Введение к работе
Актуальность проблемы. В современных условиях научно-технического прогресса с развитием энергетики и энергопотребления возникают повышенные требования к качеству и экологической безопасности электрических сетей. Существенное внимание уделяется развитию соответствующих систем изоляции средств передачи электроэнергии и различным факторам влияния линий электропередач (ЛЭП), электрических подстанций и электроустановок на человека и окружающую среду, что связано как с вхождением высоковольтных ЛЭП в инфраструктуру городов при их развитии, так и с проектированием ЛЭП сверхвысокого напряжения для передачи энергии на дальние расстояния.
В настоящее время проблема негативного влияния низкочастотных электрических полей (ЭП) занимает одно из ведущих мест по своей экологической и производственной значимости среди других факторов окружающей среды. ЛЭП, электрические подстанции, электроустановки высокого напряжения являются источниками биологически активного ЭП, способного вызвать ухудшение состояния здоровья персонала, развитие ряда патологий и серьезных функциональных расстройств. Эффект от непосредственного воздействия, проявляющегося при пребывании в ЭП, усиливается с увеличением напряженности поля и времени нахождения в нем. Значимой проблемой является накапливание биологического эффекта в условиях многолетнего производственного влияния ЭП. При систематическом воздействии на организм человека уровнями, превышающими предельно допустимые, ЭП может вызвать изменения функционального состояния нервной, сердечно-сосудистой и эндокринной систем, а также некоторых обменных процессов и иммунологической реактивности организма.
Одновременно с проблемой биологического воздействия низкочастотных ЭП возникает ряд проблем, связанных с необходимостью развития систем изоляции средств передачи электроэнергии. Оценка технического состояния изоляции определяется с учетом распределения вектора напряженности ЭП в объёмах или вблизи поверхности изоляторов электротехнического и другого оборудования. Контроль технического состояния изоляции и электрооборудования представляет собой важную задачу, решение которой позволит обнаружить зарождающие дефекты на ранней стадии и, тем самым, предотвратить аварийные ситуации, способные привести к серьезным негативным последствиям.
Значительный вклад в развитие теории и практики построения средств измерения напряженности ЭП внесли отечественные и зарубежные ученые:
B. И. Гордиенко, Н. И. Калашников, К. Д. Надточий, Е. Ф. Зимин, Э. С. Кочанов,
П. М. Конин, Ю.А.Морозов, В. Н.Зажирко, Э. П. Каскевич, М. Misakian,
Т. Horvath, Е. Pop, D. Е. Friedman, В. М. Юркевич, Н. Bocker, L. Wilhelmy, К. Feser,
C. В. Бирюков и другие. Однако, несмотря на сделанные наработки, существующие
методы и средства измерения напряженности низкочастотных ЭП не всегда
пригодны для проведеній измерений ЭП техногенной природы с необходимой
точностью.
Таким образом, проблема точного и достоверного измерения напряженности низкочастотных ЭП техногенного происхождения как вблизи электротехнического оборудования, так и в свободном пространстве ЛЭП и электрических подстанций
является весьма актуальной, поскольку ее решение позволит проводить более жесткий контроль за предельно допустимыми уровнями напряженности с целью своевременного обнаружения и устранения дефектов изоляции и снижения неблагоприятного влияния низкочастотных ЭП на обслуживающий персонал ЛЭП, население и окружающую среду.
Кроме того, разработка высокоточных средств измерения напряженности низкочастотных ЭП позволит использовать их в качестве эталонов при поверке серийно выпускаемых приборов для измерения напряженности низкочастотных ЭП различной неоднородности.
Цель диссертационной работы заключается в уточнении уже существующего и разработке нового метода и средств измерения напряженности низкочастотных ЭП техногенной природы, позволяющих проводить измерения в ЭП различной неоднородности и обеспечивающих уменьшение погрешности и расширение пространственного диапазона измерений.
Задачи исследований. Поставленная цель достигается решением следующих основных задач:
В области теоретического анализа рассмотреть вопросы взаимодействия проводящей поверхности сферического датчика с электрическими полями различных источников (однородное поле, поле точечного источника, поле бесконечно тонкой проводящей линии конечной длины, поле электрического диполя) и получить аналитические выражения для нормальной составляющей напряженности ЭП на поверхности проводящей сферы.
С помощью математического аппарата теоретически обосновать физически выделяемые угловые положения трехкоординатных электроиндукционных сферических датчиков (ТЭСД) напряженности ЭП в пространстве, в которых погрешность измерения напряженности ЭП от неоднородности поля принимает предельные значения.
С учетом определенных пространственных положений ТЭСД провести математическое моделирование датчиков напряженности в ЭП различной неоднородности, по результатам которого разработать новый трехкоординатный метод измерения напряженности ЭП, позволяющий проводить измерения как вблизи, так и вдали от источников поля с заданной погрешностью в максимально возможном пространственном диапазоне измерения.
С учетом полученных результатов уточнить трехкоординатный метод измерений напряженности ЭП, позволяющий проводить измерения без определенной ориентации датчика в пространстве. На основании уточненного метода провести сравнительный анализ работы ТЭСД напряженности в полях различной неоднородности.
Разработать структурные схемы средств измерений напряженности ЭП с учетом нового метода измерений.
Методы исследований. В настоящей диссертационной работе были проведены теоретические исследования и соответствующее им математическое и численное моделирование. При выводе основополагающих выражений и зависимостей были использованы теория поля и методы теоретических основ электротехники, теория
математического анализа (интегральное, дифференциальное, вариационное исчисление) и прикладной математики. Математическое моделирование бьшо реализовано программно в универсальной системе математических расчетов MathCAD 13.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
Получены аналитические выражения для нормальной составляющей напряженности ЭП на поверхности проводящего сферического датчика, находящегося в полях бесконечно тонкой проводящей линии конечной длины и электрического диполя, являющиеся частью математических моделей многокоординатных датчиков при нахождении электрического заряда на поверхности их чувствительных элементов.
С помощью теории математического анализа обоснованы физически выделяемые угловые положения ТЭСД в пространстве, в которых погрешность измерения напряженности ЭП от неоднородности поля принимает предельные значения.
Создан новый метод измерения напряженности низкочастотных ЭП -.метод выравнивания двух составляющих при третьей равной нулю, позволяющий расширить пространственный диапазон измерения и свести к желаемому минимуму погрешности измерения, вызванные ориентацией ТЭСД в пространстве и неоднородностью ЭП.
Уточнен трехкоординатный метод измерения напряженности ЭП, позволяющий проводить измерения с заданной погрешностью в полях различной неоднородности за счет выбора оптимальных размеров и конфигурации чувствительных элементов датчика без определенной ориентации ТЭСД в пространстве.
Достоверность полученных результатов определяется корректным использованием соответствующего математического аппарата при выводе основополагающих формул и анализе полученных выражений; предварительной оценкой допускаемых приближений и их научным обоснованием; теоретическими расчетами, согласованными с результатами исследований других авторов и проверенными математическим моделированием; соответствием основных результатов и выводов общефизическим представлениям о характере процессов, протекающих при измерении и контроле напряженности низкочастотных ЭП техногенной природы.
Практическая ценность работы состоит в возможности применения полученных технических решений и внедрения нового метода и средств измерения напряженности низкочастотных ЭП в различные отрасли энергетической промышленности с целью проведения более точных измерений для контроля за предельно допустимыми уровнями напряженности во избежание внезапных пробоев изоляции, для поддержания необходимой степени надежности работы электрооборудования, для исключения опасности для жизни и здоровья персонала и минимизации негативных воздействий низкочастотных ЭП техногенной природы на окружающую среду. Кроме того, результаты работы являются основой для разработки высокоточных средств измерения напряженности низкочастотных ЭП,
позволяющих использовать их в качестве эталонов при поверке серийно выпускаемых приборов.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
Аналитические выражения для нормальной составляющей напряженности ЭП на поверхности проводящей сферы, находящейся в поле бесконечно тонкой проводящей линии конечной длины и в поле электрического диполя, устанавливающие зависимости нормальной составляющей напряженности на поверхности датчика от его радиуса и:расстояния от центра датчика до проводящих поверхностей. .
Математические модели .электроиндукционных сферических датчиков напряженности ЭП и методика проведения математического моделирования.
Пространственно-угловые положения датчика, соответствующие предельным значениям погрешности от неоднородности ЭП.
Метод измерения напряженности низкочастотных ЭП, основанный на взаимодействии ТЭСД с ЭП - метод выравнивания двух составляющих при третьей равной нулю.
Уточненный трехкоординатный метод измерения напряженности ЭП.
Средства измерения напряженности низкочастотных ЭП, реализующие разработанный метод измерений.
Апробация результатов диссертации. Основные положения и результаты диссертационной работы отражались в научных докладах, которые обсуждались на IV Международном технологическом конгрессе «Военная техника, вооружение и современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения» (Омск, 2007), VI Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин», посвященной 65-летию ОмГТУ (Омск, 2007), 9 Международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация» (Барнаул, 2008), на Всероссийской научно-технической конференции «Россия молодая: передовые технологии - в промышленность» (Омск, 2008).
Публикации. Результаты диссертационных исследований опубликованы в 15 работах: в 4-х статьях в центральных периодических журналах, рекомендованных ВАК, в 3-х описаниях к патентам на полезную модель, в 2-х свидетельствах об отраслевой регистрации разработок в Отраслевом фонде алгоритмов и программ, в 4-х статьях в сборниках трудов международных и всероссийских научно-технических конференций, в 2-х статьях в научно-технических сборниках. Кроме того, получено положительное решение о выдаче патента на полезную модель.
Структура и объём диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 159 наименований. Основной текст работы изложен на 130 листах машинописного текста, содержит 15 таблиц, 45 рисунков. Общий объем работы составляет 195 страниц машинописного текста.
