УДК 537.8:621.315

Подольцев А.Д., ,докт. тех. наук, Кучерявая И.Н., канд. техн. наук

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В КОМПОЗИЦИОННЫХ ПРОВОДЯЩИХ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТРУКТУРАХ

        В проведенных работах по моделированию и исследованию электрофизических процессов в композиционных структурах применен метод конечных элементов и развит метод многомасштабного моделирования, предложенный для решения задач электротехники в монографии авторов [3]. Метод конечных элементов, использованный для расчета электрических, электромагнитных, тепловых процессов в сложных и гетерогенных средах, позволил учесть нелинейные характеристики разнородных составляющих исследованных структур со сложной геометрией, достичь высокой точности расчетов, а также получить решение связанных мультифизических задач – электрической и тепловой, электромагнитной и тепловой.
        Исходя из потребностей практики, решены следующие задачи:
        1. Численное моделирование и анализ волновых процессов в двух трехфазных высоковольтных (110 кВ) кабельных линиях с неоднородными параметрами [4]. Исследование проведено посредством определения магнитного и электрического полей кабельных линий, нахождения эквивалентных параметров кабелей (емкость, индуктивность, проводимость, сопротивление), зависящих от продольной координаты, и последующего моделирования процесса распространения импульса напряжения от внешнего источника в кабеле с поврежденной полиэтиленовой изоляцией. Результаты исследования могут быть полезны для совершенствования средств защиты и диагностики состояния изоляции силовых кабелей.
        2. Изучение электрофизических процессов в гетерогенной структуре полиэтиленовой изоляции силовых кабелей и самонесущих изолированных проводов с учетом имеющих место в действительности объемных и поверхностных дефектов различной концентрации. Полученные результаты позволили проанализировать причины ускоренного старения изоляции кабелей и проводов, а также выработать рекомендации по организации технологического процесса изготовления кабельно-проводниковой продукции с полиэтиленовой изоляцией.
        3. Моделирование и анализ связанных электромагнитных и тепловых процессов в трехфазных кабельных линиях подземной прокладки [1]. Исследуемая трехмерная область, состоящая из кабелей, засыпочного грунта и природной почвы, характеризуется неоднородностью по пространственным координатам. Разработанные методика расчета и компьютерные средства позволяют определять в каждом конкретном случае предельные токовые нагрузки кабельных линий с учетом допустимой температуры нагрева жил кабелей.
        Метод многомасштабного моделирования получил дальнейшее развитие применительно к задачам электротехники:
        – при расчете электрического поля и эквивалентных параметров композиционной структуры полиэтиленовой изоляции силовых кабелей с объемными включениями;
        – при исследовании связанных электротепловых процессов в установках индукционного нагрева с учетом неравномерности распределения плотности тока в витках индуктора [4]; при этом на макроуровне решена полевая задача в объеме всей индукционной установки, а на микроуровне рассмотрены электромагнитные процессы в сечении единичного массивного витка индуктора;
        – при изучении высокочастотных явлений в силовом трансформаторе на двух масштабных уровнях [5] – на макроуровне в объеме всего трансформатора и на микроуровне в сечении проводников первичной и вторичной обмоток трансформатора, которые представляются в виде композиционной среды с периодической структурой; расчетным путем получены значения эквивалентных параметров обмоток трансформатора в диапазоне частот 50…10⁶ Гц.
        Применение в работе метода многомасштабного моделирования, который предусматривает исследование композиционных структур на различных пространственных уровнях, позволило определить как характеристики поля в локальных областях, так и эффективные электрические параметры сложных неоднородных структур – композиционного диэлектрика (полиэтиленовой изоляции силового кабеля с включениями), индукционной установки и силового трансформатора.

        1. Кучерявая И.Н. Трехмерное конечно-элементное моделирование тепловых процессов в подземных кабельных линиях бестраншейной прокладки //Техн. електродинаміка. – 2007. – № 2. – С. 3–9.
        2. Подольцев А.Д., Кучерявая И.Н. Компьютерное моделирование электротепловых процессов в установке индукционного нагрева на двух пространственных уровнях // Электрон. моделирование. – 2007. – Т. 29. – № 2. – С. 85–99.
        3. Подольцев А.Д., Кучерявая И.Н. Элементы теории и численного расчета электромагнитных процессов в проводящих средах. – К.: Изд. Ин-та электродинамики НАН Украины, 1999. – 363 с.
        4. Шидловский А.К., Щерба А.А., Подольцев А.Д., Кучерявая И.Н., Золотарев В.М., Василец Л.Г. Компьютерное моделирование волновых процессов в высоковольтной кабельной линии с неоднородными параметрами // Техн. електродинаміка. – 2007. – № 1. – С. 3–12.
        5. Podoltsev A.D., Nilanga K.G., Serdyuk Yu.V., Gubanski S.M. Multiscale computation of parameters of power transformer windings at high frequencies. Part I: small-scale level // IEEE Trans. on Magnetics. – Vol. 43, No. 11. – November, 2007. – Р. 3991–3998; Part II: large-scale level // IEEE Trans. on Magnetics. – Vol. 43, No. 12. – December, 2007. – Р. 4076–4082.