CC BY
165
УДК 621.316.3 С.В. Горелов, С.Б. Долгушин, В.Е. Крышталев
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ И МЕТОДЫ СИСТЕМАТИЗАЦИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
В энергетике промышленных и сельскохозяйственных организаций происходит непрерывное старение эксплуатируемого электрооборудования. Появляются новые электротехнические материалы и приборы, возрастает актуальность изучения электромагнитной обстановки (ЭМО), определения различного вида электромагнитных помех (ЭМП), обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) технических средств в действующих электрических сетях. Для изучения влияния сильных электрических полей на оборудование разработана конструкция генератора импульсных токов. Приведена методика математической обработки результатов экспериментов.
Эксплуатация сельских электроэнергетических систем должна учитывать электромагнитную совместимость технических средств, подверженных действию электромагнитных помех.
В местных электрических сетях напряжением от 0,4 до 35 кВ на линейную изоляцию линий электропередачи (ЛЭП), электрооборудование электрических станций и подстанций, электрическую изоляцию силовой и бытовой аппаратуры воздействуют различного рода электрические перенапряжения [1-4]. Несинусоидальные режимы неблагоприятно сказываются на работе технических средств (оборудование, аппаратура, изделия или их составляющие части), функционирование которых основано на законах электротехники, радиотехники и электроники, систем релейной защиты и автоматики, электрических систем.
Местные электрические сети 6 кВ являются составными частями электрических сетей напряжением 10 кВ и 35 кВ. Это сети с изолированной нейтралью, ток замыкания фазы на землю которых находится в пределах от 0,05 до 7 А. Местные электрические сети имеются на береговых водозаборных сооружениях, электростанциях, работающих на твердых каменных углях и т.д. Основными потребителями электрической энергии в таких сетях являются электрические двигатели с напряжением от 0,4 до 6 кВ, которые применяются в качестве электроприводов насосов, дробилок, мельниц и т.п.
Технологические нарушения параметров сырья (влажность, твердость), попадание металлического лома и прочее вызывают забивание насосов, дробилок, мельниц, что приводит к их остановке. Повторные запуски агрегатов происходят с практически заторможенными роторами электродвигателей. Пусковой ток при этом содержит большую индуктивную составляющую и энергия, накопленная в индуктивностях обмоток двигателей, максимальна. Такие режимы работы или коммутации приводят к возникновению в местной сети временных перенапряжений. Становится очевидной актуальность задачи разработки способов повышения уровней ЭМС технических средств в электрических сетях (рис. 1) [2; 5].
Электромагнитные явления, наблюдаемые в электрических сетях от 0,4 до 35 кВ, снижают качество функционирования технических средств и создают электромагнитные помехи (ЭМП). ЭМП оказывают отрицательное влияние на рецепторы, к которым, в общем случае, относят технические средства, реагирующие на электромагнитный сигнал или электромагнитную помеху. Эти помехи обуславливают значительный экономический ущерб, как у потребителей электрической энергии, так и у энергоснабжающих предприятий.
По способу распространения ЭМП подразделяются на кондуктивные (гальваническая связь), передающиеся от источника помех к рецептору по элементам электрической сети, на передающиеся через электрическое поле (Е-поле), магнитное поле (Н-поле) и через излучение (Е/Н-поле) (рис. 2) [5].
Необходимо отметить, что с точки зрения ЭМС существующие традиционные системы молниезащи-ты не в состоянии в полной мере обеспечить работу современной высокочувствительной электронной микропроцессорной техники. Это относится и к силовым сетям и нагрузкам до 1000 В. Так называемая интегральная защита, используемая во входных цепях и схемах питания приборов, гарантирует какую-то устойчивость по отношению к определенным помехосоздающим воздействиям, среди которых находятся также и перенапряжения [5].
Однако при воздействиях, вызванных токами молнии, а в ряде случаев и при коммутационных перенапряжениях, требуется дополнительная защита, установленная вне приборов.
Такие защиты особенно нужны для объектов с обширной электроникой, например:
- вычислительные центры;
- административные здания крупных АПК;
- системы управления производственными процессами;
- телекоммуникационные здания (радио и ТВ-станции);
- различные энергетические объекты (электрические станции и подстанции).
Одной из эффективных мер снижения электромагнитных помех является применение в разработанных электрических схемах резисторов из композиционных материалов, например, бетэла и рапита [2-4].
Для моделирования воздействия сильных электромагнитных полей на оборудование и электрической разбраковки композиционных резисторов использовались генераторы импульсных токов с запасаемой энергией свыше 10 кДж.
Рис. 1. Электромагнитная совместимость технических средств систем электроснабжения, подверженных воздействию электромагнитных полей
Рецептор
Рис. 2. Механизм связи источника электромагнитных помех и технического средства - рецептора,
реагирующего на электромагнитные сигналы
Была разработана принципиальная схема генератора импульсных токов с запасаемой энергией в ударе 22 кДж, позволяющего тремя-пятью импульсами тока проводить электрическую тренировку нагревательных элементов из бетэла, а также снятие вольт-амперных характеристик изделий на импульсном напряжении [5]. Работа генератора импульсных токов заключается в зарядке батареи высоковольтных конденсаторов заданной емкости до регулируемого напряжения и последующей импульсной разрядке конденсаторов через низковольтный разрядный контур, обладающий малой индуктивностью. Импульсная испытательная установка состоит из зарядной схемы, основной и вспомогательной разрядной цепи, пульта управления, который включает в себя аппараты управления и сигнализации, а также приборы измерения, контроля и защиты, измерительной схемы, схем запуска и синхронизации (рис. 3).
Зарядная схема состоит из вторичной обмотки трансформатора ТР1, выпрямителя VD5, VD6 (собранного из кремниевых диодов КЦ 201), зарядного резистора Я1 и батареи конденсаторов Сбат. Конденсаторная батарея состоит из высоковольтных конденсаторов К 41-И 7, включенных последовательнопараллельно. Рабочее напряжение конденсаторной батареи составляет 15 кВ, емкость - 200 мкФ.
Рис. 3. Принципиальная электрическая схема испытательной установки (генератора импульсных токов) с запасаемой энергией до 20 кДж
Основная разрядная цепь включает в себя батарею конденсаторов Сбат, управляемый разрядник FV1, сопротивление тренируемого нагревательного элемента Rн, сопротивление измерительного шунта R5.
Вспомогательная разрядная цепь включает в себя батарею конденсаторов Сбат, резистор R2 и корот-козамыкатель К3.
Снятие вольт-амперных характеристик производится с помощью измерительного шунта R5 и омического делителя напряжения R3 и R4 на электронный осциллограф.
Низковольтная часть установки состоит из схемы управления и синхронизации. Управление генератором импульсных токов осуществляется кнопками SB1-SB5. Синхронизация запуска осциллографа и управляемого разрядника осуществляется с помощью генератора VS1, который выдает задержанные относительно друг друга импульсы. Один импульс идет на запуск осциллографа, другой на поджигающий электрод управляемого разрядника. Подача напряжения на пульт управления осуществляется рубильником QF1. Плавное повышение или понижение напряжения на испытательной установке производится электродвигателем регулятора напряжения М.
Электрическая тренировка композиционных нагревателей производится несколькими импульсами высокого напряжения в зависимости от энергии импульса и электрического сопротивления нагревателя. При этом за счет кратковременного протекания мощного импульса тока происходит выгорание слабых электропроводных цепочек или пробой незавершенных электропроводных цепочек в объеме РКМ. Происходит стабилизация сопротивления материала.
При обработке экспериментальных данных испытаний на ГИТ для получения достоверных результатов необходимо оптимальное количество соответствующих наблюдений. Это связано с наличием систематических и случайных ошибок, промахов при измерениях, которые не позволяют выделить нужный параметр в чистом виде. Наиболее приемлемые результаты при дорогостоящих экспериментах можно получить, применяя методы математической статистики. При этом, если установлен закон распределения случайных величин результатов исследований, то появляется возможность выявления систематических ошибок.
В соответствии с ранее разработанной методикой с целью исключения неточностей результаты экспериментов обрабатывались нами в соответствии с гипотезой нормального распределения, так как она является наиболее распространенной и хорошо проработанной математической моделью, удобной для статистического анализа [5]. Гипотеза о нормальном распределении неоднократно проверялась непосредственно по результатам наблюдений и экспериментов. Большое количество экспериментов позволило адекватно оценить критерии согласия, по которым проверялась гипотеза о нормальном распределении.
Основной принцип критериев согласия заключается в сравнении заданной выборки с некоторым заранее намеченным теоретическим распределением. Для использования этого принципа в качестве параметров теоретического распределения брались параметры заданной выборки (среднее значение х и дисперсия ), которые определялись из следующих соотношений:
— 1 "
»
(1)
пи
Б2
п-1
Ух2 -(У х )2 4= п
(2)
где п - объем выборки; х, - параметр /-го элемента выборки.
Достаточно хорошее согласование выборочных оценок с теоретически вычисленными значениями параметров может служить основанием для принятия основной гипотезы.
В качестве оцениваемых параметров удобнее всего брать моменты исследуемой выборки тз и т4 , через которые выражаются асимметрия и эксцесс нормального распределения:
*=£=пБ £(*-х)3 , (3)
Е=3=%(х>-х)'- 3 ' (4)
Для вычисления дисперсий этих величин применимы уравнения:
1
D(A) = 6'(”( 1} , (5)
(n +1) • (п + 3)
D(E) = 24 '(П ~2) ^(П ~3) . (6)
(n +1)2 • (п + 3) • (п + 5)
По дисперсиям D(A) и D(E) можно оценивать значимость отклонения выборочных асимметрий и акс-цесса от своих математических значений (от нуля):
IA < 3y[D(A) = Q( A), (7)
E < ^VD(E) = Q(E) . (8)
Данный критерий является приближенным и его можно применять только при малых объемах выборки (п < 20). В случае больших выборок целесообразно пользоваться такими критериями, как, например, теорема Колмогорова:
Л=DM , (9)
D = max \Fn (x) - F (x)| . (10)
Гипотеза считается справедливой, если вычисленное значение меньше, чем найденное по выбранному уровню значимости p табличного значения М-Р- Теорема Колмогорова справедлива, как для нормального, так и для любого другого теоретического распределения. В силу этого необходимо выбирать очень «жесткие» уровни значимости (р = 0,2 или p = 0,3). При А < /i-р можно делать заключение о справедливости основной гипотезы (исследуемая выборка подчиняется нормальному закону распределения).
С помощью оценки результатов экспериментальных исследований на принадлежность элементов
выборки одной генеральной совокупности, имеющей нормальное распределение, и выявляются элементы, выпадающие из нее. Грубые отклонения оценивались с использованием гипотезы о нормальном распределении. Максимальное относительное отклонение определялось по формуле
Y = (Xmx - x) • 5-1 , (11)
где Xmax - максимальное значение ранжированного ряда выборки.
В зависимости от объема выборки п с вероятностью p = 0,05 по таблицам находится квантиль распределения Yo . При Yo >Yi необходимо отбрасывать Xmax как грубую ошибку.
Если выбрана величина, то применяется репрезентативный отбор, характеризующий достаточно полно всю совокупность, из которой сделаны выборки. Количество отбираемых элементов можно определить, если известна генеральная дисперсия G2, для оценки которой используется выборочная дисперсия S2.
Если выборочная дисперсия S2 и среднее х подсчитываются по одним и тем же наблюдениям, то степень свободы распределения Стьюдента равна:
f = п-1 . (12)
Доверительная вероятность (1- р), выражения [1- (р/2)] и (р/2) определяются при выборе уровня значимости, например, р = 0,1. По доверительной вероятности находятся, как правило, симметричные квантильные границы U^ и Up/2. Значения распределения х 1-p (Критерия Пирсона), необходимого для определения генеральной дисперсии G2, находим по приближенной формуле при f > 30:
х 2- p=0,5(VfI + ^1-р)2, (13)
где u1-р - квартили нормального распределения.
С вероятностью (1- р) справедливо неравенство:
f • S2 • (x2( p/2,)-1 < G < f • S2 • (xfp^)-1 . (14)
Это неравенство является двусторонней доверительной оценкой для генеральной дисперсии. Для выборок с f > 30 справедливо, что S2 ^ G2 и число элементов выборки определяется из формул:
S02 = G2 • n-1[N - n • (N-1)-1] , S02 = G2 - S2 ,
(15)
(16)
где п - число элементов выборки, определяемое из условия:
n =_______—__________
[S2( N-1) • G-2]-1
(17)
Получаемое значение из п элементов достаточно полно характеризует всю совокупность, из которой была сделана выборка.
Проведенные расчеты показали необходимость испытания не менее пяти испытуемых образцов на каждую точку характеристики и до тридцати образцов для проверки контрольных точек.
Результатом явилось не только выявление качественных зависимостей и общего характера поведения лабораторных образцов, но и определение количественных значений и соотношений.
С целью облегчения довольно трудоемких расчетов, исключения ошибок и грубых промахов, связанных с расшифровкой осциллограмм производимых экспериментов, электрофизические характеристики лабораторных и модельных образцов рассчитывались по специально разработанной программе. Полученные данные расшифровки осциллограмм обрабатывались по этой программе в общепринятой последовательности:
1. Определялось наиболее вероятное значение измеряемой величины х как среднее арифметическое из всех полученных значений.
2. Определялась средняя квадратическая ошибка отдельного измерения &
По величине средней квадратической ошибки результата делалось заключение о форме записи числа, обозначающего этот результат. Для проверки закона распределения случайных величин и проведения комплексов статистических расчетов нами использовалась программа «Stadia» и другие статистические программы.
1. Электромагнитная совместимость линейной двигательной нагрузки по величине искажения формы кривой напряжения с судовой энергосистемой / С.В. Горелов [и др.] // Электроснабжение, энергосбережение, электрификация и автоматика предприятий и речных судов: сб. науч. тр. - Новосибирск, 2001. -
2. Горелов, С.В. Композиционные резисторы в схемах, повышающих электромагнитную помехозащищенность электрооборудования / С.В. Горелов, Е.В. Иванова // Ползуновский вестн. - 2005. - №4. - Ч. 3 -С. 238-242.
3. Повышение помехозащищенности электрических сетей (6-10 кВ) / С.В. Горелов [и др.] // Трансп. дело России. - 2005. - №4. - С. 39-40.
4. Горелов, С.В. Резисторы из композитов в схемах энергообеспечения агропромышленных комплексов / С.В. Горелов, Е.Ю. Кислицын, Н.В. Цугленок // Вестн. КрасГАУ. - 2006. - №13. - С. 68 - 72.
5. Энергоснабжение стационарных и мобильных объектов. Ч. 1 / С.В. Горелов [и др.]; под ред. В.П. Горелова, Н.В. Цугленка. - Новосибирск, 2006. - 243 с.
(18)
где п - число измерений; х - значение конкретного измерения.
3. Число измерений было принято не менее пяти на точку.
4. Средняя квадратическая ошибка результата Sр определялась по формуле:
Бр = 5 • (л/П).
(19)
Литература
С. 209-221.
