Научная статья на тему 'АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ИЗОЛЯЦИИ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ВВОДА ТРАНСФОРМАТОРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ'

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ИЗОЛЯЦИИ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ВВОДА ТРАНСФОРМАТОРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
113
15
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ПРОГРАММНЫЕ СИСТЕМЫ / АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ / ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ / ИЗОЛЯЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРА / SOFTWARE SYSTEMS / COMPUTER-AIDED DESIGN / PARALLEL COMPUTING / TRANSFORMER ISOLATION

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Ясинский Игорь Федорович, Егоров Денис Владимирович

Процесс проектирования трансформатора сопровождается противоречивыми требованиями к его качествам. Это обстоятельство связано с тем, что трансформатор включает большое количество элементов и изготавливается на индивидуально настраиваемом оборудовании. Вместе с тем производство трансформаторов связано с использованием таких ценных материалов, как медь, алюминий, сталь и др. Следовательно, трансформатор является сложной системой, качественное проектирование которой затруднительно без автоматизации. Предлагается ускорить процесс расчета внутренней изоляции трансформатора с помощью параллельной вычислительной среды и применения быстрых алгоритмов. В работе использованы методы математического моделирования физических объектов, методы прикладной математики, принципы компьютерного моделирования физических объектов, алгоритмы распараллеливания вычислительного процесса в интерфейсах с общей памятью, анализ результатов вычислительных экспериментов. Создана программная система для автоматизированного проектирования внутренней изоляции высоковольтного ввода трансформатора. Показано, что алгоритм расчета характеристик изоляции работает корректно, напряженности на слоях не превышают максимально допустимых значений. Полученные результаты расчета сведены в таблицы и представлены графически. Параллельный интерфейс OpenMP дает увеличение скорости расчета в 2,6 раза по сравнению с последовательной версией. Разработанная система может служить инструментом повышения производительности процесса проектирования трансформатора. В системе достигнут заданный уровень достоверности и точности расчета. Автоматизация процесса способствует снижению влияния человеческого фактора на возможность совершения ошибки по сравнению с традиционной неавтоматизированной методикой расчета.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Ясинский Игорь Федорович, Егоров Денис Владимирович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

DESIGN AUTOMATION OF INTERNAL ISOLATION OF HIGH VOLTAGE TRANSFORMERS INPUT USING PARALLEL COMPUTING

The design process of a transformer is characterized by conflicting requirements for its qualities. This circumstance is due to the fact that the transformer includes a large number of elements and is manufactured on individually tuned equipment. Moreover, the production of transformers is associated with the cost of such valuable materials as copper, aluminum, steel, etc. Thus, the transformer is a complex system, the high-quality design of which is difficult without automation. It is proposed to speed up the process of calculating the internal isolation of a transformer using a parallel computing environment and the use of fast algorithms. Methods of mathematical modeling of physical objects, methods of applied mathematics, principles of computer modeling of physical objects, algorithms for parallelizing the computing process in interfaces with shared memory, analysis of the results of computational experiments are applied. A software system has been developed for the automated design of the internal isolation of the high-voltage input of the transformer. It is shown that the algorithm for calculating the isolation characteristics works properly; the stresses on the layers do not exceed the maximum allowable values. The obtained calculation results are summarized in tables and presented graphically. The parallel OpenMP interface provides an increase in calculation speed of 2.6 times compared with the serial version. The developed system can be a tool to increase the productivity of the transformer design process. The system has reached the specified level of reliability and accuracy of the calculation. Automation of the process helps to reduce the influence of the human factor in the possibility of a mistake in comparison with a traditional non-automated calculation method.

Текст научной работы на тему «АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ИЗОЛЯЦИИ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ВВОДА ТРАНСФОРМАТОРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ»

DOI 10.23859/1994-0637-2020-4-97-8 УДК 004.942

Ясинский Игорь Федорович

Кандидат технических наук, доцент, Ивановский государственный энергетический университет имени В. И. Ленина (Иваново, Россия) E-mail: igor.yasinskiy@gmail.com

Егоров Денис Владимирович

Магистрант,

Ивановский государственный энергетический университет имени В. И. Ленина (Иваново, Россия) E-mail: egorovedv@mail.ru

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ИЗОЛЯЦИИ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ВВОДА ТРАНСФОРМАТОРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

© Ясинский И. Ф., Егоров Д. В., 2020

Iasinskii Igor' Fedorovich

PhD in Technology, Associate Professor, Ivanovo State Power University (Ivanovo, Russia) E-mail: igor.yasinskiy@gmail.com

Egorov Denis Vladimirovich

Student in the master's programme, Ivanovo State Power University (Ivanovo, Russia) E-mail: egorovedv@mail.ru

DESIGN AUTOMATION OF INTERNAL ISOLATION OF HIGH VOLTAGE TRANSFORMERS INPUT USING PARALLEL COMPUTING

Аннотация. Процесс проектирования трансформатора сопровождается противоречивыми требованиями к его качествам. Это обстоятельство связано с тем, что трансформатор включает большое количество элементов и изготавливается на индивидуально настраиваемом оборудовании. Вместе с тем производство трансформаторов связано с использованием таких ценных материалов, как медь, алюминий, сталь и др. Следовательно, трансформатор является сложной системой, качественное проектирование которой затруднительно без автоматизации. Предлагается ускорить процесс расчета внутренней изоляции трансформатора с помощью параллельной вычислительной среды и применения быстрых алгоритмов.

В работе использованы методы математического моделирования физических объектов, методы прикладной математики, принципы компьютерного моделирования физических объектов, алгоритмы распараллеливания вычислительного процесса в интерфейсах с общей памятью, анализ результатов вычислительных экспериментов.

Abstract. The design process of a transformer is characterized by conflicting requirements for its qualities. This circumstance is due to the fact that the transformer includes a large number of elements and is manufactured on individually tuned equipment. Moreover, the production of transformers is associated with the cost of such valuable materials as copper, aluminum, steel, etc. Thus, the transformer is a complex system, the high-quality design of which is difficult without automation. It is proposed to speed up the process of calculating the internal isolation of a transformer using a parallel computing environment and the use of fast algorithms.

Methods of mathematical modeling of physical objects, methods of applied mathematics, principles of computer modeling of physical objects, algorithms for parallelizing the computing process in interfaces with shared memory, analysis of the results of computational experiments are applied.

A software system has been developed for the automated design of the internal isolation of the high-voltage input of the transformer. It is

Создана программная система для автоматизированного проектирования внутренней изоляции высоковольтного ввода трансформатора. Показано, что алгоритм расчета характеристик изоляции работает корректно, напряженности на слоях не превышают максимально допустимых значений. Полученные результаты расчета сведены в таблицы и представлены графически. Параллельный интерфейс ОрепМР дает увеличение скорости расчета в 2,6 раза по сравнению с последовательной версией.

Разработанная система может служить инструментом повышения производительности процесса проектирования трансформатора. В системе достигнут заданный уровень достоверности и точности расчета. Автоматизация процесса способствует снижению влияния человеческого фактора на возможность совершения ошибки по сравнению с традиционной неавтоматизированной методикой расчета.

Ключевые слова: программные системы, автоматизированное проектирование, параллельные вычисления, изоляция трансформатора

shown that the algorithm for calculating the isolation characteristics works properly; the stresses on the layers do not exceed the maximum allowable values. The obtained calculation results are summarized in tables and presented graphically. The parallel OpenMP interface provides an increase in calculation speed of 2.6 times compared with the serial version

The developed system can be a tool to increase the productivity of the transformer design process. The system has reached the specified level of reliability and accuracy of the calculation. Automation of the process helps to reduce the influence of the human factor in the possibility of a mistake in comparison with a traditional non-automated calculation method.

Keywords: software systems, computer-aided design, parallel computing, transformer isolation

Введение

Трансформатор представляет собой электромагнитное устройство, служащее для преобразования переменного тока одного напряжения в другое с сохранением частоты1. Номенклатура трансформаторов превышает несколько сотен типов. Учитывая при этом высокий уровень обновляемости данного вида оборудования, составляющий в среднем от 8 до 10 лет, становится очевидна строгость требований, предъявляемых ко всем этапам производства силовых трансформаторов. Заметим, что проектированию отводится главная роль, поскольку именно этот этап определяет ос-

2

новные характеристики изделия .

Для высоковольтного оборудования крайне важна безотказная работа во всех возможных режимах. Чтобы обеспечить его надежность, необходимо оптимально спроектировать изоляцию, учитывая при этом технико-экономические показатели

1 Попов Г. В., Игнатьев Е. Б. Об определении индекса технического состояния силовых трансформаторов в процессе их эксплуатации // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. - 2014. - № 4. - С. 54-57.

2 Тихомиров П. М. Расчет трансформаторов. - Москва: ЛЕЛАНД, 2014. - 528 с.

(размеры оборудования, состав изоляционных материалов, возможность транспортировки, а также себестоимость производства)1.

В настоящий момент проектирование оборудования производится разработчиками преимущественно в специальных программных комплексах, таких как Mathcad, MathLab и др.2 Указанную организацию вычислений отличают следующие недостатки:

- влияние человеческого фактора, по причине которого возможны ошибки в расчетах;

- значительные временные затраты в контексте традиционного проектирования высоковольтного оборудования.

Таким образом, становится очевидной необходимость внедрения специализированных автоматизированных средств разработки, проектирования и моделирования режимов работы высоковольтного оборудования3.

Программа автоматизированного проектирования должна соответствовать следующим условиям:

- удобный для пользователя интерфейс (понятный ввод входных данных, наглядное представление результатов вычислений, надежность функционирования программы);

- обеспечение высокой точности;

- минимальное время расчета.

Целью проекта является создание и совершенствование автоматизированной программной системы расчета параметров внутренней изоляции высоковольтного ввода трансформаторов.

Основная часть

Описание процесса расчета параметров внутренней изоляции высоковольтного ввода трансформаторов

Надежное функционирование высоковольтного оборудования обусловлено подбором подходящих параметров изоляции. К ним относятся: размеры узлов изолятора, диаметр токоведущего стержня, число слоев изоляционного остова, длины кон-

1 Тихонов А. И., Стулов А. В., Еремин И. В., Плаксин А. В. Разработка конструкции и методики проектирования высокочастотных трансформаторов с сердечником из аморфных сплавов // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. - 2018. -№ 6. - С. 57-65.

2 Стулов А. В., Трофимович И. А., Тихонов А. И. Разработка САПР силовых трансформаторов на основе автономных библиотек моделирования физических полей и электрических цепей // Пром-Инжиниринг: труды III Международной научно-технической конференции (Cанкт-Петербург - Челябинск - Новочеркасск - Владивосток, 16-19 мая 2017 г.). - Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2017. - С. 78-84.

3 Буткевич В. Ф, Уразалиев И. Б., Фирсов Д. М. Система онлайн-диагностирования и мониторинга конденсаторов связи 110 КВ и трансформаторных вводов с ЫР-изоляцией под рабочим напряжением // Электроэнергия. Передача и распределение. - 2018. - № S4 (11). -С. 22-33.

денсаторных обкладок, толщина и емкость слоев изоляции, напряженности в слоях изоляции и их распределение по радиальной составляющей1.

При проектировании принципиально важна минимизация ошибок при расчете параметров высоковольтного оборудования. Это может достигаться в том числе за счет высокой точности округления и представления полученных значений.

Данная операция позволяет повысить качество проектирования изоляции, благодаря чему улучшаются эксплуатационные характеристики всей системы электроснабжения. Контроль со стороны специалиста может осуществляться на основании

2

проверки корректности расчета значений ключевых характеристик изоляции .

Как правило, проектирование различных составляющих высоковольтного оборудования распределяется между несколькими сотрудниками. Автоматизированный расчет дает возможность существенного повышения производительности (или сокращения трудовых затрат), так как в одном программном комплексе может решаться целый ряд поставленных перед инженером задач.

Электрический расчет внутренней изоляции включает в себя несколько этапов:

1) выбор расчетных напряжений;

2) выбор размеров остова и фарфоровых покрышек ввода;

3) выбор допустимых радиальных напряженностей;

4) определение длин стержня и фланцев;

5) определение радиуса стержня и радиуса фланца;

6) определение числа слоев изоляционного остова;

7) определение длин конденсаторных обкладок и расчет их радиусов;

8) определение толщины слоев изоляции;

9) вычисление максимальных и минимальных радиальных напряженностей в слоях изоляции.

Проходные изоляторы (см. рис. 1) служат для ввода высокого напряжения внутрь металлических баков силовых трансформаторов, шунтирующих и токоограничива-ющих реакторов, масляных выключателей, конденсаторов и других видов оборудования высокого напряжения для кабельного подключения трансформаторов, а также для изоляции шин при проходе их через стены распределительных устройств.

1 Свиридов В. А., Бахарев Н. П. Обеспечение электродинамической стойкости силовых трансформаторов // Молодой ученый. - 2017. - № 32 (166). - С. 20-25. - URL: https://moluch.ru/archive/166/45370/ (дата обращения: 21.04.2020).

2 Блинова К. Ю., Аблицов О. И. Мониторинг и диагностика силовых трансформаторов с помощью системы контроля изоляции трансформаторов (СКИТ) // Научное сообщество студентов XXI столетия. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ: сборник статей по материалам XL Международной студенческой научно-практической конференции (Новосибирск, 29 марта 2016 г.). -Новосибирск: АНС СибАК, 2016. - № 3 (39). - URL: https://sibac.mfo/archive/techmc/3(39).pdf (дата обращения: 21.04.2020).

1

2

Рис. 1. Эскиз проходного изолятора: 1 - токоведущий стержень, 2 - фланец, 3 - изоляционный остов

Проходные изоляторы в высоковольтных аппаратах и трансформаторах, в отличие от других изоляторов, имеют весьма неблагоприятное расположение электродов, приводящее к крайне неравномерному распределению радиальной и аксиальной напряженности электрического поля. Наибольшая напряженность возникает у фланца, по которому она направлена в основном вдоль поверхности ввода. Как только напряженность превысит допустимую величину, возникают местные разряды сначала в виде короны, а затем в виде скользящих разрядов, приводящих к разрушению изоляции, возможным радиальным пробоям и продольным перекрытиям.

По этой причине при конструировании вводов высокого напряжения приходится применять искусственные меры для уменьшения аксиальной напряженности и обеспечения большой равномерности радиальной напряженности.

В результате расчета определяются максимальные и минимальные напряженности на каждом слое изоляции, которые сравниваются с допустимыми значениями. Если хотя бы на одном слое значение напряженности превышает допустимую величину, необходимо корректировать изначально рассчитанные данные и выполнять вычисления заново, что при традиционной неавтоматизированной форме расчета требует значительных временных затрат на проектирование.

При соблюдении указанных условий правильности вычислений инженер может приступать к конструктивной части проектирования, в которой разрабатывается чертеж с указанием всех габаритных размеров ввода, полученных на основе электрического расчета.

Алгоритмизация расчета внутренней изоляции трансформатора

Последовательный алгоритм функционрования

На рис. 2 представлена блок-схема последовательного расчета параметров высоковольтного ввода конденсаторного типа с бумажно-масляной многослойной изоляцией.

Рис. 2. Блок-схема последовательного алгоритма поиска оптимальных параметров

высоковольтного ввода

Согласно блок-схеме производится ввод номинальных значений по техническому заданию. На следующем этапе вносятся значения по справочным данным, исходя из номинальных параметров ввода. Эти значения выбираются с опорой на номинальное напряжение, на которое рассчитывается оборудование. Напряжение может иметь значения 110 кВ, 220 кВ, 330 кВ, 500 кВ, 750 кВ. Исходя из данных номинальных параметров, по справочным данным определяются значения Нв' и кн' и вводятся в программу расчета с учетом кз - коэффициента запаса, который также вносится в программу оператором. Затем выполняется процесс расчета допустимых аксиальных напряженностей в верхней и нижней частях ввода и средней аксиальной напряженности. Эти значения используются в последующем поиске параметров ввода. Далее производится вычисление (определение) длины и радиуса токоведущей части изолятора (кс, гс). На основе всех полученных данных рассчитываются параметры самой изоляции, а именно:

1) количество слоев изоляции (т);

2) длины и радиусы конденсаторных обкладок - к =[...] и г = [...] в зависимости от числа слоев т;

3) толщина слоя изоляции - Агк=[...] для т слоев;

4) емкость для каждого слоя - Ск=[...];

5) максимальная и минимальная напряженности для каждого слоя - Етах к и Е ,

^тт к•

Далее производится контроль правильности расчета, если хотя бы для одного слоя Етах к > Едоп, то программа возвращается обратно в блок ввода значений и просит скорректировать введенные данные. После коррекции введенных данных производится пересчет всех параметров заново. Если максимальные радиальные напряженности не превышают допустимых значений, то программа заканчивает расчет и выводит найденные параметры на экран. Если расчет оказывается успешным, программа останавливается и ждет указаний оператора.

По блок-схеме видно, что последовательный алгоритм может занять значительное время при переборе входных данных, удовлетворяющих корректности вычислений. Таким образом, для сокращения временного интервала поиска оптимальных параметров необходимо ускорение работы программы. Параллельная реализация делает возможным выполнение серий расчетов с выбором наиболее подходящих по точности полученных значений.

Параллельный алгоритм функционирования

В параллельной схеме реализован принцип производства нескольких вариантов расчета, которые реализуются одновременно, независимо друг от друга.

В конце вычислений полученные значения максимальной и минимальной напряженности проверяются на условие соответствия допустимой напряженности. Все прошедшие проверку варианты расчета сравниваются между собой по оптимальности. За оптимальный принимается вариант, при котором значения напряженности максимально отличаются от допустимой напряженности в слоях изоляции высоковольтного ввода. Если полученные данные какого-либо варианта расчета не прошли проверку по допустимым значениям напряженности, то эти результаты стираются.

После нахождения оптимального варианта вычислений рассчитанные значения выводятся на экран либо на печать. Среди результатов отображаются габаритные размеры ввода, длина и радиус токоведущего стержня, длины конденсаторных обкладок, толщина слоев. Кроме того, приводятся электрические параметры: емкости слоев изоляции, максимальные и минимальные напряженности на слоях.

Блок-схема параллельного алгоритма поиска оптимальных параметров высоковольтного ввода показана на рис. 3.

Выбор допустимых напряженностей на слоях Еш, Е/,т, Ещ. Определяие длины и радиуса токов едущего стержня Не, г

инл аклб

Вычисление напряженностей Етахк = [...], Етхк = [. ]

Выбор допустимых напряженностей на слоях Енв2, Енн2, Ен2. Определение длины и радиуса токоведущего стержня Не, г

инл аклб

Вычисление напряженностей ЕтаХк = [...], ЕятПк = [...]

Выбор допустимых напряженностей на слоях Еаи, Еш, Енн Определение длины и радиуса токоведущего стержня Не, г

нли клб

Вычисление напряженностей Етагк = н. ]л Ет*. = [ ]

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Выбор лучшего варианта и бел од результатов

Рис. 3. Блок-схема параллельного алгоритма поиска оптимальных параметров высоковольтного ввода

В отличие от последовательного расчета, в параллельном расчете вводится несколько вариантов значений Нв1', Нв2', ..., ЯвЫ' и Нн1', Нн2', ..., Нн^'. Введенные варианты входных данных распределяются по потокам от 1 до Ы, в каждом из которых на основе указанных сведений определяются все необходимые параметры ввода. Рассчитываются допустимые напряженности и размеры токоведущей части - Нс и гс .

Далее по потокам распределяется поиск значений, соответствующих характеристикам изоляции для каждого слоя. В отдельных потоках рассчитываются массивы значений длин конденсаторных обкладок - Нк, толщин слоев изоляции - Дтк, радиусов конденсаторных обкладок - гк, емкостей каждого слоя - Ск. Затем все полученные данные используются для определения максимальной и минимальной напря-

женности по слоям - Ет

и Е

После того как значения найдены, производится их проверка на допустимость в каждом Ы-м потоке. Если каждое значение массива Етах_к и Етп_к проходит проверку, то эти массивы значений отправляются на сравнение вариантов расчета. После сравнения данных по оптимальности принимается лучший вариант расчета и программа выводит на экран или на печать все расчетные значения. Массивы данных, которые не прошли проверку, удаляются программой и больше не участвуют в вычислении.

к

Предусмотрен случай, в котором все варианты расчета предлагают недопустимый результат, при этом условии программа предложит скорректировать входные значения, и после их изменения будет произведен новый расчет.

Вычислительные эксперименты по ускорению параллельной реализации расчета внутренней изоляции трансформатора

Для проведения численного эксперимента над параллельным вариантом программы использовались интерфейс ОрепМР1 и следующие данные:

1) номинальные значения:

- номинальное напряжение - ином = 110 кВ;

- номинальный ток - /ном = 850 А;

2) выбираемые параметры:

- высота верхней части изолятора - Нв'1 = 0,9 м;

- высота верхней части изолятора - Нв'2 = 0,98 м;

- высота верхней части изолятора - Нв'3 = 0,8 м;

- длина нижней части остова - кн'1 = 0,5 м;

- длина нижней части остова - кн'2 = 0,3 м;

- длина нижней части остова - кн'3 = 0,39 м;

- коэффициент запаса - кз 1 = 1,18;

- коэффициент запаса - кз2 = 1,19;

- коэффициент запаса - кз3 = 1,15;

3) допустимая рабочая напряженность - Едоп = 3,571 кВ/мм.

В ходе расчета было определено, что второй вариант вычислений не прошел проверку по допустимости напряженностей, соответственно, он не может быть использован в дальнейшей работе программы. Первый и третий варианты расчета прошли проверку по условию допустимости радиальных напряженностей. После сравнения оптимальности был выбран третий вариант.

По полученным данным построен график распределения радиальных напряжен-ностей по слоям (см. рис. 4), по оси абсцисс которого откладывается радиус слоя, а по оси ординат - значение напряженности, соответствующей этому радиусу. В табл. 1 -3 представлены длины и радиусы конденсаторных обкладок, а также остальные характеристики, включая продольную, аксиальную, приведенную напряженность, напряженность у токоведущего стержня, радиус стержня, число слоев изоляции.

1 Жалнин Р. В., Панюшкина Е. Н., Пескова Е. Е., Шаманаев П. А. Основы параллельного программирования с использованием технологий MPI и OpenMP. - Саранск: СВМО, 2013. -78 с.

3.6

3.2

Е 2.8

2.4

2

22 28 34 40 46 52 58 64 70 76 82 гк

Рис. 4. График распределения напряженности выведенного варианта расчета

Таблица 1

Длины конденсаторных обкладок

№ обкладки, к Длина, м № обкладки, к Длина, м

1 1,576 14 1,007

2 1,533 15 0,963

3 1,489 16 0,920

4 1,445 17 0,876

5 1,401 18 0,832

6 1,357 19 0,788

7 1,314 20 0,744

8 1,270 21 0,701

9 1,226 22 0,657

10 1,182 23 0,613

11 1,139 24 0,569

12 1,095 25 0,525

13 1,051 26 0,482

Таблица 2

Значения радиусов конденсаторных обкладок

№ обкладки,к Радиус, мм № обкладки, к Радиус, мм

1 39,98 14 93,977

2 43,093 15 98,301

3 46,348 16 102,604

4 49,743 17 106,866

5 53,272 18 111,067

6 56,930 19 115,186

7 64,599 20 119,202

8 68,592 21 123,094

9 72,676 22 126,841

10 76,838 23 130,423

11 81,065 24 133,819

12 85,342 25 137,010

13 89,651 26 139,122

\ |\

\ Л \

Ч \\ К „ |ч к \

N N \ГЧ ч

Таблица 3

Рассчитанные характеристики ввода

Продольная напряженность (Ehv, кВ/мм) Аксиальная напряженность (Ehn, кВ/мм) Приведенная напряженность (Eh, кВ/мм) Напряженность у токо-ведущего стержня (Erc, кВ/мм) Число слоев изоляции m Радиус стержня Гс, м

384,058 590,858 232,762 3,571 26 0,038

Время последовательного расчета параметров составило 1 мин 39 с. Здесь не предусмотрена возможность ввода и выбора оптимального варианта из нескольких наборов входных данных. При этом велика вероятность, что возникнет необходимость проведения повторного расчета, если полученные характеристики не будут удовлетворять допустимым условиям. В результате проведенного численного эксперимента с параллельным поиском характеристик внутренней изоляции ввода время вычислений составило 38 с.

Выводы

В результате исследования создана программная система для автоматизированного проектирования внутренней изоляции высоковольтного ввода трансформатора. В разработанной структуре расчета определены вычислительно сложные участки, к ним относится расчет параметров слоев и напряженностей на слоях изоляции. Поскольку изоляция высоковольтного ввода имеет многослойную структуру, соответствующие вычислительно сложные блоки программного кода были реализованы с участием распараллеливающих директив по технологии OpenMP.

Выполнен численный эксперимент, на основе которого проведен анализ полученных результатов. Показано, что алгоритм расчета характеристик изоляции работает корректно, напряженности на слоях не превышают максимально допустимых значений. Полученные результаты расчета оформлены в таблицы и представлены графически. Параллельный интерфейс OpenMP дает увеличение скорости расчета в 2,6 раза по сравнению с последовательной версией.

В системе достигнут заданный уровень достоверности и точности расчета, ускорен процесс проектирования изоляции. Автоматизация процесса способствует снижению влияния человеческого фактора на возможность совершения ошибки по сравнению с традиционной неавтоматизированной методикой расчета.

Литература

Блинова К. Ю., Аблицов О. И. Мониторинг и диагностика силовых трансформаторов с помощью системы контроля изоляции трансформаторов (СКИТ) // Научное сообщество студентов XXI столетия. Технические науки: электронный сборник статей по материалам XL студенческой международной научно-практической конференции. - Новосибирск: АНС Си-бАК, 2016. - № 3 (39). - URL: https://sibac.info/archive/technic/3(39).pdf (дата обращения: 21.04.2020).

Буткевич В. Ф, Уразалиев И. Б., Фирсов Д. М. Система онлайн-диагностирования и мониторинга конденсаторов связи 110 КВ и трансформаторных вводов с RIP-изоляцией под рабо-

чим напряжением // Электроэнергия. Передача и распределение. - 2018. - № S4 (11). -С. 22-33.

Жалнин Р. В., Панюшкина Е. Н., Пескова Е. Е., Шаманаев П. А. Основы параллельного программирования с использованием технологий MPI и OpenMP. - Саранск: СВМО, 2013. -78 с.

Попов Г. В., Игнатьев Е. Б. Об определении индекса технического состояния силовых трансформаторов в процессе их эксплуатации // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. - 2014. - № 4. - С. 54-57.

Свиридов В. А., Бахарев Н. П. Обеспечение электродинамической стойкости силовых трансформаторов // Молодой ученый. - 2017. - № 32 (166). - С. 20-25. - URL: https://moluch.ru/archive/166/45370/ (дата обращения: 21.04.2020).

Стулов А. В., Трофимович И. А., Тихонов А. И. Разработка САПР силовых трансформаторов на основе автономных библиотек моделирования физических полей и электрических цепей // Пром-Инжиниринг: труды III Международной научно-технической конференции (Санкт-Петербург - Челябинск - Новочеркасск - Владивосток, 16-19 мая 2017 г.). - Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2017. - С. 78-84.

Тихомиров П. М. Расчет трансформаторов. - Москва: ЛЕЛАНД, 2014. - 528 с.

Тихонов А. И., Стулов А. В., Еремин И. В., Плаксин А. В. Разработка конструкции и методики проектирования высокочастотных трансформаторов с сердечником из аморфных сплавов // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. - 2018. - № 6. -С. 57-65.

References

Blinova K. Iu., Ablitsov O. I. Monitoring i diagnostika silovykh transformatorov s pomoshch'iu sistemy kontrolia izoliatsii transformatorov (SKIT) [Monitoring and diagnostics of power transformers using a transformer isolation monitoring system]. Nauchnoe soobshchestvo studentov XXI stoletiia. Tekhnicheskie nauki: elektronnyi sbornik statei po materialam XL studencheskoi mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii [Scientific community of students of XXI century. Engineering sciences: proceedings of XL International student research and practice conference]. Novosibirsk: ANS SibAK, 2016, no. 3 (39). Available at: https://sibac.info/archive/tech-nic/3(39).pdf (accessed: 21.04.2020).

Butkevich V. F, Urazaliev I. B., Firsov D. M. Sistema onlain-diagnostirovaniia i monitoringa kondensatorov sviazi 110 KV i transformatornykh vvodov s RIP-izoliatsiei pod rabochim napria-zheniem [System for online diagnosis and monitoring of 110 kV communication capacitors and transformer inputs with RIP isolation under operating voltage]. Elektroenergiia. Peredacha i ras-predelenie [Electricity. Transmission and Distribution], 2018, no. S4 (11), pp. 22-33.

Zhalnin R. V., Paniushkina E. N., Peskova E. E., Shamanaev P. A. Osnovy parallel'nogo pro-grammirovaniia s ispol'zovaniem tekhnologii MPI i OpenMP [Basics of parallel programming using MPI and OpenMP technologies]. Saransk: SVMO, 2013. 78 p.

Popov G. V., Ignat'ev E. B. Ob opredelenii indeksa tekhnicheskogo sostoianiia silovykh transformatorov v protsesse ikh ekspluatatsii [Calculation of technical condition index of power transformers in operation]. Vestnik Ivanovskogo gosudarstvennogo energeticheskogo universiteta [Vest-nik of Ivanovo State Power University], 2014, no. 4, pp. 54-57.

Sviridov V. A., Bakharev N. P. Obespechenie elektrodinamicheskoi stoikosti silovykh transformatorov [Providing electrodynamic stability of power transformers]. Molodoi uchenyi [Young researcher], 2017, no. 32 (166), pp. 20-25. Available at: https://moluch.ru/archive/166/ 45370/ (accessed: 21.04.2020)

Stulov A. V., Trofimovich I. A., Tikhonov A. I. Razrabotka SAPR silovykh transformatorov na osnove avtonomnykh bibliotek modelirovaniia fizicheskikh polei i elektricheskikh tsepei [CAD design of power transformers based on autonomous libraries for modeling physical fields and electric

circuits], Prom-Inzhiniring: trudy III Mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii (Sankt-Peterburg - Cheliabinsk - Novocherkassk - Vladivostok, 16-19 maia 2017 g.) [Industrial Engineering: proceedings of III International scientific and technological conference (St Petersburg - Chelyabinsk - Novocherkassk - Vladivostok, 16-19 May 2017], Cheliabinsk: Izdatel'skii tsentr IuUrGU, 2017, pp, 78-84,

Tikhomirov P, M, Raschet transformatorov [Transformer calculation], Moscow: LELAND, 2014, 528 p,

Tikhonov A, I,, Stulov A, V,, Eremin I, V,, Plaksin A, V, Razrabotka konstruktsii i metodiki proektirovaniia vysokochastotnykh transformatorov s serdechnikom iz amorfnykh splavov [Development of the design and design technique for high-frequency transformers with an amorphous alloy core], Vestnik Ivanovskogo gosudarstvennogo energeticheskogo universiteta [Vestnik of Ivanovo State Power University], 2018, no, 6, pp, 57-65,

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Для цитирования: Ясинский И. Ф., Егоров Д. В. Автоматизация проектирования внутренней изоляции высоковольтного ввода трансформаторов с использованием параллельных технологий // Вестник Череповецкого государственного университета. - 2020. - № 4 (97). -С. 89-101. DOI: 10.23859/1994-0637-2020-4-97-8

For citation: Iasinskii I. F., Egorov D. V. Design automation of internal isolation of high voltage transformers input using parallel computing. Bulletin of the Cherepovets State University, 2020, no. 4 (97), pp. 89-101. DOI: 10.23859/1994-0637-2020-4-97-8

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.