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试验还是模拟
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试验还是模拟?

August 7, 2015 • Columns, From the World of Testing, 最近文章汇总

某些人总有这样的观点:在大型实验室测试 电力设备是费力花钱的事情, 可以用计算机 仿真和模型来代替。如果说美国用超级计算机就 可以试验核武器,对相对简单的电力设备为什么 需要数百万的实验室呢?在试验行业经常听到类 似的观点,特别是在计算能力和物理模型精确度 快速发展的今天。这个用模拟代替试验的问题引 起了CIGRE(国际大电网会议)的注意,为此专 门建立了一个独立工作组研究这个问题
第一次尝试这种模拟测试时,两大制造商联合设 计了一个独特的SF6灭弧室,该灭弧室将装配在 一个具有所有相关电气特征的“虚拟”高压断路 器上。然后,将这个灭弧室的计算机设计参数分 别提供给6个制造商,他们利用各自的软件、方 法和输入法去进行电场应力分析。KEMA收集了 所有的测试结果,令人惊奇的是,每家计算的电 场应力均落在非常小的范围内。此次尝试的另一 课题是在雷电冲击 、操作冲击和工频电压等各种 应力下击穿电压的模拟计算,各家的计算结果有 很大的不同。 当然真理需要实践的检验,最后一步,在KEMA 监督下,工作组制造并实际测试了这种灭弧室, 其结果是在大部分情况下,实际的击穿电压高于 计算机模拟的预测值。 我们从中得到的重要启示是,电力设备中的电场 计算可利用有限元法通过计算机可靠地模拟出 来。但是,承受这些应力却得另当别论。由于电 气击穿,材料破裂,爆炸等过程实际上受材料的 局部变化影响非常大,模型无法准确地模拟这些 破坏性过程,因此导致了整个模拟过程的失败。 来自ABB 的Martin Kriegel 博士证实了上述问 题。 Martin Kriegel 博士是CIGRE工作组的召 集人,受邀参加了近期KEMA主持的“改变能源 世界”的国际会议,并做了主题演讲。他解释了 弯曲铅笔的机械应力可以计算,但是铅笔的折断 点却无法计算出来,因为这取决于木头独特的微 观结构。 CIGRE工作组得出结论, 计算机模拟只能算是差强 人意的辅助工具,在研发阶段可以降低成本, 仅在 很少的情况下(如温升试验)可以代替实际试验。 同时进行讨论的还有大型电力变压器短路试验的 问题。由于此类大型设备一般是专门设计或者小批量生产,所以型式试验的做法实际上是不适用 的。通常我们也不会在试验后将一台300 MVA变 压器直接报废。
一般认为设计评估(关于变压器短路能力的第三 方设计复审)可以代替实际试验。关于这个问题 是选择实验室试验还是计算机模拟难以取舍,因 为短路试验容量有限,而试验和运输费用昂贵。 同时由于试验后的变压器可能要投入运行,所以 试验工程师必须确定试验是否对变压器造成了永 久损坏。因此,选择设计评估还是实际试验必须 综合考虑可靠性的要求,预计的故障率,短路应 力设计的灵敏度等因素,并依据具体情况而定。 对变压器来说短路试验不容小觑:KEMA的经验 是约30% 的大型电力变压器最初都无法通过短路 试验;对于制造商来说,也可以由试验结果验证 自己的模拟计算软件,因此变压器短路试验是非 常有意义的。 在试验方法的研究中利用计算机计算也是非常重 要的一环。当然,相应的试验回路结合电网分析 工具的方法已应用多年,但对试验程序进行模拟 还是一项新的课题。其中对中压开关和GIS的内 部电弧试验就是目前备受争议的一个话题。内部 电弧试验是测试在电气设备内部发生由电弧引起 的巨大电力故障的情况下能否保证人身和财产安 全。从环保的观点来说,在充满SF6的气室里进 行燃弧试验是非常危险的,因为,电弧作用下的 SF6 气体毒性很强,而且是极有害的温室气体。 因此,必须采取适当的措施避免扩散到大气中。 简单方法是用空气代替SF6,但是研究证明在故 障电弧导致气室压力上升方面两者的表现是无等 价信而言的。在CIGRE的协作下,我们正在开发 满足环境和技术两方面的试验方法。 总之,很清楚的是,利用计算机模拟的方法在电 力产品质量保障的各个阶段都是非常有价值且必 不可少的辅助工具,但是被广泛认可的是,在真 实应力作用下的试验仍然是最有效的验证手段。 这样的试验考虑到了设计的各个方面,包括计 算机无法模拟的材料缺陷,生产工艺等问题。因 此,试验和模拟的有机结合才是最令人满意的。
Rene Smeets

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