Содержание к диссертации
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ
ИЗОЛЯЦИИ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ 9
Общие сведения 9
Обзор отечественных методик расчета изоляции силовых трансформаторов 9
Методика расчета главной изоляции Л О
Методика расчета прочности участка изоляции по поверхности твердой изоляции 11
Методика расчета изоляции отводов 13
1.2А Расчет изоляции установки вводов 15
1.3. Обзор зарубежных методик расчета изоляции силовых трансформаторов 15
1.3.L Расчет главной изоляции по методике ВИТ т 16
1,3.2. Расчет главной изоляции по методике компании Wcidmann 16
1-3-3. Расчет прочности по поверхности твердой изоляции (Wiedmann) 18
1.3.4. Расчет прочности больших масляных промежутков 19
Постановка задачи 19
Обзор численных методов расчета электрических полей 21
Метод интегральных уравнений 22
Метод эквивалентных зарядов 23
Метод конечных разностей 25
Метод конечных элементов 26
К5.5. Выбор численного метода расчета поля 28
L6. Обзор существующих программных продуктов для расчета изоляции силовых
трансформаторов , 30
1,7. Выводы 32
ГЛАВА 2, РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНОГО МЕТОДА И ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА РАСЧЕТА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ИЗОЛЯЦИИ СИЛОВЫХ
ТРАНСФОРМАТОРОВ 33
2.1. Применение метода конечных элементов для расчета электрических полей 33
Математическая сущность МКЭ 33
Применение конечных элементов и функций формы высоких порядков 36
Учет граничных условий* Общие сведения 38
Учет граничных условий для плоскопараллельного случая 39
У чет граничных условий для случая аксиальной симметрии 42
2.1 нб. Определение напряженностей поля 45
2.1.7. Погрешность метода конечных элементов и пути ее уменьшения 47
Программная реализация метода конечных элементов 49
Задание геометрии 49
Создание сетки конечных элементов 50
Решение системы уравнений 53
Адаптивный решатель полевой задачи 56
Визуализация результатов распета 58
2,7Л. Построение линий уровня , 59
2.7.2. Построение цветовой карты 60
2.7.3, Построение графиков вдоль границ и заданных контуров 61
2.8. Построение силовых линий 61
2.9. Вычисление напряженного объема 64
2Л0. Структура программного комплекса 67
2Л1. Автоматизация расчета электрической прочности изоляции 69
2Л2. Выводы 72
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЧНОСТИ РАСЧЕТА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ 74
ЗЛ. Общие сведения 74
Оценка погрешности расчета для простых задач 74
Оценка погреншосги расчета для моделей главной изоляции 76
ЗрЗЛ. Описание расчетных моделей 77
Анализ влияния коэффициента плотности сетки на точность расчета электрического поля , 82
Анализ влияния коэффициента роста сетки на точность расчета электрического поля * 85
3.4. Выводы 87
ГЛАВА 4. ВЫБОР РАСЧЕТНЫХ МОДЕЛЕЙ ГЛАВНОЙ ИЗОЛЯЦИИ 88
4.1. Постановка задачи 88
4.2- Исследование влияния упрощений на точность расчета для моделей края
обмотки 90
4.2.1. Представление сечения части обмотки прямоугольником 93
4-2.2. Учет изоляции на соседней обмотке 97
Представление сечения соседней обмотки прямоугольником 99
Ограничение расчетной модели по высоте 101
Проверка предложенных рекомендаций 102
4.2.6. Рекомендации по созданию расчетных моделей края обмотки 104
4.3. Исследование влияния упрощений на точность расчета для моделей середины
обмотки 105
Представление сечения части обмотки прямоугольником 109
Учет изоляции на соседней обмотке 112
Представление сечения соседней обмотки прямоугольником 114
Объединение части твердой изоляции 116
Ограничение расчетной модели но высоте 118
43.6. Проверка предложенных рекомендаций 119
4.3.7. Рекомендации по созданию расчетных моделей середины обмотки 120
4.4. Выводы 121
ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ИЗОЛЯЦИИ ОТВОДОВ
ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ 123
Общие сведения 123
Расчетная модель изоляции отвода 123
Построение номограмм для выбора изоляции отводов высокого напряжения круглой формы 125
5.4. Выводы 130
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 132
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 135
Приложение I. Краткое описание программы BETAFields 139
Приложение 2. Краткое описание проіраммьі TIDesign 145
Введение к работе
Технико-экономические характеристики силовых трансформаторов высших классов напряжения в значительной степени определяются размерами главной изоляции этих трансформаторов (изоляции между обмотками, между обмоткой и магнитопроводом и баком, между обмотками соседних стержней и фаз) и изоляции отводов. В отечественной практике главная изоляция и изоляция отводов силовых трансформаторов высших классов напряжения выполняется в виде маслобарьерной изоляции. В результате многочисленных экспериментальных исследований па моделях и отдельных узлах, было установлено, что пробой такой изоляции начинается с пробоя наиболее нагруженного масляного канала. На основании этих исследований была выявлена зависимость допустимой напряженности в масляных каналах главной изоляции от ширины масляного канала, а также зависимость допустимой напряженности от напряженного обьема масла, в котором напряженность поля достаточно высока.
Актуальность темы, В течение многих десятилетий проводились исследования электрической прочности изоляции силовых трансформаторов с целью выявления и уточнения критериев оценки прочности главной изоляции и изоляции отводов. Результатом этих исследований стало создание руководящих документов и методик расчета главной изоляции и изоляции отводов, хорошо зарекомендовавших себя на практике и широко применяемых при проектировании силовых трансформаторов в России и странах СНГ,
Применение этих методик на практике сопряжено с необходимостью выполнения большого количества рутинных операции. К основным таким операциям можно отнести создание расчетных моделей для рассматриваемых узлов изоляции, расчет электрического поля, построение силовых линий, определение средних напряженностей и коэффициентов запаса по эмпирическим формулам для различных областей главной изоляции и видов воздействующих напряжений, а также расчет напряженного объема и коэффициентов запаса по эмпирическим формулам для изоляции отводов и другие.
В этой связи весьма актуальной задачей является разработка эффективного метода расчета прочности изоляции и реализующего его программного комплекса, который объединяет в себе существующие подходы к оценке прочности и позволяет повысить точность расчета, автоматизировагь процесс расчета, избавить проектировщика от выполнения большей части рутинных операций и тем самым сократить время, требуемое на разработку и проектирование внутренней изоляции силовых трансформаторов.
Изоляция силовых трансформаторов и реакторов разделяется на главную, продольную (между отдельными витками и катушками), изоляцию отводов (соединяющих выводы обмоток с вводами и устройствами переключения напряжения) и изоляцию
установки ввода (нижней части размещенного в масле ввода). В продольной изоляции определяющим является импульсное распределение напряжения при испытаниях полным и срезанным грозовыми импульсами, и для расчета воздействий требуется расчет переходных процессов в обмотках силовых трансформаторов, что является отдельной проблемой. Эта работа посвящена решению полевых задач в изоляции силовых трансформаторов, в связи с чем далее продольная изоляция в ней не рассматривается.
Настоящая работа посвящена решению задач расчета электрической прочности главной изоляции и изоляции отводов, автоматизации этого процесса на базе специально разработанных эффективного метода расчета прочности и программного комплекса, методам расчета электрического поля и существующим критериям оценки электрической прочности.
Целью райоти является исследование и разработка эффективного метода расчета внутренней изоляции силовых трансформаторов и проіраммного комплекса, автоматизирующего расчет электрического поля и прочности изоляции, упрощающего и ускоряющего процесс проектирования изоляции силовых трансформаторов.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
1. Выполнить анализ существующих методов расчета электрической прочности
изоляции силовых трансформаторов и обзор численных методов расчета электрических
полей, обеспечивающих высокую точность расчета.
2. Разработать программный комплекс для расчета электрических полей и
электрической прочности с учетом характерной для внутренней изоляции трансформаторов
геометрии, выполнить проверку точности получаемых результатов расчета.
Разработать способы автоматизации методик и процесса расчета электрической прочности изоляции.
Исследовать влияние различного рода упрощений расчетной модели на точность расчета с целью создания и уточнения рекомендаций по составлению расчетных моделей главной изоляции, обеспечивающих высокую скорость и требуемую точность расчета,
Провести расчет и уточнение имеющихся в методике выбора маслобарьерной изоляции отводов номограмм для оценки прочности отводов круглой формы.
Методы исследования. Дня решения поставленных задач использовались математическое моделирование на ЭВМ, известные и новые численные методы и алгоритмы, результаты экспериментальных исследований, полученные другими авторами.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Разработан инженерный метод расчета электрической прочности внутренней изоляции силовых трансформаторов, новизна и эффективность которого состоит в использовании комплексного подхода к расчету, заключающегося в объединении в рамках
7 одного метода нескольких критериев оценки прочности, таких как длина силовой линии и напряженный объем, возможности расчета прочности для различных участков внутренней изоляции, автоматизации процессов расчета электрического поля и прочности изоляции, а также применении метода конечных элементов высоких порядков для расчета электрических полей в изоляции силовых трансформаторов,
2. Исследовано влияние упрощений геометрии расчетных моделей главной изоляции
на точность расчета и разработаны рекомендации по составлению расчетных моделей,
позволяющих значительно ускорить расчет характерных участков изоляции
трансформаторов при обеспечении требуемой точности.
3. Предложены и реализованы оригинальные алгоритмы быстрого построения
силовых линий электрического поля н напряженных объемов масла, в которых для
ограничения числа рассматриваемых конечных элементов поиск новых точек силовой линии
и принадлежащих напряженному объему конечных элементов производится среди
элементов, расположенных вблизи интересующих границ, а также их ближайшего
окружения.
Практическая значимость работы состоит в том, что:
1. Разработан программный комплекс, реализующий разработанный эффективный
метод расчета электрической прочности внутренней изоляции силовых трансформаторов,
позволяющий повысить точность расчета, ускорить процесс проектирования изоляции и
облегчить работу конструкторов.
2. Для реализации программного комплекса разработано расчетное ядро для решения
полевых задач с помощью метода конечных элементов, а также ряд вспомогательных
библиотек, универсальность которых позволяет применять их для решения широкого круга
прикладных задач расчета электрических полей в технике высоких напряжений,
3. Проведен расчет и уточнение номограмм «допустимое напряжение-размер
масляного промежутка» для отводов силовых трансформаторов и получены
аппроксимирующие их полиномы, использование которых позволяет проводить выбор
изоляции отводов вплоть до класса напряжения 1150 кВ,
Реализация результатов работы. Программный комплекс расчета изоляции BETAFfelds используется на практике для проектирования и экспертной оценки технических решений главной изоляции и изоляции отводов в ВЭИ им, Ленина, ЕМСО Ltd. (Индия) и Enerco Enterprises (Израиль). Программа BETAiields также применяется на кафедре ТЭВН МЭИ (ТУ) и ЗАО «МосИзолятор» для расчета двумерных электрических полей. Программа расчета изоляции отводов TIDesign вошла в состав методики выбора маслобарьерной
8 изоляции отводов, разработанной в ВЭИ им. В.И. Ленина, и применяется в ВЭИ им. Ленина и ОАО «ЗТР» (Украина).
Достоверность и обоснованность результатов работы. Достоверность результатов расчета электрического поля при помощи разработанного автором программного комплекса обоснована путем сопоставления полученных результатов расчета поля с результатами расчетов, выполненных при помощи апробированного программного обеспечения. Достоверное^ результатов оценки электрической прочности обоснована положительным опытом применения методик расчета изоляции и разработанного программного комплекса при проектировании и испытаниях внутренней изоляции силовых трансформаторов.
Публикации. По результатам работы сделано 9 публикаций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованных источников из 59 наименований. Общий объем работы составляет 145 страницы, включая 16 таблиц и 59 рисунков.
Автор благодарит Андрея Константиновича Лоханина за постоянное внимание к выполнявшейся работе и ценные консультации по вопросам внутренней изоляции силовых трансформаторов и реакторов.
