«ΔιερΕΥνηση Και Aντιμετώπιση προβλημάτων ποιότητας ηλεκτρικής Ισχύος σε Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΣΗΕ) πλοίων» (ΔΕΥ.Κ.Α.Λ.Ι.ΩΝ) πράξη ΘΑΛΗΣ-ΕΜΠ, πράξη ένταξης 11012/9.7.2012, MIS: 380164, Κωδ.ΕΔΕΙΛ/ΕΜΠ: 68/1129 Παραδοτέο: Π5.1.1 (Αναλυτική μεθοδολογία επίλυσης ηλεκτρομαγνητικού (Η/Μ) προβλήματος κατανομής σε βραχυκύκλωμα) Μελέτη προβλημάτων ΠΗΙ λόγω του συστήματος γείωσης
Πίνακας Περιεχομένων Εισαγωγή.... 1 1 Χαρακτηριστικά και πληροφορίες μοντέλων... 1 2 Παρουσίαση πεδιακών μεγεθών ανάλυσης στο USS Somerset...... 5 2.1 Ένα σημείο σύνδεσης στο κάτω διαμέρισμα... 6 2.2 Τρία σημεία σύνδεσης στο κάτω διαμέρισμα 8 2.3 Ένα σημείο σύνδεσης στο άνω διαμέρισμα. 9 2.4 Τρία σημεία σύνδεσης στο άνω διαμέρισμα.. 10 3 Παρουσίαση πεδιακών μεγεθών ανάλυσης στο HMS Albion...... 11 3.1 Ένα σημείο σύνδεσης στο Άνω-Εσωτερικό διαμέρισμα. 12 3.2 Τρία σημεία σύνδεσης στο Άνω-Εσωτερικό διαμέρισμα 13 3.3 Ένα σημείο σύνδεσης στο μπροστά-εξωτερικό διαμέρισμα 14 3.4 Τρία σημεία σύνδεσης στο μπροστά-εξωτερικό διαμέρισμα. 15
Εισαγωγή Στο κεφάλαιο αυτό θα δοθεί αναλυτικά η πορεία της προσομοίωσης από την κατασκευή του μοντέλου μέχρι την ανάλυση των αποτελεσμάτων. Αρχικά θα περιγραφούν η σχεδίαση, τα υλικά και τα μεγέθη των πλοίων. Τα πλοία δημιουργήθηκαν εξολοκλήρου στο πρόγραμμα Οpera 3d. Στη συνέχεια θα διευκρινιστεί ο τρόπος που προσεγγίσθηκε το βραχυκύκλωμα στο πρόγραμμα, καθώς και τα διάφορα σημεία των πλοίων, που επιλέχθηκαν να πληγούν από αυτό. Ακολούθως θα δοθούν τα αποτελέσματα των βραχυκυκλωμάτων και της γείωσής τους σε περισσότερα του ενός σημεία του πλοίου. Αυτό θα επαναληφθεί και για τους δύο τύπους πλοίων και θα περιγραφεί πλήρως ο τρόπος αναπαράστασης του πεδίου. Οι προσομοιώσεις έγιναν στο εργαστήριο Υψηλών Τάσεων του Πανεπιστημίου Πατρών σε υπολογιστή όπου είχε εγκατασταθεί το πρόγραμμα Opera 3d Cobham Design Software. 1. Χαρακτηριστικά και πληροφορίες μοντέλων Στη συγκεκριμένη εφαρμογή κατασκευάστηκαν εξολοκλήρου στον Μοντελοποιητή δύο πλοία, τα οποία εμπνεύστηκαν από πραγματικά πλοία. Τα δύο πλοία που έδωσαν την βάση σχεδιασμού των δύο μοντέλων είναι το USS Somerset (LPD-25) του Αμερικανικού πολεμικού ναυτικού και το HMS Albion L14 Royal Navy του πολεμικού ναυτικού της Μεγάλης Βρετανίας. Τα δύο αυτά πλοία είναι πραγματικά και φαίνονται στις ακόλουθες εικόνες. Σχήμα 1.1 HMS Albion L14 και USS Somerset [29] Η σχεδίαση των πλοίων δεν είναι απόλυτα ακριβής, έγιναν αρκετές παραδοχές στα σχήματα, με σκοπό την απλοποίηση των γεωμετριών. Χρησιμοποιήθηκαν βασικά σχήματα και κάνοντας χρήση διαφόρων εντολών και δυνατοτήτων του προγράμματος προέκυψε το τελικό αποτέλεσμα. Περίπλοκα γεωμετρικά σχήματα δεν θα προσέφεραν διαφορετικό αποτέλεσμα στην παρούσα προσέγγιση του προβλήματος. Ακόμα, τα δύο πλοία έχουν σκοπίμως διαφορετικές διαστάσεις (μήκος, κ.λπ.), ώστε να φανούν τυχόν διαφοροποιήσεις των πεδιακών μεγεθών μεταξύ των δύο περιπτώσεων. Η θάλασσα επιλέχτηκε να έχει πολύ μεγάλες διαστάσεις, με σκοπό να μην παρουσιαστούν προβλήματα κατά την εκτέλεση του προγράμματος λόγω πιθανής πεπερασμένης διάστασης αυτής. Στη συνέχεια 1
παρουσιάζονται σε μορφή πίνακα τα μεγέθη των πλοίων και σε εικόνες τα μοντέλα που κατασκευάσθηκαν. Τα πλοία διαστασιοποιήθηκαν σε διαμερίσματα όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.2 αντίστοιχα και στο Σχήμα 1.3. και τοποθετήθηκαν βρόγχοι βραχυκυκλώματος στο πάνω αριστερά και κάτω δεξιά διαμέρισμα στο οποίο εγχύθηκε όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.3 ρεύμα 100 kα DC. Πίνακας 2.1 Διαστάσεις USS Somerser Πλοίο USS Somerset Μήκος (m) 118 Πλάτος (m) 12.5 Ύψος (m) 15 Σχήμα 1.2 USS Somerset Model Πίνακας 2.2 Διαστάσεις HMS Albion Πλοίο HMS Albion Μήκος (m) 175 Πλάτος (m) 29 Ύψος (m) 28 2
Σχήμα 1.3 HMS Albion Σχήμα 1.4 Πλάγια όψη καλωδίου βραχυκυκλώματος συνδεδεμένο στο πλοίο. Το επόμενο βήμα είναι να καθοριστούν οι ιδιότητες που έχουν τα υλικά, τα οποία χαρακτηρίζουν τα πλοία και τη θάλασσα. Το υπολογιστικό πακέτο του TOSCA που θα χρησιμοποιηθεί είναι το Current Flow, και αυτό απαιτεί να προσδιοριστούν τόσο η σχετική διηλεκτρική σταθερά (relative permittivity ε r ) όσο και η αγωγιμότητα των υλικών (conductivity σ [S/m]). Αυτό επιτυγχάνεται μέσω της εντολής Set Material Properties. Το υλικό που χρησιμοποιήθηκε και στα δύο πλοία ήταν το Carbon Steel και το Stainless Steel, δηλαδή διάφορα είδη χάλυβα. Σύμφωνα με τη βιβλιογραφία, τα υλικά αυτά καθώς και διάφορες άλλες προσμίξεις χρησιμοποιούνται για την κατασκευή των πλοίων. Τα χαρακτηριστικά των διάφορων υλικών είναι ίδιας τάξης μεγέθους, και εφόσον έγιναν 3
προσομοιώσεις με διάφορες προσμίξεις χάλυβα και η συμπεριφορά των πεδιακών μεγεθών ήταν πανομοιότυπη, αποφασίσθηκε να χρησιμοποιηθεί ένα μόνο υλικό με χαρακτηριστικά: σχετική διηλεκτρική σταθερά και αγωγιμότητα. Η θάλασσα επιλέχθηκε να έχει χαρακτηριστικά: σχετική διηλεκτρική σταθερά και αγωγιμότητα. Σχήμα 1.5 Εντολή Set Material Properties για τον χάλυβα Σχήμα 1.6 Εντολή Set Material Properties για τη θάλασσα Στη συνέχεια, και αφού πρώτα ενοποιηθούν τα διάφορα σχήματα του μοντέλου σε έναν ενιαίο όγκο (εντολή Create Model Body), δημιουργείται το πλέγμα των τετραεδρικών σχημάτων. Το ιδανικό θα ήταν να επιλεχθεί το μέγιστο πλήθος των τετραεδρικών στοιχείων που είναι δυνατό, ώστε να έχουμε ιδανική ακρίβεια και μηδενικά σφάλματα. Κάτι τέτοιο όμως θα μεγάλωνε το χρόνο εκτέλεσης της προσομοίωσης κατά πολύ. Για αυτό επιλέχθηκε μικρό μέγεθος του πλέγματος σε περιοχές σημαντικές για την συγκεκριμένη προσομοίωση (πάνω στο πλοίο), ενώ σε θεωρητικά αδιάφορες περιοχές επιλέχθηκε μεγαλύτερο μέγεθος των τετράεδρων (θάλασσα). Το μέγεθος του πλέγματος θα μπορούσε να μειωθεί κι άλλο, όμως κάτι τέτοιο δεν άλλαζε σε σημαντικό βαθμό τα αποτελέσματα. 4
Σχήμα 1.7 Επιλογή μεγέθους πλέγματος στο πλοίο και στο σύνολο του χώρου Οι διαστάσεις του καλωδίου για το USS Somerset Model υπολογίστηκαν ως εξής: Cable dimensions 3x3x120mm=1080mm 2 Downstairs loop 4.4m*7.8m Upstairs loop 4.4m*7.8m Αντίστοιχα για το HMS Albion όπως φαίνεται στο Σχ. 2.6 υπολογίστηκαν ως εξής : Cable dimensions 3x3x120mm=1080mm 2 Inner loop 3.9mx3.9m height =20.8m Front loop 7.8m x 4.8m height =13.8m Σχήμα 1.8 Πλάγια όψη καλωδίου βραχυκυκλώματος συνδεδεμένο στο πλοίο. 2. Παρουσίαση πεδιακών μεγεθών ανάλυσης στο USS Somerset Για το πλοίο USS Somerset θα παρουσιασθούν εικόνες της προσομοίωσης, οι οποίες παρουσιάζουν πληροφορίες για τη μέγιστη τιμή της πυκνότητας ρεύματος σε λογαριθμική κλίμακα που προκύπτει από ρεύμα εντάσεως 100kA, εφαρμοζόμενο με τον τρόπο που περιγράφηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο. 5
2.1. Ένα σημείο σύνδεσης στο κάτω διαμέρισμα Για ένα σημείο σύνδεσης στο κάτω διαμέρισμα (Σχήμα 2.1) του βρόγχου με το περίβλημα του πλοίου έχουμε την πυκνότητα ρεύματος όπως φαίνεται στα σχήματα 2.2-2.4 Σχήμα 2.1 Βρόγχος με ένα σημείο σύνδεσης USS Somerset, στο κάτω διαμέρισμα. Σχήμα 2.2 Πυκνότητα ρεύματος στο σημείο βραχυκυκλώματος (USS Somerset κάτω διαμέρισμα) 6
Σχήμα 2.3 Πυκνότητα ρεύματος στο σημείο βραχυκυκλώματος με πλεγματοποίηση Σχήμα 2.4 Πυκνότητα ρεύματος στο σημείο βραχυκυκλώματος (USS Somerset κάτω διαμέρισμα) 7
2.2. Τρία σημεία σύνδεσης στο κάτω διαμέρισμα Για τρία σημεία σύνδεσης στο κάτω διαμέρισμα του βρόγχου με το περίβλημα του πλοίου έχουμε την πυκνότητα ρεύματος όπως φαίνεται στα σχήματα 2.5-2.6 Σχήμα 2.5 Πυκνότητα ρεύματος στο σημείο βραχυκυκλώματος (USS Somerset κάτω διαμέρισμα) Σχήμα 2.6 Πυκνότητα ρεύματος με τρία σημεία επαφής (USS Somerset κάτω διαμέρισμα) 8
2.3. Ένα σημείο σύνδεσης στο άνω διαμέρισμα Για ένα σημείο σύνδεσης στο άνω διαμέρισμα (Σχήμα 2.1) του βρόγχου με το περίβλημα του πλοίου έχουμε την πυκνότητα ρεύματος όπως φαίνεται στα σχήματα 2.7-2.8 Σχήμα 2.7 Πυκνότητα ρεύματος με ένα σημείο επαφής (USS Somerset άνω διαμέρισμα) Σχήμα 2.8 Πυκνότητα ρεύματος με ένα σημείο επαφής (USS Somerset άνω διαμέρισμα) 9
2.4. Τρία σημεία σύνδεσης στο άνω διαμέρισμα Για τρία σημεία σύνδεσης στο άνω διαμέρισμα του βρόγχου με το περίβλημα του πλοίου έχουμε την πυκνότητα ρεύματος όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.9-2.10. Σχήμα 2.9 Πυκνότητα ρεύματος με τρία σημεία επαφής (USS Somerset άνω διαμέρισμα) Σχήμα 2.10 Πυκνότητα ρεύματος με τρία σημεία επαφής (USS Somerset άνω διαμέρισμα) 10
3. Παρουσίαση πεδιακών μεγεθών ανάλυσης στο HMS Albion Για το πλοίο HMS Albion θα παρουσιασθούν εικόνες της προσομοίωσης, οι οποίες παρουσιάζουν πληροφορίες για τη μέγιστη τιμή της πυκνότητας ρεύματος σε λογαριθμική κλίμακα που προκύπτει από ρεύμα εντάσεως 100kA, εφαρμοζόμενο με τρόπο αντίστοιχο του USS Somerset. Το πλοίο χωρίστηκε σε δύο διαμερίσματα ένα άνω-εσωτερικό όπως φαίνεται στην εικόνα 3.1 και ένα μπροστά-εξωτερικό (εικόνα 3.2) Εικόνα 3.1 Άνω εσωτερικό διαμέρισμα με βρόγχο βραχυκυκλώματος. Εικόνα 3.2 Μπροστά-εξωτερικό διαμέρισμα με βρόγχο βραχυκυκλώματος. 11
3.1. Ένα σημείο σύνδεσης στο Άνω-Εσωτερικό διαμέρισμα Για ένα σημείο σύνδεσης στο Άνω εσωτερικό διαμέρισμα με βρόγχο βραχυκυκλώματος του βρόγχου με το περίβλημα του πλοίου έχουμε την πυκνότητα ρεύματος όπως φαίνεται στο Σχήμα 3.3-3.4 Σχήμα 3.3 Πυκνότητα ρεύματος στο σημείο βραχυκυκλώματος (HMS Albion) Σχήμα 3.4 Πυκνότητα ρεύματος στο σημείο βραχυκυκλώματος (HMS Albion) 12
3.2. Τρία σημεία σύνδεσης στο Άνω-Εσωτερικό διαμέρισμα Για τρία σημεία σύνδεσης στο Άνω εσωτερικό διαμέρισμα με βρόγχο βραχυκυκλώματος του βρόγχου με το περίβλημα του πλοίου έχουμε την πυκνότητα ρεύματος όπως φαίνεται στο Σχήμα 3.5-3.6. Σχήμα 3.5 Πυκνότητα ρεύματος στο σημείο βραχυκυκλώματος με τρία σημεία επαφής (HMS Albion) Σχήμα 3.6 Πυκνότητα ρεύματος στο σημείο βραχυκυκλώματος με τρία σημεία επαφής (HMS Albion) 13
3.3. Ένα σημείο σύνδεσης στο μπροστά-εξωτερικό διαμέρισμα Για ένα σημείο σύνδεσης στο μπροστά-εξωτερικό διαμέρισμα με βρόγχο βραχυκυκλώματος του βρόγχου με το περίβλημα του πλοίου έχουμε την πυκνότητα ρεύματος όπως φαίνεται στο Σχήμα 3.7-3.8. Σχήμα 3.7 Πυκνότητα ρεύματος στο σημείο βραχυκυκλώματος με ένα σημείο επαφής (HMS Albion) Σχήμα 3.8 Πυκνότητα ρεύματος στο σημείο βραχυκυκλώματος με ένα σημείο επαφής (HMS Albion) 14
3.4. Τρία σημεία σύνδεσης στο μπροστά-εξωτερικό διαμέρισμα Για τρία σημεία σύνδεσης στο μπροστά-εξωτερικό διαμέρισμα με βρόγχο βραχυκυκλώματος του βρόγχου με το περίβλημα του πλοίου έχουμε την πυκνότητα ρεύματος όπως φαίνεται στο Σχήμα 3.9-3.10. Σχήμα 3.9 Πυκνότητα ρεύματος στο σημείο βραχυκυκλώματος με τρία σημεία επαφής (HMS Albion) Σχήμα 3.10 Πυκνότητα ρεύματος στο σημείο βραχυκυκλώματος με τρία σημεία επαφής (HMS Albion) 15