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绝缘系统 设计中的 数字化建模
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绝缘系统设计中的数字化建模

April 12, 2017 • Columns, Commentary by Pigini, 最近文章汇总

随着计算能力和专业计算软件的发展,有限元分析(FEA)已经从过去主要用于 学术研究发展成为产品开发的常用工具。例如,工程仿真技术目前可以对运行 在不同的环境条件下,不同配置的复杂的电力系统进行细致的分析。
800kV直流穿墙套管法兰的机械应力评估 绝缘系统设计 绝缘系统设计中的数字化建模 INMR CHINA 15 pigini01

800kV直流穿墙套管法兰的机械应力评估

硬件与软件的发展也提高了使用FEA进行设计的速度,使其更好地与生产周期的 步调一致。因此,FEA不仅在验证最终的设计中,而且在电力设备以及相关绝缘 系统的设计中已经变得很有价值。数字化的原型设计也使工程师们能快速评估更 多的设计可选方案,并且挖掘出更有创意的替代方案。虽然FEA方法无法完全取 代实体原型机(仍然需要实体原型机以确认物理实体与虚拟现实是否相吻合), 由于仅需在进入生产前建立并且测试一个实体模型,整个过程将被大大缩短。
另一个优点是,一旦有效地建立了FEA数字化模型,我们就可以通过仿真实际 运行条件下遇到的不同边界与负载,预测设备的行为表现,而这是仅通过型式 试验难以完成的。
确保建立正确的数字化仿真模型的一个要素是评估每一种设备及其绝缘系统组 件的材料特性,以及它们与所有产生影响的参数之间的函数关系。例如,对 于直流设备,必须谨慎确定单一绝缘材料的电阻值(其电阻值的差异巨大, 可以从1010Ωm至1018Ωm不等),自始至终都要考虑材料特性取决于温度。
此外,当引入新的材料与部件时,必须正确地确定其机械特性,如弹性模量或 泊松比。由于必须考虑多种不同故障模式以及不同组件内各方向受力的所有情 况,足可以证明复合材料是高度复杂的。因此,复合材料的试验表征有难度, 或许需要进行大量的实验。
使用正确的数字化符号表述物理模型也是很重要的。我们需要全方位地仿真模 型,并且将其划分得足够精细,以达到评估中足够的精度要求,自始至终需要 考虑计算设备或所用软件的所有局限性。
FEA数字建模也必须考虑任何可能影响设备可靠性的物理约束,例如电场,热 场及机械变量,通常为三者的耦合作用。因此,有必要仔细考虑,在与这些参 数相关的所有工程约束中,系统与子系统之间的边界。
特高压屏蔽电极的FEA设计 绝缘系统设计 绝缘系统设计中的数字化建模 INMR CHINA 15pigini03

特高压屏蔽电极的FEA设计

最终,从电气的角度看,为了确保在设备的任意区域,其电场强度均低于材料的 耐受强度,使用FEA方法来验证数字化样机是必不可少的。例如,如前所述,在 直流套管的电场设计中,必须考虑材料的电阻值取决于温度。必须依此建立套 管的初步热学模型,若有必要,将研究电与热瞬态的相互作用,以验证在此种 情况下,套管内部的任意区域均不会达到故障的临界条件。
一旦从电气角度完成数字化建模以后,FEA热学分析就能够预测局部发热点。 由于电阻损耗与材料的电阻率相关并随温度而变化,所以初步的热学分析能够 帮助我们调整参数。在数字化样机中,因为冷却系统的设计可以驾驭材料的选 择以及机械性能的解决方案,必须特别注意通过将热学和流体动力学相结合来 设计冷却系统(例如在套管中)。
最后一点,但仍然很重要,同样使用FEA,必须从机械性能的角度验证数字化 建模。为了进行可靠的数值分析,第一步是正确的物理模型图解,根据实际 情况并且考虑从以前研究中的电学或热学约束进行外推而得。除了几何上的 定义外,最初的步骤必须包含对负载(取决于结构与应用环境)进行分析, 包括:运行荷载,运输荷载,地震、覆冰荷载或者任何多种因素的组合荷载。
上述结果清楚地表明,FEA的系统应用目前不仅是优化设计的必备工具,而且降 低研发费用。特别是,已知能延伸到20m或以上的物理模型造价高昂,以及相 关实验复杂且花费巨大,数字化建模广泛应用于特高压绝缘系统已成为必须。
Alberto Pigini

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