BC/NW 2016 № 2 (29): 8.2

ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ЖЕСТКОЙ ОШИНОВКИ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ

Артюхов О.И., Козинова М.А., Федоров М.М.

(Москва, НИУ МЭИ, Россия)

В работе практически всех компонент современных электрических и энергетических систем можно выделить четыре основных режима: аварийный, послеаварийный, ремонтный и нормальный, причем первый из них носит кратковременный характер, остальные же, как правило, длятся достаточно продолжительное время. При проектировании электротехнических систем и устройств сегодня доминирует подход, когда состав и параметры электрооборудования выбираются и рассчитываются по характеристикам продолжительных режимов, а затем верифицируются в кратковременном, т.е. аварийном режиме, наиболее распространенным видом которого является режим короткого замыкания (КЗ). Именно по этому режиму проверяется электродинамическая и термическая стойкости, являющиеся главными показателями функционирования различных компонент систем и, в частности, устройств жесткой ошиновки [1]. Электродинамическая стойкость (или устойчивость) - это способность конструкции выдерживать так называемый "ударный ток" или ток КЗ.

Указанные выше процедуры выбора, расчетов и проверок предполагают выполнение большого объема рутинных вычислений, обработку значительного объема разнородных и, зачастую, плохо структурированных данных, проведения многофакторного сравнительного анализа получаемых результатов. И, если практически все это выполнять вручную, с человеческими ошибками и погрешностями, то естественно ухудшатся временные и стоимостные показатели процесса проектирования и, конечно, упадет качество его результатов. Для того чтобы в какой-то мере устранить данные проблемы сегодня получили распространение различные средства компьютеризации, информационные системы и системы автоматизации проектирования [2]. Так и в области задач электротехники и энергетики появился целый ряд промышленных программных пакетов и комплексов зарубежного и отечественного производства, рекомендованных для применения в отрасли. В качестве примеров таковых можно привести [3]: Energy CS, Project Studio CS, Model Studio CS, ЭЛЕКТРА, КАРМЭН и ряд других. Их общими чертами являются, с одной стороны, универсальность и широкий спектр решаемых задач, мощность и представительность встроенных процедур и алгоритмов, а с другой, в известной степени громоздкость и трудность их освоения персоналом, высокие программно-технические требования, приличная стоимость. Поэтому была поставлена задача создания компактного и достаточно автономного программного комплекса для автоматизации основных расчетов и процедур проектирования применительно к задачам электродинамической стойкости устройств и компонент ошиновки для классов напряжений до 35кВ.

При создании комплекса были учтены следующие требования, которые далеко не в полном объеме обеспечиваются существующим в данной предметной области программным обеспечением. Это:

· узкая ориентация на класс задач, связанных именно с ошиновкой;

· простота и интуитивность в работе, наглядность пользовательского интерфейса;

· защита доступа к данным;

· наличие процедур, как ручного, так и автоматического подбора требуемых параметров;

· широкий набор процедур работы с БД элементов, возможность ее пополнения и развития;

· формирование отчетов, как в «бумажном» формате Word, так и в виде файлов на носителях.

Рассмотрим основные моменты работы комплекса. Он осуществляет расчет и проверку выбранного оборудования на электродинамическую стойкость при заданных параметрах и заданном токе КЗ. Для их осуществления этого расчета предварительно должна быть выбрана применяемая расчетная схема. В комплексе используются схемы, в которых шины имеют вид равнопролетной балки, лежащей или закрепленной на жестких опорах и подвергающейся воздействию равномерно распределенной нагрузки.

Проверка шинных конструкций на электродинамическую стойкость при КЗ осуществляется путем расчета максимального механического напряжения в материале () и максимальной нагрузки на изоляторы () и в последующем сравнении полученных значений указанных величин с референсными или номинальными значениями [5]. Шинная конструкция обладает электродинамической стойкостью, если выполняются условия:

(1)

где – допустимое механическое напряжение в материале шин;
– допустимая механическая нагрузка на изоляторы.

Максимальное напряжение в материале шины и нагрузку на изолятор шинной конструкции высокой жесткости при трехфазном коротком замыкании следует определять по формуле:

(2)

где – максимальная сила, возникающая в многопролетной балке при коротком замыкании;

l – длина пролета шин;

W – момент сопротивления поперечного сечения шины;

l – коэффициент, зависящий от условия закрепления шин, а также числа пролетов конструкции с неразрезными шинами.

В зависимости от используемой схемы для расчета в (2) используются разные значения коэффициента λ.

Далее определяются допустимые механические напряжения в материале проводников, зависящие от материала проводника и марки шин, а так же модуль упругости. Моменты сопротивления W и инерции J вычисляются на основании взаимного расположения и сечения шин по формулам, приведенным в таблице 1 [5].

Таблица 1. Формулы расчета моментов инерции и сопротивления

Сечения шин	Расчетные формулы
Сечения шин	J, м⁴	W, м3

Электродинамические силы взаимодействия двух параллельных проводников при ударном токе определяются соотношением:

(3)

где – ударный ток короткого замыкания, А;

– коэффициент, зависящий от взаимного расположения проводников;

а – расстояние между осями проводников, м;

l – длина пролета, м;

– коэффициент формы, вычисляется на основании габаритов проводников и их взаимного расположения с помощью номограмм.

Структура программного комплекса

Как уже отмечалось, указанные расчеты довольно неудобно и трудоемко производить вручную. Предлагаемый комплекс функционирует по приведенной на рис.1 схеме.

Рисунок 1. Схема работы и состав комплекса

Сначала осуществляется проверка на электродинамическую стойкость ошиновки при определенных входных параметрах, а также при задаваемом ударном токе трехфазного КЗ, причем многие из этих параметров задаются довольно жестко – на основании выбранных из БД номинальных значений. При запуске программы перед проектировщиком появляется оконная форма (рис.2), где предлагается выбрать необходимый профиль шины, затем ввести известные данные о ней и/или выбрать некоторые номинальные стандартные значения из базы. Проверяется полнота введенных данных и в случае положительного результата расчет продолжится. Все исходные данные для контроля визуализируются.

В случае, когда все требуемые данные введены корректно, при нажатии кнопки «Рассчитать» открывается экранная форма со всеми рассчитанными значениями, необходимыми для дальнейшей работы.

Затем проектировщику предлагается осуществить выбор подходящего изолятора, приемлемого для рассчитанных результатов. Это возможно осуществить как из БД (в этом случае программа лишь проверит допустимость его использования), так и использовать собственно средства самого комплекса (он в этом случае предложит несколько приемлемых вариантов изоляторов).

База данных комплекса

Структура базы данных созданного комплекса представлена в таблице 2. Она состоит из следующих отношений-таблиц.

Таблица 2. Состав и структура БД

Имя таблицы	Описание
Izol.Db	Основные характеристиками изоляторов, с их изображением и кратким описанием
Korob.Db	Основными характеристики шин коробчатого сечения
Krugl.Db	Основные характеристики шин круглого сечения
MatShin.Db	Характеристики материалов и марок шин
NomAlShin.Db	Номинальные размеры алюминиевых шин
RasShin.Db	Расчетных схемы шин с основными параметрами

Каждая таблица содержит набор требуемых полей, заполненных значениями из соответствующих стандартов и других нормативных документов. На основании требований к разработке комплекса, сформулированных организацией, для которой собственно и осуществляясь его разработка, в состав БД будет дополнительно включена таблица допустимых продолжительных токов для шин прямоугольного сечения (DopToki.db).

Для проектирования и мониторинга БД была использована несколько устаревшая, но простая и удобная в обращении СУБД Paradox версии 3.5 [7].

Алгоритм работы комплекса

Алгоритм работы программного комплекса при проектировании и расчете параметров жесткой ошиновки электроустановки носит циклический характер и в обобщенном виде представлен на рисунке 2.

Опишем его вкратце. Проектировщик вручную вводит в экранные формы основные параметры ошиновки: профиль сечения шины, тип распределительного устройства, класс напряжения, расчетный ударный ток короткого замыкания, длину пролета шины L, расстояние между фазами А). Затем из базы данных загружаются параметры ошиновки для уже имеющихся типовых решений (хотя здесь также предусмотрен и ручной ввод). Например, для прямоугольного сечения в качестве этих параметров выступают толщина, ширина, поперечное сечение и масса шины.

Далее, как уже было отмечено выше, программа осуществляется проверку исходных данных на полноту и корректность и в случае необходимости, предлагает их коррекцию. Затем программа переходит в свою основную фазу - расчет параметров механической нагрузки на шины в соответствии с приведенными выше формулами и соотношениями. На основании этих значений выполняется проверка условия электродинамической стойкости и, если оно не выполняется, то программа автоматически подбирает подходящие параметры (это длина пролета) и снова рассчитывает параметры механической нагрузки.

Если же условие выполняется, то осуществляется переход к выбору опорного изолятора. Программа на основе рассчитанных параметров стойкости отбирает подходящие типы изоляторов, из которых проектировщик и осуществляет выбор.

Выбранный изолятор проверяется по условию нагрузки и, в случае успеха, формируется отчет, который может быть представлен, как в виде выходной экранной формы, так и в виде файла/распечатки на твердую копию.

Рисунок 2. Обобщенный алгоритм работы комплекса

Интерфейс комплекса

При разработке интерфейса были использованы нижеперечисленные требования, сформулированные на базе основных принципов GUI (Graphical User Interface):

· доступный для чтения размер шрифта;

· относительно простая логика использования, не требующая владения специальными знаниями;

· наглядность полученных результатов;

· возможность выбора значения из фиксированных наборов (например, список материалов шин);

· автоматическое формирование отчетов требуемых образцов по мере работы с программой;

· сохранение результатов при завершении работы с программой;

· минимизация ошибок, возникающих при работе.

Основная экранная форма комплекса представлена на рисунке 3. В ней расположены подокна для ввода данных о шине, о ее геометрии и параметрах, подокно для связи с БД, для визуализации промежуточных и окончательных результатов расчетов.

Рисунок 3. Основная экранная форма комплекса

На четвертом и пятом рисунках изображены основные экранные формы подсистемы связи с БД.

Рисунок 4. Экранная форма с номинальными данными изоляторов

Рисунок 5. Экранная форма редактирования параметров шин

Для документирования результатов используется технология отчетов, позволяющая представлять итоговые расчетные данные в виде документов текстового процессора Word и файлов на внешнем носителе. Примерный вид этого отчета представлен на рисунке 6.

Рисунок 6. Отчетная форма с представлением примерных результатов

Программная реализация и внедрение комплекса

Программный комплекс реализован в инструментальной системе программирования Borland Delphi 7 версии 7.2 [8] и рассчитан на платформу IBM-совместимых ПК под управлением ОС Windows XP, Vista, 7, 10. Для управления БД используется технология BDE.

Бета-версия комплекса в настоящее время проходит опытную эксплуатацию и тестирования в филиале ООО «Энергосервиспроект». Ввиду его относительной автономности планируется интегрировать его в состав САПР проектирования электроустановок и систем, что предполагает разработку и реализацию внутрисистемного интерфейса.

Литература

1. Короткие замыкания и выбор электрооборудования: Учебное пособие для вузов/И.П. Крючков, В.А.Старшинов и др. – М.: Издательский дом МЭИ, 2012. –568 с.

2. Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования - М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2002. - 336 с.

3. Сайт «Электротехническая энциклопедия» http://subscribe.ru/archive/tech.electrotech/200904/27220449.html

4. Балаков Ю.Н., Мисриханов М.Ш., Шунтов А.В. Проектирование схем электроустановок: Учебное пособие для вузов. – М.: Издательство МЭИ, 2004. – 288 с.

5. Кудрявцев Е.П., Долин А.П. Расчет жесткой ошиновки распределительных устройств – М.: Энергия, 1981. – 96 с.

6. СТО 56947007-29.060.10.163-2014. Жёсткая ошиновка на номинальные напряжения 35-750 кВ. Типовые технические требования

7. Тинней Диана. Программирование в Paradox for Windows на примерах: Пер. с англ. / Диана Тинней . – М. : БИНОМ, 1994 . – 752 с.

8. Фаронов В.В. Система программирования Delphi. – СПб.:БХВ-Петербург, 2004. –912 с.