Технические науки/5.
Энергетика
Куликова Елена Александровна
Уральский
государственный университет путей сообщения, Россия
доцент, канд. пед. наук
Головин
Александр Александрович
Уральский
государственный университет путей сообщения, Россия
магистрант гр. ЭЭм-114
Анализ применения САПР для расчетов
технических систем
Одна из основных отраслей промышленности любой
развитой страны мира – электроэнергетика, охватывающая производство электроэнергии,
ее передачу, распределение и потребление.
Современные энергетические системы состоят из
сотен связанных между собой элементов. Но на сегодняшний день проектирование
всей системы от электростанций до потребителей с учетом особенностей элементов
и одновременным решением множества других вопросов (выбора ступеней напряжения,
схем станций, релейной защиты и автоматики, регулирования режимов работы
системы, перенапряжений) нереально. Поэтому общую глобальную задачу разбивают
на задачи локальные, которые сводятся к проектированию отдельных элементов
системы: станций и подстанций; частей электрических сетей в зависимости от их
назначения (районных, промышленных, городских, сельских); релейной защиты и
системной автоматики и т. д. При проектировании необходимо учитывать
основные условия совместной работы элементов, влияющие на данную проектируемую
часть системы.
Намеченные проектные варианты должны
удовлетворять требованиям: надежности, экономичности, удобства эксплуатации,
качества энергии и возможности дальнейшего развития.
Единая энергетическая система (ЕЭС) России
− это электрические сети напряжения 220−1150 кВ общей
протяженностью более 148 тыс. км.
ЕЭС позволяет использовать максимумы нагрузки по
часовым поясам суммарным эффектом до 8 млн кВт [1].
Развитие системообразующей сети должно
осуществляться с использованием двух систем номинальных напряжений
110−220−500−1150 кВ на большей части территории России и
110−330−750 кВ в западной части ОЭС Центра и ОЭС Северо-Запада. В
перспективной структуре электропотребления нагрузки будут
определяться в первую очередь изменением соотношения между долей промышленного
и коммунально-бытового электропотребления.
На производство единицы сопоставимой продукции
большинство российских предприятий тратит в 2−3 раза больше энергии и
топлива, чем их зарубежные конкуренты по причинам изношенности оборудования и
низкого научно-технического уровня производства особенно в части применения
энергосберегающих технологий.
Реконструкция
энергооборудования должна сочетать демонтаж устаревшего оборудования, замену
его новым более экономичным и экологически чистым, и продление сроков службы
оборудования высокого давления путем замены выработавших свой ресурс узлов и
деталей.
Серьезная проблема – старение оборудования электростанций
и электрических сетей. Более 60 % оборудования работает свыше 15 лет, в
том числе более 40 % – свыше 25 лет. Срок эксплуатации части
электрических сетей превышает 30 лет.
Ухудшение
технического состояния системы электроснабжения − одна из основных причин
роста повреждений линий электропередачи (ЛЭП) и силового оборудования
подстанций. Реконструкция и модернизация элементов электроснабжения требует
огромных капитальных вложений, поэтому актуальной задачей остается выбор
оптимального варианта проектирования с заданной степенью надежности.
Для изучения условий работы и воздействия
внешних факторов на устройства электроэнергетики, а именно опор ЛЭП, выявления
факторов сокращающих жизненный цикл опоры и влияющих на безопасность при
эксплуатационной работе необходимо оценить их надежность и рассмотреть
известные решения по этому вопросу.
В 1970-х годах появились системы автоматизированного
проектирования (САПР) или CAD (Computer-Aided Design), которые обычно
используются совместно с системами автоматизации инженерных расчетов и анализа CAE (Computer-aided
engineering). Данные из СAD-систем
передаются в CAM (Computer-aided manufacturing) – систему
автоматизированной разработки программ обработки деталей для станков с ЧПУ.
Под термином «САПР для машиностроения»
подразумевают пакеты, выполняющие функции CAD/CAM/CAE/PDM,
т. е. автоматизированного проектирования, подготовки производства и
конструирования, а также управления инженерными данными.
Первые CAD-системы
появились еще в 1960-х годах. Именно тогда в компании General Motors была разработана интерактивная графическая система
подготовки производства, а в 1971-м ее создатель – доктор Патрик Хэнретти (его
называют отцом САПР) – основал компанию Manufacturing
and Consulting Services (MCS), оказавшую огромное влияние на развитие этого направления. По
мнению аналитиков, идеи MCS составили
основу почти 70 % современных САПР [2].
Изучением, разработкой нормативов проектирования,
анализом надежности устройств электроэнергетики занимались Баранов Е.А., Берг
О.Я., Рябов Г.Г., Баталов
Б.В., Кудрявцев А.А, Кузнецов К.Б., Кондратьев В.Г., Маквардт К.Г.,
Михеев В.П., Подольский В.И., Поршнев Б.Г., Селедцов Э.П., Фрайфельд А.В., их
ученики и другие ученые и специалисты.
Надежность
работы систем электроснабжения зависит от многих факторов: качества
проектирования и выполнения строительно-монтажных работ, ввода в действие и
грамотной эксплуатацией в различных режимах и атмосферно-климатических условиях
[3].
Основные
метеорологические факторы, влияющие на безаварийность работы, как ЛЭП, так и
контактной сети: гололедообразование, ветер и температура воздуха.
Гололедно-ветровые аварии сопровождаются многочисленными обрывами проводов и
тросов, поломкой опор, массовыми отключениями воздушных линий всех классов
напряжения и нарушением электроснабжения потребителей с соответствующим
ущербом.
Работники компании Solidworks провели
масштабные исследования условий работы устройств технических систем, а в
частности устройств систем электроснабжения.
А. Душевин в работе «Разработка документации для
электроники с помощью SolidWorks и AltiumDesigner» рассмотрел основные
принципы разработки сборочных чертежей электроаппаратуры и электроники с
помощью модуля Circuit Works SolidWorks САПР AltiumDesigner.
В программном продукте есть возможность показа устройства после монтажа
электрорадиоэлементов (ЭРЭ), т. е. модели печатной платы с установленными
компонентами. Таким образом, использование САПР, позволяет ускорить разработку
конструкторской документации и облегчить труд проектировщика. В AltiumDesigner встроена система импорта
файлов для SolidWorks. В
импортированную печатную плату всегда можно добавить 3D компоненты и быстро
сделать чертеж.
Также А. Душевин доказал, что с помощью
САПР можно создать реалистичную модель печатной платы с проводниками,
контактными площадками [4]. Но в большинстве случаев для разработчиков нужно
сделать комплект документации для сборки устройства и показывать топологию
печатной платы совсем не обязательно.
Анализ работы А. Душевина показал, что Circuit Works необходим лишь для
создания презентации устройства, а не для его разработки, поэтому Circuit Works не желательно использовать
для создания сборочного чертежа устройства.
В статье «Особенности внедрения
профессионального модуля САПР ТП в энергетике» Е. В. Петрова
рассматривает вопросы совместной подготовки кадров для конструкторских и
технологических отделов предприятий электроэнергетики, использования систем
автоматизированного проектирования при формировании электронного описания
изделия, реализации проекта межотраслевого ресурсного центра, разработки
сетевой образовательной программы для формирования профессиональных компетенций
[5].
В данных работах подтверждена актуальность
внедрения и применения систем автоматизированного проектирования для
конструкторских и технологических отделов предприятий электроэнергетики.
CAD/CAE/CAM
системы и системы класса PDM позволяют
организовать параллельное проектирование – коллективный режим работы над
проектом, когда одновременно большое количество специалистов работает над
различными частями и стадиями проекта изделия как в рамках
опытно-конструкторского бюро (ОКБ), так и в рамках виртуальной корпорации (с
распределенными смежниками). Все это дает новое качество – проектирование и
изготовление превращается в виртуальную
технологию изготовления компьютерного
макета изделия [6].
Для решения поставленных задач при моделировании работы устройств
электроэнергетики достаточно использовать CAD систему среднего класса − программный продукт
SolidWorks 2013 Premium [7].
С помощью CAD/CAE/CAM систем можно проводить анализ различных материалов и
прогнозировать их поведение под теми или иными нагрузками при воздействии
внешних факторов, что помогает опробовать новые конструктивные решения и
провести простейшие испытания без создания опытного образца и использования
дорогостоящих испытательных лабораторий, а программный продукт
SolidWorks
содержит все необходимые инструменты для моделирования и проведения термических
и механических испытаний элементов ЛЭП.
Ускорение
темпов развития науки и техники привели к необходимости учета при
проектировании следующих факторов: непрерывный рост тактико-технических
требований, увеличение стоимости разработок, сокращение сроков, отводимых на
разработку новых изделий. Применение различных САПР для расчета параметров
технических систем успешно решает данные проблемы.
Системы автоматизированного
проектирования позволяют анализировать большое количество
вариантов различных решений; создавать конструкции, оптимально учитывающие предъявляемые
к ним требования; использовать более точные методы расчета и проектирования,
сводящие к минимуму подстроечно-регулировочные операции; сократить сроки и
снизить стоимость разработки аппаратуры.
Литература:
1. Телегина И.А.
Электрические сети энергетических систем. Журнал «Энергия». – № 14. – М. :
Энергия, 2006. –18-23 с.
2. Политов В. Системы
автоматизированного проектирования // Электронный журнал «Умное производство».
– № 27, от 09.21.04. – URL : http:// www.umpro.ru (дата обращения 7.10.2014).
3. Электронный ресурс. Высшая математика, физика, теория электрических цепей,
механизмов и машин. – URL : http://fizses.ru (дата обращения 15.03.2014).
4. Душевин А.
Разработка документации для электроники с помощью SolidWorks и AltiumDesigner
// Электронный журнал «SolidWorks». – URL : http://solidworld.ru/ (дата обращения 18.11.2014).
5. Петрова Е.В. Особенности
внедрения профессионального модуля «САПР ТП в энергетике» // Электронный ресурс.
– URL : http://pk-41.ru/ (дата обращения 19.11.2014).
6. Галкин А.Г., Ковалев А.А. Системы автоматизированного
проектирования : курс
лекций. – Екатеринбург : УрГУПС, 2009. – 92 с.
7. Официальный русскоязычный сайт программных продуктов SolidWorks. – URL : http://www.solidworks.ru (дата обращения:
10.03.2014).