ISSN 1991-3087

Свидетельство о регистрации СМИ: ПИ № ФС77-24978 от 05.07.2006 г.

ISSN 1991-3087

Подписной индекс №42457

Периодичность - 1 раз в месяц.

Вид обложки

Адрес редакции: 305008, г.Курск, Бурцевский проезд, д.7.

Тел.: 8-910-740-44-28

E-mail: jurnal@jurnal.org

Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100
Яндекс.Метрика

Моделирование тепловых режимов трансформатора в программном комплексе Comsol Multiphysics

 

Паршина Кристина Ивановна,

магистрант Казанского государственного энергетического университета.

Научный руководитель – кандидат технических наук, доцент

Гарифуллин Марсель Шарифьянович.

 

При работе трансформаторов возникают потери энергии, превращающиеся в конечном счете в теплоту. Теплота повышает температуру обмоток, активной стали, контактных соединений, конструктивных деталей и одновременно рассеивается в окружающую среду [3]. Нагревание оборудования ограничивает его мощность и является главной причиной старения изоляции. Проведенный анализ научно-технической отечественной и зарубежной литературы показал, что работ, непосредственно посвященных мониторингу тепловых полей сложных электротехнических элементов и устройств имеется небольшое количество. Не исследованы процессы распределения тепловых потоков внутри и снаружи устройства, не рассмотрены вопросы определения и идентификации внутренних повреждений трансформаторного и иного электротехнического оборудования. Проведенные ранее исследования создали предпосылки для решения задач идентификации внутренних нарушений, влияющих на тепловой режим работы оборудования, и определения его месторасположения и температуры дефекта. Поэтому теоретическое обобщение процессов теплового распределения с учетом динамического движения масла в трансформаторах и идентификация на этой основе его повреждений (состояния работоспособности) является актуальной научной задачей.

В настоящее время является актуальным создание систем мониторинга для предупреждения различных повреждений трансформаторов или другого оборудования. Очевидно, что при каждом определенном дефекте будет свое распределение теплового поля, а значит и свои последствия. Предсказывание новых дефектов с помощью анализа этого самого поля – довольно действенный способ избегания различных поломок трансформатора.

Часто для оценки состояния оборудования создаются математические модели, содержащие в себе большое количество расчетов, требующие большое количество времени для своего расчета для каждой отдельной единицы оборудования. К тому же, при расчете сложных систем нередко можно допустить ошибки чисто математического характера. В результате всю работу приходится переделывать заново.

Более перспективным и наглядным является создание интерактивных моделей в различных программных пакетах. Они позволяют создавать модели, близкие к реальным, при этом не требуя глубоких математических знаний.

В данной работе для моделирования используется программный пакет Comsol Multiphysics. Это мощная интерактивная среда для моделирования и расчетов большинства научных и инженерных задач основанных на дифференциальных уравнениях в частных производных методом конечных элементов. С этим программным пакетом можно расширять стандартные модели, использующие одно дифференциальное уравнение (прикладной режим) в мультифизические модели для расчета связанных между собой физических явлений [1]. Расчет не требует глубокого знания математической физики и метода конечных элементов, который лежит в основе пакета [4].

Полную трёхмерную компьютерную модель такой сложной нелинейной термогидравлической системы, как реальный силовой масляный трансформатор, можно определить как общую теплогидравлическую макромодель трансформатора [2]. Она может включать в себя описание геометрии и детальной структуры всех трёх фаз, включающих в себя магнитопровод и рабочие обмотки. Такая модель должна обеспечить получение достоверных основных интегральных характеристик системы тепловыделения, температуры на выделенных поверхностях.

Для моделирования на уровне макромодели обмотка представлена эквивалентным сплошным твёрдым телом без отдельного рассмотрения конвекции в межкатушечных горизонтальных каналах и детальной структуры катушек с изоляцией и дистанцирующими прокладками. Как указано ранее, задачей макромодели является описание и общий расчёт теплогидравлических процессов всего трансформатора с обязательным учётом всех (основных и дополнительных) тепловыделений, имеющих место в трансформаторе.

С помощью Comsol Multiphysics созданы варианты моделей трансформатора с дефектами и без таковых. Трансформатор представлен в виде прямоугольного бака, заполненного трансформаторным маслом и с располагающимися внутри него обмотками и сердечником. Дополнительно вокруг бака создана область, заполненная воздухом. Дефекты заданы как дополнительные источники теплоты.

Проведенные расчеты распределения теплового поля наглядно показали распределение теплового поля по всей поверхности модели, включая температуры на ребрах и границах. Проведены расчеты для моделей с дефектами в одной из обмоток, в сердечнике, одновременно в разных частях трансформатора. Очевидно, что там, где расположен дефект, температура выше, чем в аналогичной модели нормального режима (без дефектов), следовательно, температура на поверхности так же повышается.

На рисунках 1 и 2 представлены примеры полученных моделей с наличием дефекта и без такового.

 

Рис. 1. Распределение теплового поля в трансформаторе без дефектов.

 

Рис. 2. Распределение теплового поля в трансформаторе с дефектом в левой крайней обмотке.

 

Таким образом, Comsol Multiphysics позволяет смоделировать и наглядно продемонстрировать распределение температурных полей при любом режиме работы трансформатора. Создание интерактивной модели может стать очень удобным и перспективным способом диагностики и мониторинга дефектов в различных его частях. Это позволяет прогнозировать и предупреждать развитие различных дефектов и, следовательно, продлевать эксплуатационный период оборудования.

 

Литература

 

1.                  Roger W. Pryor Multiphysics modeling using Comsol: a first principles approach. Jones and Bartlett Publishers London W6 7PA United Kingdom, 2011.- 871с.

2.                  Дульнев и др. Применение ЭВМ для решения задач теплообмена: Учеб. пособие для теплофизич. и теплоэнергетич. спец. вузов. М.: Высш. шк., 1990.- 207 с.

3.                  Исаченко В.П.и др. Теплопередача: Учебник для вузов. – М.: Энергоиздат, 1981. -416 с.

4.                  Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. – М.: Мир, 1979. – 392 с.

 

Поступила в редакцию 16.03.2012 г.

2006-2017 © Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов.
Все материалы, размещенные на данном сайте, охраняются авторским правом. При использовании материалов сайта активная ссылка на первоисточник обязательна.