Влияние электромагнитных и тепловых процессов в нетоковедущих элементах металлоконструкций на работоспособность мощных электротехнологических установок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.10, кандидат наук Власов, Давид Сергеевич

• Власов, Давид Сергеевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Власов, Давид Сергеевич

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Глава 1 Электротепловые процессы в нетоковедущих элементах электротехнологических и электротехнических установок, как факторы влияющие на их работоспособность

1.1.1 Работоспособность электротехнологических установок

1.2 Методы расчета и результаты исследования электротепловых процессов в нетоковедущих металлоконструкциях ЭТУ

1.2.1 Эмпирически-аналитические методы

1.2.2 Физическое моделирование

1.3 Методы расчета активных и реактивных сопротивлений, вносимых в электрическую цепь ЭТУ близлежащими металлоконструкциями

1.4 Выводы по обзору

Глава 2 Физико-математическая модель

2.1 Математическая модель

2.1.1 Метод конечных элементов

2.1.2 Модель электромагнитных процессов

2.1.3 Модель тепловых процессов

2.1.4 Сопряжённая электромагнитная и тепловая задача

2.2 Электромагнитные процессы в металлоконструкциях ЭТУ

2.3 Тепловые процессы в металлоконструкциях ЭТУ

2.3.1 Тепловая задача для кольца гидроприжима контактных щек руднотермической печи

2.3.2 Тепловой экран узла подвода энергии к электроду РТП

2.3.3 Рукав электрододержателя АКП

Глава 3 Результаты численного моделирования электротепловых процессов в нетоковедущих металлоконструкциях электротехнологических установок

3.1 Тепловое состояние рукава электрододержателя агрегата ковш-печь

3.1.1 Исходные данные для расчета

3.1.2 Результаты расчетов

3.2 Исследование влияния рукава электрод одержателя дуговой сталеплавильной электропечи на сопротивление трубошинного участка токоподвода

3.2.1 Постановка задачи

3.2.2 Результаты расчетов

3.3 Электромагнитные и тепловые процессы в кольцах гидроприжима контактных щек и экранах узла подвода энергии к электродам руднотермических печей

3.3.1 Электромагнитные процессы в кольце гидроприжима контактных щек и тепловом экране узла подвода энергии к электроду РТП

3.3.2 Тепловая задача для кольца гидроприжима контактных щек руднотермической печи

3.4 Исследование взаимодействия лежащих в одной плоскости под углом друг к другу цилиндрических проводников

3.4.1 Постановка задачи

3.4.2 Результаты расчета

3.4.3 Анализ полученных результатов

Глава 4 Анализ результатов и рекомендации

Заключение

Приложения

Приложение А - Электромагнитная задача в кольцах гидроприжима контактных щек и тепловых экранах узла подвода энергии к электроду руднотермической электропечи РКО-27

Приложение Б - Тепловая задача в кольце гидроприжима контактных щек

руднотермической электропечи РКО-27

Приложение В - Исследование взаимодействия лежащих в одной плоскости под углом друг к другу цилиндрических проводников

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние электромагнитных и тепловых процессов в нетоковедущих элементах металлоконструкций на работоспособность мощных электротехнологических установок»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность

При проектировании мощных электротехнологических установок (ЭТУ) является актуальной проблема учёта влияния на их электрические параметры системы магнитных и немагнитных конструкционных элементов, электрически изолированных от токоведущих частей.

Одними из таких нетоковедущих элементов является кольцо гидроприжима контактных щёк и тепловой экран узла подвода энергии к контактным щекам руднотермической печи (РТП), охватывающие самоспекающийся электрод, которые могут быть изготовлены из меди, магнитной и немагнитной стали. Другим примером подобных металлоконструкций служит несущий рукав электрододержателя дуговой сталеплавильной печи (ДСП), находящийся под токоведущими трубошинами, который может быть изготовлен из конструкционной магнитной или немагнитной стали.

Наличие металлоконструкций вблизи токоподводов ЭТУ может влиять на ее электрические, энергетические и прочностные характеристики в степени, достаточной для нарушения работоспособности установки.

Находящиеся в переменном магнитном поле нетоковедущие элементы конструкции ЭТУ являются дополнительными потребителями энергии источника питания. Активная мощность, выделяемая в них, представляет собой дополнительные электрические потери, которые, как правило, учитываются при проектировании коэффициентом добавочных потерь при активных сопротивлениях. Нетоковедущие металлоконструкции влияют на конфигурацию магнитного поля токов токоведущих элементов, изменяя общую индуктивность токоподвода и коэффициент мощности ЭТУ. Все это негативно сказывается на электрических и рабочих характеристиках и в целом на энергоэффективности установки.

Кроме влияния на электрические параметры ЭТУ, металлоконструкции, поглощая активную мощность, нагреваются. Они находятся под воздействием высокотемпературной газовой среды и, в ряде случаев, периодически возникающих интенсивных тепловых потоков (например, свищ в РТП). В результате их нагрев может быть весьма существенным за счет поглощённой активной мощности и интенсивных тепловых потоков, попадающих на них, и оказывает влияние на работоспособность этих элементов конструкции, а значит и всей ЭТУ.

Чтобы иметь возможность прогнозировать и управлять взаимным влиянием токоведущих и нетоковедущих элементов конструкций мощных ЭТУ на этапе их проектирования, необходимо иметь универсальные и удобные методики учета влияния токов, расстояний до токоподводов, размеров и материалов нетоковедущих элементов на выделение активной и реактивной мощности в последних. Объект исследования

Объектом исследования являются нетоковедущие элементы ЭТУ: рукава электрододержателей трехфазной ДСП; кольца гидроприжима контактных щёк и тепловые экраны РТП. Предмет исследования

- Электромагнитные процессы в рукавах электрододержателей ДСП; влияние материала рукавов и относительного положения трубошин и рукавов на электрические, энергетические параметры участка трубошин трехфазного токоподвода ДСП.

- Электромагнитные и тепловые процессы в кольцах гидроприжима контактных щёк и тепловых экранах РТП; влияние материала колец и экранов на электрические параметры токоподвода РТП; влияние тепловых условий и материалов колец на их работоспособность.

Цель работы

1. Обеспечение работоспособности кольца гидроприжима контактных щек РТП, находящегося в зоне влияния электромагнитного поля трехфазной системы токов электродов и теплового воздействия из рабочего пространства печи.

2. Уточнение методики расчета импеданса токоподвода ДСП и РТП.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

3. Анализ существующих методик расчёта электрических потерь и температуры в нетоковедущих конструктивных элементах электротехнических и электротехнологических установок.

4. Анализ физических процессов, протекающих в нетоковедущих металлоконструкциях мощных ЭТУ под воздействием тока близлежащих токоведущих элементов и тепловых условий работы металлоконструкции.

5. Построение математических моделей, позволяющих проводить анализ связанных электромагнитных и тепловых процессов, выявлять закономерности их протекания и их влияние на электрические и энергетические параметры элементов токоподводов ЭТУ.

6. Сравнение полученных на математических моделях результатов с экспериментальными данными, с целью верификации используемых моделей и методов решения.

7. Разработка рекомендаций по учету влияния рукавов электрододержателей ДСП и тепловых экранов РТП на электрические параметры токоподвода и по выбору материала кольца гидроприжима контактных щек РТП, на этапе их проектирования.

Научная новизна состоит в следующем:

1. Установлено, что активное сопротивление фаз трубошинного участка токоподвода ДСП может варьироваться в широких пределах в зависимости от относительного положения трубошин и рукавов.

2. Численным моделированием показано, что при образовании свища воздействие высокотемпературного потока газа на кольцо гидроприжима контактных щек РТП не приводит к выходу из строя кольца, выполненного из меди.

3. Показано влияние колец гидроприжима контактных щек и тепловых экранов РТП на ее импеданс.

Практическая ценность:

1. Разработаны рекомендации по учету влияния рукавов электрододержателей на электрические параметры трубошинного участка токоподвода ДСП.

2. Разработаны рекомендации по выбору материала кольца гидроприжима контактных щек РТП.

3. Разработаны рекомендации по учету влияния колец гидроприжима контактных щек и тепловых экранов узлов подвода энергии к электроду РТП на электрические параметры ее токоподвода.

На защиту выносятся:

1. Результаты исследования влияния температурных режимов и материала кольца гидроприжима контактных щек РТП на его работоспособность при воздействии на него высокотемпературного потока газа, поступающего из реакционной зоны.

2. Результаты исследования активного и индуктивного сопротивлений фаз трубошинного участка трехфазного токоподвода ДСП в зависимости от относительного положения трубошин и рукавов электрододержателей.

3. Результаты расчета активного и индуктивного сопротивлений фаз электродного участка трехфазной РТП с учетом наличия колец гидроприжима и тепловых экранов.

4. Разработанные рекомендации по учету влияния близлежащих металлоконструкций на электрические параметры токоподвода ДСП и РТП.

5. Разработанные рекомендации по выбору материала кольца гидроприжима контактных щек РТП. Личный вклад автора заключается в следующем:

1. Анализ существующих методик расчёта электрических потерь и температуры в нетоковедущих конструктивных элементах электротехнических и электротехнологических установок.

2. Создание в ПО ANS YS конечно-элементной модели электромагнитных процессов трехфазной системы «рукава электрододержателей -трубошины» ДСП.

3. Оценка адекватности результатов численного моделирования связанных электромагнитных и тепловых процессов путем сравнения экспериментального температурного поля рукава электрододержателя трехфазного агрегата ковш-печь (АКП-90) и температурного поля, полученного при численном моделировании в ПО ANS YS.

4. Создание в ПО ANS YS конечно-элементной модели, включающей трехфазную систему электродов, кольца гидроприжима контактных щек и тепловые экраны узла подвода энергии к электроду, для исследования электромагнитных процессов электродного участка токоподвода РТП.

5. Создание в ПО ANS YS конечно-элементной модели кольца гидроприжима контактных щек РТП для решения стационарной и нестационарной тепловой задач воздействия высокотемпературного потока газа на стенку кольца.

6. Анализ полученных результатов и разработка рекомендаций выполнены совместно с научным руководителем.

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 13 th International conference on Electromechanics, Electrotechnology, Electromaterials and Components ICEEE-2010 (September 1925, 2010, Alushta, Crimea, Ukraine); XVII Congress UIE (May 21-25, 2012

St. Petersburg); Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (2-4 декабря 2011 г, Новосибирск); Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск, 29 ноября - 1 декабря 2012г); Научно-практическая конференция с международным участием «Инновационная энергетика 2010» (10-12 ноября 2010 г., Новосибирск); International Symposium on Heating by Electromagnetic Sources HES-10 «Induction, Dielectric and Microwaves, Conduction & Electromagnetic Processing» (Italy, Padua, May 18-21, 2010); International Symposium on Heating by Electromagnetic Sources HES-13 «Induction, Dielectric and Microwaves, Conduction & Electromagnetic Processing», (Italy, Padua, May 21 -24, 2013); The 8-th International Forum on Strategic Technology 2013 IFOST 2013 (June 28 - July 1, Ulaanbaatar, Mongolia), а так же на семинарах кафедры автоматизированных электротехнологических установок Новосибирского Государственного Технического Университета. Реализация результатов работы

Рекомендации, сформулированные в диссертационной работе, были использованы ОАО «Сибэлектротерм» при разработке технической документации агрегата ковш-печь АКП-90 и создании токоподводов в рудовосстановительной электропечи РКО-33. Результаты работы были внедрены в учебный процесс при подготовке магистров по направлению «Электроэнергетика и электротехника» и учебных материалов для аспирантов Российских и Европейских университетов по проекту TEMPUS «PhD Education in Energy Efficient Electrotechnologies at Russian Universities». Связь диссертации с общенаучными государственными и другими научными программами

Диссертация выполнена на основании результатов научно-исследовательских работ, проведенных в Новосибирском государственном техническом университете в соответствии с аналитической ведомственной целевой программой «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-

2011 гг)», проект № 212/11944, и государственным заданием, регистрационный номер 7.1230.2011.

Публикации

Основные научные результаты опубликованы в 15 печатных научных работах, в том числе 5 статей в изданиях, входящих в перечень изданий, рекомендованный ВАК РФ, 10 докладов на конференциях. Структура и объем диссертации

Диссертация включает введение, 4 главы, заключение, список использованных источников и приложения. Работа содержит 134 страницы основного текста, включая 43 рисунка и 9 таблиц. Список использованных источников состоит из 62 наименований. Соответствие научной специальности

Исследования, проводимые в рамках диссертационной работы, полностью соответствуют области исследования, приведённой в пункте 2 паспорта специальности 05.09.10 - Электротехнология: «Обоснование совокупности технических, технологических, экономических, экологических и социальных критериев оценки принимаемых решений в области проектирования, создания и эксплуатации электротехнологических комплексов и систем».

ГЛАВА 1 ЭЛЕКТРОТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В НЕТОКОВЕДУЩИХ ЭЛЕМЕНТАХ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ УСТАНОВОК, КАК ФАКТОРЫ ВЛИЯЮЩИЕ НА ИХ РАБОТОСПОСОБНОСТЬ

Опыт эксплуатации мощных электротехнологических установок показывает, что влияние металлоконструкций на работоспособность электротехнологических установок определяется несколькими факторами. С одной стороны, активная мощность, наведенная в нетоковедущих элементах ЭТУ, выделяемая в виде тепла, приводит к их перегреву и преждевременному выходу из строя. Например, возможен перегрев рукава электрододержателя в ДСП и АКП. В кольце гидроприжима контактных щек руднотермической печи такой потере работоспособности помимо активной мощности, выделяемой в кольце, способствует попадание на него высокотемпературного потока газа, прорывающегося из реакционной зоны.

С другой стороны, активная и реактивная энергия, выделяемые в металлоконструкциях ЭТУ, изменяют импеданс установки относительно источника питания. Это приводит к изменению электрических параметров и снижению эффективности ее работы.

1.1.1 Работоспособность электротехнологических установок

Насколько сильно отличают реальные рабочие параметры установки от проектируемых: активное и индуктивное сопротивление токоподвода, предельно допустимая температура металлоконструкций?

Обратимся к толковым словарям [1], [2] и ГОСТу 27.002-89 [3]. Работоспособность

Работоспособное состояние технического устройства (изделия), это состояние, при котором устройство выполняет функции в соответствии со своим назначением. Устройство работоспособно, если его основные параметры находятся в пределах, предусмотренных технической документацией; дополнительные параметры не сказываются на

работоспособности устройства. Если все параметры устройства находятся в установленных пределах, то оно считается исправным. Из работоспособного состояния в неработоспособное устройство переходит вследствие Отказа [1]. Отказ

Отказ приводит устройство в неработоспособное состояние, так как при этом, по крайней мере, один из основных параметров не соответствует техническим требованиям, предъявляемым к устройству [2]. Исправность

Исправность это состояние технического устройства, при котором оно соответствует всем требованиям, обусловленным технической документацией. Исправным считается такое устройство, у которого все параметры, определяющие работоспособность и характеризующие его состояние и внешний вид, находятся в заданных пределах, и, кроме того, оно не имеет Отказов резервных узлов и элементов. Из исправного состояния изделие вследствие отказа или повреждения может перейти в неисправное [1]. Неисправность

Неисправность это состояние технического устройства, при котором хотя бы один из его дополнительных параметров не соответствует требованиям, обусловленным технической документацией [1]. Вывод

Таким образом, неисправность возникает в случае повреждения, а неработоспособность в случае отказа.

Устройство работоспособно, если его основные параметры находятся в пределах, предусмотренных технической документацией.

Исправным считается такое устройство, у которого все параметры, определяющие работоспособность и характеризующие его состояние и внешний вид, находятся в заданных пределах, и, кроме того, оно не имеет Отказов резервных узлов и элементов.

Работоспособность

Для оценки работоспособности металлоконструкции необходимо рассчитать распределение температуры по ее объему и определить точки максимальных температур.

Для оценки работоспособности мощных ЭТУ необходимо рассчитать суммарные электрические потери в металлоконструкциях, а так же, активные и индуктивные сопротивления, вносимые ими в цепь источника питания ЭТУ.

1.2 Методы расчета и результаты исследования электротепловых

процессов в нетоковедущих металлоконструкциях ЭТУ

Проблема определения активных потерь и температуры металлоконструкций в электротехнических и электротехнологических установках посвящено значительное количество исследований, выполненных как советскими, российскими, так и зарубежными исследованиями. В конце 1950х начале 1960х годов изготовление и запуск мощных токопроводов, пропускающих токи от единиц до десятков килоампер, потребовали разработки методов расчета активной мощности, выделяемой в металлоконструкциях данных токопроводов, и вычисления температур до которых они могут нагреваться.

1.2.1 Эмпирически-аналитические методы

В работе Перекалиной М. А. и Татур Т. А. [4] была исследована зависимость температуры стальных балок крепежной арматуры токопровода от расстояния до фаз токопровода, расстояния между фазами, вследствие появления в этих элементах конструкций вихревых токов.

При исследовании авторы статьи использовали аналитический метод расчета. Сначала было получены выражение для мощности вихревых токов на 1 см балки для координаты рассматриваемой точки на поверхности балки, учитывающее расстояние между балкой и токопроводом и составлено дифференциальное уравнение теплового баланса стальной балки, нагреваемой в

переменном магнитном поле. Уравнение решено для 4х вариантов токопровода (один фазный провод, двухфазный двухпроводный, трёхфазный плоский, трёхфазный треугольный) для различных расстояний между токоведущими шинами и ферромагнитной балкой, продольная ось которой перпендикулярна осям шин.

Авторами установлены зависимости активной мощности и превышения температуры балки 9 над температурой окружающей среды от тока в токопроводе, а так же от отношения периметра поперечного сечения балки к его площади Эти зависимости показывают, что максимальная температура балки возрастает с увеличением отношения с уменьшением расстояния а от проводов до балки и с увеличением расстояния г между проводами (рисунок 1.1).

°с

400 300 250 200 150 100 -50

9

тах

а = 30 см т= 100 см

а — 30 см т = 50 см

а = 60 см,т= 100 см

а = 60 см. т = 50 см

а = 90 см. х = 100 см __а - 90 см. х = 50 см

о

12 3 4 FIS, см"1 Рисунок 1.1- Зависимость $max(F/S) для трехфазной линии с плоским расположением проводов

°с

200

150

100

50

0

Э

тах

а = 30 см х= 100 см

а = 30 см т = 50 см

а = 60 см, т= 100 см

а = 60 см, / х = 50 см

= 90 см, х= 100 см

г=га = 90 см. х = 50 см

2 3 4 /75, см"1 Рисунок 1.2 - Зависимость Отах^/З)

для трехфазной линии с расположением проводов в вершинах равностороннего треугольника

В статье приведены зависимости максимальной температуры балки ФтахС^7/^ для различных значений расстояния балки от токопровода, расстояний между проводниками токопровода, для симметричного треугольного и плоского трёхфазных токопроводов (рисунок 1.1, рисунок 1.2). Данными графиками предложено пользоваться на практике для определения температуры балки в точках наибольшего нагрева полем трёхфазной системы проводов.

При составлении и решении уравнения теплового баланса авторами [4] сделаны следующие допущения:

- напряжённость магнитного поля токопровода внутри балки такая же, как при её отсутствии;

- температура в поперечном сечении балки постоянна;

- магнитная проницаемость материала балки постоянна.

В публикации Борчанинова Г. С. [5] проведены экспериментальные исследования поведения электромагнитного поля однофазного двухпроводного токопровода при наличии поперечной ферромагнитной балки. Принимались во внимание форма сечения балки, расстояние до токопровода, величина тока токопровода (рисунок 1.3).

160

а

Е

Рисунок 1.3 - Расположение исследуемого стального образца относительно токопровода, где а - расстояние между поверхностью образца и осью

токопровода, см

Получены зависимости отношения напряжённости магнитного поля в стали к напряжённости в той же точке пространства, но при отсутствии стали #с/#в в зависимости от тока в токопроводе и расстояния до него [5] для

нескольких стальных профилей. Таким образом, в отличие от работы [4], учитывается искажение магнитного поля токопровода, вызванное внесением ферромагнитного тела. Величина напряжённости поля при наличии стали #с была экспериментально получена для нескольких частных случаев: стальной уголок, сталь корытного профиля и стальная полоса.

Получена единая зависимость температуры в наиболее горячих точках балок в функции от напряжённости поля в этих точках для прокатной стали разных сортов и представлена на графике ниже (рисунок 1.4) [5].

Э°С

50

40

30

20

10 0

5 10 15 20 Яс-Ю;А/м

Рисунок 1.4 - Превышение температуры стали в наиболее горячей точке над температурой окружающего воздуха: Не - напряженность магнитного поля на поверхности стали; 9 - превышение температуры стали в наиболее горячей точке над температурой окружающего воздуха

Это позволило составить методику для оценки минимально допустимых расстояний от токопровода до балки для заданного тока токопровода с точки зрения максимально допустимых температур ферромагнитной конструкции. Методика пригодна для использования при соблюдении следующих условий для изменения расстояния между поверхностью балки и осью токопровода от 30 до 50 см [5]:

- симметричное расположение балки относительно токопровода;

- расстояние между шинами однофазного токопровода 160 см;

- напряжённость магнитного поля на поверхности стальной балки, создаваемая шинами, не превышает 25 А/см;

- длина балки превышает расстояние до токопровода не менее чем в 4 раза. Предложенная Борчаниновым Г. С. практическая методика определения

температуры стальных балок, расположенных в поле однофазного двухпроводного токопровода, заключается в следующем:

1. Определение тангенциальной компоненты напряжённости поля в точке расположения ферромагнитной балки, как геометрической суммы полей проводников токопровода (ЯВ; = /,/2л;г).

2. Определение тангенциальной компоненты напряжённости поля в балке Нс по экспериментальным зависимостям [5].

3. Определение превышения температуры в точке над температурой воздуха по графику зависимости, показанному на графике (рисунок 1.4).

4. Температура в точке получается из предыдущего пункта прибавлением температуры окружающего воздуха.

Для номенклатуры балок, рассматриваемых в статье, гарантируется погрешность расчёта максимальной температуры и потерь в балке, не превышающая 40%.

При создании методики определения температуры автор [5] использовал следующие допущения:

- условия охлаждения для балок разного профиля и длины и расстояния до токопровода остаются неизменными;

- ферромагнитная балка нагревается в поле уединённого проводника, поскольку расстояние между прямым и обратным проводником токопровода достаточно велико;

- поле коробчатого проводника квадратного сечения, использованного в экспериментах, считается идентичными полю круглого проводника, при расстоянии более 30 см от проводника [5].

В статье Борчанинова Г. С. и Крючкова И. П. [6] проведены исследования трёхфазного токопровода, аналогично работе [5]. Экспериментально измерены

зависимости температуры ферромагнитной балки в наиболее нагретых точках, расположенных непосредственно под токоведущими проводниками. В тех же точках измерена напряжённость поля в присутствии и отсутствии стали. Получены зависимости Нс/Н$ в зависимости от тока в токопроводе и расстояния до него для нескольких стальных профилей [6].

Эксперименты показали, что для оценки нагрева ферромагнитной балки в поле трёхфазного токопровода можно использовать зависимость температуры от напряжённости, полученную для однофазного токопровода (рисунок 1.3). Полученные по методике максимальные температуры и потери в балке имеют погрешность 20 - 40 %.

Обнаружена асимметрия поля трёхфазного токопровода (в присутствии ферромагнитной балки), что проявилось в значительном отличии отношения #с/#в для точек балки под разными фазами.

Методика оценки температуры нагрева балки и допущения аналогичны предыдущей работе автора [5].

В статье Неймана Л. Р. [7] на примере поддерживающе-ограждающей конструкции мощного трёхфазного токопровода (рисунок 1.5) разобрана аналитическая методика расчёта потерь, которая базируется на оценке амплитуды и фазы магнитного потока в разных сечениях ферромагнитного элемента конструкции.

5000

1200 4->

Ет

Е

Д£

с 2

П

10

II

1

iv

12

за С4

3800

тг

ва

^_

13 «

г

800

_

800

Рисунок 1.5 - Поддерживающе-ограждающая конструкция мощного

трехфазного токопровода.

В соответствии с предлагаемой автором [7] методикой, опорные балки I, II, III, IV заменяются бесконечным ферромагнитным листом шириной, равной длине балок, с бесконечной магнитной проницаемостью; проводники А, В и С считаются так же бесконечно длинными; поле в воздухе принимается стационарным (рисунок 1.5). Тогда поле можно считать плоскопараллельным, а значит, оно может быть рассчитано в заданной точке пространства с помощью известных формул, приведенных Г. Каденом в [8].

С целью дальнейшего упрощения расчётов автором предложены универсальные зависимости для приближенного определения мощности потерь и потока в ферромагнитных элементах от напряжённости магнитного поля при резком проявлении поверхностного эффекта (рисунок 1.6).

(1 /{f)dP/dS,

Рисунок 1.6 - Универсальные зависимости для приближенного определения мощности потерь и магнитного потока в ферромагнитных элементах при резком проявлении поверхностного эффекта

Ограждающие балки 1-12 (рисунок 1.5) заменяются сплошным прямоугольным туннелем с бесконечно большой магнитной проницаемостью

стенок, что позволяет рассчитать магнитное поле токов в заданной точке пространства по известным формулам, представленным в [9].

Продольные уголки и швеллеры 13-18 (рисунок 1.5), параллельные проводам с током, заменяются стержнями кругового сечения с тем же периметром сечения. Потери в стержне кругового сечения, находящегося в переменном магнитном поле, направленном нормально к оси проводника при постоянной магнитной проницаемости определяются с помощью функций Бесселя [10].

Как видно из работы [7], Нейман Л. Р. использует в своей методике расчёта потерь в ферромагнитных конструкциях следующие допущения:

- магнитное поле токопровода для разных элементов ограждающей ферромагнитной конструкции считается плоскопараллельным, созданным постоянным током;

- магнитная проницаемость ферромагнитных балок имеет бесконечно большое или постоянное значение;

- не указывается явно, что коэффициент втяжения магнитного потока в ферромагнитное тело не зависит от расстояния между телом и источником поля. Определение его значений для конкретных случаев возложено на инженера.

В работе Киянициной М. С. и Поповой В. Ф. [11] активные потери в ферромагнитных конструкциях определялись через протекающий в них магнитный поток по приближенному методу, предложенному Л. Р. Нейманом и изложенному в статье [7].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Власов, Давид Сергеевич, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Большая Советская Энциклопедия, 3 ред., 1970-1977.

2. Большой энциклопедический словарь, Москва, 1998.

3. ЗАО "Кодекс", «ГОСТ 27.002-89 Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения», ЗАО "Кодекс", 2013. [В Интернете]. Available: http://docs.cntd.ru/document/gost-27-002-89.

4. М. А. Перекалина и Т. А. Татур, «Нагрев стальных балок в поле мощных токопроводов на электростанциях», Известия вузов. Энергетика, № 3,

С. 40-46, 1958.

5. Г. С. Борчанинов, «Индукционный нагрев стальных конструкций в магнитном поле однофазного токопровода», Известия вузов. Энергетика, №4, С. 61-66, 1958.

6. Г. С. Борчанинов и И. П. Крючков, «Нагрев стальных конструкций в магнитном поле трехфазного токопровода», Известия вузов. Энергетика, № 1, 1967.

7. Л. Р. Нейман, «О методе расчета потерь в ферромагнитных элементах ограждающей и поддерживающей конструкций мощных токопроводов», Труды ЛПИ, № 273, С. 3-8, 1966.

8. Г. Каден, Электромагнитные экраны, Госэнергоиздат, 1957.

9. Л. Р. Нейман, Поверхностный эффект в ферромагнитных телах, Ленинград: Госэнергоиздат, 1949.

10. В. М. Юринов, «Расчет плоскопараллельного поля токов, проходящих внутри воздушных тоннелей, вырезанных в ферромагнитной среде», Труды ЛПИ им М. И. Калинина. Электротехника, № 184, 1956.

11. М. С. Кияницина и В. Ф. Попова, «Расчет и экспериментальное исследование потерь в элементах опорных и ограждающих металлоконструкций токопроводов», Труды ЛПИ, № 273, С. 9-17, 1966.

12. В. М. Мееревич и А. М. Аракелян, «Экранирующее действие ферромагнитных пластин на магнитное поле постоянного тока», Электричество, № 9, 1959.

13. В. П. Вологдин, Поверхностная индукционная закалка, Москва: ОБОРОНГИЗ, 1947.

14. Э. X. Шуле, «Определение электрических потерь в металлоконструкциях руднотермических электропечах», Электротермия, № 72, С. 61-62, 1968.

15. Э. X. Шуле, «Расчёт электрических потерь в плоском металлическом своде круглой руднотермической печи», Электротермия, № 77-78, С. 16-19, 1968.

16. Н. И. Бортничук, Л. А. Сафронов и О. В. Юрыгин, «Методы определения и улучшения электрических параметров электродуговых печей», Электротермия, № 31, С. 41-43, 1964.

17. Н. И. Бортничук, «Работы по моделированию коротких сетей в лаборатории ВНИИЭТО», в сб. науч. тр. Моделирование коротких сетей , Москва, 1963.

18. М. И. Кирко, Исследование электромагнитных явлений в металлах методом размерности и подобия, Рига: Изд-во АН Латвийской ССР, 1959.

19. Э. X. Шуле, «Моделирование электрических потерь в стальных конструкциях электропечей», Электротермия, № 73-74, С. 8-10, 1968.

20. А. В. Иванов-Смоленский и И. Майе, «О физическом моделировании электромагнитных полей в ферромагнитных средах», Известия АН СССР. "Энергетика и транспорт", № 3, 1965.

21. В. А. Веников и А. В. Иванов-Смоленский, Физическое моделирование электрических систем, Госэнергоиздат, 1956.

22. М. Я. Смолянский и Н. И. Бортничук, Короткие сети электрических печей, Москва: Госэнергоиздат, 1962.

23. Л. Р. Нейман и В. Н. Петровский, «Исследование поверхностного эффекта в ферромагнитных телах при частотах звукового диапазона», Известия АН СССР. "Энергетика и транспорт", № 4, 1966.

24. Г. М. Жилов, А. Д. Федосеев и 3. В. Яшков, «Прибор для измерения активной и реактивной составляющих сопротивления ванны фосфорной электропечи», Фосфорная промышленность, № 11, 1976.

25. Я. Б. Данцис, Короткие сети и электрические параметры дуговых электропечей, Москва: Металлургия, 1987.

26. М. С. Кияницина и В. Ф. Попова, Потери в ферромагнитных конструкциях мощных токопроводов, Москва: Энергия, 1972.

27. Н. b. Ma, J. Song, X. Ni and L. Zhang, "Analysis of induced voltage in metal shield of power cable and research on its restraining technology based on asymmetric state," in 3rd International Conference on Deregulation and Restructuring and Power Technologies, DRPT 2008, 2008.

28. Y. Du and Q. Zhou, "Capacitance matrix of screened/insulated single-core cables of finite length", IEE Proc-Sci, no. 152 (5), P. 233-239, 2005.

29. A. V. Mamishev, S. X. Short, T.-W. Kao and B. Don Russell, "Nonintrusive sensing techniques for the discrimination of energized electric cables," IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, no. 45 (2), P. 457-461, 1996.

30. J. Xin, C. Xiao-long and Y. Ming, "Calculation of Current Rate in Single-Core Cables with Circulating Current," High Voltage Engineering, no. 27 (1), P. 2526, 2001.

31. S. Chen, L. Yeng and Q. Zhang, "Effect of Sheath-bonding Method on Induced Overvoltages in 110 kV XLPE Cable System in the Case of Ground Fault Surge," High Voltage Engineering, no. 32 (2), P. 37-39, 2006.

32. Z. Liu, Electric Insulating physical design principle, Beijing: Mechanical Industry Press, 1981.

33. L. Jia-yu, Y. Jian-sheng and X. Ma, "Analysis of Matrix Line Impedance, Matrix Phase Sequence Impedance and Parameters of Power Cables in Underground Tunnels," Power System Technology, no. 22 (9), P. 5-8,1998.

34. W. Shu-rong, M. Hong-zhong and W. Dong-hai, "The Variation and Compensation of Induced Voltage in the Metal Shield for the Power Cable Renovation," Electric Wire & Cable, no. 40 (4), P. 26-28, 2004.

35. A. Boglietti, A. Cavagnino, M. Lazzari and M. Pastorelli, "Predicting iron losses in soft magnetic materials with arbitrary voltage supply: An engineering approach," IEEE Transactions on Magnetics, vol. II, no. 39 (2), P. 981-989, 2003.

36. R. Kaczmarek, M. Amar and F. Protat, "Iron losses under PWM voltage supply on Epstein frame and in induction motor core," IEEE Trans. Magn., no. 32,

P. 189-194, 1996.

37. R. Kaczmarek, M. Amar and F. Protat, "Prediction of power losses in silicon iron sheets under PWM voltage supply," J. Magn. Mater., no. 133, P. 140-143, 1995.

38. R. Kaczmarek, M. Amar and F. Protat, "A general formula for prediction of iron losses under nonsinusoidal supply voltage waveform," IEEE Trans. Magn., no. 31, P. 2505-2509, 1995.

39. A. Boglietti, M. Chiampi, M. Repetto, O. Bottauscio and D. Chiarabaglio, "Loss separation analysis in ferromagnetic sheets under PWM inverter supply," IEEE Trans. Magn., no. 34, P. 1240-1242, 1998.

40. A. Boglietti, M. Lazzari and M. Pastorelli, "Iron losses prediction with PWM inverter supply using steel producer data sheets," in Conf. Rec. IEEE-IAS Annu. Meeting 99, New Orleans, LA, 1997.

41. G. Bertotti, "Physical interpretation of eddy current losses in ferromagnetic materials. I. Theoretical considerations," Appl. Phys., no. 57, P. 2110-2117, 1985.

42. A. Boglietti, "A first approach for the iron losses building factor determination," in Proc. IEEE-IAS Annu. Meeting 99, Phoenix, AZ, 1999.

43. A. Boglietti, A. Cavagnino, M. Lazzari and M. Pastorelli, "Effects of punch process on the magnetic and energetic properties of soft magnetic materials," in Proc. IEMDC 2001 Int. Electric Machines and Drives Conf., Cambridge, MA, 2001.

44. P. Rolicz, "Eddy currents generated in an elliptic conductor by a transverse alternating magnetic field," Archiv for Elektrotechnik, no. 68 (6), P. 423-431, 1985.

45. P. Rolicz, "Eddy currents generated in a system of two cylindrical conductors by a transverse alternating magnetic field," Electric Power Systems Research, 2009.

46. P. Rolicz, "Skin effect in a system of two rectangular conductors carrying identical currents," Electrical Engineering, 2000.

47. P. Di Barba, F. Dughiero, M. Forzan and M. E. Mognaschi, "3D FE analysis and control of a submerged arc electric furnace," International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics, no. 39 (1), P. 555-561, 2012.

48. B. Machulec and W. Bialik, "Wplyw zanieczyszczen surowcow na proces technologiczny wytopu zelazokrzemu," HUTNIK - WIADOMOSCI HUTNICZE, no. 6, 2013.

49. B. Machulec and W. Bialik,

"Model of the ferrosilicon melting process in the submerged arc furnace," in International Conference on Innovative Technologies, IN- TECH 2012, Rijeka, 2012.

50. В. Machulec, "Effects of raw material contaminants on the ferrosilicon melting process in the submerged arc furnace," Solid State Phenomena, 2013.

51. В. А. Елизаров, «Разработка тепловой модели рудно-термической печи с закрытой дугой», Электрометаллургия, № 10, 2010.

52. Г. JI. Петров и А. С. Тумарев, Теория сварочных процессов, Москва: Высшая школа, 1977.

53. В. П. Исаченко и В. А. Сукомел, Теплопередача, Москва: Энергоиздат, 1981.

54. В. С. Чередниченко и А. И. Алиферов, Электротехнологические установки и системы. Теплопередача в электротехнологии. Упражнения и задачи: учеб. пособие для вузов, Новосибирск: НГТУ, 2011, 571 с.

55. И. Б. Варгафтик, Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. Москва: Наука, 1972.

56. Р. А. Бикеев, Динамические режимы в электромеханических системах дуговых сталеплавильных печей и их воздействие на вводимую активную мощность. Диссертация на соискание степени кандидата технических наук, Новосибирск: НГТУ, 2004.

57. А. М. Вайнберг, Индукционные плавильные печи, Москва: Государственное энергетическое издательство, 1960.

58. Д. В. Чернышев, Разработка рациональных энергетических параметров токопровода, дуги и факела топливно-кислородных горелок в дуговых сталеплавильных печах, Москва, 2007, 155 с.

59. Ю. М. Миронов, «Расчет режимов трехфазных электрических цепей методом гармонического анализа с учетом реальной формы динамической вольтамперной характеристики дуги», Известия ИТА ЧР, № 1, С. 8-12, 1996.

60. Ю. М. Миронов, Теоретическая электротехника электрических электродных печей: Учеб. пособие. - Чебоксары: Чув. гос. ун-т, 1997, 232 с.

61. Т. г. университет, «Способ определения параметров индуктивного взаимодействия между фазами трехэлектродной электропечи». Российская Федерация Патент 2163423, 20 февраля 2001.

62. Г. А. Сисоян, Электрическая дуга в электрической печи, 3 ред., Москва: Металлургия, 1974, 304 с.