Программа «ЗУМ» позволяет рассчитать: сопротивление ЗУ (комплексное, импульсное, переходное), распределение потенциала и тока элементов ЗУ, напряжение прикосновения, шаговое напряжение, при синусоидальных и импульсных воздействиях. Модель земли многослойная горизонтально-слоистая (ее параметры дает встроенная функция интерпретации данных ВЭЗ). Допускаются локальные 3D неоднородности. Искрообразование в грунте моделируется увеличением эквивалентного радиуса заземлителя.
Новые возможности: учет частотных характеристик грунта при расчете импульсных сопротивлений заземлителей. Удельная проводимость высокоомного грунта увеличивается в несколько раз с увеличением частоты от 100 Гц до 1 МГц, а импульсное сопротивление заземлителя снижается до 100%, что экспериментально показано зарубежными исследователями. Если ваш заземлитель расположен в высокоомном грунте (от 1000 Ом·м), то программа «ЗУМ» предлагает оригинальные модели и методы, превосходящие мировой уровень. Подробнее в статьях [Расчет заземлителей молниезащиты ...] + [Презентация], [Моделирование заземлителя ...].
Программа «ЗУМ» позволяет построить зоны защиты молниеотводов и установить незащищенную часть объекта по российским нормам: РД 34.21.122-87, СО-153-34.21.122-2003, ВСП 22-02-07 МО РФ, Газпром СТО-2007, Транснефть РД-11, а также по стандарту МЭК 62305-3 методом катящейся сферы. Незащищенная часть объекта маркируется цветом. Строятся горизонтальные, вертикальные сечения и вырезы. Для метода катящейся сферы в дополнение (или вместо) зоны защиты строится зона захвата молнии – она наиболее наглядна. Производится автоматическое определение площади стягивания молнии и ожидаемого ежегодного числа ударом молнии в объект по методике МЭК 62305 (она принята и в России).
Первый способ.
Согласно СТО 56947007-29.240.044-2010 величина кондуктивной помехи определяется напряжением между точками заземления экрана, уменьшенным в k раз Uк=U/k. Действия пользователя: рассчитать ЗУ, указать точки заземления экрана кабеля, полученное напряжение поделить на k=6-10.
Второй способ.
Для первого импульса тока молнии кондуктивная помеха Uк=R0l∙L, где I – ток экрана, L – длина кабеля, R0 – погонное сопротивление экрана. Действия пользователя: изобразить трассу кабеля между точками заземления экрана линией и задать параметры экрана, рассчитать ЗУ и выбрать график кондуктивных помех.
Третий способ.
Расчет помехи в 3D модели кабеля. Действия пользователя: по заданной линии автоматически строим 3D модель кабеля и после расчета ЗУ «меряем» напряжение на выходе.
Рекомендуется: второй способ для первого импульса тока молнии, третий способ – для второго импульса тока молнии и при воздействии ВЧ-составляющей тока КЗ.
Эти вопросы подробно рассмотрены в статье [Расчет кондуктивных помех ...] + [Презентация].
Ток молнии, протекая по молниеотводу, ЗУ и металлоконструкциям здания, создает электромагнитное поле в помещениях с микропроцессорной аппаратурой. Нормированным параметром является напряженность магнитного поля. Расчеты проводятся с учетом экранирования сеточными экранами, которыми моделируются арматура железобетонных плит, металлический каркас и металлические (сэндвич) панели сборных конструкций, с визуализацией решения 2D, 3D графиками. Подробнее в статье [Расчет магнитного поля ...].
Источники: шины с заданными токами и потенциалами на частоте 50 Гц. Расчеты проводятся во временной области, поскольку поля эллиптические и комплексный метод расчета неприменим (или неточен). Результаты расчетов представляются в виде 2D, 3D графиков аналогично предыдущей задаче.
Расчету подлежат волны напряжения и тока в проводах линии и шинах ПС при ударе молнии в грозозащитный трос, опору или провод ВЛ. Учитывается вольт-секундная характеристика гирлянды изоляторов, ОПН, коронирование проводов и потери в земле, а также рабочие напряжения проводов ВЛ и токи трансформаторов (ненулевые начальные условия). Оборудование на ПС моделируется входными емкостями (согласно РД 153-34.3-35.125-99). Подобные задачи решаются в программе EMTP. Преимущество нашего подхода заключается в 3D моделировании, точном учете заземлителей и использование L-устойчивых формул интегрирования 3 порядка (метод Влаха) вместо формулы трапеций в EMTP. Эти вопросы рассмотрены в [Моделирование волновых процессов ...] + [Презентация].
Задачи ЭМС – цепно-полевые, поскольку расчету подлежат цепные параметры (токи, напряжения, входное сопротивление системы проводников) вместе с полевыми параметрами (распределение потенциала, напряженности электрического и магнитного поля с учетом экранирования). Решать их целесообразно с использованием цепно-полевых (гибридных) моделей.
Полевая модель используется для определения электромагнитных параметров проводников – матриц собственных и взаимных сопротивлений растекания, индуктивностей, емкостей. Эти параметры переносим на цепную модель, где определяем входное сопротивление, продольные и стекающие токи проводников методами теории цепей. Возвращаемся к полевой модели и на основе найденных токов (продольных и стекающих) рассчитываем дифференциальные характеристики электромагнитного поля – распределение потенциала и напряженности электрического и магнитного поля (в ближней зоне). Эта методика используется во многих работах по расчету заземлителей, а также в теории антенн. Отличительной особенностью разных методик является способ переноса параметров полевой модели в цепную модель. В программе «ЗУМ» реализованы оригинальные матричные преобразования, позволяющие выполнить эту операцию эффективно [Математические модели и методы ...].
В настоящее время цепно-полевая модель включает в себя частотно-зависимые сопротивления (стальных проводников и земли с учетом поверхностного эффекта), нелинейные элементы (ВСХ изоляции проводов ВЛ, ВАХ ОПН, сопротивления стержневого заземлителя при искрообразовании), а также сосредоточенные сопротивления и емкости (оборудования ПС). Мы разработали эффективный алгоритм учета частотных свойств проводников во временной области (при импульсных воздействиях), что позволяет отказаться от расчетов на эквивалентной частоте (неточны) или громоздких расчетов с эквивалентными схемами замещения.
Расчеты электромагнитных параметров и полей производятся методом эквивалентных зарядов (токов) со стержневыми элементами круглого сечения в качестве источника поля. Для проводников некруглого сечения найдены эквивалентные диаметры. Электрическая неоднородность земли учитывается методом зеркальных изображений (двухслойная модель), методом оптической аналогии (многослойная модель) и методом интегральных уравнений (3D модель). Учитывается частотная зависимость удельной проводимости земли по формулам Мессира (Messier) и Висакро-Алипио (Visacro-Alipio), что позволяет повысить точность расчета заземлителей.
Расчет установившихся режимов в цепной модели производится методом узловых напряжений. Топология цепи описывается стандартной матрицей соединений А (продольных ветвей) и матрицей В, учитывающей пути стекания тока, что составляет специфику задачи.
Для расчета переходных процессов при импульсных воздействиях реализовано три метода: частотный метод (ЧМ), метод дискретных схем (МДС) и операторный метод (ОМ) на основе шаговых алгоритмов Влаха и Сингхала. Все методы исследованы на тестовых задачах. Мы рекомендуем ОМ. ЧМ, как известно, нельзя применить для нелинейных задач. Проблемы формулы трапеций, используемой в большинстве профессиональных программах, например EMTP, связаны с локальными осцилляциями в точках перегиба функции.
Мы последовательно прошли путь от однородной и двухслойной модели земли к многослойной горизонтально-слоистой модели земли с 3D неоднородностями. Нам удалось существенно повысить быстродействие расчета заземлителей в двухслойной земле за счет ускорения сходимости бесконечных рядов при расчете сопротивления заземлителя. Найдены оригинальные решения по повышению быстродействия расчетов в многослойной земле, а также по гибридизации метода эквивалентных токов и метода интегральных уравнений в 3D модели земли [Сопротивление заземлителя ...].
Геометрическое моделирование в САПР – основное требование проектировщиков. Мы используем AutoCAD для визуализации результатов расчета (включая анимацию динамических процессов). Мы прошли три этапа интеграции с AutoCAD: простой обмен данными в формате DXF (drawing exchange format), использование технологий COM и ObjectARX.
COM технологии, используемые в ранних версиях, дают универсальное и надежное приложение, работающее на любой версии AutoCAD. Сбой в программе не ведет к сбою в AutoCAD и потере данных. Низкая производительность в задачах с большими геометрическими данными – главный недостаток приложений на основе COM, однако нам удалось значительно повысить быстродействие, используя dxf-файл в качестве буфера в операциях записи/чтения примитивов.
Текущая версия программы «ЗУМ» использует технологию ObjectARX, которая обеспечивает высокое быстродействие при работе с большими графическими данными и функциональность [Интеграция ПО с САПР]. Мы постарались нивелировать главный недостаток технологии – требование бинарной совместимости программы пользователя и версии AutoCAD, из-за которого ARX-приложение работает только на определенных версиях AutoCAD. В инсталляторе «ЗУМ» вложены версии для различных версий AutoCAD, которые выбираются автоматически.
Программа «ЗУМ» осуществляет поддержку в геометрическом моделировании. Построение регулярных сеток автоматизировано. Задавая оси в пространстве модели AutoCAD и указывая тип создаваемого объекта, можно построить модель контрольного кабеля или электромагнитного экрана. Можно создавать и более сложные объекты, такие как резервуар или модель человека.
Быстродействие компьютерной программы – один из основных критериев, определяющих ее конкурентоспособность. Программа «ЗУМ» работает на 1-2 порядка быстрее, чем аналогичные российские программы (порядка минуты для расчета ЗУ из 5000 элементов), что позволяет проектировщику провести полноценную серию вариантных расчетов при проектировании ЭМС электрической ПС за 1-2 дня.
Эффективность заложенных в программу «ЗУМ» математических моделей и методов – первая причина высокой производительности.
Алгоритмическая оптимизация кода – другой способ повышения производительности. Современный процессор работает на порядок быстрее оперативной памяти (ОЗУ), поэтому задача программиста – уменьшить число обращений к ОЗУ за счет обращений к быстрой кэш памяти.
Ускорение наиболее трудоемких матричных операций с использованием стандартных математических библиотек (с низкоуровневой оптимизацией и многопоточностью) – третье условие высокого быстродействия. Мы используем Intel Math Kernel Library (Intel MKL).
