследование методов управлениявнешним магнитным полем подземной кабельной линии в интересахэлектромагнитной экологии и задач ЭМС. Для различных методов сниженияМП кабельной линии показано, что большинство мер по снижению внешнегомагнитного поля приводят к локальному повышению потерь в проводниках.Поэтому, анализ должен включать расчет не только магнитного поля, но иизменившегося теплового состояния.
Впервые исследован температурныйэффект недавно предложенных надвижных кольцевых магнитных экранов длясиловых кабелей, показаны конструктивные пределы их применения с точкизрения повышения температуры кабеля.3. Предложен метод расчета добавочных потерь на переменном токе в кабельныхжилахизскрученныхфасонныхсегментов,использующийсведениетрехмерной модели к двумерной с уравнениями подключенной электрическойцепи.Наосновепроведенныхрасчетовданырекомендациизаводупроизводителю по нормированию конструктивных факторов для эффектоввытеснения и близости.4. Впервые в отечественной практике проведено исследование способоввыравнивания поля в высоковольтной соединительной муфте для кабелей изсшитого полиэтилена путем одновременного использования специальноподобранной геометрической формы стресс-конуса и оптимального выборадиэлектрической проницаемости и проводимости материалов, из которыхизготовлены его элементы – основное тело и рефлектор.
Использованыуравнения переменного электрического поля с ненулевой электропроводностьюматериала, что позволяет учесть влияние проводимости материала нараспределение электрического поля. По результатам исследований разработани изготовлен опытный образец кабельной муфты 110 кВ, который на моментнаписания данного текста находится на предквалификационных испытаниях.5. Показана возможность сквозного расчета сварочного трансформатора путеммоделирования взаимосвязанных полей: электромагнитного, температурного иполя механических напряжений и деформаций. Выяснены условия, при которых204точность расчета в двумерной модели оказывается удовлетворительной дляопределения параметров трансформатора.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
