Содержание к диссертации
Введение
1 Комплексная компенсация возмущений при повреждении изоляции в распределительной сети. 27
1.1 Анализ процессов при замыканиях на землю в распределительных сетях и общая постановка задач исследования. 27
1.2 Функциональное сопряжение базовой системы с синтезируемой в процессе компенсации возмущения 41
1.3 Гармонический спектр токов сети при нелинейности характеристики компенсатора 46
1.4 Процессы возбуждения колебаний в системе с управлением параметрами компенсирующего устройства 52
1.5 Формирование результирующих характеристик синтезируемой системы комплексной компенсации 59
1.6 Резонансные свойства контура тока замыкания в сети с управляемым компенсатором 67
1.7 Метод функциональной диагностики базовой системы 75
Выводы по разделу 1.. 79
2 Анализ процессов при однофазных замыканиях в распределительной сети с компенсированной нейтралью 81
2.1 Феррорезонансные процессы в контуре замкнувшейся на землю фазы 81
2.2 Свойства основного оператора в методе функциональной диагностики базовой системы на параметрическом полусегменте 86
2.3 Обоснование метода оптимального управления комплексной компенсацией возмущений 103
2.4 Распределение напряжений на элементах сети при замыканиях фаз на землю через переменное сопротивление 113
2.5 Огибающая амплитуд и начальная фаза тока замыкания на землю 116
2.6 Компенсация активной составляющей тока замыкания при
несимметричном изменении характеристики компенсатора 124
Выводы по разделу 2 129
3 Управление компенсацией по амплитудно-фазовым соотношениям режимных величин контура нулевой последовательности ... 131
3.1 Качественный анализ управляемого процесса компенсации токов 131
3.2 Контроль процессов компенсации токов в распределительной сети 139
3.3 Контроль амплитуды и фазы токов замыкания на землю 144
3.4 Расчет процессов коммутации в сети с компенсированной нейтралью с помощью дискретной математической модели 147
3.5 Методы определения токов замыкания на землю в распределительной сети с изолированной нейтралью 152
3.6 Использование амплитудно-фазовых соотношений величин режима для контроля управляемой компенсации 158
3.7 Моделирование измерительной схемы системы автоматической компенсации 162
Выводы по разделу 3 172
4 Обоснование методов поиска отказов в кабельных лрїниях сети по изменениям структуры их магнитного поля 173
4.1 Классификация методов поиска отказов в кабельных линиях электропередачи 174
4.2 Топологические особенности структуры электромагнитного поля в пространстве вокруг кабельной линии 177
4.3 Диагностика отказа на основе оценки энергии поля в месте повреждения изоляции 183
4.4 Формирование полей методом параметрического управления на частоте источника 190
Выводы по разделу 4. 198
5 Информационные признаки электромагнитного поля над трассой кабельной линии. .".200
5.1 Локальные условия параметрической идентификации. 200
5.2 Алгоритмы оценивания исследуемых процессов 202
5.3 Аналитическое определение конфигурации пространственной структуры электромагнитного поля над местом повреждения 204
5.4 Экспериментальный анализ магнитного поля кабельной линии 211
Выводы по разделу 5 214
6 Интегральные оценки электрофизических параметров поля вокруг кабеля 216
6.1 Емкостные связи между трехфазной и однопроводной цепями 217
6.2 Оценка значений плотности тока в земле для кабельных линий. 220
6.3 Характеристики силовых кабелей, определяющие структуру их внешнего магнитного поля. 224
6.4 Пространственное распределение внешнего поля при повреждениях кабеля 231
Выводы по разделу 6 240
7 Приборы для электронной диагностики отказов элементов; распределительных сетей . 242
7.1 Признаки отказов и условия решения задачи по изменениям амплитудных характеристик тока в месте отказа 242
7.2 Визуальные и псофометрические характеристики отказов. 249
7.3 Обобщенный алгоритм оценивания и идентификации отказов 251
7.4 Задачи среды программирования для расчета быстрых преобразований Фурье 254
7.5 Спектральные образы элементов распределительной сети
при электронной диагностике 261
7.6 Влияние солнечной активности на измерение значений электромагнитных параметров сети 265
7.7 Приборы для обнаружения мест повреждений кабелей и автоматизированного контроля электромагнитных параметров распределительных электрических сетей 268
7.7.1 Унифицированный прибор для обнаружения мест повреждений в кабельных электрических сетях 268
7.7.2 Прибор для технической диагностики состояния изоляции распределительной сети 273
7.8 Расчет экономической эффективности от внедрения прибора для обнаружения места повреждения в кабельных линиях электропередачи 276
Выводы по разделу 7 279
Заключение 281
Список используемых источников
- Функциональное сопряжение базовой системы с синтезируемой в процессе компенсации возмущения
- Свойства основного оператора в методе функциональной диагностики базовой системы на параметрическом полусегменте
- Контроль амплитуды и фазы токов замыкания на землю
- Диагностика отказа на основе оценки энергии поля в месте повреждения изоляции
Введение к работе
Распределительные сети системы электроснабжения агропромышленного комплекса (РССЭС) АПК выполняются на напряжении 10 кВ и 0,4 кВ. В процессе эксплуатации подвержены воздействиям аномальных явлений, сопровождающих наиболее массовые отказы (например, повреждение изоляции), при этом требуется отключение на значительное время напряжения, подаваемого на кабель, для оценки технического состояния и выявления дефектов. Проблема повышения надежности РССЭС АПК является комплексной. Решение задач этой проблемы восходит к необходимости анализа основных динамических характеристик РССЭС и учета реальных особенностей эксплуатации. Одним из направлений решений задач по повышению надежности РССЭС является развитие путей компенсации возмущений, порождаемых локальным рассеянием энергии на элементах ее структур. Компенсация аномальных процессов при этом основывается на изучении разносторонних физических проявлений -следствий локального рассеяния энергии.
РССЭС на напряжении 10 кВ могут работать в режимах изолированной или заземленной через дугогасящий реактор или резистор нейтрали [81]. Введение дугогасящего реактора (компенсация) или резистора уменьшает токи замыкания на землю и выделение энергии в месте повреждения.
Сети 0,4 кВ могут работать в режимах систем TN, TN-C, TN-S, TN-C-S, IT, ТТ [81], обладающими разными возможностями обеспечения электробезопасности. Такие сети могут быть и автономными в связи с развитием и внедрением альтернативных источников питания в АПК. Применение системы IT в сочетании с комплексной компенсацией тока замыкания на землю позволит увеличить электробезопасность и пожаробезопасность, так как комплексная компенсация позволяет уменьшить не только емкостную составляющую ток, но и активную составляющую тока замыкания. Уменьшение токов ограничивается лишь возможностями системы управления комплексной компенсации.
Математические модели описания изучаемых процессов сложны, имеют нелинейный характер, поэтому для их анализа, контроля исследуемых процессов, построения путей компенсации возмущений естественно использовать асимптотические методы. Однако, асимптотический анализ для дифференциальных операторов имеет развитую теорию в основном для регулярных возмущений, когда возмущения носят подчиненный характер по отношению к невозмущенному оператору.
Задачи с возмущением главных частей оператора (сингулярно возмущенные задачи) или задачи с малыми параметрами при старших производных, требуют разработки методов приближенного решения для синтеза отдельных звеньев системы управления компенсацией процессов, порождающих цепное развитие аварийных режимов в (контроль сопротивления изоляции в цепях фаз на переменном токе, принужденная регуляризация колебаний с разделением компенсирующих составляющих на основе учета их природы, подавление автоколебаний, феррорезонансных процессов и других важных проявлений).
При разработке электрооборудования для современных автономных электроэнергетических систем широкого назначения на стадии проектирования возникает задача многокритериальной оптимизации структуры и параметров устройств. Она включает некоторые и частные вопросы:
-обеспечение минимальной достаточности функционально-структурного состава электроэнергетического (силового). и информационно-управляющего (сигнального) оборудования;
- соответствие критериям надежности с учетом внутренних и внешних воздействий (климатических, электромагнитных);
- достижение технико-экономической эффективности;
- минимизация массогабаритных показателей, а также снижение производственно-эксплуатационных затрат с учетом вынужденных наладочных, рекламационных и ремонтных простоев;
- обеспечение электроэнергетической и электромагнитной совместимости.
В ряду основных задач, требующих решения - определение расстояния до места отказа без отключения линии, а также его места. В настоящее время і последняя операция чаще всего проводится методом отключений, переключений,, изменения конфигурации сетей. При этом зачастую коммутационные перенапряжения приводят к появлению новых отказов.
Для сетей АПК и городов продолжает оставаться нерешенной задача автоматизированного диагностирования повреждений с привязкой к топографическим ориентирам, что существенно облегчает и ускоряет определение их зоны. Этот метод приводит к созданию топографических планшетов, а его сущность заключается в непрерывной обработке исходных сигналов с линий электропередачи, выделении линии и импульса с максимальной энергией, определение расстояния на основе обработки переходных процессов, сопровождающих отказ и привязки к ориентирам на электронных планшетах.
Контур нулевой последовательности сети представляет собой нелинейную многосвязную динамическую систему, в которой имеют место ре:юнансы напряжений и токов, авто- и параметрические колебания, взаимодействия их спектров порождаемых дисперсией. Таким образом, определение мест наиболее трудно выявляемых отказов - однофазных замыканий на землю в кабельных электрических сетях 6.-.10 кВ, работающих с режимом изолированной либо компенсированной нейтрали, - является сложной задачей.
Исследуемые прикладные задачи проблемы компенсации возмущений содержат малые величины — малые.числовые параметры, характеризующие относительную малость различных воздействий и факторов. Методы малого параметра хорошо развиты и широко используются в теории нелинейных колебаний. Выделяют три группы методов малого параметра: регулярных, сингулярных возмущений и усреднения. Приближенные исследования регулярно возмущенных колебательных систем основываются на работах А. Пуанкаре, A.M. Ляпунова. Они связаны с построением периодических решений (по целым или дробным степеням малого параметра или последовательным приближениям) и исследованиям их устойчивости.
Наряду с развитием указанного подхода интенсивно развивались точные методы исследования устойчивости, основанные на аппарате A.M. Ляпунова (Н.Н. Красовский, Н.Г. Четаев и др.).
Одним наиболее широко применяемых методов асимптотического исследования нелинейных колебаний является принцип усреднения, в основе которого лежат работы Н.М. Крылова, Н.Н. Боголюбова, Ю.А. Митропольского, В.М. Волосова. В настоящее время к этому принципу относят ряд методов разделения медленных и быстрых процессов посредством преобразований в фазовом пространстве, методы, связанные с понятием интегральных многообразий и др.
Метод усреднения и родственные ему методы получили дальнейшее развитие, И нашли применение при исследовании сложных задач колебаний, устойчивости (М.А. Айзерман, Ф.Р. Гантмахер, В.В. Солодовников и др.).
Основу методов сингулярных возмущений составляют работы по асимптотике решений дифференциальных уравнений, содержащих малые параметры при производных, выполненные А.Н. Тихоновым, Л.С.. Понтрягиным и др., и исследования по релаксационным колебаниям, выполненные А.А. Дородницыным, Е.Ф. Мищенко, Н.Х. Розовым и др.. Следует отметить, что к сингулярно возмущенным системам уравнений приводят исследования в случае быстрых переходных процессов в СЭС АПК, быстроосцилирующих процессов (замыканий через дугу), релаксационных колебаний.
В применении к нелинейным колебаниям в исследуемых системах, существенные результаты получены с использованием основ аналитических и качественных методов науки. Качественные методы теории дифференциальных уравнений позволяют определить общие свойства проявлений динамики исследуемых процессов, а аналитические - получить выражения связи фазовых координат и переменных параметров системы.
При решении задач исследуемой проблемы сочетаются оба направления — аналитическое и качественное — с проверкой результатов аналитических выражений качественным путем, и, качественных результатов при помощи аналитических приемов. В результате такого сочетания в представляемой работе по строены решения, научно-технических задач проблемы, выражающие через уравнения связи важные ее прикладные стороны.
Основу решения проблемы, рассматриваемой в работе, составляет совокупность положений теории о явлениях и процессах, порождаемых собственными и вынужденными колебаниями в многоконтурных нелинейных цепях РССЭС АПК, обмен колебательной энергией сопровождения аномальных проявлений.
Аспекты проблемы компенсации аномальных процессов в РССЭС: теоретический - связан с развитием прикладной теории динамики локальных рассеяний энергии, построением приближенных решений уравнений динамики, выяснением основных положений для решения главных задач проблемы компенсации аномальных процессов в РССЭС АПК;
практический — связан с построением путей и приемов совершенствования эксплуатационных характеристик РССЭС АПК, диагностики технического состояния и электробезопасности. Он связан с построением основы для конструктивных решений научно-технических задач проблемы компенсации возмущений, порождающих цепочное развитие аварийных режимов, создания электробезопасных РССЭС АПК повышенной надежности.
Актуальность исследуемой проблемы. Обусловлена требованиями повышения надежности, дальнейшего углубления физических представлений о природе аномальных явлений в РССЭС АПК, необходимостью получения новой информации о проявлениях исследуемых возмущений, связи основных параметров с характеристиками надежности, а также необходимостью разработки эффективных методов контроля параметров отражения динамических характеристик с целью построения методов управления и воздействия на аномальные процессы, порождаемые локальным рассеянием энергии, методов функциональной диагностики элементов структуры распределительных сетей.
Подавление аномальных процессов, порождаемых наиболее частым видом повреждений (до 60-70% от общего числа отказов) - повреждениями изоляции относительно земли [17, 50, 57, 58, 61, 62, 77, 78, 96, 99, 108], вытекает из необ ходимости сохранения работоспособности РССЭС АПК во всех режимах и условиях ее эксплуатации.
С одной стороны, режимы работы распределительной сети с изолированной нейтралью позволяют при локальных рассеяниях энергии, не вызывающих электрической дуги, не прерывать электроснабжение потребителей, но, с другой стороны, процессы, связанные с возникновением токов в месте повреждения изоляции без компенсации, сопровождается неприемлемыми по условиям эксплуатации явлениями: перенапряжениями, прогрессирующим нарастанием процессов, ведущих к авариям в сети - переходу повреждений изоляции в междуфазные замыкания, требующих немедленного отключения.
Компенсация только лишь емкостных токов не решает задачи ограничения амплитуд токов до значений, безопасных для эксплуатационного персонала (в случае однополюсного прикосновения к токоведущим частям электроустановок). Это обстоятельство.требует развития методов и путей компенсации = носителей энергии с учетом их характера.
К задачам, требующимs своего решения, следует отнести сопутствующие локальным рассеяниям энергии проявления: самовозбуждение, самораскачивание в автономных системах из-за значительных емкостей отдельных составляющих структур РССЭС АПК и ограниченной мощности автономных источников электрической энергии.
Главным недостатком кабельных линий, снижающим их надежность, является относительно частая их повреждаемость, длительный выход из строя. Последнее обусловлено, прежде всего, сложностью выявления места дефекта кабельной линии. По данным эксплуатации в общей цепи электроснабжения кабельные линии повреждаются в 2-3 раза чаще [99], чем другие элементы (коммутационная аппаратура, трансформаторы и т.д.) и дают почти половину из общего числа случаев нарушения электроснабжения. При этом на выявление и ликвидацию одного повреждения затрачивается от 50-70 ч (В.И; Старостин, А.И Сюсюкин) до 6-9 суток. Этим цифрам соответствуют и зарубежные статистические данные [77].
Длительность выхода из строя кабельных линий при повреждениях приводит к снижению надежности электроснабжения ответственных потребителей, которые в этом случае получают питание только по резервным линиям. При отсутствии резервных линий и их повреждениях, потребители остаются без питания на длительное время. По данным .[99] причины повреждений линий могут быть разделены: на заводские дефекты - 15%, дефекты прокладки - 7-15%, дефект монтажа — до 40%, дефекты эксплуатации — 30-38% (в том числе повреждения, возникающие при земляных работах на трассах кабелей). По конструктивным элементам кабельных линий повреждения разделяют на самом кабеле (60%), и повреждения в соединительных муфтах и концевых разделках (40%). Однофазные повреждения по данным ряда исследователей могут составлять до 75% от общего числа повреждений.
Требование о снижении аварийности по причине развития быстро прогрессирующих процессов, приводит к необходимости изучения пространственных структур поля, порождаемого локальным рассеянием энергии.
Существенную роль в этой области исследований играет эксперимент. Особая роль эксперимента, в данном случае состоит в возможности преодоления части трудностей в построении теории, обусловленных комбинационными резонансами, параметрическими процессами, самовозбуждением контура нулевой последовательности, которые она должна учитывать.
Как показано в работе, контур нулевой последовательности компенсированной сети не исключает появления колебаний, отличных от частоты вынуждающей функции. В нем могут иметь место колебания в широком диапазоне спектра частот, в том числе на субгармониках и ультрагармониках, вызывающих перенапряжения, и ряд других явлений. Поэтому важным представляется путь поиска повреждений изоляции в элементах структур сети без отключения потребителей (в компенсированных распределительных сетях), поскольку применение компенсации возмущений позволяет не отключать потребителей, а повреждение в области малых уровней локально рассеиваемой энергии сохраняет различимые признаки, не смотря на общий фон электромагнитного поля.
адача всестороннего исследования физических процессов, сопровождающих повреждения изоляции, должна рассматриваться как специфическая задача, решение которой открывает перспективы в выделении важной информации об аномальных процессах, возможностях ее использования для управления компенсацией. При этом безопасность эксплуатационного персонала, связанная с возможным протеканием через тело человека значительных токов поражения, находит свое решение в виде «защитного ограничения» амплитуд токов поражения. Ограничение амплитуд токов, протекающих в местах дефектов изоляции, представляет собой сложное и многогранное явление, что приводит к тому, что, несмотря на возможность осуществимости достижения априорных критериальных значений,величин исследуемого режима по условиям электробезопасности за счет компенсации, одновременно возникает задача необходимости непрерывного, круглогодичного пофазного контроля состояния.изоляции вРСеЭСАГЖ.
Состояние решаемой научной проблемы. Изучению аномальных явлений; порождаемых повреждениями изоляции с локальным рассеянием энергии в распределительных сетях посвящено значительное количество работ как теоретического, так и экспериментального направления. Ряд проявлений, наблюдаемых в компенсированных сетях, связан с этапами, которые преодолевались на интуитивном уровне, что во многом носило отпечаток случайности, и подходы исследователей часто были изобретательскими.
Большинство полученных при этом результатов общего и частного характера относятся к распределительным сетям с неуправляемой компенсацией части возмущений, а предложенные методы решения ряда задач, примыкающих к изучаемой в работе проблеме, приемлемы лишь к проявлениям частного характера. В рамках существующих представлений устойчиво работающие сети при повреждениях изоляции подвержены воздействиям, порождающим целый ряд процессов, развитие которых не позволяет без перерыва функционирования поврежденного участка сохранить ее работоспособность в целом. Исследования по компенсации аномальных процессов в сетях, порождаемых локальным рас сеянием энергии, с целью решения широких классов теоретических и прикладных задач в проблеме повышения надежности систем электроснабжения и электробезопасности, начаты на заре развития электроэнергетики и продолжаются по настоящее время.
В обзорах, проводимых в работах Н.Н. Белякова, Р. Вильгейма, А. Уотерса, И.Э. Ибрагимова, Ф.А..Лихачева, И.М. Сироты, А.П. Трухана, В.П. Колосюка, приведен анализ основных направлений поисков решений ряда научно-технических задач проблемы сохранения функциональных свойств РССЭС при наличии устойчивых повреждений изоляции.
В работах А.И. Долгинова, И.М. Сироты освещена часть аспектов построения решений уравнений динамики компенсированных сетей на основе аналитических разложений периодических составляющих по степеням малого параметра, с последующим переходом в приложениях к неавтоматизированному подбору параметров энергонакопителей, с целью достижения сбалансированности режимных величин в условиях обмена колебательной энергией, порождаемых повреждениями изоляции. Значительные результаты получены с помощью качественных методов исследования уравнений динамики.
В работах В.К. Обабакова, О.Н. Меркулова, Ю.Н. Целуевского, А.П. Трухана приведены обзоры по автоматизации процессов компенсации токов замыкания на землю. Поставлен вопрос о необходимости создания надежных и достоверных методов контроля и управления процессами, имеющими место при дуговых замыканиях, применения дугогасящих аппаратов.
В дальнейшем, при аналитическом решении задач теории компенсации аномальных процессов в РССЭС, получили развитие методы исследования во временной области и методы, построенные на основе функциональных преобразований Лапласа, Фурье, Меллина.
Методы исследования процессов в многоконтурных колебательных системах во временной области освещены в работах В.М. Старжинского, Е. Филиппова, Т. Хаяси, методы структурных преобразований в работах А.А. Андронова, Ф.П. Жаркова, В.А. Соколова, Ю.А. Митропольского, методы усреднения в работах В.И. Арнольда, Л.Н. Бессонова, В.М. Волосова, асимптотические методы в работах Н.Н. Боголюбова, А.Д. Брюно, Ю.А. Митропольского и др. Возможности практического применения методов исследования динамики процессов во временной области, ограничиваются трудностями в определении собственных чисел. Возможности этой группы методов расширяются в связи с разработкой более эффектных алгоритмов определения собственных чисел (Е.А, Гребенников, Ю.А. Рябов). Для некоторых нестационарных систем специального вида удобным оказывается путь перехода от уравнений с переменными коэффициентами к уравнениям с постоянными коэффициентами без решения задачи определения; собственных чисел. К таким системам относится синхронная машина и вибрационный гироскоп (В:А. Веников, Н.Н. Щедрин). Кроме того, приближенные решения (асимптотические методы, методы усреднения) позволяют рассмотреть более широкий класс систем.
Во многих случаях, особенно когда требуется преодоление барьеров размерностей, формальных преобразований, значительные результаты могут быть получены с помощью качественных методов исследования дифференциальных уравнений (А.А. Андронов, Ы.Н. Баутин, Е.А. Леонтович, А.М.Заездиый, Ю.А. Митропольский, Е. Филиппов, Т. Хаяси)! Эти методы широко применяют на практике. Их продолжают развивать потому, что в ряде случаев с их помощью преодолевается рутинная часть вычислений, определяется устойчивость, реакция системы на возмущение, непосредственная физическая интерпретация разносторонних проявлений исследуемых процессов, их свойства.
В работах В.А. Веникова, Н.Н. Щедрина, П.С. Жданова рассматриваются решения электротехнических задач, расчеты токов короткого замыкания: для систем сложной конфигурации. Эти решения находят применение в задачах расчетного характера, начальных этапах рассматриваемой проблемы. Ограничение токов определенной амплитудой, управление процессами их ограничения требует нового подхода в построении решений уравнений динамики, создания основы для аппаратурной реализации этапов функциональной диагностики в отличие от традиционных методов (Е.Ф.Цапенко), применимых для частных случаев.
В работах Ф.А. Лихачева, И.М. Сироты, А.П. Трухана приведены результаты исследований и обзоры методов контроля процессов компенсации. Возникла необходимость в разработке общего метода контроля и управления двухканальной компенсацией возмущений, разработке метода, исключающего ввод при управлении компенсацией рассматриваемых возмущений составляющих, несущих энергию к местам локального его рассеяния.
При исследовании устойчивости периодического режима нелинейных систем, в работах К.Г.Валеева, Н.Н. Красовского, Т. Хаяси использован метод Хилла, приведения уравнений общего положения к виду, с хорошо разработанной теорией. Однако, для исследуемых в работе электрических систем требуется дальнейшее развитие приемов размельчения обобщенного оператора для областей резонансных и безрезонансных решений.
При использовании результатов ряда работ, и обзоров (К.Г. Валеев, Б.Г. Питтель, В.М. Старжинский) в части определения областей устойчивости, возник вопрос о необходимости построения метода управления и стабилизации управляющими воздействиями. Возмущение системы в областях значений параметров, заданных граничными условиями, приводит к задаче "без начальных" условий. Начально-краевая задача соответствует в таком случае существованию в системе режима смешанных колебаний, когда наряду с вынуждающей функцией в результате комбинационных проявлений развивается глобальная неустойчивость, когда амплитуда колебаний нарастает во всех точках активной системы.
При выяснении основных положений по выявлению и распознаванию дефектов, определению адреса и места дефекта (И.М.Сирота, П.В. Чернобровов, В.В.Платонов, Г.М.Шалыт, В.Ф.Быкадоров) установлено, что аналитические выражения получены в основном для систем с распределенными параметрами, причем в приложениях все приемы по выявлению места дефекта выполняются в условиях полного прекращения функционирования части системы с дефек том. Следовательно, здесь стоит задача построения решений с целью получения результатов, позволяющих построить методы выявления и распознавания дефектов в условиях сохранения РССЭС АПК работоспособности. Эта научная задача требует построения пространственных структур поля в местах локального рассеяния энергии.
Таким образом, в указанных выше работах теоретического и прикладного характера решались важные задачи, однако, они не позволили составить решения задач, прикладную теорию изучаемой проблемы, поскольку эти задачи рассматривались с учетом специфики их постановки и в них не затрагивались задачи рассматриваемой в работе проблемы.
Следовательно, имеется необходимость обобщить известные результаты в части общности направления, рассмотреть новые научные задачи по проблеме компенсации возмущений, порождаемых локальным рассеянием энергии в месте повреждения распределительной сети. Задача компенсации процессов зарождения, исследования развития: локального рассеяния энергии и их компенсации, выявления.адреса этих мест продолжает оставаться актуальной, нерешенной.
Научная проблема и задачи исследований. С учетом состояния решаемой в работе научной проблемы, можно сжато сформулировать цель работы как развитие основ прикладной теории и путей создания электробезопасных, непрерывно диагностируемых сельских распределительных сетей в условиях сохранения работоспособности распределительной сети и создание систем электронной диагностики ее элементов.
Особое внимание в круге научных задач проблемы должно быть уделено выявлению "механизмов" зарождения и протекания аномальных процессов, снижающих надежность системы, их наблюдаемости и управляемости для достижения и поддерживания равновесных режимов, повышения надежности и электробезопасности с помощью комплексной компенсации возмущений.
Проблема создания основ прикладной теории и путей построения комплексной компенсации аномальных процессов в системах электроснабжения АПК в работе рассматривается на базе достижений аналитического и качественного асимптотического анализа, функционального сопряжения совместимых характеристик синтезируемых и базовых систем с целью сохранения надежности электроснабжения, непрерывной диагностики и оптимального управления подавлением возмущений порождаемых локальным рассеянием энергии, а также сравнительной технико-экономической оценки вновь разработанных систем.
Объем исследований по проблеме: определяется из необходимости выяснения основных положений, лежащих в основе построения широкого класса задач. В целом, в работе необходимо решить следующие научные задачи:
1 .Разработать метод функционального сопряжения совместных характеристик исследуемых РССЭС АПК и комплексной компенсации возмущений, порождаемых локальным рассеянием энергии, на основе аналитического и качественного асимптотического анализа стационарных процессов и процессов, порождающих без их компенсации развитие аварийных режимов.
2.Усовершенствовать метод непрерывного определения (в условиях функционирования исследуемых систем) коэффициентов уравнений описания динамики, и оценок качественного управления процессами компенсации возмущений на основе выделения предельных переходов на бифуркационных множествах совместных уровней интегралов энергии.
3.Определить метод оптимального управления комплексной компенсации регулярных и сингулярных возмущений, являющихся следствием сложного вхождения спектрального параметра в конечномерные области уравнений динамики и областей с разрывами резонансного проявления для рассматриваехмо-го функционального пространства.
4.Разработать метод функциональной диагностики элементов структур сложных нелинейных многосвязных цепей на основе выявления предельных переходов на решениях дифференциальных уравнений с вырождением порядка при отображениях на структуру собственно исследуемой системы и ее границ аналитической функции синтезируемой системы.
5.Предложить инструментальные методы оценивания проявлений динамических свойств исследуемых процессов в безрезонансной;и резонансных областях на основе разделения траекторий, расслоения совместных уровней интегралов локально рассеиваемой энергии с фиксацией заданного и управляемого режима ее диссипации.
б.На основе теоретических результатов и экспериментальных фактов, полученных при проведении исследований должна решаться задача разработки приборов и методов диагностики элементов в РССЭС АПК.
Научная новизна исследований. В результате выполненных в работе теоретических и экспериментальных исследований по проблеме:
- получены системы уравнений, являющиеся обобщением основных вопросов и научных задач проблемы. Для каждой из предложенных моделей разработаны подходы качественного исследования, позволяющие в большинстве случаев, возникающих в приложениях, решить вопрос об устойчивости режимов, дать оценку соответствующих областей притяжения и получить данные для конструктивных разработок;
- разработаны новые методы построения систем компенсации аномальных процессов, порождаемых появлением дефектов наиболее, массового характера; когда повреждается изоляция относительно земли, основанные на решении задач проблемы. При этом используемые приемы и методы ни качественно, ни количественно не. искажают истинной картины реальных физических процессов-в исследуемых цепях;
- теоретически и экспериментально доказана возможность поиска повреждений изоляции на основе анализа фазовых координат и переменных параметров системы, определяющих характер протекания процессов в местах присоединений линий электропередачи к сборным шинам и соотношений режимных величин результирующего поля над трассой линии в окрестности точки локального рассеяния энергии;
- выделены существенно особые точки, классы колебаний, порождаемые сингулярными и регулярными возмущениями (условно-периодические, перио дические эллиптического и параболического типа, асимптотическое развитие процессов в направлении особых точек и предельных циклов), указаны закономерности изменения определенной части конфигурационных переменных, что позволяет получить значительную информацию о поведении изучаемых систем;
- показана возможность и экспериментально получены спектры носителей энергии в местах повреждений с ограниченными значениями амплитуд, показано, что критические значения параметра, эквивалентного наименьшему значению сопротивления тела человека, позволяют получить при комплексной компенсации электробезопасные значения порождающих величин токов;
- предложены и реализованы рабочие варианты поэтапной функциональной диагностики элементов РССЭС , обеспечивающие решение поставленных в работе задач.
Достоверность полученных результатов. Обеспечивается системной постановкой задач, апробированными математическими методами их решения и экспериментальными подтверждениями в основной части, сравнением полученных решений в частных случаях с теоретическими и экспериментальными данными других авторов.
В настоящей работе динамика процессов в компенсированных распределительных сетях исследовалась аналитическими методами, методами математического и электродинамического моделирования, а также экспериментами в сетях действующих систем.
Аналитические исследования проводились асимптотическим методом, методом регуляции возмущений с управлением, методами сведения многоточечных краевых задач к двухточечным за счет управления.
Для выделения качественных решений применялись методы построения решений на основе конструирования функций, отвечающим классам поэтапных задач проблемы. Наиболее плодотворной оказалась редукция общей аналитической задачи для нелинейных многосвязных систем в случае, когда последняя рассматривается в пространстве состояния допускающем разбиение для кусочно-непрерывных областей существования решений.
Экспериментальная проверка системы комплексной компенсации с управлением в РССЭС позволила получить подтверждение основных положений, развитых на различных этапах работы.
Практическая ценность результатов исследований. Практическая ценность результатов исследования определяется разработкой эффективных подходов к решению сложных и важных в теоретическом и прикладном отношении научных задач динамики локального рассеяния энергии. Они используются в реальных системах, и могут быть использованы при создании перспективных систем электроснабжения АПК, работающих в условиях разнородных дестабилизирующих воздействий.
Большинство результатов имеет довольно общий характер, они представлены в виде аналитических выражений, вследствие чего могут быть использованы при решении ряда задач динамики равновесных состояний в нелинейных колебательных системах. Для уравнений параболического и гиперболического типов, в соответствующих им интегральных тождествах, аппроксимирующих краевые условия, получены аналоги параметрических оценок. При этом способе конструирования схем функциональной диагностики, разностных схем и оценок параметров с управлением, имеется простор для их выбора, при котором обеспечивается устойчивость, а, следовательно, и сходимость.
Такой подход охватывает и случай разрывных коэффициентов, порождаемых зонами неустойчивости, указывает путь построения разнообразных правильных аппроксимаций в окрестности разрывных коэффициентов. С его помощью создается связь между методом функционального сопряжения и методом усреднения, на решениях которого помещаются различные варианты "конечных оценок параметров". Сжатие полосы "конечных оценок параметров", повышение точности оценок на решениях гиперболических уравнений второго порядка, зарождающихся на начальной гиперплоскости, получено за счет управления, перехода от решения многоточечных краевых задач к обращенным двухточечным. Здесь возникла также необходимость в решении задач об оценке (интегральных тождеств) с границ области на всю область, сводимая к задаче с вполне непрерывными за счет управления операторами в "разрешенных" областях. Это позволило выполнить построение аппроксимаций интегральных тождеств, соответствующих дифференциальным уравнениям, позволяющим выявить предельные переходы в бифуркационных множествах совместимых уравнений интегралов энергии.
Одним из главных достоинств РССЭС с комплексной компенсацией является ее способность противостоять развитию аварийных режимов," то есть такие сети имеют повышенную надежность. Ее применение в электрических сетях позволит резко снизить аварийность, затраты на эксплуатацию. При этом по-новому решается задача непрерывного контроля фактического технического состояния изоляции, определения линий с повреждением.
Практические результаты предлагаемой системы комплексной компенсации возмущений на действующих комплексах сводятся к следующему:
1 )повышенная электробезопасность персонала, работающего с электроустановками:
- опасность поражения при случайных прикосновениях к токоведущим частям на напряжениях до 1000 В устраняется, а в сетях выше 1000 В низка;
- градиенты шагового напряжения на местах растекания токов незначительны.
2)в нормальном режиме работы распределительной сети обеспечивается:
- постоянная готовность к работе;
-незначительные потери, потребление и большая чувствительность к асимметрии параметров, величин режима;
- предупреждение развития пробоя изоляции в частях и элементах сети;
- снижение напряженности электрического поля в местах зарождающихся повреждений, воздействие на процессы в местах повреждений в начальной стадии, создание условий для самовосстановления изоляции.
3)при замыканиях на землю обеспечивается:
- подавление процессов, переходящих в замыкания на землю, при этом требуется действия коммутационной аппаратуры;
- высокая надежность беспрерывного электроснабжения, поскольку работа с одной поврежденной фазой может продолжаться, пока поврежденный участок не потребуется отключить;
- медленное возрастание напряжения в месте повреждения изоляции, что способствует восстановлению диэлектрической прочности;
- ограничение значений протекающих через места повреждений токов до задаваемых уровней - выгорание, нагрев, переход однофазных повреждений в многофазные отсутствует;
- фазные и междуфазные напряжения при работе системы не изменяются;
- развитие автоколебаний, феррорезонансных процессов, и, как следствие, прогрессирующий рост амплитуд величин режима имеет ограниченный характер ив начальный период зарождения повреждений.
- предотвращаются горения перемежающихся электрических дуг при перекрытиях изоляции на землю, а перенапряжения имеют ограниченный характер по сравнению с другими случаями работы распределительной сети.
4)влияние на условия эксплуатации:
- уход за системой не требует сложных трудозатрат;
- отключения и измерения структуры сети, связанные с необходимостью восстановления изоляции, не регламентируются во времени;
- решается задача поиска присоединения с повреждением и их мест на трассах линий электропередачи без отключения потребителей;
- обеспечивается непрерывный контроль состояния изоляции на частоте и напряжении источника.
Основные научные положения, выносимые на защиту. В основу разработанных методов легли принципы:
- компактного сужения стабилизированных специальных следов операторов (вырождение порядка систем неавтономных дифференциальных уравнений описания объекта за счет управления разнозначными включениями правых частей) с разложением исследуемых задач по собственным функциям;
- сведения многоточечных краевых задач за счет управления к двухточечным с последующим анализом составляющих носителей;
- разбиения управлений для решений уравнений динамики на множествах траекторий безрезонансного и резонансного проявлений;
- выбора опорного параметра с поочередной фиксацией фазовых координат носителей за счет управления.
На защиту выносятся :
- метод функционального сопряжения совместных динамических характеристик распределительной сети и комплексной компенсации возмущений, порождаемых локальным рассеиванием энергии в месте отказа, на основе аналитического и качественного асимптотического анализа стационарных процессов и процессов, вызывающих развитие аварийных режимов без компенсации;
- доказательства возможности непрерывного определения (в условиях сохранения работоспособности системы электроснабжения) коэффициентов уравнений описания динамики и оценок качественного управления процессами компенсации возмущений на основе выявления предельных переходов на бифуркационных множествах совместных уровней интегралов энергии;
- метод оптимального управления комплексной компенсацией регулярных и сингулярных возмущений, являющихся следствием сложного вхождения спектрального параметра в конечномерные области уравнений динамики, области с разрывами резонансного проявления: для рассматриваемого функционального пространства;
- способ функциональной: диагностики элементов структуры распределительной сети АПК, рассматриваемых как нелинейные многосвязные цепи, основанный на выявлении предельных переходов на решениях дифференциальных уравнений с вырождением порядка, отображаемых на структуру исследуемой системы и границ аналитической функции сопряженной системы;
- теоретические и экспериментальные результаты подтверждения дискретности частот колебаний на параметрическом полусегменте, отражающие пространственную структуру электромагнитного поля и характер отказа;
- метод выявления мест локально рассеиваемой энергии на кабельных линиях электропередачи в условиях их функционирования на основе анализа фазовых переходов пространственной структуры поля с частотой источника на фоне интенсивных помех;
- математические модели;описания связи мгновенных значений параметров и величин режима, при наличии сложного для выявления отказа;
- метод поиска однофазных замыканий на землю в сетях работающих с режимом изолированной либо компенсированной! нейтрали без отключения потребителей на напряжении и частоте источника и, алгоритм цифровой обработки сигнала о распределении магнитного поля над местом повреждения.
Внедрение результатов диссертационной работы. Результаты отдельных этапов работы в разное время, начиная 1990 года, были переданы для реализации и использования в распределительные сети 6-10 кВ. Так, под руководством и при непосредственном участии автора были рассчитаны и изготовлены в небольшой серии приборы поиска мест повреждений и автоматизированного контроля электромагнитных параметров и технической диагностики в соответствии с решениями и рекомендациями Всероссийских научно-технических конференций энергетиков и электротехников. Приборы поиска мест повреждений, автоматизированного контроля электромагнитных параметров и технической диагностики использованы в электрических сетях предприятий АПК Краснодарского края, а также городов: Новороссийск, Геленджик , Армавир, Тихо-рецк,.Тимашевск, Череповец, Калуга, Москва и Кишинев.
Вышеназванные разработки полностью подтвердили основные теоретические, физические и технические идеи, развиваемые в диссертационной работе.
Испытания, проведенные в 1990-2000 годах на предприятиях АПК Краснодарского края, подтвердили полную работоспособность разработок автора. На испытаниях были получены значения амплитуд токов поражения безопас ные по физиологическим ограничениям для жизни персонала, работающего с электроустановками, при случайном прикосновении к токоведущим частям с напряжением 0,4 кВ.
Апробация и публикации результатов исследований. Основные положения диссертации и отдельные ее разделы докладывались, обсуждались и были одобрены:
- на 10 научно-технических конференциях, в том числе трех международных;
- на научно-технических конференциях и научно-технических семинарах профессорско-преподавательского состава КубГАУ и КубГТУ в разные годы.
Научное сотрудничество при проведении исследований осуществлялось с рядом организаций перерабатывающей промышленности сельского хозяйства, предприятий сельских электрических сетей,, научно-исследовательскими организациями России и учебными заведениями.
Испытания отдельных аппаратов, устройств, систем, производилась с участием заинтересованных организаций промышленности и организаций городов России в действующих электрических сетях.
Основное содержание диссертации отражено в 53 работах, опубликованных в центральных изданиях РФ, региональных и других изданиях [135-187], в том числе патент РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения, которые изложены на 284 страницах машинописного текста, иллюстрируются 85 рисунками и 6 таблицами, списка используемой литературы из 190 наименований и приложений, относящихся к практической реализации и внедрению результатов работы.
Функциональное сопряжение базовой системы с синтезируемой в процессе компенсации возмущения
Для параметрического синтеза системы комплексной компенсации рассмотрим путь сведения задачи синтеза к задаче математического программирования, в которой при вычислении критериев или проверке ограничений, содержащих динамические характеристики системы компенсации (область притяжения, динамическую точность, время регулирования и т.д.) когда, последние находятся на множествах функционалов, оценках предельной области (диссипативности). При управлении комплексной компенсацией, на основе предельных операторов K,L,N, построенных для нормальных и аварийных режимов работы базовой системы, рассмотрим общую идеологию разрабатываемого метода.
Сопряжение базовой системы (распределительной сети) с синтезируемой (компенсации) требует рассмотрения задач эволюции полученной таким образом системы в параметрическом пространстве из состояния р0.
Для всего параметрического полусегмента vW0e[0,+co) обобщенный оператор Т (1.11) представляет аналитическую формализацию множеств решений по пути и, когда параметр а (за счет управления либо под воздействием возмущений) пробегает конечное множество значений, составленных из положительных рациональных чисел. Наряду с обобщенным оператором Г (1.11), описывающим поведение системы при произвольных значениях параметра, введем обобщенные операторы K(JJ),L(JLI),N(/,I), описывающие поведение системы при некоторых характерных значениях параметра //:
Тксрк=К, DK еД (pK EE(D), /л = /ик; TL PL = К DL Є D, q L є E(D), // = nL; TN(pN =K, DN є A (pN є E(D), /J = MN-При этом построение оператора Т представляет упорядоченные множества с элементами аа(/л),стр(іл),ау(ju), где a,J3,y пробегают множество индексов аа,ар,ау наделенные структурой совершенно упорядоченных множеств противоположных структуре порядка, свойственному некоторой шкале сравнения (М0), так, что отношение а р у эквивалентно отношению сг„(//) о-/7(//) стД//). Если элементы построения (1-П) обладают свойством а(/0о (//)о-Д// =о-а+/г+Д//), то они формируют групповую шкалу {//"}.
Таким образом, для формирования на параметрическом полусегменте М0 Q [0,+оо) групповой шкалы оценок представления (1.11), достаточно знания базового элемента а{р). Тогда можно принять, что кроме оператора Г(//), можно ввести множества операторов K(JLI), 1(//), N(/.i). В этом случае задача выбора рационального упорядоченного построения {сг(//)}, улучшающего качество отображения, редуцируется к задаче выбора рационального оператора Г(//), который необходимо осуществлять исходя из определенных соображений, а именно, разбиению траектории = /11 /11 ,3 соответствует разбиение оператора Г(//) на операторы К(/л), Z(//), N(/.t), действующие из D в Qfl, а операторы K(/.i), 1(//), N(/J) осуществляют переход из
М0 - М0 (М0 с [0,аа) аС1 а), М0- М0 (М0 с [asl, ас2)). В представляемой работе общая идеология метода функционального сопряжения базовых и синтезируемых систем строится на следующем:
1. Эволюция базовой системы в параметрическом; пространстве поддается изучению асимптотическими методами (аналитическими и качественными методами науки). Для; базовой системы S(E,M) определено пространство состояний Е так, что существует область Ofl евклидова пространства R"(Q„ R"), над которым задано пространство состояний Е.
2. Пространство состояний Е кусочно-метризуемое пространство, содержащее собственные подмножества.
3. Для базовой системы определено параметрическое пространство Л/, в котором задано поведение базовой системы так, что; Л/сRk, Rk - область евклидова пространства R".
4. Сопряжение синтезированной системы с базовой не нарушает свойства функциональной целостности.
Математическое программирование требует указания способа проверки ограничений и вычисления критериев. Точное решение этих вопросов встречает значительные трудности, и для возмущаемых систем, как правило, невозможно, что приводит к необходимости либо переформулировки задачи синтеза, либо использования вместо точных значений критерия и функций ограничений их оценок, в данном случае оценок предельной области и области притяжения (диссипативности) D, т.е. на первом этапе множества ее начальных состояний р =g (t0) таких, что при р є D для решений p(t,t0,p0) выполняется tim\ p(t)\=limmf\ p(t )\ q /—»-30 I— CC \ р =М:\ р\ ё, SeM.j где д - оценка точности. При синтезе системы комплексной компенсации двух составляющих тока повреждения следует выбрать ее параметры, таким образом, чтобы точность была наивысшей.
Свойства основного оператора в методе функциональной диагностики базовой системы на параметрическом полусегменте
В соответствии с принятой аппроксимацией характеристик компенсирующего устройства (1.27) частотный спектр магнитного потока и соответственно потокосцепления можно представить как ц/{Ш) = у/Ьп sin(fi + /?,) + ц/гт sin(2utf + /32) + у/Ът sin(3c + /) +... + „„, s\n{ncot + Д,) (1.52). Подставляя (1.27) и (1.52) получим i(cot) = IQ sin or + I]m s m(cot + or,) + I2m sin(2a)t + a2) + /3m sin(3utf + a3) + + I4m sin(4& / + a4) + I5m sin(5a t + a5) + I6m s m(6a)t + a6 ), где для амплитуд гармонических составляющих и начальных фаз компенсирующего тока 3 k =-а&ыгт ао = Щ -Pi З 7 3 2 hm = (»1 + 4 «3 1» .+ 2 «3 2» М„, » «І = A . А» = (Г + -«3 1» + Д3 2« ) Уї!» 2 = А » /з». = ауУ/ы -JvL - 6 ы 2„ cos(2/?2 -4/?,) + 9і/л4„,. «з = с [ 2ш cos(2/?2 -4/?,)- ,2„, j, з Л» = - 4 дзVi» 2Я. «4 = 2Д - Д2, З 2 1ьт = -- № ыУгт а5 = Р\ + 2Рг» ,,,=-- 4,,. «6=ЗД2.
Из вышеприведенного рассмотрения следует, что одностороннее управление не позволяет решить задачу с компенсацией составляющих в месте локального рассеяния энергии. Двухстороннее управление связано с необходимостью разработки специальных компенсирующих устройств. Применение управляемой диссипации приводит к сужению результирующего спектра. В разработках [145, 148] применен метод двухстороннего управления, в котором определен путь разделения составляющих спектра, раздельные каналы компенсации активной и реактивной составляющих — носителей энергии. Для рассмотрения процессов на всем параметрическом полусегменте М0 с [0,+оо) на основе метода усреднения рассмотрим возможность выделения бифуркационных множеств минимумов возможных управляемых режимов компенсации. Представление с помощью оператора Т (1.11), позволяет рассмотреть появление так называемых лакун, однако, управление компенсацией связано с необходимостью выделение критических точек на динамическом диапазоне, на множествах бифуркационных проявлений. Рассмотрим оператор Тх.
Пусть семейство операторов 7j определяет решение задачи упорядочения минимизирующих последовательностей т]У = /. которое необходимо изучить при //- 0. При // = 0 предельная задача Т(0)а = / корректна в том или ином смысле. Под изучением задачи (1.11) при /.іе[0,аіп] понимается представление решения в виде рядов по степеням //. Для общего интеграла (1.13) частичная сумма этих рядов представляет собой формальное решение задачи-(1.11) для некоторой замкнутой области, если она удовлетворяет следующим условиям: 1) „ є D(7;), Vn = 0,1,2,3,..., 2) 7 A„=/z + 0(/r a). Если для достаточно малых значений /.і выполняется неравенство \У-У,„\МС0+СХСС)/.Г\ где у - точное решение задачи (1.11), с, (/ = 0,1) не зависит от //, а - некоторая характеристика коэффициентов уп то функция yfUl будет асимптотическим решением порядка п задачи (1.11).
Если вышеприведенное неравенство выполняется \/п = 1,2,3,..., то построенный ряд асимптотически сходится к функции у, являющейся решением задачи (1.11), в некотором пространстве D функции у, где определена норма, приведенная выше. Применение управления связано с изменением в заданном диапазоне индуктивности компенсирующего устройства (рис. 1.1), амплитудно-фазовых соотношений циркулирующих в контуре нулевой последовательности распределительной сети реактивных составляющих величин тока замыкания.
Из уравнений (1.57) можно найти неизвестные ц/ и X; последнее находится в очевидной зависимости от АиВ, связанных между собой соотношением А2+В2=Х2. Чтобы найти X подставим в это соотношение выражение (1.59). Получаем, положив 7 = =j [/+(!-a) ]4 jy (L60) + [(d-a2co2)2+co2b2]y, или 2=Z y3+ZT2+GF. Коэффициенты D 0 и G 0. Допустим, что R = г = 0. Тогда a = a2=bx = d = / = Х = 0. При внешней функции Ґ=0 в идеальном случае ток будет неравен нулю. Поэтому из (1.59) получается для А2 =0 = В2, и при R = r = 0 (или даже только при R = 0) для уравнения 0 = DY3+EY2+GY (1.61), Уі=У2=Уз =— с\
Однако, при сопротивлении R 0 существует только один действительный корень уравнения (1.61), т.е. ,=0. Остальные два корня комплексны; это показывает, что пересечения кривой с осью абсцисс нет, т.е. вся кривая лежит выше оси абсцисс. Что такая кривая лежит выше, а не ниже, очевидно как из физического смысла, так и из условий D 0, G 0.
Контроль амплитуды и фазы токов замыкания на землю
Обоснование метода оптимальной компенсации выполним на основе реализации следующих принципов и приемов:
1. Приведения многочисленных краевых задач к двухточечным с последующим анализом носителей амплитуд в терминах промежуточных выражений по бифуркационным признакам, когда Jfl [и] = fV(t,x,ju) \lmT -» min и, ueQfl.
2., Разделения уравнений ueQM, u = u(t,/.i), QM=Q{/u)-const для множеств траекторий срк = р К \J pL \J pN безрезонансного и резонансного характера.
3. Использование управления для вырождения порядка систем исходных дифференциальных уравнений вида (1.3:) fj + b + gJXa2M 2 ) = fj(bjX(t,h) + cJf(t) + ci)), Н -1=0 /-і где ./ = 1,2,...,n,A. = l,2,...,n,bl,c/,gl - некоторые векторы, dt-const, с последующим разложением полученного формально нормализованного преобразования (1.11) по собственным функциям вида K,L,N.
4. Учет гармоник кратных трем при разделении совместных уровней интегралов энергии Л на XA!m, ZAcm, XARm с учетом природы ее m=1.3.9 m=l,3.9 m = 1.3.9 проявления.
5. Применения построенных разностных схем контроля процессов компенсации на основе принципов самосопряжения, однозначности, максимума, комплексного управления компенсацией по активной и реактивной составляющей локально рассеиваемой энергии в резистивных элементах системы электроснабжения.
Компенсация возмущений в электрической сети, порождаемых локальным рассеянием энергии, неизбежным прохождением областей неустойчивости в связи с перераспределением величин режима, будет оптимальной если ток замыкания на землю снизить до электробезопасного. Однако это требует управления с учетом характера и природы рассеиваемой энергии.
Электробезопасность достигается за счет минимизации тока замыкания и скорости управляющего воздействия. Наличие неустойчивых зон на динамическом диапазоне требует быстродействия от системы компенсации, с целью предотвращения развития релаксационных процессов при прохождении зон неустойчивости. При изменении перечисленных факторов и прохождении зон неустойчивости, цепь может перейти в неустойчивое состояние, что в свою очередь может привести к скачкообразному изменению режима. В результате контур нулевой последовательности переходит в новое состояние. Этот период определяется некоторым процессом определенной длительности.. Если эта новая рабочая точка оказывается устойчивой, то электрическая цепь останется в новом режиме равновесия. В случае, когда новая точка равновесия окажется неустойчивой, в системе снова произойдет скачок.
Скачкообразное изменение величин установившегося режима в широком диапазоне, а именно, изменение значений токов, напряжений, фаз и частот колебаний, их спектрального состава (являющихся следствием условий функционирования распределительной сети, воздействия земли в нормальном и аварийном режимах ее работы), могут приводить к появлению релаксационных колебаний. Изменения определяются влиянием расстройки компенсации, динамическим смещением, изменением уровня рассеяния энергии в цепях фаз. Поэтому одной из важных задач управления является перевод и удержание процессов связанных с компенсацией возмущений в области устойчивых состояний. В нормальном режиме работы сети это области стабилизированных состояний безрезонансного характера. В аварийных режимах это области резонанса могут существовать на частоте носителя основной составляющей амплитуды и на кратных частотах, включая субгармонические.
Скачок фазы и амплитуды основной гармоники может иметь место, когда одна из "собственных" частот контура близка к частоте источника питания. Действие расстройки, вызывающей этот скачок при этом, заключается в
следующем. Допустим, что в нелинейном резонансном контуре собственная частота несколько ниже частоты источника питания. Под действием внешнего источника в контуре начинаются колебания. С ростом амплитуды этих колебаний уменьшается нелинейная индуктивность и, соответственно, увеличивается собственная частота колебаний контура, приближаясь к частоте источника напряжения, что, в свою очередь, приводит к увеличению амплитуды колебаний.
Точка резонанса характеризуется тем, что переход через нее, связан с изменением фазы, т.е. здесь вместе со скачком амплитуды имеет место скачкообразное изменение начальной фазы колебаний.
Нарастающий процесс продолжается до тех пор, пока дальнейшее уменьшение индуктивности и, соответственно, увеличение собственной частоты не приведут ее к уходу от частоты источника. питания (замкнувшей фазы). При уходе собственной частоты рост амплитуды колебаний уменьшается, уменьшается изменение параметра и устанавливается определенное значение амплитуды.
Расстройка контура может быть проведена за счет параметрического изменения составляющих контура. При определенных обстоятельствах расстройка может привести к гашению — срыву ранее существовавших в цепи колебаний и переходу к новому режиму. В новом режиме могут иметь место колебания другой частоты (в этом, случае происходит скачок частоты), либо колебания исчезают (в этом случае говорят о гашении колебаний).
Новый режим может быть устойчивым, однако если новый режим оказывается неустойчивым и система возвращается к исходному, тоже неустойчивому состоянию, то наступают релаксационные колебания, состоящие из отрезков колебаний различной формы.
Диагностика отказа на основе оценки энергии поля в месте повреждения изоляции
Вынужденные стационарные решения при определенных значениях тока контура нулевой последовательности можно представить на плоскости полярных координат U, а (рис.4.6). Здесь приведены два семейства кривых для А. = const и a = const. Прямая coscp = 0 соответствует случаю а = ф = 0,я . Окружность U = 1 соответствует другому крайнему случаю а = ±я/2, когда компенсирующий ток ортогонален колебаниям в контуре нулевой последовательности и амплитуда U в некотором диапазоне значений Х,2 остается постоянной, изменяется лишь фаза колебаний на частоте вынуждающего воздействия.
При достижении значения А, = Хкр колебания с; фазой л; срываются и возбуждаются колебания с фазой 0. Граница, на которой происходит срыв колебаний выделена на рис.4.б, она отделяет устойчивые решения режима перекомпенсации от неустойчивых режима недокомпенсации.
В процессе эксплуатации за счет воздействия различных факторов (электрическое напряжение, температура, влажность, механические воздействия и т.д.) происходит старение изоляции, завершающееся ее пробоем, выходом из строя элементов структуры систем связи, зачастую с потерей связи. Поэтому для контроля за фактическим техническим состоянием изоляции в ходе эксплуатации периодически проводят профилактические испытания, включающие измерение различных электрических характеристик изоляции, контроль состояния жидких форм диэлектриков с помощью газовой хроматографии, испытания повышенным напряжением - с целью пробоя и замены участков с ослабленной изоляцией (в случае силовых кабелей).
Однако, в подавляющем большинстве случаев не устанавливается связь между изменениями каких-либо электрических характеристик изоляции и ее остаточным ресурсом. Эта связь может быть различной для изоляции разных типов, а испытания повышенным напряжением могут спровоцировать ускоренный отказ ослабленной в. ходе таких испытаний участков изоляции. При таких обстоятельствах во всем мире уделяется большое внимание диагностике и контролю электрической изоляции с целью возможного прогнозирования ее срока службы, оценки ее остаточного ресурса.
Рассмотрим путь контроля фактического технического состояния изоляции, то есть диагностику отказов элементов структур систем электроснабжения на основе оценок пространственных структур электромагнитного поля.
Поля представляют собою нелокализованные объекты, характеризующиеся заданием некоторой функции координат во всем пространстве (или нескольких функции). Так, электромагнитное поле характеризуется шестью функциями Е(х) и Н(х), представляющими собою электрическое и магнитное поле. Энергия и импульс электромагнитного поля представляются объемными интегралами Е = jdV(E2 + Я2) и Р = c\dVExH соответственно. Как видно, это независимые величины.
В квантовой физике разница между полем и системой частиц исчезает. С одной стороны, частицы в квантовой механике описываются волновой функцией 0(х\ представляющей собою комплексное поле; с другой, после квантования оказывается, что поля становятся физически эквивалентными системе некоторого (любого) числа частиц, квантов этого поля. В частности, квантованное электромагнитное поле оказывается системой частиц, фотонов, каждая из которых несет некоторый импульс р и энергию Е, причем, как и положено для частицы, Е однозначно связано с р соотношением Е=рс. Таким образом, в квантовом мире все наблюдаемые материальные объекты состоят из частиц. Правда, с таким же успехом можно утверждать, что все наблюдаемое1 состоит из квантованных полей. Подобный дуализм поле-частица является характерной чертой квантового описания природы.
С тех пор как Максвелл, на основании эмпирических законов, открытых Био и Саваром (1820г.) и Фарадеєм (1831г.), сформулировал общие уравнения: электромагнитного поля (1873г.), вводя в эти уравнения понятие тока смещения, можно было отказаться от традиционного, исторически сложившегося изложения теории электрического и магнитного полей, и, принимая эти уравнения за исходные данные, непосредственно получить из них методом дедукции все основные законы макроскопической электродинамики.
