Problemos aktualumas ir tyrimų būklė pasaulyje ir Lietuvoje

Daugelyje technologinių procesų yra siekiama optimizuoti konstrukcinius ir eksploatacinius parametrus, pvz., stengiamasi mažinti įrenginio svorį, tūrį, kainą, vartojamos energijos kiekį, su minimaliom pažeidom apdoroti gaminį.

Šiuolaikinėje mobiliųjų ir stacionariųjų įrenginių gamyboje svarbią vietą užima elektros kabelių (izoliuotų laidų pluoštų), skirtų perduoti energijai ar informacijai tinkamų geometrinių ir fizinių parametrų parinkimas. Siekiama užtikrinti patikimą ir saugų energijos ir informacijos perdavimą, naudojant kuo mažiau metalo (vario) - tai leidžia mažinti įrangos kainą ir jos užimamą erdvę įrenginyje. Laidų su optimaliais skersmenimis projektavimas įrenginiuose priklauso nuo įrenginio specifikacijos ir dizaino.

Laidų skerspjūvių plotai pluošte yra natūraliai ribojami iš apačios vario elektroterminių savybių. Elektros srovė, tekėdama laidu, generuoja šilumą, dėl ko kyla jo temperatūra. Kuo didesnis srovės tankis, tuo aukštesnė temperatūra pasiekiama stacionariajame režime. Siekiama, kad ši temperatūra neviršytų izoliacijos lydymosi temperatūros (apie 120 laipsnių Celsijaus). Vystantis naujoms technologijoms laidų skaičius ir masė įrenginiuose tik didės, todėl inžinieriams pagrindinis tikslas yra nustatyti optimalų laido skerspjūvio plotą, kad būtų sumažinta bendra laidų masė įrenginyje.

Jau keletą metų Vilniaus Gedimino Technikos universiteto Matematinio modeliavimo katedra glaudžiai bendradarbiauja su Miuncheno Bundesvero universitetu. Pagrindinis tikslas buvo tobulinti elektros įtaisų mobiliuose įrenginiuose optimizavimo ir projektavimo sukurtus standartus.

Darbai buvo pradėti analizuojant ir kuriant matematius modelius, programas temperatūros viename laide, laidų pluošte, įvairių rūšių jungiamuosiuse elementuose pasiskirstymui tirti. Sukurtieji elektros laidų pluošto temperatūros pasiskirstymo ir laidų pluošto geometrinių parametrų optimizavimo algoritmai naudojami ir yra tinkami metalo masės mažinimo uždaviniams spręsti ir, jei reikia, gali būti pritaikyti kitiems panašaus tipo uždaviniams nagrinėti (esami modeliai ir algoritmai gali būti taikomi nagrinėjant ir kitas būtinąsias mobiliųjų ir stacionariųjų elektros įtaisų dalis, komponentes ar sistemas). Tolimesni uždaviniai yra taip pat susiję su elektros energijos perdavimo ir pasiskirstymo tinkluose naudojamų kabelių modeliavimu ir optimizavimu, ir esamų metodikų gerinimu. Šio projekto tikslas yra sukurti elektros energijos skirstymo ir perdavimo tinklo kabelių projektavimo metodiką bei skaičiavimo programą, kurie atitiktų naujausius elektros skirstymo ir perdavimo tinklo techninius ir ekonominius reikalavimus.

Paprastai elektros perdavimo linijos ir kabeliai yra parenkami su 60% rezervu perspektyviniam galingumui perduoti. Tačiau šiandien, prie esamų tinklų turi būti prijungiami vis didesni nauji generuojantys šaltiniai, tokie kaip vėjo parkai, bio masės bei atliekų deginimo elektrinės. Todėl elektros skirstymo ir perdavimo tinklai turi būti optimizuojami, kad būtų galima kuo geriau išnaudoti linijų bei kabelių resursus naujam galingumui perduoti.

Esami kabelių skaičiavimo standartai yra IEC 287 ir IEC 853, kurių pagrindą sudaro dar 1957 metais Neher ir McGrath sukurtos skaičiavimo metodikos. Šios metodikos pagrindas yra analitinės bei empirinėmis formulėmis sudaryti skaičiavimo algoritmai, kurie negali modeliuoti sudėtingesnių kabelių paklojimo sąlgų. Kaip pavyzdys gali būti pateiktas kabelių trasa kertanti kelią. Ši sankirta blogina kabelių šiluminio laidumo savybes, todėl skerspjūviai turi būti perskaičiuojami įvertinant šią aplinkybę. Tačiau dabartinės metodikos tik apytiksliai nurodo, kokius koeficientus reikia taikyti, norint įvertinti kabelio trasos ir kelio sankirtą.

Kitas svarbus momentas yra kabelių trumpalaikis įšilimas dėl perkrovimo. Norint tiksliau apskaičiuoti terminį kabelių atsparumą reikia taikyti skaitinius kompiuterinius modelius, kurie šiandien dar nėra ištobulinti.

.110kV kabelių projektavimo metodikose taip nėra vieningų skaičiavimo taisyklių. Kadangi šie kabeliai paprastai yra brangūs, todėl jų projektavimas turi remtis labai tiksliais matematiniais modeliais bei skaičiavimų algortimais. Šie kabeliai yra klojami labai įvairiomis sąlygomis, kurios įtakoja kabelio elektroterminius parametrus, kabelių ekranais tekančios indukuotos srovės žymiai mažina srovės pralaidumą. Visi šie uždaviniai projektavimo metu turi būti atsakyti naudojant tikslius skaičiavimo algoritmus.