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仿真技术有助于不仅优化模具的设计 而且优化整个固化周期,从而生产出没 有内应力的元
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研究中心开发仿真工具,使元件的设计、制造和抗震性能达到最佳

October 30, 2015 • Utility Practice & Experience, Utility Practice & Experience, 最近文章汇总

说到电网上使用的元 件,近三十年见证了 数次变革(有些甚至可 以 说 是 革 命 ) 。 对 于 设备供货商来说,这 些发展促使他们必须 始终保持在技术的前 沿,才能确保他们的 产品在材料、设计和 性能方面不断反映市 场的期望。 ABB是一个庞大的跨国 工程公司,拥有700多 个学者和专家,七个一 流的研究中心,遍布全 球, 从瑞典到瑞士,从 美国到中国。除了内部 的研究项目以外,这些 研究中心还同教育和 科研机构合作,起着为 ABB众多业务提供所需 的技术支持的作用。 其中一个研究中心位 于 波 兰 的 克 拉 科 夫 (Krakow)市,该市巴 洛克风格的大教堂远 比高电压工业闻名得 多,似乎不太可能是 高电压工业研究中心 的所在地。INMR采访 了这个快速发展的研 究中心,报导了他们 近期的活动。

Marek Florkowski是波兰ABB公司研 究中心(PLCRC)主任。他马上承认,乍 看起来,克拉科夫作为电力系统专营商 的所在城市,似乎不同寻常。他说,然 而,在这座历史城市设立研究中心的最 理想之处就是它的教育力度,而不是它 的工业基地。这个不到一百万居民的城 市,有十五所大学和一百多个不同的研 究机构,汇集了大约14万学生。这意味 着,这里不仅有大量的年轻俊才,具备 多门学科的技能,而且还具有各种设备 精良的、无论何时需要都能够方便利用 的试验室。 Florkowski解释说,PLCRC于1997年 开始创建,当时仅仅只有现在这座建筑 物的一个房间。此后公司逐步成长,占 据了整座建筑物,200多位职工从事软 件开发和其它研发工作。他说,“我们 原来的目的只是为ABB进入东欧市场起 到一个铺路石的作用,但是此后却超越 了满足地区性的需要,成为主要专为国 际市场服务的公司了。” PLCRC的研究任务之一是电力电子,包括低压和中压驱动,应用范围从电动汽车 的快速充电直到高压直流输电。然而,研发工作还包括金属材料和转换、电网自 动化以及基础设施和开关技术。 据Florkowski介绍,电力系统的主要发展之一是互联电网和电网重新配置的大 量增长。他预计,“特别是随着智能电网的兴起,将来会出现非常多的转换。这 意味着,在所有电压等级方面将有更多的过渡状态,我们需要找到更好的缓解 方法。” 他说,与此类似,其它日益重要的领域包括,用于中压系统的故障定位 算法、用于风能发电的电动机驱动的状态监视和诊断等。

仿真技术有助于工艺规划人员检查液体硅橡胶材料如何填充模腔,然后材 料如何固化 仿真工具 研究中心开发仿真工具,使元件的设计、制造和抗震性能达到最佳

仿真技术有助于工艺规划人员检查液体硅橡胶材料如何填充模腔,然后材料如何固化

PLCRC还有一个快速成长的学科是对绝 缘配合、电力系统分析和直流/交流系统 领域的仿真。Florkowski评述,例如,现 在使用注射或其它模压工艺制造很多电 网元件,诸如绝缘子。因为制造需要的钢 制模具非常昂贵,因此可以采用仿真技术 来改进初步设计,获得理想的进口通道 配置以及最优的加热接触面。 他 说 ,用大于 9 0 % 的 精确 度 来 仿真这 些参数,意味着从一开始就可以订购设 计最佳的模具。过去,主要依靠反复试

验,从失败中找到,导致所有新元件 因为需要调整模具而有很高的废品 率。Florkowski又说,已经证明这种方 法非常有价值,所以ABB所有的战略 业务部门,现在都例行要求采用这样 的仿真技术。 Rob er t S ekula是制造机械和材料 科 学的组长,小 组的目标是 通 过优 化 制 造 方 法 开发 更 稳 健 有 效 的 产 品。Sekula说,"我们关注的重点领域 之一是绝缘材料,诸如使用活性反应 和注射模具加工的环氧树脂和液体硅 橡胶(LSR)。我们还在潜心研究断裂 力学和薄膜技术,以改善不同材料例 如热塑性塑料和金属之间界面和粘结 层的质量。" Sekula介绍,电气元件,诸如套管和 绝缘子,能够从仿真技术中获得巨大 的好处。Sekula说,“例如,我们的目 标是设计出在大温度范围内不出现裂 纹的环氧树脂元件。达到这个目标将 取决于材料、设计和制造,因为所有 这些因素都有可能产生不希望有的内 应力,这些内应力基本上都会‘冻结’ 在元件内。因此无论设计(例如,厚 度)还是工艺(例如固化循环)都应该 进行优化。” 仿真技术的一个具体成果,是为美国 市场开发的38kV户外真空自动开关。 在这项仿真技术中,PLCRC开发了软 件,仿真在环氧树脂固化期间(该过程 称为凝胶),模具填充和温度的分布。

设计出在大温度范围内不出现裂纹的 环氧树脂元件取决于材料、设计和制造 方法,因为所有这些因素都会产生不 希望出现的内应力 仿真工具 研究中心开发仿真工具,使元件的设计、制造和抗震性能达到最佳 earthquake

设计出在大温度范围内不出现裂纹的
环氧树脂元件取决于材料、设计和制造方法,因为所有这些因素都会产生不希望出现的内应力

Sekula解释说,"理想的情况是应该 只有一个凝胶前沿,否则,就会引起气 孔、熔接痕或其它与材料的收缩补偿 相关的问题。采用3-D仿真技术有助于 调整工艺参数或修改设计,以避免产 生与应力和变形有关的热学和其它质 量问题。"

Sekula继续说,活化成型仿真目前是植入PLCRC的一项特殊技能,可以在网 络平台上全自动运行的这项工作正在进行中。如果要使用这项技术,元件的 设计者需要做的仅仅是提供元件的CAD模型以及基本工艺参数,然后整个 仿真过程将自动执行,并生成一份报告。Sekula说,“这是世界上第一个这样 的系统,并且我们也在研究能够计算产品的应力和强度的机械仿真工具。” 目前,同样的方法原理也被用于固化液体硅橡胶,制造诸如高压空心绝缘子 这样的元件。Sekula说,“因为空心绝缘子的尺寸很大,用于制造它们的模 具通常有多个注射口。如果仿真技术能够调整它们以达到最优化的模具填 充,总的制造时间将缩短并进而提高机器的生产率。”他指出,这种仿真技术

不仅能够应用于新建的生产线,因其消除了模具中任何可能的没有被填充的区 域,从而缩短生产周期或改进质量,也优化了现有的工艺。 例如,如果有三个进料通道,仿真技术就会检查硅橡胶材料是如何填充模腔的, 然后凝胶是如何扩展的。

Sekula说,“我们按照注射通道的数量和位置试验了 它们的不同排列,观察总的加工时间以及对流动模式和固化分布的影响。" Sekula说,显然,这个工艺非常之有效,作为仿真技术的直接成果,ABB集团的 中国工厂成功地将生产周期的时间减少了30%。此外,仿真技术非常灵活,足以 满足任何典型的绝缘子外形,从单一伞盘到交替伞盘。

PLCRC开发的另外一项日益广泛应用的仿真技术,用于预测地震中元件和设备 的行为是怎样的。到目前为止,这类工作的大部分是在安装有震动台的试验室内进行的专门测试,这是既费时又昂贵的 试验过程。Sekula说,使用仿真技术, 有效地消除了对这种试验的需要,它作 为一种替代技术日益为客户接受。 研发出来的这种 抗 地震 性能 仿真 技 术已经应用于变压器、套管和隔离开 关。Sekula说,"由于有了这种能力,在震 动声学和地震分析方面,我们现在或许是 ABB内最先进的研究中心。" Marek Fulczyk是PLCRC另外一个小组 的组长。他的小组共有20位工程师和技 术员,工作领域是电网的基础设施和自 动化,典型的项目包括应用运算和软件 确定高压线路的故障定位。 Fulczyk解释说,处理暂态问题是目前 他们团队面临的日益增长的要求之一。 他说,“随着智能电网和不稳定可再生 能源的并网,对实现平稳地转换和防 止设备过早老化的需要在日益增长。” 例如,他的团队已经开发了一些小型装 置,能够集成到诸如套管这样的元件 内,以减少由于暂态切换而可能引起的 老化。这些装置显然已经在瑞典得到了 广泛的应用,该国电力系统的稳定性受 到日益增长的可再生能源的冲击。 变电站工程及其设计是另外一个目标领 域。他说,由于诸如将风力发电并入电 网等,电力系统发生了变化,这些变化 为变电站带来了新的运行条件。他说, 这将迫使电力公司考虑:如何修改变电 站的布局,允许新增加的发电并网,以 及允许预期的更多地使用直流输电。 Florkowski认为PLCRC研发的互补技 能,诸如由Sekula和Fulczyk领导的小 组研发的技能,归功于鼓励成果分享和 集思广益的研究氛围。他说,“我们的 多学科分布和柔性结构是我们最大的 资产,尽管我们的最初设想是作为一个 伸向东欧的区域性门户,但今天,我们

95%项目已经能够满足ABB跨国公司世 界范围的需要。"

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