автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Разработка моделей маслонаполненных вводов трансформаторов для решений задач автоматизированного проектирования и диагностики

На правах рукописи

СОЛДАТОВ АНДРЕИ ВАДИМОВИЧ

РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ МАСЛОНАПОЛНЕННЫХ ВВОДОВ ТРАНСФОРМАТОРОВ ДЛЯ РЕШЕНИЙ ЗАДАЧ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ДИАГНОСТИКИ

Специальность: 05.13.12- Системы автоматизации проектирования

(электротехника, энергетика)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иваново 2005

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ивановский государственный энергетический университет имени В. И. Ленина»

Научный руководитель: ,

доктор физико-математических наук, профессор Ясинский Федор Николаевич

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор Митькин Юрий Алексеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Попов Геннадий Васильевич

кандидат технических наук, профессор Белов Владимир Павлович

Ведущая организация: ОАО «ЗАРУБЕЖЭНЕРГОПРОЕКТ», г. Иваново

Защита состоится « 20» 2005 г. в "//часов на заседании

диссертационного совета Д 212^)64.02 í ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В. И. Ленина» по адресу: 153003, г. Иваново, ул. Рабфаковская, 34, ауд. Б-237.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять по адресу: 153003, г. Иваново, ул. Рабфаковская, 34, ученый совет ИГЭУ.

Тел."(0932) 38-57-01, E-mail: ivrti@tpi.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В. И. Ленина».

Автореферат разослан « HOJiSiuJ 2005 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.064.02 кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На электростанциях и в электроэнергетических системах в эксплуатации находится большое количество маслонаполненных вводов силовых трансформаторов. Их техническое состояние в значительной степени определяет эффективность работы данных систем Большая часть отказов всего маслонаполненного оборудования приходится на высоковольтные вводы, причем в основном на вводы трансформаторов. Частые повреждения вводов, особенно вводов трансформаторов, приводят к тяжелым последствиям.

Опыт эксплуатации силовых трансформаторов напряжением 110 -г- 500 кВ свидетельствует о том, что одной из основных причин их выхода из строя являются повреждения высоковольтных вводов из-за ухудшения состояния внутренней изоляции. Высокая температура ускоряет процессы окисления масла и способствует разрушению твердой изоляции. Трансформаторное масло, двигаясь под действием разности плотностей нагретых и холодных частей жидкости в гравитационном поле, переносит частицы примесей в масле, которые оседают на стенках масляного канала ввода. Создаются условия формирования предпробивной ситуации.

Исследование тепловых и гидродинамических процессов в первую очередь важно для вводов сверхвысоких напряжений 330, 500, 750 кВ и выше. Для вводов этих классов напряжений предъявляются жесткие требования к качеству изоляции, так как они работают при повышенных рабочих электрических напряженностях и с повышенным тепловыделением.

Кроме того, на электростанциях и в электроэнергетических системах в эксплуатации находится большое количество маслонаполненных вводов, значительная часть которых выработала нормативный ресурс. Для поддержания работоспособности вводов в эксплуатации проводится диагностика параметров их внутренней изоляции. Одним из новых методов диагностики изоляции является тепловизионный контроль температуры изоляции в различных точках. Для повышения эффективности такой диагностики важно знать истинное распределение температуры по элементам изоляции.

Экспериментальное определение температурного распределения во внутренней части ввода технологически трудно. Распределение температур по элементам изоляции может быть определено на основе математического моделирования тепловых процессов во вводе. Поэтому такой подход представляет большой интерес.

Большинство существующих методик расчета рассматривают упрощенные физические модели маслонаполненных вводов. Не учитывается перенос тепла движущимся маслом в канале ввода, нагрев корпуса ввода горячим маслом бака трансформатора. Указанные физические процессы вносят значительные изменения в температурное поле ввода и поэтому должны быть учтены.

Для построения более полной математической модели вводов важно также иметь методы расчета электрической прочности изоляции трансформаторного масла во вводе при воздействии импульсов коммутационных перенапряжений, которые являются определяющими для электрических сетей 330 кВ, 500кВ и выше.

Таким образом, объективно существует необходимость совершенствования конструкции таких вводов и повышения эффективности их эксплуатации. В связи с этим необходимо провести дальнейшие исследования по разработке методов, способствующих повышению технического состояния вводов в эксплуатации.

Цель работы состоит в разработке математических моделей тепловых, гидродинамических и электрофизических процессов в маслонаполненных вводах для повышения эф-

фективности решения задач автоматизированного проектирования и диагностики вводов силовых трансформаторов.

Задачи исследования:

1. Проведен анализ физических процессов, происходящих в маслонаполненном вводе, и на этой основе выявлены особенности влияния конвективного движения трансформаторного масла в канале ввода на его тепловое поле.

2 Разработана математическая модель тепловых и гидродинамических процессов, происходящих в маслонаполненных вводах

3. Разработаны методы численной реализации предложенной математической модели физических процессов во вводе.

4. Проведены вычислительные эксперименты и выявлены закономерности влияния конвективного движения масла в канале ввода, конструктивных параметров канала и температуры окружающей среды на распределение температуры во вводе.

5. Разработана математическая модель пробоя трансформаторного масла в канале ввода для определения статистических характеристик электрической прочности при воздействии импульсов коммутационных перенапряжений.

6. Выбраны программные средства, предложен алгоритм распараллеливания для решаемой задачи, и разработан программный комплекс для расчета тепловых и гидродинамических полей ввода.

7. Разработаны основные принципы создания подсистемы поиска рационального инженерного решения с учетом температурных и гидродинамических полей, а также электрофизических характеристик трансформаторного масла ввода.

Методы исследования. Для разработки математической модели применены методы анализа электрофизических, тепловых и гидродинамических процессов во вводах. Для численного интегрирования дифференциальных уравнений моделей применены методы вычислительной математики. При выборе метода распараллеливания и создании параллельных алгоритмов применены методы теории графов, теории распараллеливания вычислений, основные принципы структурного программирования.

Научная новизна:

1. Предложена комплексная математическая модель тепловых и гидродинамических процессов в маслонаполненных вводах высокого напряжения, учитывающая влияние на распределение температуры во вводе движения масла в канале и нагрев фарфоровой покрышки маслом бака трансформатора.

2. Разработана рациональная методика численной реализации предложенной математической модели температурных и гидродинамических полей ввода, позволяющая получить искомое распределение с заданной точностью.

3. На основе проведенного вычислительного эксперимента выявлено количественное влияние движения масла, ширины масляного канала и температуры окружающей среды на распределение температуры во вводах силовых трансформаторов.

4 Разработаны математическая модель пробоя трансформаторного масла и на этой основе компьютерная методика определения статистических характеристик его электрической прочности при воздействии импульсов коммутационных перенапряжений различной формы, позволяющая более обоснованно определять эти характеристики для различных объемов масла, включая большие объемы, характерные для реального электроэнергетического оборудования.

5. Разработаны основные положения подсистемы поиска наилучшего инженерного решения на основе разработанных математических моделей для маслонаполненного ввода силового трансформатора.

Практическая ценность:

1. Разработана программа расчета распределения температуры во вводе, позволяющая учитывать влияние температуры окружающей среды, электрофизические характеристики материалов и особенности конструкции ввода при проектировании и в условиях эксплуатации.

2. Получены результаты численного расчета температуры во вводе с учетом влияния температуры окружающей среды и ширины масляного канала.

3. Разработаны компьютерные программы оценки статистических характеристик электрической прочности трансформаторного масла при воздействии коммутационных перенапряжений и по данным эксплуатационных испытаний в стандартном маслопробойнике.

4. Разработаны рекомендации для использования результатов диссертации при разработке подсистем САПР маслонаполненных высоковольтных вводов.

Внедрение. Результаты работы внедрены в Ивановской генерирующей компании и учебном процессе ИГЭУ при подготовке инженеров электроэнергетического профиля.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель тепловых и гидродинамических процессов, учитывающая движение масла в канале ввода и нагрев фарфоровой покрышки маслом бака трансформатора.

2. Рациональная методика численной реализации предложенной математической модели расчета тепловых и гидродинамических полей высоковольтных маслонаполненных вводов, позволяющая получить искомые распределения с заданной точностью.

3. Математическая модель пробоя трансформаторного масла и компьютерная методика определения статистических характеристик его электрической прочности при воздействии импульсов коммутационных перенапряжений различной формы, позволяющая более обоснованно определять эти характеристики для больших объемов масла, характерных для электроэнергетического оборудования.

4. Основные положения построения подсистемы поиска наилучшего инженерного решения на основе разработанных математических моделей, отражающих тепловые, гидродинамические и электрофизические параметры маслонаполненного ввода силового трансформатора.

5. Количественное влияние движения масла, ширины масляного канала и температуры окружающей среды на распределение температуры во вводах силовых трансформаторов, полученное в результате проведенных вычислительных экспериментов.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологий» (X и XII Бенардосовские чтения) (Иваново, 2003, 2005), на семинарах кафедры ВВС, ВЭТФ ИГЭУ.

По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 108 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, определены цель, задачи и методы исследования, приведены сведения о научной новизне и практической ценности.

В первой главе на основе проведенного анализа имеющихся данных показано, что техническое состояние высоковольтных маслонаполненных вводов в процессе их эксплуатации постепенно ухудшается в результате старения внутренней изоляции, в условиях неблагоприятного температурного поля. Выбраковка и аварии маслонаполненных

вводов, не отработавших полностью свой нормативный ресурс, часто являются следствием принятия недостаточно обоснованных проектных и эксплуатационных решений. Усилиями ведущих организаций - ВНИИЭ, СпбТУ, НИИПТ, ОАО «Мосизолятор» - многое сделано для выяснения и устранения причин повреждаемости таких вводов Одним из новых методов определения температурного режима ввода в эксплуатации является его тепловизионный контроль Эффективность использования этого диагностического метода во многом зависит от правильности интерпретации полученных в эксплуатации термограмм. При этом важно знать действительное распределение температуры во вводе при различных комбинациях воздействующих факторов. Успешно решить эту задачу можно с использованием методов моделирования физических процессов во вводе. В силу этого существует объективная потребность в совершенствовании методов теплового расчета ввода.

В результате проведенного исследования теоретических, экспериментальных и численных методов получения количественного распределения температуры выявлено:

- теоретический метод, приведенный М. И. Мантровым и другими исследователями, рассматривает только процесс переноса тепла от токоведущей трубы в радиальном направлении и соответственно предусматривает множество допущений. В работах А. Б. Власова данный подход получил дальнейшее развитие. В том числе он предлагает учитывать конвективный теплообмен между твердым изоляционным остовом, фарфоровой покрышкой и маслом в канале ввода путем введения эмпирического коэффициента, определяемого экспериментально;

- область применения экспериментальных методов существенно ограничена и они не применимы для решения поставленной задачи;

- численные методы являются наиболее эффективным и универсальным средством автоматизированного расчета искомых распределений. В. В. Титков в своих работах описал методические основы применения метода конечных элементов, но полная модель, включающая в себя движение масла, им не приведена;

- существенным недостатком известных на данный момент наиболее сложных методов является их невысокая точность. Она обусловлена тем, что не учитывается ряд важных факторов: распространение тепла в вертикальном направлении, нагрев фарфорового корпуса ввода горячим трансформаторным маслом, перенос тепла движущимся маслом внутри ввода.

Одновременно, решения задачи определения гидродинамического поля возможно. Целесообразно использовать подход, развитый Ю. Я. Щелыкаловым применительно к термодинамическим процессам в трансформаторе, с использованием вихря скорости и функции тока.

Для комплексного решения задач автоматизированного проектирования (АП) и диагностики маслонаполненных вводов трансформаторов необходимо решить вопросы расчета электрической прочности трансформаторного масла в канале ввода. Также требуется определить вид искомого распределения вероятности пробоя вблизи нижнего предела пробивного напряжения и разработать программный комплекс для оценки изменения электрической прочности изоляции в эксплуатации.

Сформулированы задачи исследования, проводимого в рамках данной работы.

Во второй главе проведен теоретический анализ происходящих физических процессов в маслонаполненных вводах, разработаны принципиально новые модели расчета тепловых и гидродинамических процессов с учетом движения масла в канале ввода и нагрева фарфоровой покрышки маслом бака трансформатора, а также модели пробоя трансформаторного масла для определения статистических характеристик его электрической прочно-

сти, которые могут применяться при анализе проектных решений в САПР и диагностике вводов.

На основе проведенного теоретического и методологического анализа происходящих физических процессов в маслонаполненных вводах высокого напряжения можно утверждать, что для получения достаточно полной картины температурного и гидродинамического полей требуется учесть следующие факторы- а) выделение тепла в токоведущем стержне и изоляции, нагрев нижней части и охлаждение верхней части ввода; б) распространение тепла в элементах конструкции и масле, а также теплообмен между ними; в) движение масла в масляном канале высоковольтного ввода.

Из приведенной предварительной оценки следует, что движение масла будет ламинарным, так как скорость его движения во вводах предположительно невысока.

Для моделирования процессов, происходящих в осесимметричных высоковольтных маслонаполненных вводах, необходимо использовать радиальную двухмерную модель, где тепло распространяется в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Рассмотрев существующие методики теплового расчета маслонаполненных вводов, проанализировав их применимость, достоинства и недостатки, а также проведя работу по определению общих требований к модели, запишем уравнения математической модели, описывающие вышеупомянутые физические процессы в маслонаполненных вводах.

Для трансформаторного масла в канале ввода справедливы следующие уравнения: движения; неразрывности; теплопроводности.

Для компактности записи введены вихрь скорости £ и функцию тока Ф:

дг дг

V =-1», г дг

V = ' г дг

Тогда получим следующую систему уравнений модели:

а 5г1г5гУ дг{дг) дгУ дг.К 6Г Зг

5г\г ) г дг

1 + =

Уравнение для Ф решалось методом установления, для чего искусственно ввели время

дФ = д2Ф д2Ф £_1дФ. д1~дг2+дг2+ т дт Запишем уравнения в частных производных для температурных полей в твердых телах.

Температурные поля в центральном проводнике, твердой изоляции и корпусе ввода описываются уравнениями следующего вида:

гМ дг) дг\ дг) где X,- коэффициент теплопроводности среды и <3,- количество выделяемого тепла в единице её объема.

Между поверхностью твердой изоляции и трансформаторным маслом во вводе имеет место конвективный теплообмен, обеспечивающий перенос тепла движущимся маслом Аналогичный теплообмен происходит между фарфоровой покрышкой и трансформаторным маслом. Коэффициент теплоотдачи при этом является сложной функцией различных величин: размеров и формы тела, температур поверхности твердого тела и жидкости, скорости жидкости, физических свойств жидкости Применительно к рассматриваемому случаю средний коэффициент теплоотдачи определяется из критерия Нуссельта

1Ми = аН/Х,

где а- коэффициент теплоотдачи при конвективном теплообмене; Х- коэффициент теплопроводности трансформаторного масла; Н-характерный геометрический размер.

В качестве характерного геометрического размера для вертикально расположенного ввода следует принимать его высоту Н (высоту масляного канала).

В результате получено выражение для определения коэффициента теплоотдачи

РвН ДТр с

= 0.15-

н

л) • о

Лс

где § - ускорение свободного падения; /3 - температурный коэффициент объемного расширения трансформаторного масла; т/ - динамическая вязкость масла; р - плотность масла; ДТ - температурный напор, равный абсолютной величине разности между температурами масла и твердой поверхности; ср - удельная теплоемкость трансформаторного масла; ^ -плотность масла при температуре твердой поверхности.

При расчете коэффициента теплоотдачи от поверхности фарфоровой покрышки к окружающему воздуху а„ можно использовать выражение (1) с учетом физических характеристик воздуха.

Для создания полной модели, как отмечалось ранее, необходимо уточнить методы расчета электрической прочности трансформаторного масла в канале ввода при воздействии коммутационных перенапряжений. При этом важно определить вид искомого распределения вероятности его пробоя вблизи нижнего предела пробивного напряжения и„. Для этого рассмотрим процесс пробоя промежутка импульсом напряжения произвольной формы и(Ч).

В этом случае для промежутка, который не был пробит к моменту времени I, убыль вероятности того, что он не будет пробит за следующий отрезок времени Л, будет равна

ар=-ря[и(фь

где Р - вероятность того, что промежуток в момент времени I еще не пробит; X - вероятность пробоя в единицу времени (интенсивность вероятности пробоя).

Решение его при начальном условии дает следующее распределение предпробивных времен

р(0 = 1 - ехр

- /Ф(Ф

^

Анализ особенностей пробоя трансформаторного масла показало, что вблизи нижнего предела пробивного напряжения функция Х„ может быть аппроксимирована выражением

х(и)=хн+с(и-и„)р,

где X,, - интенсивность вероятности пробоя промежутка при и=ин; с, р - постоянные для заданного вида диэлектрической жидкости коэффициенты.

В диссертации показано, что зависимость вероятности пробоя промежутка от амплитуды воздействующего прямоугольного импульса в области больших вероятностей про-

боя переходит в распределение Гнеденко-Вейбула. Аналогичная ситуация складывается и в случае воздействия импульса косоугольной формы, однако параметры распределения будут другими.

Проведенные расчеты параметров распределения Р(и) по выборке из 50 замеров показали хорошее соответствие рассчитанного распределения экспериментальным данным.

Исследование влияния других форм импульсов напряжения показало, что определение статистических характеристик электрической прочности жидких диэлектриков с использованием предложенного метода возможно для различных форм воздействующего напряжения.

Следует также отметить, что электрическая прочность трансформаторного масла зависит и от его объема. При её определение используют теорию «слабых мест».

Зависимость вероятности пробоя от амплитуды косоугольного импульса и объема масла (ш=У/УО с использованием предложенного метода примет вид

ц/(ш,ии)

I - ехр'

М-

С1„

•(и,-икГ

(2)

ии 1 " (р+0ии

Зависимость вероятности пробоя от объема масла при аппроксимации функции

^(1,им) интегральной функцией распределения Гнеденко-Вейбула примет вид

ЛР+1"

4*2 в(т>и„)= 1-ехр

Сопоставление расчетных зависимостей (2) и (3) с результатами эксперимента (рис. 1) позволяет сделать вывод о том, что лучшее совпадение экспериментальных данных с расчетными во всем исследуемом диапазоне значений объемов масла наблюдается лишь в случае расчета и0,5 по предлагаемой методике - выражение (2). Расчетные зависимости по (3) с использованием распределения Гнеденко-Вейбула существенно отклоняются тальных данных, более (V >200 смЗ). Особенно это проявляется вблизи и„.

Для автоматизации вычисления па-

и -и„

и„-ии

(3)

от эксперимен-начиная с т = 102 и

Рис. 1

1- расчетная по (16) зависимость 50% пробивного напряжения \£-(1)0 <)~0,5 от объема трансформаторного масла,

2- рассчитанная по (17) аналогичная зависимость при аппроксимации ((■(!,и„) распределением Гнеденко-Вейбула

раметров распределения был разработан программный комплекс и на его основе проведено исследование на предмет применимости данной методики для определения искомых параметров в зависимости от количества имеющихся экспериментальных значений. Исследование показало, что методика применима и для малых выборок при условии снижения числа исследуемых интервалов. Вместе с тем в эксплуатационных испытаниях число замеров при определении пробивного напряжения составляет 5-6. Соответственно были проведены расчеты по эксплуатационным данным. Для экспериментальных выборок указанной длины были получены удовлетворительные параметры распределения.

В третьей главе на основе сформированной модели определены численные методы; выбран алгоритм решения разностных уравнений на основе сравнительного анализа по применимости и скорости работы; заменены дифференциальные уравнения разностными;

определены особенности алгоритмической реализации выбранных методов; определены методы и алгоритмы распараллеливания.

Согласно проведенному анализу, достаточно разумным компромиссом между экономичностью, эффективностью, точностью и устойчивостью является использование методов расщепления с применением неявных разностных схем первого порядка аппроксимации по времени и первого порядка по пространственным переменным.

Введем в расчетной области неравномерную сетку узлов, что позволит детально исследовать отдельные участки области, хотя и несколько понизит точность аппроксимации по пространственным переменным Пусть И, — размер ячейки сетки по оси Ох между узлами (¡, ]) и 0' + I, ]). Для повышения вычислительной устойчивости используем при аппроксимации конвективных членов противоточные производные:

Ь,

дг "

•<0

дх

Ьг

К

к к Ек

, уч > 0 V. <0

.V >0

К 4

Пусть т — шаг интегрирования по времени, 1к+| = 1к + т.

Разностная схема для уравнений состояния жидкости в канале, указанных в модели, тогда примет следующий вид:

т 2ф:

£4 -гк

5.+1, Ь,,

(г.+г^-^У

-V,

иг

.у,„Ъ о

£

(у,„«-У,

к

V <0

гл )

• у..,* 0

-гг

грк _уА

ч .

т Ь? Л,J г 2К '

Т —т т с

2Г^ *[Г'+|Р'+| 1 г> 1Р'-I X,] ^^ [рчи „„Т,,, Р. 1нТ.н}

V 1фн>.-Ф.,.; г, 2Ь2

1Ф,„)-Ф,-1.).

гЧ г, 2ЬГ

Кроме этого для твердых тел: токоведущей трубы, бумажно-масляной изоляции, фарфоровой покрышки и металлического фланца дифференциальные уравнения будут заменены разностными следующего вида

К.+А.ДТ^-Т,1,)-"

+ Г,

т,к;'-т,у_ 1 Г(г№,+г,Ха..1о+а.Дт.1, , -т,к>

где - характеризует тепловыделение в соответствующем элементе конструкции К указанным уравнениям присоединяются граничные условия:

- обращение в нуль скорости жидкости на твердых поверхностях Уг|,=0 и У,|г=0,

- в точках соприкосновения различных сред (1 ^ их температуры принимаются одинаковыми Т|ц,д= Т|| 2,ч;

- на наружной поверхности ввода ставится граничное условие третьего рода:

а"ЬТ"

X

где Мм и 1>м прогоночные коэффициенты, а"- коэффициент теплоотдачи во внешнюю среду, Т - температура внешней среды и Ь - шаг сетки;

- на внутренней стенке трубы ставиться граничное условие второго рода: Ь2=1 и М2=1, так как тепловой поток д на границе равен нулю.

В результате проведенного анализа методов решения разностных уравнений предложено и реализовано решение поставленной задачи с применением метода Дугласа

Рассмотрим его более детально на примере решения уравнения для вихря скорости £ для квадратной матрицы М*М.

, I

1+ ---

А.1

= V Т^, 2r.li*

V

ад!

) >

ф

с к+1 _ ^1.) г к-й

Ь2 '

(Гы+Г,^!.,-!;)-

-(г,1-1,)

_ Фм-1 ; ек+1 _ Ф. I рк+1 _ Ь2 >?,0 - Ь2 >

1м=0,

Ф..М-!

ь; '

,М-1,(4) .,М-1,(5) (6)

5в| = 5м. = 5,. = 5,м=о, (7)

51 = 0, 1О = 0,1,...,М. (8)

В методе Дугласа используется схема переменных направлений с итерационным параметром тк+1, зависящим от номера итерации. Последовательность шагов (тк+|) выбирается так, чтобы обеспечить максимально быструю сходимость итерационного процесса к стационарному решению. Число п из выбирается из условия:

п > А 21пМ | + 1, п-целое,

А =

1п

1 + л/Л

, 0 <я < 1.

А*

/г

По формулам (32) находятся тк, к=1,2,...п.

г /—

По схеме переменных направлений новые ^ вычисляются в 2 этапа:

1 этап Зная во всех узлах сетки (8), используя уравнение (4), находим вспомогательную величину ¡Г во всех внутренних узлах сетки. Для этого представим уравнение (4)в виде

где ад, Ьч, с,0, -коэффициенты при соответствующих значениях вихря скорости.

При фиксированном.¡()=1,2,...,М-1) это уравнение решается с помощью прогонки.

Значения У в граничных узлах определяются из условия (7). ^)

2 этап. По ? во всех узлах сетки и, используя уравнение (5), вычисляются новые значения искомой функции во внутренних узлах сетки. Для этого уравнение (5) переписывается в виде

а, н + Ь,^'., + с, = с1,г 1 = 1,2,...,М -1

При фиксированном ¡(¡=1,2,...,М-1) это уравнение решается с помощью прогонки, в граничных узлах находятся из условия (6).

Этапы 1 и 2 повторяются для всех тк до достижения необходимой точности. Применение данного метода позволило сделать программу расчета устойчивой. Сходимость вычислений улучшилась, что положительно сказалось на времени выполнения вычислительного эксперимента.

Разработана программа моделирования тепловых и гидродинамических процессов в высоковольтных маслонаполненных вводах с целью проведения численных экспериментов для последующего изучения их результатов и анализа возможности её применения.

В работе показано, что при интегрировании уравнений модели с использованием метода расщепления по физическим параметрам и последующей скалярной прогонкой распараллеливание по пространству является предпочтительным.

В четвертой главе проведено моделирование процессов тепловыделения и теплообмена, а также движения масла применительно к высоковольтному маслонаполненному вводу; проведен анализ результатов численных экспериментов.

Объектом моделирования высоковольтный маслонапол-ненный ввод класса напряжения 330 кВ. В качестве расчетной области был выбран прямоугольный участок размером 0,205x4,73 м, содержащий в себе токопроводящую стальную трубу, бумажно-масляную изоляцию, масляный канал, фарфоровую покрышку. На область была наложена расчетная сетка размером 820x473 узлов, размеры ячейки равны 0,00025x0,01 м.

На рис. 2 показана карта расчетной области, где штриховкой выделены конструкционные элементы, вошедшие в модель. Предложенная модель позволяет при расчетах учитывать более сложную геометрию ввода, однако на данном этапе целесообразно ограничиться прямоугольными расчет-1- проводник (токоведушая тру- ными областями, учитывая лишь основные механизмы проба); 2- фарфоровая покрышка, исходящих физических процессов.

з-твердая изоляция, 4-масляный Нижняя часть ввода погружена в горячее трансформа-канал, 5- металлический фланец. лп(|0 ,г

б-крышка бака трансформатора торное масло, нагретое до 90 С. Уровень масла доходит непосредственно до фланца изолятора и крышки бака транс-

Рис 2 Расчетная модель ввода

форматора (рис 2) Верхняя часть корпуса ввода находится под влиянием окружающей среды, температура которой вблизи фарфоровой покрышки для базового расчетного варианта принята равной 35 °С.

На рис. 3 изображены распределения температуры в поперечном сечении модели мас-лонаполненного высоковольтного ввода 330 кВ Полученные кривые температуры и ско роста (рис. 4, 5) адекватно отображают реальные физические процессы во вводе. Наиболее нагретым элементом ввода является токоведущая труба. Нижняя ее часть имеет температуру +98 °С, а верхняя +92 °С Выделяемое тепло распространяется от токоведущей трубы к верхней фарфоровой покрышке При этом температура с увеличением радиуса падает. Внешняя граница фарфоровой покрышки имеет температуру, близкую к температуре окружающей среды +37 °С.

Нижняя часть ввода разогревается мае- - ■ ---—---------

лом бака трансформатора, поэтому попе- " * —

речное сечение, взятое на этом уровне, ,____

прогрето почти равномерно. Отмечается -■

перераспределение температурного поля -

под влиянием вертикального переноса ~ ________

тепла. Наличие масляного канала обуслов- ___

ливает скачкообразное изменение темпера- -—-—-,,„т~

туры на его границе. [

«щ|»ор1Ж< пнутую»

Впервые удалось получить распределе- рис з распределение Т(г), т»=+35 °с

ние скоростей движущегося масла в канале ввода силового трансформатора. Максимум радиальной скорости 0,0035 м/с наблюдается в средней части канала вблизи верхней его границы. Максимум вертикальной скорости (0,05 м/с) имеет поток вблизи внутренней границы масляного канала Это открывает дополнительные возможности при изучении ряда вопросов, например, при моделировании движения частиц примесей масла и оценке возможных мест их отложения.

»'р

I

Рис 5 Распределение У^г), т»-+35 °С Рис 6 Распределение УДг), Т»=+35 °С

Важным критерием оценки характера течения масла является число Рейнольдса, значение которого в результате выполненного расчета получено равным 155,61 Следовательно, изначальное предположение о ламинарности течения жидкости подтвердилось.

Полученные результаты по распределению температурных полей были сопоставлены с экспериментальными данными стендовых испытаний и тепловизионных измерений для вводов аналогичной конструкции в эксплуатации. Сопоставление выявило максимальное их отклонение 3%.

Предложенный расчетный метод может быть использован для получения температурного распределения по внешней поверхности фарфоровой покрышки ввода при различных

значениях электрофизических параметров изоляции ввода и внешней температуры. Эти результаты помогут эксплуатационному персоналу выявить причины изменения температурного поля ввода, зафиксированные тепловизионным контролем

В пятой главе приведены основные положения разрабатываемой подсистемы поиска наилучших инженерных решений с учетом тепловых и гидродинамических полей для маслонаполненных вводов трансформаторов.

Предполагается использование разработанного комплекса программ в качестве элемента подсистемы, осуществляющей автоматизированную оценку предложенного синтетического критерия качества для различных проектных вариантов. Задача подсистемы состоит в создание максимально эффективной системы охлаждения маслонаполненного ввода высокого напряжения, определяющего конструкцию в целом. Создание таковой возможно лишь при наличии достаточно точных методов расчета тепловых и гидродинамических полей.

Одной из важных особенностей созданной методики является ее применимость для различной конструкции при любых условиях функционирования маслонаполненного ввода. Меняя исходные значения температуры окружающей среды, можно рассчитать как стационарное состояние при ее определенном значении, так и для переходных режимов, плавно изменяя значение температуры.

Для апробации предложенных принципов построения подсистемы был проведен анализ проектных решений, отличных друг от друга шириной масляного канала. Были получены распределения температуры и скоростей движения масла. Выявлено, что увеличение ширины масляного канала от 15 до 25 мм положительно сказывается на температурном режиме токоведущего стержня. Температура стержня максимально понизилась на 7 °С. Снизилась и температура внутренних слоев изоляции. Изменение составило 2-6 °С в зависимости от радиуса и уровня исследуемого сечения. Одновременно выявлено увеличение максимальной скорости движения масла, результатом которого является увеличение теп-лоотвода.

Проведенные эксперименты, для значений температуры окружающей среды характерных осеннее-весеннему и зимнему периоду эксплуатации показали уменьшение температуры конструкционных элементов ввода, снижение продольной и радиальной скоростей движения масла.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Выполнен комплекс исследований, содержащий совокупность научных и методических положений по разработке моделей для решений задач АП и диагностики маслонаполненных вводов силовых трансформаторов электроэнергетики, в целях повышения эффективности выполнения проектных работ и эксплуатации вводов.

2. Предложена новая более полная математическая модель, отражающая тепловые и гидродинамические процессы с учетом движения масла в канале ввода и нагрева фарфоровой покрышки маслом бака трансформатора, а также температуры окружающей среды, характерной для условий эксплуатации вводов силовых трансформаторов.

3. Разработана рациональная методика численной реализации предложенной математической модели расчета тепловых и гидродинамических полей маслонаполненных вводов с использованием методов установления, расщепления многомерных дифференциальных уравнений, скалярной прогонки и метода Писмена-Рекфорда-Дугласа, обеспечивающие требуемую точность и сокращение времени расчета.

4. Разработана рациональная алгоритмическая реализация предложенной методики расчета температурных и гидродинамических полей вводов, включающая в себя методы и алгоритмы распараллеливания вычислительного процесса.

На этой основе разработан программный комплекс для расчета распределения температуры во вводе, а также скорости движения масла в канале ввода с учетом электрофизических характеристик материалов ввода, его конструкционных параметров, температуры масла в баке трансформатора и окружающей среды.

5. Разработаны математическая модель пробоя трансформаторного масла и на её основе компьютерный метод определения его статистических характеристик электрической прочности при воздействии импульсов коммутационных перенапряжений различной формы, позволяющий более обосновано определять эти характеристики для различных объемов масла, включая большие объемы масла, характерные для реального электроэнергетического оборудования.

6 Разработаны основные положения построения подсистемы поиска наилучших инженерных решений с учетом тепловых, гидродинамических и электрофизических процессов Определены параметры, допускающие изменение при поиске оптимального решения, выбран критерий оптимальности проектного решения, изложена методика определения наилучшего инженерного решения на основе принятого критерия оптимальности

На основе проведенного исследования с использованием элементов разработанной САПР выявлено влияние ширины масляного канала ввода и температуры окружающей среды на распределение температуры и скорости движения масла во вводе.

Учет движения масла приводит к скачкообразному изменению температуры на границах масло - твердая изоляция, а также к изменению распределения температуры в жидких и твердых изоляционных материалах.

7. Впервые получено распределение скоростей движения масла в канале ввода Проведенный анализ распределения вертикальных и горизонтальных составляющих скоростей движения масла показал, что они имеют плавный неразрывный характер, что говорит о неразрывности движения масла в канале. Максимальное значение вертикальной скорости движения масла наблюдается у верхней границы канала.

С увеличением ширины масляного канала в исследованном диапазоне 15-25 мм происходит возрастание скорости движения масла. Максимальные значения скоростей при этом изменяются в пределах 0,01-0,05 м/с.

8. Разработана методика компьютерного определения статистических характеристик электрической прочности трансформаторного масла по результатам его эксплуатационных испытаний в стандартном маслопробойнике, позволяющая находить нижний предел пробивного напряжения масла, дополняющего диагностическую ценность данного вида испытаний.

9. Разработанная компьютерная система и выявленные на основе проведенных вычислительных экспериментов результаты влияния на режимные параметры ввода температуры внешней окружающей среды и электрофизических характеристик изоляции могут использоваться при расчете распределения температуры во вводе с учетом условий эксплуатации и разработке на этой основе эффективной системы диагностики температурного состояния изоляции ввода.

В качестве перспектив развития данной работы можно назвать: а) введение в математическую модель уравнений, описывающих движение частиц примесей в масле, с целью определения мест их отложения на твердой изоляции; б) изучение процессов формирования предпробивной ситуации с учетом движения масла в канале; в) более подробное изучение пограничного слоя вблизи поверхностей канала ввода, г) учет особенностей теплообмена в местах указанных отложений; д) учет сезонных и суточных колебаний метеоусловий на температурный и гидродинамический режим работы маслонаполненного оборудования.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКА!

1. Соллатов А. В., Вихарев А. В. Методик рактеристик электрической прочности жидких родной научно-технической конференции "Сс технологии". ИГЭУ, 2003, том 1, с. 21.

2. Солдатов А. В., Митькин Ю. А., Ясинс тепловых и гидродинамических процессов в в Межвуз. сб. научн. трудов «Высоковольтные т вып. 3, с. 55-60.

3. Солдатов А. В., Прусаков М. В., Мни ское моделирование движения масла и распределение 1смпср<иуры н модели »вида высокого напряжения. Вестник ИГЭУ. ИГЭУ, 2004, №3. с. 52-53.

4. Солдатов А. В., Прусаков М. В., Митькин Ю. А., Ясинский Ф. Н. Математическое моделирование статистических характеристик электрической прочности жидких электроизоляционных сред. Межвуз. сб. научн. трудов «Высоковольтные техника и электротехнология». ИГЭУ, 2003, вып. 3, с. 47-54.

5. Солдатов А. В. Оптимизации системы охлаждения высоковольтных маслонапол-ненных вводов. Межвуз. сб. научн. трудов «Высоковольтные техника и электротехнология». ИГЭУ, 2005, том 1, с. 77.

6. Солдатов А. В. Применение моделей тепловых и гидродинамических процессов для диагностики маслонаполненных вводов высокого напряжения. Межвуз. сб. научн. трудов «Высоковольтные техника и электротехнология». ИГЭУ, 2005, том 1, с. 25.

7. Солдатов А. В. Применение моделей тепловых и гидродинамических процессов для диагностики маслонаполненных вводов высокого напряжения. Математическая модель расчета тепловых и гидродинамических полей маслонаполненных вводов трансформаторов. Ивановский энерг. гос. ун-т. — Иваново, 2005. — 18 с. — Деп. В ВИНИТИ 02.06.2005 № 802-В2005.

8. Солдатов А. В. Разработка методов численной реализации математической модели расчета тепловых и гидродинамических полей маслонаполненных вводов трансформаторов Ивановский энерг. гос. ун-т. - Иваново, 2005. — 17 с. — Деп в ВИНИТИ 02.06.2005 № 803-В2005.

«26164

РНБ Русский фонд

2006-4 28427

Введение.

Глава 1. Проблемы расчета тепловых и гидродинамических полей в ^ задачах автоматизированного проектирования и диагностики маслонаполненных вводов трансформаторов электроэнергетики.

1.1. Особенности оценки технического состояния маслонаполненных вводов трансформаторов с учетом температурных и гидродинамических полей.

1.2. Существующие методики расчета тепловых и гидродинамических полей в САПР маслонаполненных вводов высокого напряжения и их критический анализ.

1.2.1. Обзор существующих методов теплового расчета.

1.2.2. Критический анализ существующих методик теплового расчета

1.3. Анализ существующих методик расчета статистических характеристик электрической прочности трансформаторного масла в канале ввода.

1.4. Выводы по первой главе.

Глава 2. Математические модели тепловых, гидродинамических и электрофизических процессов в маслонаполненных вводах трансформаторов.

2.1. Определение общих требований к математической модели маслонаполненного ввода.

2.2. Математическая модель тепловых и гидродинамических процессов маслонаполненных вводов трансформаторов.

2.2.1. Уравнения гидродинамики для трансформаторного масла в канале ввода.

2.2.2. Уравнения для температурных полей в твердых телах и масляном канале.

2.2.3. Определение коэффициента теплоотдачи трансформаторного масла применительно к вводу трансформатора.

2.2.4. Определение коэффициента теплоотдачи между наружной поверхностью ввода и атмосферой. ф 2.3. Математическая модель пробоя трансформаторного масла ввода для определения статистических характеристик его электрической прочности.

Выводы по второй главе.

Глава 3. Разработка методов численной реализации предложенной математической модели тепловых и гидродинамических полей для САПР маслонаполненных вводов.

3.1. Конечно-разностная схема уравнений математической модели маслонаполненного ввода.

3.2. Алгоритм решения разностных уравнений.

3.3. Программная реализация предложенных алгоритмов для САПР вводов трансформаторов.

3.4. Распараллеливание вычислений.

Выводы по третьей главе.

Глава 4. Численные эксперименты по определению температурного и гидродинамического полей во вводе трансформатора.

4.1. Постановка эксперимента.

4.2. Распределения температуры и скоростей движения масла во вводе трансформатора.

Выводы по четвертой главе.

Глава 5. Основные положения подсистемы поиска наилучших инженерных решений с учетом тепловых и гидродинамических полей для маслонаполненных вводов трансформаторов.

5.1. Содержание указанной подсистемы.

5.1.1. Определение параметров, изменение которых допустимо при поиске оптимального решения.

5.1.2. Критерий оптимальности проектного решения.

5.1.3. Методика определения наилучшего инженерного решения на основе принятого критерия оптимальности.

5.2. Анализ и оценка полученных проектных решений, учитывающих тепловые и гидродинамические процессы, для создания рациональных конструкций маслонаполненных вводов.

Выводы по пятой главе.

Актуальность. Внимание к маслонаполненному оборудованию (MHO) высокого напряжения обусловлено его значимостью в обеспечении надежной работы систем электроснабжения, высокой стоимостью, опасностью возникновения аварий с тяжелыми последствиями. К основному MHO относятся силовые трансформаторы, автотрансформаторы, масляные реакторы и маслонаполненные вводы. Создание мощного трансформаторного оборудования обусловливает все более жесткие требования к конструкциям маслонаполненных вводов. Такие устройства должны выдерживать высокие нагрузки, сохранять значения параметров функционирования в узких пределах допуска в течение всего срока службы. При этом их производство должно быть технологичным и иметь низкую себестоимость.

Опыт эксплуатации силовых трансформаторов напряжением 110 + 500 кВ свидетельствует о том, что одной из основных причин их выхода из строя являются повреждения высоковольтных вводов из-за ухудшения состояния внутренней изоляции [1, 2, 3, 4]. Высокая температура ускоряет процессы окисления и способствует разрушению твердой изоляции. Трансформаторное масло, двигаясь под действием разности плотностей нагретых и холодных частей жидкости в гравитационном поле, переносит частицы изоляции, которые оседают на внешней стенке масляного канала ввода. Создаются условия формирования предпробивной ситуации. Наблюдается заметное возрастание повреждаемости вводов по мере увеличения времени их работы [5].

Исследование тепловых и гидродинамических процессов в первую очередь важно для вводов сверхвысоких напряжений 330, 500, 750 кВ и выше. Для вводов этих классов напряжений предъявляются жесткие требования к качеству изоляции, так как они работают при повышенных рабочих электрических напряженностях и с повышенным тепловыделением. Этим требованиям удовлетворяют маслонаполненные вводы с маслосо-держащей изоляцией.

Кроме того, на электростанциях и в электроэнергетических системах в эксплуатации находится большое количество маслонаполненных вводов, из которых значительная часть выработала нормативный ресурс. Для поддержания работоспособности вводов в эксплуатации проводится диагностика параметров внутренней изоляции маслонаполненных вводов. Одним из новых методов диагностики изоляции является тепловизионный контроль температуры изоляции в различных точках. Для повышения эффективности такой диагностики важно знать истинное распределение температуры по элементам изоляции.

Экспериментальное определение температурного распределения во внутренней части ввода технологически не представляется возможным. Распределение температур по элементам изоляции может быть определено на основе математического моделирования тепловых процессов во вводе. Поэтому такой подход представляет большой интерес.

Большинство существующих методик расчета рассматривает простое радиальное распространение тепла от нагретого стержня и далее за счет теплопроводности материалов с учетом выделения диэлектрических потерь под действием внешнего переменного электрического поля. Для расчета используется уравнение теплопроводности. Такой подход является упрощенным и не отражает реальные физические процессы во вводе. В работе [6] предпринята попытка разработать более совершенную методику расчета теплового поля с учетом аксиальной теплопередачи от нагретого масла в баке с использованием дифференциальных уравнений нестационарной теплопередачи, а также метода конечных элементов.

Однако в этой работе не учитываются влияние имеющегося во вводе гидродинамического движения масла на тепловое поле ввода.

Таким образом, необходимо разработать полную физическую модель, отражающую все физические процессы, определяющие температурное поле. На этой основе разработать математическую модель и методы ее решения.

Решение данной задачи позволит:

- провести синтез проектных решений САПР для создания образцов новых более эффективных типов таких вводов. Для построения более полной подсистемы САПР вводов важно также иметь методы расчета электрической прочности изоляции трансформаторного масла во вводе. Поэтому важно разработать более полную модель пробоя трансформаторного масла определения его электрической прочности при воздействии импульсов коммутационных перенапряжений, которые являются определяющими для электрических сетей 330 кВ, 500кВ и выше;

- произвести расчет распределения температуры изоляции ввода, который может служить в качестве базового распределения температуры, по отношению к которому может производиться сопоставление замеренного в эксплуатации распределения. По степени отклонения эксплуатационных данных от базовых можно судить о техническом состоянии изоляции.

Целью данной работы является разработка математических моделей тепловых, гидродинамических и электрофизических процессов в мас-лонаполненных вводах для повышения эффективности решения задач автоматизированного проектирования и диагностики вводов силовых трансформаторов.

Основные задачи исследования. Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1. Проведен анализ физических процессов, происходящих в масло-наполненном вводе, и на этой основе выявлены особенности влияния конвективного движения трансформаторного масла в канале ввода на его тепловое поле.

2. Разработана математическая модель тепловых и гидродинамических процессов, происходящих в маслонаполненных вводах.

3. Разработаны методы численной реализации предложенной математической модели физических процессов во вводе.

4. Проведены вычислительные эксперименты и выявлены закономерности влияния конвективного движения масла в канале ввода, конструктивных параметров канала и температуры окружающей среды на распределение температуры во вводе.

5. Разработана математическая модель пробоя трансформаторного масла в канале ввода для определения статистических характеристик электрической прочности при воздействии импульсов коммутационных перенапряжений.

6. Выбраны программные средства, предложен алгоритм распараллеливания для решаемой задачи, и разработан программный комплекс для расчета тепловых и гидродинамических полей ввода.

7. Разработаны основные принципы создания подсистемы поиска рационального инженерного решения с учетом температурных и гидродинамических полей, а также электрофизических характеристик трансформаторного масла ввода.

Основные методы научных исследований. Для разработки математической модели применены методы анализа электрофизических, тепловых и гидродинамических процессов во вводах. Для численного интегрирования дифференциальных уравнений моделей использованы методы вычислительной математики. При выборе метода распараллеливания и создании параллельных алгоритмов применены методы теории графов, теории распараллеливания вычислений, основные принципы структурного программирования.

Научная новизна данной работы заключается в следующем:

1. Предложена комплексная математическая модель тепловых и гидродинамических процессов в маслонаполненных вводах высокого напряжения, учитывающая влияние на распределение температуры во вводе движения масла в канале и нагрев фарфоровой покрышки маслом бака трансформатора.

2. Разработана рациональная методика численной реализации предложенной математической модели температурных и гидродинамических полей ввода, позволяющая получить искомое распределение с заданной точностью.

3. На основе проведенного вычислительного эксперимента выявлено количественное влияние движения масла, ширины масляного канала и температуры окружающей среды на распределение температуры во вводах силовых трансформаторов.

4. Разработаны математическая модель пробоя трансформаторного масла и на этой основе компьютерная методика определения статистических характеристик его электрической прочности при воздействии импульсов коммутационных перенапряжений различной формы, позволяющая более обоснованно определять эти характеристики для различных объемов масла, включая большие объемы, характерные для реального электроэнергетического оборудования.

5. Разработаны основные положения подсистемы поиска наилучшего инженерного решения на основе разработанных математических моделей для маслонаполненного ввода силового трансформатора.

Достоверность основных научных положений и выводов работы обеспечивается обоснованностью выбора физических и математических моделей, сопоставлением результатов имеющихся экспериментальных испытаний, с результатами расчета по разработанным в диссертации методикам.

Практическая ценность данной работы состоит в следующем:

1. Разработана программа расчета распределения температуры во вводе, позволяющая учитывать влияние температуры окружающей среды, электрофизические характеристики материалов и особенности конструкции ввода при проектировании и в условиях эксплуатации.

2. Получены результаты численного расчета температуры во вводе с учетом влияния температуры окружающей среды и ширины масляного канала.

3. Разработаны компьютерные программы оценки статистических характеристик электрической прочности трансформаторного масла при воздействии коммутационных перенапряжений и по данным эксплуатационным испытаниям в стандартном маслопробойнике.

4. Разработаны рекомендации для использования результатов диссертации при разработке подсистем САПР маслонаполненных высоковольтных вводов.

Личный вклад автора определяется постановкой цели и задач исследования, разработкой математической модели тепловых и гидродинамических полей, а также электрофизических характеристик маслонаполненных вводов, методов их численной реализации, программ расчета и алгоритма распараллеливания вычислений, проведением вычислительных экспериментов с обработкой их результатов, формулировкой выводов и основных положений подсистемы САПР вводов силовых трансформаторов электроэнергетики.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель тепловых и гидродинамических процессов, учитывающая движение масла в канале ввода и нагрев фарфоровой покрышки маслом бака трансформатора.

2. Рациональная методика численной реализации предложенной математической модели расчета тепловых и гидродинамических полей высоковольтных маслонаполненных вводов, позволяющая получить искомые распределения с заданной точностью.

3. Математическая модель пробоя трансформаторного масла и компьютерная методика определения статистических характеристик его электрической прочности при воздействии импульсов коммутационных перенапряжений различной формы, позволяющая более обоснованно определять эти характеристики для больших объемов масла, характерных для электроэнергетического оборудования.

4. Основные положения построения подсистемы поиска наилучшего инженерного решения на основе разработанных математических моделей, отражающих тепловые, гидродинамические и электрофизические параметры маслонаполненного ввода силового трансформатора.

5. Количественное влияние движения масла, ширины масляного канала и температуры окружающей среды на распределение температуры во вводах силовых трансформаторов, полученное в результате проведенных вычислительных экспериментов.

Результаты работы внедрены в Ивановской генерирующей компании и учебном процессе ИГЭУ по дисциплине «Прогнозирование ресурса электроэнергетического высоковольтного оборудования».

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Международной научно-технической конференции «Состояние и перепективы развития электротехнологий» (XI и XII Бенардосовские чтения) (Иваново, 2003, 2005), на семинарах кафедры ВВС, ВЭТФ ИГЭУ.

Публикации по работе. По результатам исследований опубликовано 8 печатных работы.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и библиографического списка из 110 наименований.

Выводы по работе

1. Выполнен комплекс исследований, содержащий совокупность научных и методических положений по разработке моделей для решений задач АП и диагностики маслонаполненных вводов силовых трансформаторов электроэнергетики, в целях повышения эффективности выполнения проектных работ и эксплуатации вводов.

2. Предложена новая более полная математическая модель, отражающая тепловые и гидродинамические процессы с учетом движения масла в канале ввода и нагрева фарфоровой покрышки маслом бака трансформатора, а также температуры окружающей среды, характерной для условий эксплуатации вводов силовых трансформаторов.

3. Разработана рациональная методика численной реализации предложенной математической модели расчета тепловых и гидродинамических полей маслонаполненных вводов с использованием методов установления, расщепления многомерных дифференциальных уравнений, скалярной прогонки и метода Писмена-Рекфорда-Дугласа, обеспечивающие требуемую точность и сокращение времени расчета.

4. Разработана рациональная алгоритмическая реализация предложенной методики расчета температурных и гидродинамических полей вводов, включающая в себя методы и алгоритмы распараллеливания вычислительного процесса.

На этой основе разработан программный комплекс для расчета распределения температуры во вводе, а также скорости движения масла в канале ввода с учетом электрофизических характеристик материалов ввода, его конструкционных параметров, температуры масла в баке трансформатора и окружающей среды.

5. Разработаны математическая модель пробоя трансформаторного масла и на её основе компьютерный метод определения его статистических характеристик электрической прочности при воздействии импульсов

Mi коммутационных перенапряжений различной формы, позволяющий более обосновано определять эти характеристики для различных объемов масла, включая большие объемы масла, характерные для реального электроэнергетического оборудования.

6. Разработаны основные положения построения подсистемы поиска наилучших инженерных решений с учетом тепловых, гидродинамических и электрофизических процессов. Определены параметры, допускающие изменение при поиске оптимального решения, выбран критерий оптимальности проектного решения, изложена методика определения наилучшего инженерного решения на основе принятого критерия оптимальности.

На основе проведенного исследования с использованием элементов разработанной САПР выявлено влияние ширины масляного канала ввода и г s температуры окружающей среды на распределение температуры и скорости движения масла во вводе.

Учет движения масла приводит к скачкообразному изменению температуры на границах масло - твердая изоляция, а также к изменению распределения температуры в жидких и твердых изоляционных материалах.

7. Впервые получено распределение скоростей движения масла в канале ввода. Проведенный анализ распределения вертикальных и горизонтальных составляющих скоростей движения масла показал, что они имеют плавный неразрывный характер, что говорит о неразрывности движения масла в канале. Максимальное значение вертикальной скорости движения масла наблюдается у верхней границы канала.

4', С увеличением ширины масляного канала в исследованном диапазоне 15-25 мм происходит возрастание скорости движения масла. Максимальные значения скоростей при этом изменяются в пределах 0,010,05 м/с.

8. Разработана методика компьютерного определения статистических характеристик электрической прочности трансформаторного масла по результатам его эксплуатационных испытаний в стандартном маслопробойнике, позволяющая находить нижний предел пробивного напряжения масла, дополняющего диагностическую ценность данного вида испытаний.

9. Разработанная компьютерная система и выявленные на основе проведенных вычислительных экспериментов результаты влияния на режимные параметры ввода температуры внешней окружающей среды и электрофизических характеристик изоляции могут использоваться при расчете распределения температуры во вводе с учетом условий эксплуатации и разработке на этой основе эффективной системы диагностики температурного состояния изоляции ввода.

В качестве перспектив развития данной работы можно назвать: а) введение в математическую модель уравнений, описывающих движение частиц примесей в масле, с целью определения мест их отложения на твердой изоляции; б) изучение процессов формирования предпробивной ситуации с учетом движения масла в канале; в) более подробное изучение пограничного слоя вблизи поверхностей канала ввода; г) учет особенностей теплообмена в местах указанных отложений; д) учет сезонных и суточных колебаний метеоусловий на температурный и гидродинамический режим работы высоковольтного маслона-полненного оборудования.

1. Мамиконянц JL Г. О повреждаемости герметичных вводов трансформаторов. — Энергетик, 1996, №12.

2. Васильев А. 3. Диагностика герметичных вводов с маслом Т-750 на наличие жёлто-бурого осадка — Энергетик, 2001, №6.

3. Евсеев Ю. А., Кассихин С. Д., Куликов И. П., Савина Е. И. О причинах повреждаемости высоковольтных герметичных вводов с бумажно-масляной изоляцией конденсаторного типа — Электрические станции, 1989, № 1.

4. Львов М. Ю. Коллоидно-дисперсные процессы в высоковольтных герметичных вводах трансформаторов — Электрические станции, 2000, №4.

5. Носулько Д. Р., Соколов В. В., Назаров А. И. Опыт эксплуатации герметичных маслонаполненных вводов силовых трансформаторов. — Электрически станции, 1987, № 8.

6. Титков В. В. Моделирование тепловых процессов в объектах электроэнергетики методом конечных элементов. Методические основы // Методы и средства оценки состояния энергетического оборудования. Вып. №24 — СПб: ПЭИПК, 2004 — с. 163.

7. Сви П. М., Смекалова П. М. Тезисы докладов международного семинара «Повышение надежности и эффективности контроля трансформаторов в эксплуатации». Запорожье, 1996.

8. Львов М. Ю. Фактор риска при эксплуатации высоковольтных вводов трансформаторов Электрические станции, 1999, №2, с. 46-51.

9. Ванин Б. В., Львов Ю. Н., Львов М. Ю. и др. О повреждениях силовых трансформаторов напряжением 110 — 500 кВ — Электрические станции, 2001, № 9 — с. 53 58.

10. Козлов А. С. О повреждениях высоковольтных вводов силовых трансформаторов, автотрансформаторов и шунтирующих реакторов -Энергетик, 1992, №5, с. 19.

11. И. Аракелян В. Г., Сенкевич Е. Д. Ранняя диагностика маслонапол-ненного высоковольтного оборудования. Электрические станции, 1985, №6, с. 50.

12. Чичинский М. И. Повреждаемость маслонаполненного оборудования электрических сетей и качество контроля его состояния. Энергетик, 2000, №11, с. 29-30.

13. Материалы тематического селекторного совещания по проблемам надежности и эксплуатации энергетического оборудования, состоявшегося 23.04.98. Электронная газета РАО «ЕЭС России» «Энергопресс», 1998, №27.

14. Константинов А. Г., Осотов В. Н., Комаров В. И. О контроле состояния высоковольтных маслонаполненных вводов под рабочим напряжением Электрические станции, 1998, №7.

15. СвиП. М. Методы и средства диагностики оборудования высокого напряжения. М.: Энергоатомиздат, 1992.

16. Соколов В. В. Актуальные задачи развития методов и средств диагностики трансформаторного оборудования под напряжением. Изв. РАН. Энергетика, 1997, №1, стр. 155-168.

17. Объем и нормы испытаний электрооборудования. РД 34.4551.300-97./ Под общей редакцией Б. А. Алексеева, Ф. JI. Когана, JI. Г. Ма-миконянца. 6-е изд. - М.: НЦ ЭНАС, 1998. - 256 с.

18. Мунькин В. В., Могилевский Е. JI., Бородулин Б. М., Котельников А. В., Подольский В. И., Мамошин Р. Р., Астанин С. П., Попов С. В., Шинкарев Ф. С. Концепция модернизации устройств электроснабжения железных дорог // М.: Транспорт, 1999. — с. 30-32.

19. Лоханин А. К., Соколов В. В. Обеспечение работоспособности маслонаполненного оборудования после расчетного срока службы. Электро, 2002, №1, с. 10-16.

20. Никитин О. А., Верещагин И. П., Пинталь Ю. С. Возможности оценки остаточного ресурса и продление сроков эксплуатации высоковольтного оборудования энергосистем. — ЭЛЕКТРО, 2001, № 1.

21. Назарычев А. Н. Модели оптимизации межремонтных периодов электрооборудования с учетом результатов диагностирования. Вестник ИГЭУ, 2001, Вып.1, с. 16-20.

22. Довгополый Е. Е., Марченко Н. И., Евсеев Ю. А., Савина Е. И. Влияние масел и резин на работу высоковольтных вводов трансформаторов. Химотология, 1992, №10, с. 17-18.

23. Шувадрин Д. В. Об увеличении срока службы турбинных и трансформаторных масел.-Энергетик, 1993, №4, стр. 15-16.

24. Попов Г. В., Игнатьев Е. Б. О совершенствовании технологий диагностирования маслонаполненного электротехнического оборудования. — Новое в российской энергетике, 2001, №7.

25. Рыженко В. И., Соколов В. В., Славинский А. 3., Черногот-ский В. М. Опыт ремонта вводов 110 750 кВ — Электрические станции, 1998, №9.

26. Мамиконянц Л. Г. О работах по повышению надежности высоковольтных вводов — Энергетик, 1998, №11.

27. Джуварлы Ч. М., Иванов К. И., Курлин М. В. и др. Электроизоляционные масла-М.: Гостоптехиздат, 1963.- 276с.

28. Липштейн Р. А., Кузнецова С. С., Карпухина Н. А., Могилева Т. С., Аветисян А. С. Влияние температуры на срок службы и направление реакций окисления трансформаторных масел — Электрические станции, 1990, №2.

29. Довгоролый Е. Е., Марченко Н. И., Евсеев Ю. А., Савина Е. И. Влияние масел и резин на работу высоковольтных вводов трансформаторов — Химия и технология топлив и масел, 1992, №10, с. 17-18.

30. Вайда Д. Исследование повреждений изоляции. М.: Энергия,1968.

31. Касихин С. Д., Устинов В. Н., Пинталь Ю. С, Шкрабляк Н. Н. О механизме электрического старения бумажно-масляной изоляции конденсаторного типа. Труды третьей международной конференции «Электрическая изоляция - 2002». - Санкт-Петербург, 2002.

32. Пинталь Ю. С. Ионизационные характеристики и старение бумажно-масляной изоляции Электротехника, 1965, №1.

33. Кучинский Г. С., Кизеветтер В. Е., Пинталь Ю. С., Изоляция установок высокого напряжения. Под ред. Кучинского Г. С. — М.: Энерго-издат, 1987. —386 с.

34. Ушакова М. В. Исследование теплового поля внутри маслонаполненных герметичных вводов // Электричество, 2002, № 9, с. 57 — 61.

35. Андреев JI. Е., Снетков А. Ю. Тепловизионное обследование вводов Электрические станции, 1999, №4.

36. Бажанов С. А. Инфракрасная диагностика электрооборудования распределительных устройств. М.: НФТ «Энергопресс», 2000.

37. Власов А. Б. Тепловизионный контроль или диагностика. — Электротехника, 2002, №11, с. 62-64.

38. Власов А. Б. Тепловизионный метод контроля физических параметров высоковольтных вводов. — Электротехника, 1994, №4, с. 3440.

39. Власов А. Б. Тепловизионный метод контроля маслонаполненных высоковольтных аппаратов. — Электрика, 2003, №10.

40. Луканин В. Н., Шатров М. Г., Камфер Г. М. и др. Теплотехника. Учеб. Для вузов. М.: Высшая школа, 2002.

41. Шинкаренко Г. В. Использование рабочего напряжения для измерения диэлектрических характеристик трансформаторов тока и вводов — Электрические станции, 2000, №3.

42. Михеев Г. М., Филиппов В. К. Об отборе проб масла из герметичных вводов 500-750 кВ — Электрические станции, 2001, №1, с. 39-42.

43. Львов М. Ю. Применение оптической мутности масла для оценки состояния высоковольтных герметичных вводов трансформаторов — Электрические станции, 1999, №6.

44. Аракелян В. Г. Перспективы развития физико-химической диагностики маслонаполненного оборудования. Электротехника, 2000, №5, с. 35-43.

45. Couderc D., Bourassa P., Muiras J. M. Gas-in-oil Criteria for the monitoring of self-contained oil-filled Power Cables CEIDP. 1996. Vol. 1. P. 283-286.

46. Львов Ю. H., Писарева H. А., Ланкау Я. В. Об оценке состояния ^ изоляции маслонаполненного оборудования по наличию фурановых веществ в масле.- Электрические станции, 1999, №11, с. 54-55.

47. Duval М. Dissolved-gas analysis: New Challenges and applications -Electra, 1990, №133, p. 39-45.

48. Hisao Kan, Teruo Miyamoto. Proposals for an Improvement in Transformer Diagnosis Using Dissolved Gas Analysis (DGA) IEEE Electrical Insulation Magazine. 1995, Vol. 11, №6, p. 15.

49. Львов Ю. H., Писарева H. А., Ланкау Я. В., Старостина А. К. Количественная оценка содержания фурановых веществ и присадки ионол в изоляционных маслах Электрические станции, 1998, №1.

50. IEC. Mineral insulating oils methods for the determination of 2-furfiiral and related compounds. Publication 1198 (1993).

51. Авдеева А. А. Хромотография в энергетике. M.: Энергия, 1980.272 с.

52. Allan D. М., Jones С. F. Thermal-oxidative stability and oil paper partition coefficients of selected model fiiran compounds at practical temperatures. 9th International Symposium on High Voltage Engineering. Graz, 1995.

53. РД 153-34.0-46.302-00. Методические указания по диагностике развивающихся дефектов трансформаторного оборудования по результатам хроматографического анализа газов, растворимых в масле.

54. Смоленская Н. Ю., Сапожников Ю. М. Газохроматографический анализ трансформаторного масла на содержание в нем воздуха, воды, кислорода и азота. Электрические станции, 1994, №8.

55. Ванин Б. В., Львов Ю. Н., Писарева Н. А., Львов М. Ю., Тороп-ков Д. А. Изменение свойств трансформаторного масла Т-750 в высоковольтных герметичных вводах в эксплуатации Электрические станции, 1995, №3.

56. Богатенков И. М., Бочаров Ю. Н., Гумерова Н. И. и др. Техника высоких напряжений. Под ред. Кучинского Г. С. — СПб.: Энергоатомиз-дат, 2003, 608 с.

57. Мантров М. И. Тепловой расчет и расчет пробивного напряжения высоковольтных вводов конденсаторного типа // М: Московский энергетический институт. 1970, с. 37 48.

58. Шведова JI. А. Учебное пособие по курсу «Расчет и конструирование электрической изоляции», вып. 2, Всесоюзный заочный энергетический институт, М., 1964.

59. Калачихин А. Ф. О расчете тепловой устойчивости маслонапол-ненного ввода конденсаторного типа, «Электротехника», №2, 1965.

60. Фок В. А. К тепловой теории электрического пробоя, Труды Ленинградской физико-технической лаборатории, вып. 5, 1928.

61. Власов А. Б. Диагностическая модель тепловизионного контроля высоковольных вводов с конденсаторным типом изоляции. — Электротехника, 2004, №8, с. 36-41.

62. Щелыкалов Ю. А. Сопряженные температурные поля обмоток трансформатора и масла // Вестник ИГЭУ, 2001, №1, с. 3 — 5.

63. Попов Г. В., Бородулин Ю. Б., Косяков С. В. Автоматизированное проектирование силовых трансформаторов на микро-ЭВМ: Учеб. Пособие. // Иван. гос. ун-т., Иван, энерг. ин-т. — Иваново, 1989, 96 с.

64. Попов Г. В., Бородулин Ю. Б., Гусев В. А. Автоматизированное проектирование силовых трансформаторов. — М.: Энергоатомиздат, 1987, 264 с.

65. Сканави Г. И. Физика диэлектриков (область сильных полей). — М.: ГИФМЛ, 1958, 907 с.

66. Kok J. Electrical breakdown of insulating liquids. Plilips' Gloeilampenfabricken Eindhoven (Netherlands), 1961.

67. Тареев Б. M. Физика диэлектрических материалов.- М.: Энергоиздат, 1982. — 320 с.

68. Бортник И. М., Верещагин И. П., Вершинин Ю. Н. и др. Электрофизические основы техники высоких напряжений: Учебник для вузов.

69. Под ред. Верещагина И. П., Ларионова В. П. — М.: Энергоатомиздат, 1993, 543 с.

70. Ушаков В. Я. Импульсный электрический пробой жидкостей. Томск, Изд-во Том. Ун-та, 1975.

71. Митькин Ю. А. Электрофизические характеристики жидких диэлектриков, содержащих примеси: Учеб. пособие/ Иван. гос. энерг. унт.- Иваново, 2002, 148 с.

72. Ушаков В. Я., Лопатин В. В., Багин В. В. «Эффект площади» электродов при пробое трансформаторного масла. Изд. вузов, Физика, 1969, №4, с. 36-38.

73. Степанчук К. Ф., Тиняков Н. А. Техника высоких напряжений. -Минск: Высшая школа, 1982, 367 с.

74. Каляцкий И. И., Панин В. Ф. Исследование импульсной прочности трансформаторного масла в области воздействия коммутационных перенапряжений // Известия вузов СССР, Энергетика, 1966, №6, с. 15-18.

75. Стишков Ю. К., Остапенко А. А. Электродинамические течения в жидких диэлектриках. Л.: Изд-во ЛГУ, 1989, 174 с.

76. Тарг С. М. Основные задачи теории ламинарных течений. — М. — Л.:ГИТТЛ, 1951,420 с.

77. Баумштейн И. А., Бажанова С. А., Справочник по электротехническим установкам высокого напряжения. — М.: Энергоатомиздат, 1989.

78. Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. М.: Наука, 1971, с. 939.

79. Дмитриевский В. С. Расчет и конструирование электрической изоляции: Учебное пособие для вузов. М.: Энергоиздат, 1981, с. 392.

80. Липштейн Р. А., Шахнович М. И. Трансформаторное масло. -М.-Л.: «Энергия», 1964, с. 320.

81. Гумбель Э. Статистика экспериментальных значений. — М.: Мир,1965.

82. Weber К, Endicott. External area effect for large electroder for the electric breakdown of transformer oil. AIEE Trans., Power App. And Syst., p.III, v.76, 1957.

83. Александров Г. H., Иванов В. Л., Кадомская К. П. и др. Техника высоких напряжений. Под ред. Костенко М. В. — М.: Высшая школа, 1973, 528 с.

84. Худсон Д. Статистика для физиков. М.: Мир, 1967, 243 с.

85. Митькии Ю. А. Выбор масляной и комбинированной изоляции: Методическое пособие по дисциплине «Физические основы техники высоких напряжений» / Иван, энерг. ин-т: Иваново, 1975, 102 с.

86. Белоцерковский О. М., Максимов Ф. А., Шевелев Ю. Д. Пространственные задачи вычислительной аэрогидродинамики // Восьмой Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике. Анн. докладов.— Пермь, 2001, с.93.

87. Крупа В. Г. Расчет трехмерных вязких течений в элементах тур-бомашин // Восьмой Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике. Анн. докладов.— Пермь, 2001, с.369.

88. Yershov, S. V., Rusanov, А. V. (1996), The new high resolution method of Godunov's type for 3D viscous flow calculations. The 3rd Colloq. Process Simulation, ed. A. Jokilaakso, 12-14 June 1996, Espoo, Finland, pp. 69-85.

89. Солдатов А. В., Прусаков М. В., Митькин Ю. А., Ясинский Ф. Н. Математическое моделирование движения масла и распределение температуры в модели ввода высокого напряжения. Вестник ИГЭУ. ИГЭУ, 2004, №3. с. 52-53.

90. Press, W.H. et al. Numerical recipes in C: The art of scientific computing. — Cambridge University Press, 1992.— 994 p.

91. Калиткин H. H. Численные методы. M: "Наука". 1978. — 512 с.

92. Демидович Б. П., Марон И. А. Основы вычислительной математики. М: "Наука", 1970, 664 с.

93. Ясинский Ф. Н., Чернышева JT. П., Пекунов В. В. Математическое моделирование с помощью компьютерных сетей: Уч. пос. — Иваново: Изд-во ИГЭУ, 2000, 201 с.

94. Султанов В. Г. Трехмерное численное моделирование высокоэнергетических импульсных процессов: Автореф. дис. канд. физ.-мат. наук. — Черноголовка, 2001, с. 15.

95. Пекунов В. В. Параллельное моделирование распространения загрязнений в задачах автоматизации проектирования энергетических и муниципальных объектов. Дис. канд. техн. наук. - Иваново, 2003, 161 с.

96. Чернышева JT. П., Ясинский Ф. Н. Проблема обработки стыков при моделировании процессов в сплошных средах с помощью многопроцессорных систем // Тез. докл. Междунар. науч.-техн. конф. «X Бенардо-совские чтения». Иваново, 2001, т. 2., с.41.

97. СолдатовА. В. Оптимизации системы охлаждения высоковольтных маслонаполненных вводов. Межвуз. сб. научн. трудов «Высоковольтные техника и электротехнология». ИГЭУ, 2005, том 1, с. 77.

98. СолдатовА. В. Применение моделей тепловых и гидродинамических процессов для диагностики маслонаполненных вводов высокого напряжения. Межвуз. сб. научн. трудов «Высоковольтные техника и электротехнология». ИГЭУ, 2005, том 1, с. 25.

99. СолдатовА. В. Математическая модель расчета тепловых и гидродинамических полей маслонаполненных вводов трансформаторов. Ивановский энерг. гос. ун-т. — Иваново, 2005. — 18 с. — Деп. В ВИНИТИ 02.06.2005 № 802-В2005.

100. СолдатовА. В. Разработка методов численной реализации математической модели расчета тепловых и гидродинамических полей маслонаполненных вводов трансформаторов. Ивановский энерг. гос. ун-т. Иваново, 2005. — 17 с. — Деп. в ВИНИТИ 02.06.2005 № 803-В2005.