141 "Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка"
Постійне посилання колекціїhttps://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/49050
Переглянути
Документ Визначення умов виникнення високовольтних розрядів у системах складних просторових конфігурацій(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Литвиненко, Світлана АнатоліївнаДисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 141 – Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка (галузь знань 14 – Електрична інженерія). Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", МОН України, Харків 2021. Об’єкт дослідження: електрофізичні процеси при високовольтних розрядах. Предмет дослідження: математичні та фізичні моделі електрофізичних процесів при високовольтних розрядах. Дисертація присвячена вирішенню наукової задачі визначення умов виникнення високовольтних розрядів у системах складних просторових конфігурацій шляхом застосування науково обґрунтованих методів математичного та фізичного моделювання електрофізичних процесів при розрядах в повітряних проміжках. Дисертація виконана з застосуванням фундаментальних положень теорії електромагнітного поля, математичної фізики, теоретичної електротехніки. При розробці моделей для опису електричного поля у розглядуваних системах використовувалися аналітичні методи, а також числовий метод скінченних об’ємів. Коректність використаних методів, збіг експериментальних та теоретичних результатів, а також збіг аналітичних та числових розрахунків, використання розробок у навчальному процесі та наукових дослідженнях за тематикою університету свідчать про достовірність виконаних досліджень. У вступі представлені актуальність теми дисертації, задачі дослідження, показаний зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами, описані методи дослідження та наведена інформація про наукову новизну здобутих результатів та їхнє практичне значення. В першому розділі наведений аналіз наявних даних щодо електрофізичних процесів, які супроводжують високовольтні розряди у повітрі, методів їхнього дослідження та моделювання, як фізичного, так і математичного. В другому розділі представлені математичні моделі електричного поля в системах з електропровідними стрижнями, висота яких на декілька порядків перевищує їхній діаметр. При аналітичних розрахунках електричного поля (ЕП) заземлений стрижень був представлений у вигляді видовженого електропровідного еліпсоїда. Розраховані розподіли напруженості електричного поля в системах з розглянутими видовженими сфероїдами, розташованими в зоні дії ЕП, показали суттєву залежність напруженості ЕП, а отже, й умов утворення висхідних розрядів, від висоти об’єктів і значно меншу залежність від діаметра їхньої бази. Розроблений числовий метод розрахунку базується на методі скінченних об’ємів, при використанні якого досліджувана область поділена на елементарні комірки, що мають форму паралелепіпеда. Стрижень при цьому представлений рядом вузлів, розташованих на його осі. Нелінійний закон зміни напруженості та потенціалу в радіальному напрямку від осі стрижня та наявність електропровідності вздовж стрижня враховані за допомогою тензору діелектричної проникності. Для зменшення розмірів розрахункової системи, що належить до систем з відкритими границями, застосовані одновісне добре узгоджені шари (UPML). Адекватність розрахунку розподілу ЕП видовженого стрижня розробленим числовим методом підтверджується добрим збігом результатів розрахунків з результатами аналітичного розрахунку для випадку представлення електропровідного стрижня видовженим сфероїдом. В третьому розділі досліджені фактори, які впливають на виникнення коронного розряду. Встановлено, що для поглибленого аналізу процесів, які викликають коронний розряд, необхідно розробити методи оцінки та засоби реєстрації струму корони за умови прикладення ЕП з різними характеристиками в системі площина-стрижень при використанні стрижнів, які мають різні геометричні параметри. Розроблено фізичну модель для реєстрації коронних розрядів за умови прикладення електричного поля до стрижневих електродів, з яких розвиваються такі розряди, та проведені відповідні експериментальні та теоретичні дослідження. Для цього використаний випробувальний стенд, що складається з потенціальної та заземленої поверхонь, та встановленого на заземленій поверхні стрижня. Для вимірювання струму корони використана схема, яка дозволяє обчислити кількість імпульсів струму корони за проміжок 10 мс. Фізичне моделювання процесів виникнення коронного розряду від електродів різної геометрії проводилось для трьох випадків дії ЕП в проміжку: в першому випадку до потенціальної поверхні прикладена постійна напруга позитивної полярності до 170 кВ, в другому – напруга негативної полярності до 170 кВ, в третьому – змінна напруга промислової частоти з діючим значенням 100 кВ. Виконана оцінка інтенсивності коронних розрядів в залежності від об’єму зон в околі верхівок, від яких розвиваються коронні розряди. Розроблено методику визначення розрахунковим шляхом наявності чи відсутності між високовольтним та заземленим електродами зон, в яких напруженість електричного поля не менша за достатню для розвитку стримерного каналу (2 кВ/см) з метою прогнозування ймовірності влучення високовольтного розряду. Встановлено, що інтенсивність корони, яка характеризується її виміряним струмом, залежить від об’єму зон, у яких напруженість ЕП перевищує критичний рівень пробою у слабко-неоднорідних полях (30 кВ/см). В четвертому розділі наведені приклади застосування методів математичного моделювання електричного поля при розрядах в складних системах з великими повітряними проміжками. За використання статистичної моделі процесу просування лідерного каналу блискавки до землі на останньому етапі, в якій враховані всі можливі зони появи лідерного каналу блискавки від грозової хмари, вплив розвитку коронних розрядів та зустрічного висхідного лідера від заземлених об’єктів та блискавкоприймачів, залежність швидкості руху стримерів у лідерній зоні блискавки від напруженості електричного поля, розподіл імовірностей появи блискавок з певним потенціалом, продемонстровано ефективність такого підходу при визначенні параметрів засобів блискавкозахисту підвищеної надійності. Проведено також моделювання розподілу електричного поля в околі високовольтних ліній електропередачі (ЛЕП-220) за умови різного розташування струмопроводів та з урахуванням змінення напруженості ЕП внаслідок наявності опор ЛЕП. Це дає можливість визначити умови виникнення небажаних коронних розрядів від елементів ЛЕП та обрати ефективні засоби їх блискавкозахисту. Був проведений також розрахунок тривимірного електричного поля в системах масивів вуглецевих нанотрубок (ВНТ), які представляють собою електропровідні стрижні зі співвідношенням висоти до радіусу 100 та більше. Це дозволило визначити співвідношення між щільністю елементів масиву ВНТ та їхньою висотою, які забезпечують максимальну напруженість ЕП в околі верхівок ВНТ при прикладенні електричного поля, та отримання більших струмів. Таким чином, в ході проведеного дослідження показано, що врахування нелінійного закону зміни потенціалу і напруженості EП в радіальних напрямках від осі стрижня і над його вершиною дає достатню точність розрахунку розподілу напруженості ЕП (відносна похибка менша за 3 %) при використанні досить великого кроку розрахункової сітки, пропорційного висоті стрижня, а не його діаметру. Такий підхід дає можливість розраховувати ЕП в околі розглянутих довгих і тонких електропровідних стрижнів, що дозволяє моделювати умови локального збільшення напруженості ЕП в околі верхівок та, за необхідності, вживати заходів для уникнення небажаних розрядів (наприклад від об’єктів, що захищаються, та ЛЕП), або для сприяння процесам виникнення таких розрядів (наприклад, від верхівок блискавкоприймачів для притягання лідера блискавки та від верхівок елементів масиву вуглецевих нанотрубок для збільшення емісійного струму). Розроблені методи фізичного та математичного моделювання передпробійних та пробійних процесів при прикладенні високої напруги можуть бути використані для створення нового покоління більш надійних та економічних засобів захисту від дії електромагнітних завад природного та штучного походження, в тому числі таких об’єктів, як атомні та теплові електростанції, об’єкти авіаційної та аерокосмічної техніки тощо. В ході проведення досліджень було отримано ряд наукових результатів: – вперше розроблена методика розрахунку розподілу електричного поля у системах зі стрижневими електродами, висота яких на декілька порядків перевищує їхній діаметр, в якій нелінійний характер спадання потенціалу та напруженості в безпосередній близькості від стрижня враховується за допомогою аналітичних виразів для ЕП видовженого провідного сфероїда під напругою, що дозволяє обрати крок за простором пропорційним довжині стрижня, а не його діаметру та зменшити на декілька порядків кількість рівнянь, що розв’язуються; – вперше за допомогою математичного та фізичного моделювання утворення корони на заземлених стрижневих електродах з різними радіусами округлення вершин розроблено метод визначення інтенсивності корони як залежність її струму від Vcor – об’єму області, де напруженість ЕП перевищує критичний пробивний рівень 30 кВ/см, що дозволяє прогнозувати рівні струмів корони в залежності від Vcor та максимальної напруженості ЕП; – за допомогою експериментальних досліджень та числового моделювання вдосконалена модель для визначення критерію початку процесів коронування від заземлених стрижневих електродів як функція радіуса кривизни їхніх верхівок, їхньої висоти та рівня напруженості прикладеного електричного поля. Достовірність теоретичних результатів, представлених в дисертації, підтверджується збігом отриманих експериментальних даних з вимірювання струму корони та розвитку коронних розрядів за допомогою експериментального стенду з результатами математичного моделювання відповідних електрофізичних процесів, а також збігом результатів числових та аналітичних розрахунків. Результати досліджень використано в НТУ "ХПІ" при виконанні науково-дослідних робіт на кафедрі теоретичних основ електротехніки та в учбовому процесі.