Введение к работе
Актуальность темы. Проблема электромагнитной совместимости технических сооружений с атмосферным электричеством в условиях многолетней мерзлоты имеет особую актуальность в силу плохой проводимости грунта. Одним из аспектов этой проблемы являются вопросы повышения эффективности электрозащиты магистральных линий передач. Магистральные линии передач включают в себя трубопроводы, линии электропередачи и проводные линии связи. С физической точки зрения магистральные линии представляют собой длинные проводящие линии, находящиеся слоистой среде (воздух, проводящая земля и многолетняя мерзлота) и подверженные электрическим наводкам, как во время гроз, так и во время интенсивных геомагнитных возмущений. На магистральных линиях передач токи и напряжения возникают и в отсутствии прямого попадания молнии. Такие токи и напряжения называются индуцированными (наведенными). Имеются два вида индуцированных токов и напряжений. Во-первых, электромагнитной природы - возникающие вследствие влияния электромагнитного поля от внешних возмущений. Во-вторых, электростатической природы, когда под действием электростатического поля грозового облака на проводниках магистральных линий индуцируются электрические заряды. При быстром разряде грозового облака эти заряды "высвобождаются" и, растекаясь по линии передач, образуют волну тока и напряжения (ВТН). Многолетняя практика эксплуатации магистральных линий электропередачи, проводных линий связи на территории РС(Я) показывает, что многие аварийные явления на них вызываются наведенными токами и напряжениями. Некоторые эксплуатационные параметры электрозащиты таких линий зачастую не отвечают нормативным показателям. В трубопроводах индуцированные токи вызывают потенциалы, превышающие диапазон защиты, что и вызывает электрохимическую коррозию, приводящий к более быстрому их изнашиванию. Особенность трубопроводов, проложенных в Якутии, состоит в том, что они на значительных протяжениях проложены в многолетней мерзлоте на глубине до двух метров.
Для выработки рекомендаций по защите линий передач от воздействия атмосферного электричества необходимо, в первую очередь, провести анализ возникающих при этом процессов, в частности, оценить величины наведенных токов и напряжений. Общепринятые методы приближенного расчета индуцированных перенапряжений в воздушных линиях основаны на вычислении электромагнитного поля, излучаемого каналом молнии. Практически во всех опубликованных работах при расчете наведенных токов и напряжений учитывают только электромагнитные наводку, а электростатическую часть
не учитывают. Однако, по нашему мнению, в регионах с высоким удельным электрическим сопротивлением грунта, к которым относятся и регионы с многолетней мерзлотой, необходимо учитывать электростатическую компоненту (т.е. ВТН) при вычислениях наведенных токов и напряжений. В литературе практически отсутствуют работы по расчету ВТН даже на одно-проводных линиях передач.
Цель исследования. Целью исследования является разработка и вычислительная реализация математических моделей токов и напряжений, индуцированных в линиях передач грозовыми разрядами в условиях многолетней мерзлоты.
Задачи исследования. Для достижения цели исследования необходимо решить следующие задачи:
разработка математических моделей ВТН в линиях передач;
аналитические решения полученных начально-краевых задач;
численные оценки величин токов и напряжений в линиях передач;
обработка данных натурных измерений;
адаптация результатов численных расчетов к натурным экспериментальным данным.
Методы исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе задач используются: математическое моделирование на основе законов физики, методы математического анализа, методы решения дифференциальных уравнений с частными производными, теория специальных функций, проведение численных расчетов.
Научная новизна полученных результатов. Новыми в диссертационной работе являются:
разработка и вычислительная реализация математических моделей волн тока и напряжения в линиях передач в условиях многолетней мерзлоты;
обработанные данные натурных измерений токов, наведенных в трубопроводе грозовыми разрядами;
численные значения параметров математической модели, адаптированные к данным натурных измерений.
Практическая значимость научных результатов. Для линий связи и линий электропередач (ЛЭП) критическим параметром является перенапряжение, которое может вызвать пробой изоляции между проводниками линии. Для трубопроводов одним из критических параметров является величина напряжения трубопровод-земля и ток утечки в местах контакта с землей. Токи текущие в трубах усиливают коррозионные явления. Такие токи возбуждаются в трубопроводах постоянным электрическим полем Земли, грозовыми разрядами, геомагнитными и ионосферными возмущениями. По-
нимание происходящих процессов дает разрабатываемая математическая модель этих явлений. Численная реализация разработанных моделей позволяет оценить критические параметры величин токов и напряжений при различных грозовых условиях, что необходимо для разработки методов электрозащиты линий передач.
На защиту выносятся
Математические модели волн тока и напряжения в магистральных линиях передач в условиях многолетней мерзлоты в предположении о мгновенном характере разряда облака и с учетом зависимости разряда облака от времени, и их вычислительные реализации.
Обработанные данные натурных измерений параметров волны тока и напряжения в трубопроводе при грозовом разряде, из которых следует, что амплитуда индуцированного тока достигает величины до 10 А.
Значения параметров математической модели, адаптированные к данным натурных измерений.
Личный вклад соискателя. Личный вклад соискателя состоит в:
разработке математических моделей ВТН в линиях передач в условиях многолетней мерзлоты;
разработке аналитических и численных методов решения полученных начально-краевых задач;
проведении вычислительной реализации моделей и анализ полученных результатов;
обработке данных натурных измерений параметров ВТН в трубопроводе;
получении адаптированных значений параметров моделей на основе анализа данных натурных измерений.
Достоверность. Достоверность научных положений и выводов обеспечивается:
использованием в математических моделях известных физических законов;
согласованностью полученных результатов вычислительных реализаций с экспериментальными данными натурных измерений, а также с результатами других авторов, разрабатывающих данную проблему.
Апробация результатов диссертации. Основные результаты докладывались и обсуждались на XLII международной студенческой конференции "Студент и научно - технический прогресс"(Новосибирск, 2004); на Международной конференции по математическому моделированию (Якутск, 2004, 2007); на Всероссийской научной конференции, посвященной 80-летию профессора Кузьмина А.И. "Космо- и геофизические явления и их математические модели", (Якутск, 2002); на Всероссийских школах-семинарах студен-
тов, аспирантов, молодых ученых и специалистов (Якутск, 2003, 2004, 2006, 2007, 2008, 2009); на Всероссийской научной конференции студентов физиков (ВНКСФ-10) (Москва 2004); на Всероссийских научных конференциях "Информационные технологии в науке, образовании и экономике"(Якутск, 2005, 2007, 2008); на XXVII Российской школе по проблемам науки и технологий, посвященную 150-летию К.Э. Циолковского, 100-летию СП. Королева и 60-летию Государственного ракетного центра "КБ им. академика В.П. Макеева" (г. Миасс, Челябинская обл., 2007) и в 17 республиканских научных конференциях.
Участие в грантах и проектах. Работа поддержана конкурсами грантов в качестве руководителя гранта: ФТИ ЯГУ для молодых ученых и аспирантов (2005, 2007); ЯГУ для молодых ученых и аспирантов (2007 г.); Президента РС(Я) для молодых ученых и аспирантов (2008 г.); Государственная стипендия PC (Я) молодым научным, сотрудникам и аспирантам (2009 г.).
Работа поддержана конкурсами грантов в качестве исполнителя: проектами № ур. 10.01.045 и № ур. 02.01.025 "Университета России"(2004 г.); грантом № 03-01-96060 конкурса РФФИ-Арктика (2003-05 гг.); проектом №8430-ВНП программы МОиН РФ "Развитие научного потенциала высшей школы"(2005 г.); грантом №06-08-96020 конкурса РФФИ - Дальний Восток (2006-08 гг.); проектом госзаказа РС(Я) на НИР № 1.10.3 "Исследование влияния грозовой и геофизической активности на магистральные объекты на территории РС(Я)"(2008-10 гг.); грантом РФФИ-Восток 09-05-98540 "Влияние космической погоды на функционирование магистральных линий в условиях многолетней мерзлоты"(2009-11 гг.); проектом АВЦП 2.1.1/2555 "Исследование развития грозовой и геомагнитной активности и их влияния на функционирование магистральных объектов"(2009-10 гг.); х/д № 1 от 10.07.09 "Математическое моделирование влияния космических факторов и грозовой активности на магистральные линии передач"(2009-11 гг.).
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 109 наименований и изложена на 106 страницах, содержит 81 рисунков и 2 таблицы.
