Ανάλυση μαγνητικού πεδίου και απωλειών σε καλώδια ισχύος

Abstract

H παρούσα διπλωματική εργασία μελετά το μαγνητικό πεδίο και τις απώλειες Joule σε έναν τυπικό χάλκινο κυλινδρικό αγωγό, χρησιμοποιώντας αναλυτική λύση που υπάρχει στην βιβλιογραφία, προκειμένου να αναπτυχθεί κατάλληλο μοντέλο αριθμητικής ανάλυσης με βάση τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων γαι τη μελέτη καλωδιών ισχύος. Αρχικά, παρουσιάζεται μια σύντομη επισκόπηση των σύγχρονων εξελίξεων στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας και ιδιαιτέρως στην τεχνολογία των καλωδιών υψηλής τάσης. Σε ένα πρώτο βήμα αναφέρονται τα τμήματα/στρώσεις που απαρτίζουν την τυπική διαμόρφωση των καλωδίων ισχύος και εν συνεχεία αναλύονται τα είδη των αγωγών που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή τους. Επιπλέον, εξετάζονται τα είδη των απωλειών στα καλώδια ισχύος και δίνεται έμφαση στην ανάλυση του επιδερμικού φαινομένου που εμφανίζεται στους αγωγούς. Σε ένα επόμενο βήμα, αναλύεται το θεωρητικό υπόβαθρο μελέτης της κατανομής του ρεύματος και των απωλειών στους αγωγούς και καταστρώνονται οι εξισώσεις που χρησιμοποιούνται για την αναλυτική λύση και η επίλυσή τους με την χρήση του λογισμικού MATLAB. Ακολουθεί η αριθμητική επίλυση του προβλήματος μέσω του λογισμικού πεπρασμένων στοιχείων FEMM, στο οποίο σχεδιάζεται η γεωμετρία της διατομής του χάλκινου κυλινδρικού αγωγού και προσδιορίζεται κατάλληλο πλέγμα για την ανάλυσή του . Τα αποτελέσματα κάθε λύσης αποτυπώνονται, συγκρίνονται και σχολιάζονται, ενώ προτείνεται ένα πλέγμα που εξασφαλίζει βέλτιστο συμβιβασμό μεταξύ ακρίβειας των αποτελεσμάτων και ταχύτητας επίλυσης του προβλήματος. Στη συνέχεια μελετάται τριφασικό καλώδιο 33kV, 540A, που αποτελεί την περίπτωση 4 των υποδειγματικών εφαρμογών του τεχνικού εγχειριδίου της CIGRE [1]και επιβεβαιώνονται τα αποτελέσματα του μοντέλου που διαμορφώθηκε στο λογισμικό FEMM. Τέλος, παρατίθενται τα συμπεράσματα που εξήχθησαν σχετικά με την ορθή υλοποίηση του μοντέλου που αναπτύχθηκε, ενώ παράλληλα αναφέρονται ορισμένα θέματα που προτείνονται για περαιτέρω διερεύνηση.