Перетятко Юлія Вікторівна. Чисельний розрахунок тривимірних електричних полів в полімерній ізоляції самоутримних ізольованих проводів

Краткое описание

Перетятко Юлія Вікторівна. Чисельний розрахунок тривимірних електричних полів в полімерній ізоляції самоутримних ізольованих проводів : Дис... канд. наук: 05.09.05 2008

Перетятко Ю.В. Чисельний розрахунок тривимірних електричних полів в полімерній ізоляції самоутримних ізольованих проводів. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.05 теоретична електротехніка. Національний технічний університет України „КПІ”, м.Київ, 2008.
Дисертація присвячена розв’язанню наукової задачі розробка нових математичних моделей і методик для чисельного розрахунку тривимірних електричних полів у полімерній ізоляції самоутримних ізольованих проводів з урахуванням наявності гетерогенних близько розташованих мікронеоднорідностей (поверхневих і об’ємних, провідних і діелектричних) та просторового розташування провідників у трифазній лінії електропередачі. В роботі визначено узагальнюючий критерій збільшення напруженості ЕП в ЗПЕІ СІП та в її діелектричних включеннях, який враховує змінення розмірів та електрофізичних параметрів мікронеоднорідностей, відстаней між ними і розмірів дендритів на їх поверхні. Цей критерій використано для підвищення точності розрахунків напруженості ЕП та визначення локальних об’ємів в ізоляції з недопустимою напруженістю.
Розроблено нові методики розрахунку неоднорідних тривимірних ЕП в СІП з урахуванням сукупності різних гетерогенних мікродефектів у ЗПЕІ. Методики є ефективними для уточнення технологічних режимів промислового виробництва СІП, що підтверджується їх впровадженням на ЗАТ „Завод „Південкабель” (м.Харків) при освоєнні промислового виробництва СІП з характеристиками на рівні кращих світових зразків. Використання СІП виключає короткі замикання між проводами ЛЕП при ожеледі, сильному вітру, снігопаді та інших стихійних лихах, зменшує реактивний опір трифазних ЛЕП напругою до 1 кВ (з 0,35 Ом/км до 0,1 Ом/км), зменшує падіння напруги та втрати потужності та підвищує надійність, безпеку та енергоефективність повітряних ЛЕП.

В дисертації вирішено нову наукову задачу розробки математичних моделей для чисельного розрахунку тривимірних електричних полів у полімерній ізоляції самоутримних ізольованих проводів з урахуванням наявності гетерогенних близько розташованих мікронеоднорідностей (поверхневих і об’ємних, провідних і діелектричних) та просторового розташування провідників у трифазній лінії електропередачі. Отримані результати у сукупності мають суттєве значення для розвитку теорії та методів розрахунку електричних полів в неоднорідних діелектричних середовищах та підвищення надійності та безпеки ЛЕП з самоутримними ізольованими проводами.
1. На основі аналізу методів розрахунку ЕП у неоднорідних діелектричних середовищах обґрунтовано доцільність розвитку МСЕ та розробку нових математичних моделей для розрахунку тривимірних ЕП у СІП з урахуванням наявності сукупності різних гетерогенних мікродефектів у ЗПЕІ.
2. Створено нові багаторівневі математичні моделі розрахунку тривимірних ЕП у неоднорідній полімерній ізоляції СІП, що забезпечило створення методик розрахунку просторового розподілу напруженості ЕП в їх ЗПЕІ з урахуванням наявності гетерогенних близько розташованих мікродефектів (поверхневих і об’ємних, провідних і діелектричних) та розташування СІП у повітряній трифазній ЛЕП.
3. Визначено новий критерій неоднорідного збільшення напруженості ЕП, який залежить від розмірів, конфігурації та параметрів мікровключень в ЗПЕІ, відстаней між ними та їх розташування. Використання такого критерію формалізує та спрощує розрахунки напруженості тривимірних ЕП в СІП незалежно від зміни різних параметрів ЗПЕІ.
4. Розвиток методу скінчених елементів (МСЕ) і розробка нових математичних моделей для розрахунку тривимірних ЕП в ЗПЕІ СІП базуються на використанні:
- триступеневого підходу: спочатку визначались макропараметри неоднорідного двовимірного ЕП з урахуванням близькості СІП у трифазній ЛЕП і допущенням відсутності мікровключень у ЗПЕІ, потім визначались граничні умови і мікропараметри тривимірного ЕП з урахуванням сукупності різних гетерогенних мікровключень в ЗПЕІ, а потім уточнювались розрахунки ЕП в областях найбільших неоднорідностей і визначались об’єми з недопустимою напруженістю ЕП;
- граничних умов для об’єднання задач розрахунку ЕП поза та всередині мікровключень;
- ітераційного методу змінних напрямків при реалізації тривимірного прогону;
- залежності кроку розрахункової сітки від визначеного критерію неоднорідності ЕП, що забезпечило підвищення точності розрахунків 1,5-6 разів.
5. На основі аналізу неоднорідних ЕП в ЗПЕІ СІП підтверджено, що:
- напруженість ЕП збільшується в ЗПЕІ зі зменшенням відстані між: мікровиступами на жилі СІП; мікровиступом і провідним мікровключенням; провідними включеннями;
- напруженість ЕП збільшується у повітряних включеннях ЗПЕІ зі зменшенням відстані між двома повітряними мікровключеннями та між повітряним і водяним включеннями.
Визначено, що напруженість ЕП може зрости в 10 і більше разів, тому деградаційні процеси в ЗПЕІ можуть виникати навіть при середній напруженості ЕП1 кВ/ммі меншій. При цьому можуть виникати електродендрити діаметрамиd<2 мкмі довжиноюl>5d,що призводить до подальшого збільшеннянапруженості ЕП в ЗПЕІ.
6. Обґрунтовано, що зі зменшенням відстані між проводами СІП напруженість ЕП найбільш зростає в ЗПЕІ біля поверхні струмопровідних жил СІП та в повітряному проміжку біля поверхні ЗПЕІ. Зважаючи, що критична напруженість для повітря становитьблизько 3 кВ/мм, визначено, що при тривалому (більшому 1 тижня) знаходженні СІП на відстанях менших0.03 мв трифазній ЛЕП напругою 35 кВ можуть виникати деградаційні процеси (іонізація, часткові розряди та електроерозія), які зменшує надійність ізоляції.
7. Розроблено математичну модель для аналізу імпульсних процесів у полімерній ізоляції СІП при наявності повітряних включень та часткових розрядів, що виникають в її об’ємі. Для чисельної реалізації цієї моделі на комп'ютері запропоновано використати МСЕ, реалізований у прикладному пакеті FEMLAB Проведений аналіз показав, що розрядний струм в повітряному включенні частково замикається у вигляді зворотних струмів через об'єм ЗПЕІ (75-70 %) і частково через зовнішнє коло (25-30 %).
8. Розроблено математичну модель і методику для розрахунку МСЕ тривимірного ЕП в СІП трифазної ЛЕП з сементованими жилами (типу Miliken). Розглянуто особливості проявлення поверхневого ефекту й ефекту близькості в діапазоні частот 50-1000 Гц, що підтвердило, що еквівалентний опір такої ЛЕП залежить як від конструкції СІП, так і від відстаней між ними в ЛЕП. Використання в СІП сегментованих алюмінієвих жил загальним перетином 1000 мм2і більше зменшує їх опір на 5-10%.
9. Для розрахунку низькочастотних ЕП у відкритих областях розроблено математичну модель з використанням МСО та методу добре узгоджених граничних шарів зі змінною величиною діелектричної проникності, що дозволяє проводити розрахунки ЕП з похибкою не більше 3 %.
10. Розроблено нові методики розрахунку неоднорідних тривимірних ЕП в СІП з урахуванням сукупності різних гетерогенних мікродефектів у ЗПЕІ. Методики є ефективними для уточнення умов реалізації оптимальних технологічних режимів виробництва СІП зі ЗПЕІ з метою зменшення розмірів та неоднорідності розподілу різних гетерогенних мікронеоднорідностей. Методики впроваджено на ЗАТ „Завод „Південкабель” (м. Харків) при освоєнні промислового виробництва СІП з характеристиками на рівні кращих світових зразків.