Введение к работе
Актуальность работы. Развитие современного мира невозможно без увеличения электропотребления. Следствием этого является экспоненциальный рост потребляемой мощности, а, соответственно, и число электросетевых объектов.
По данным статистического анализа энергопотребления международной компании BP на июнь 2013 года, за 2012 год Россия потребила 1051,6 ТВтч электроэнергии. Потребление возросло по сравнению с предыдущим годом на 1,5% и составило 4,8% от общемирового потребления электроэнергии.
ОАО «ФСК ЕЭС» прогнозирует среднегодовые темпы роста потребления электроэнергии в период до 2020 года в размере 2,4%. Так, суммарная протяженность линий электропередачи (ЛЭП) в период с 2010 по 2011 год увеличилась с 121700 до 125500 км, а в 2013 году введено в эксплуатацию ещё 3643 км ЛЭП.
Такая стремительная электрификация формирует устойчивый электромагнитный фактор загрязнения окружающей среды вблизи жилых застроек, офисных помещений и детских садов. Помимо негативного воздействия на корректную работу линий связи и высокоточных электроприборов, что, в свою очередь, может явиться причиной техногенной катастрофы, электромагнитное поле (ЭМП) ЛЭП (под ним понимаем квазистационарные электрическое и магнитное поля промышленной частоты, а также высокочастотные поля коронного разряда) оказывает сильное влияние на биологические объекты, в частности, на здоровье и качество жизни человека.
Актуальность темы подтверждается вниманием, уделяемым данной тематике как на глобальном уровне (Всемирная Организация Здравоохранения (ВОЗ) включила проблему в перечень приоритетных, в течение последних 20 лет реализуется всемирный Международный электромагнитный проект (WHO International EMF Project)), так и на федеральном уровне - проблемы контроля и прогнозирования электромагнитного фактора отражены в Решении Коллегии Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека от 27 ноября 2009 г., проблемы электромагнитного контроля также входят в перечень основных направлений реализации Стратегии инновационного развития РФ на период до 2020 г. и Концепцию долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации на период до 2020 года.
Вследствие вышеописанных факторов, перед современными проектировщиками встала необходимость анализа ЭМП для проектируемых и модернизируемых воздушных ЛЭП. Кроме того, объекты инфраструктуры электроэнергетики используются для прокладки волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), которые, в свою очередь, необходимо прокладывать в точке с низким потенциалом поля, в противном случае, неправильная прокладка приводит к выводу из строя и обрыву линии. Однако, если фундаментальные методы расчетов ЭМП промышленной частоты (ПЧ) широко известны, то прикладных решений, с точки зрения разработки доступного для инженерно-технических работников программного комплекса, позволяющего производить визуальную оценку распределения ЭМП в пространстве линии априори на момент начала работы не имелось.
История развития исследований электромагнитного загрязнения окружающей среды ЛЭП имеет значительную продолжительность. Большой вклад в разработку методов расчета и исследования квазистационарных электрического и магнитного полей ЛЭП внесли Колечицкий E.С., Демирчан К.С., Меликова Н.А., Филиппова А.А., Довбыш В.Н., Abou-Seada M.S. , Nasser E., Silvester P., Chari M., Григорьев О.А., Бичелдей Е.П., Меркулов А.В., Степанов В.С., Шенфельд Б.Е. и другие, а высокочастотного электромагнитного поля ЛЭП, создаваемого коронным разрядом - Казаков В.Н., Ким К.С., Лелевкина В.М. и ряд других авторов.
Данная диссертационная работа выполнялась в соответствии с проблемой 07В.01 «Разработка научных основ, математических моделей и средств компьютерного моделирования электротехнических и электронных приборов и устройств и их электромагнитной совместимости (электромагнитного загрязнения окружающей среды)», входящей в перечень основных научных направлений СГТУ имени Гагарина Ю.А.
Объектом исследования являются все поля, входящие в ЭМП высоковольтных воздушных ЛЭП, их пространственная картина и зависимость от расстояния до точки наблюдения.
Предметом исследования являются математические модели, алгоритмы и программы в системе компьютерной алгебры Mathcad, применяемые для визуального анализа полей высоковольтных воздушных ЛЭП, а также исследование возможности обнаружения воздушной ЛЭП по магнитному полю для предотвращения столкновения с ней низколетящих вертолетов.
Целью диссертационной работы является создание инженерной системы визуального анализа ЭМП высоковольтной воздушной ЛЭП в среде компьютерной алгебры Mathcad и исследование пространственной картины полей, в том числе напряженности магнитного поля на большом удалении от ЛЭП с целью ее обнаружения вертолетами. Для достижения поставленной цели в работе решались следующие научные и практические задачи:
-
Изучение имеющихся сведений о действии ЭМП ЛЭП на технические и природные объекты, в том числе человека.
-
Разработка математических моделей, алгоритмов и программ в системе компьютерной алгебры Mathcad для расчета ЭМП высоковольтной воздушной ЛЭП в произвольной точке пространства с целью визуализации пространственной картины поля.
-
Анализ влияния аварийного режима работы ЛЭП на картину электрического поля в области опоры.
-
Исследование магнитного поля высоковольтной ЛЭП на значительном удалении от нее для обоснования возможности обнаружения ЛЭП низколетящими вертолетами.
Методы исследования. В процессе выполнения диссертационного исследования использованы: основные положения теоретической электротехники, электрофизики, техники высоких напряжений, основ электроснабжения, математического анализа и компьютерного моделирования.
Научные положения и результаты, содержащиеся в работе и выносимые на защиту:
1. Средства анализа квазистационарных электрического и магнитного, а также высокочастотного электромагнитного полей высоковольтных воздушных ЛЭП, реализованные в системе компьютерной алгебры Mathcad, позволяют получать наглядные картины полей в поперечном сечении линии для решения вопросов обеспечения электромагнитной совместимости и защиты от электромагнитного загрязнения окружающей среды.
2. Метод и результаты приближенного аналитического расчета напряженности магнитного поля на большом расстоянии от ЛЭП позволяют оценить величину напряженности магнитного поля для создания устройств и систем обнаружения ЛЭП вертолетами.
3. Результаты анализа в виде визуальных картин полей ЛЭП для типовых опор в штатном режиме работы и электрического поля в аварийном режиме работы линии электропередачи позволяют принимать обоснованные технические и экологические решения при проектировании и эксплуатации ЛЭП.
Научная новизна работы.
1. Разработаны математические модели, алгоритмы и программы в системе компьютерной алгебры Mathcad, положенные в основу предлагаемых количественных и визуальных средств анализа ЭМП высоковольтной воздушной ЛЭП.
2. Получены пространственные картины распределения квазистационарных электрического и магнитного, а также высокочастотного электромагнитного полей ЛЭП, позволяющие выбрать обоснованные технические и экологические решения вопросов обеспечения электромагнитной совместимости и защиты от электромагнитного загрязнения окружающей среды.
3. Осуществлен анализ влияния аварийного режима работы ЛЭП на пространственную картину электрического поля.
4. Получены приближенные аналитические выражения для расчета магнитного поля ЛЭП на значительном удалении от нее и проведен анализ влияния координат подвеса проводов на напряженность магнитного поля, а также определена оптимальная по скорости убывания магнитного поля геометрия подвеса.
5. Показана возможность обнаружения ЛЭП по ее магнитному полю.
Практическая ценность и полезность работы.
-
Разработанные интерактивные программы позволяют производить расчет и получать пространственную картину распределения всех полей, генерируемых ЛЭП (электрического, магнитного и высокочастотного электромагнитного), для анализа их уровня, как на стадии проектирования, так и при модернизации существующих ЛЭП (ввод новых мощностей).
-
Показана возможность обнаружения воздушных высоковольтных ЛЭП низколетящими вертолетами по магнитному полю. Получено положительное решение по заявке на получение патента РФ на полезную модель.
-
Полученные в диссертации результаты могут быть использованы при разработке комплекса мер и рекомендаций по решению задач обеспечения электромагнитной совместимости и экологической безопасности, как при проектировании, так и при модернизации высоковольтных воздушных ЛЭП.
Реализация результатов работы.
Результаты диссертационной работы использованы при выполнении исследований, проводимых в СГТУ имени Гагарина Ю.А. по госбюджетной НИР, выполняемой по проблеме 07В.01 кафедрой «Электротехника и электроника», по грантам Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере «Участник молодёжного научно – инновационного конкурса» («У.М.Н.И.К.»), Федерального агентства по делам молодежи по программам: «IT-START» и «Всероссийский конкурс молодежных проектов», а также в учебном курсе «Теоретические основы электротехники» на кафедре «Электротехника и электроника» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Личный вклад автора заключается в разработке математических моделей, алгоритмов и программ расчета ЭМП высоковольтных воздушных ЛЭП с визуализацией результатов, проведении и анализе результатов расчетов, разработке приближенного аналитического метода расчета напряженности магнитного поля на большом удалении от ЛЭП, обосновании возможности обнаружения воздушной высоковольтной ЛЭП по ее магнитному полю.
Апробация работы. Отдельные результаты работ и работа в целом обсуждались на семинарах кафедры электротехники и электроники и энергетического факультета СГТУ имени Гагарина Ю. А. Основные результаты работ докладывались на Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы электронного приборостроения. АПЭП – 2010» (Саратов, 2010), «Математические методы в технике и технологиях. ММТТ-24» (Киев, 2011), «Проблемы управления, обработки и передачи информации. АТМ-2013» (Саратов, 2013), Международных научно-практических конферен-циях «Современные проблемы контроля качества природной и техногенной сред» (Тамбов, 2011), «Современные тенденции в науке» (Тамбов, 2011) и Всероссийских научно-практических конференциях «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2010), «Техногенная и природная безопасность. ТПБ – 2011» (Саратов, 2011), «Электронные приборы и устройства» (Саратов, 2012), «Химическая физика и актуальные проблемы энергетики» (Томск, 2012).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ (2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 11 статей в прочих изданиях). Получено положительное решение по заявке на получение патента РФ на полезную модель «Устройство для предупреждения столкновения вертолета с высоковольтными линиями электропередачи», № 015684 от 11.03.2013 г. Список публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата.
Объём и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы. Объем работы составляет 98 страниц, в тексте 27 иллюстраций, 2 таблицы. Список литературы включает 54 наименования.
