CC BY
69
21. Wang Y.X.R., Huang H. Review on statistical methods for gene network reconstruction using expression data, J. Theor. Biol., 2014, Vol. 362, pp. 53-61.
22. Wittmann D.M. and other. Reconstruction of graphs based on random walks, Theor. Comput. Sci., 2009, Vol. 410, No. 38-40, pp. 3826-3838.
23. Wu J. and other. A two-stage algorithm for network reconstruction, Appl. Soft Comput., 2018, Vol. 70, pp. 751-763.
24. Wu J., Dang N., Jiao Y. Reconstruction of networks from one-step data by matching positions, Phys. A Stat. Mech. its Appl, 2018, Vol. 497, pp. 118-125.
25. Wu X., Wang W., Zheng W.X. Topology detection of complex networks with hidden variables and stochastic perturbations, 2012 IEEE International Symposium on Circuits and Systems. IEEE, 2012, pp. 898-901.
26. Xu K. and other. Discovering target groups in social networking sites: An effective method for maximizing joint influential power, Electron. Commer. Res. Appl., 2012, Vol. 11, No. 4, pp. 318-334.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор А.В. Боженюк.
Целых Александр Николаевич - Южный федеральный университет; e-mail: [email protected]; 347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44; тел.: +79185562047; кафедра ИАСБ; д.т.н.; профессор.
Васильев Владислав Сергеевич - e-mail: [email protected]; кафедра ИАСБ; к.т.н.; доцент.
Целых Лариса Анатольевна - Таганрогский институт имени А.П. Чехова (филиал) Ростовского государственного экономического университета (РИНХ); e-mail: [email protected]; 347936, г. Таганрог, ул. Инициативная, 48; тел.: +79185695760; кафедра экономики и предпринимательства; к.э.н., доцент.
Tselykh Alexander Nikolaevich - Southern Federal University; e-mail: [email protected]; 44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia; phone: +79185562047; the department IASB; dr. of eng. sc.; professor.
Vasilev Vladislav Sergeevich - e-mail: [email protected]; the department IASB; cand. of eng. sc.; associate professor.
Tselykh Larisa Anatolievna - Chekhov Taganrog Institute (branch) of Rostov State University of Economics; e-mail: [email protected]; 48, Initsiativnaya street, Taganrog, 347936, Russia; phone: +79185695760; the department of Economics and business; cand. of ec. sc.; associate professor.
УДК 621.315.3 Б01 10.23683/2311-3103-2019-3-132-143
М.Н. Дубяго, Н.К. Полуянович
МЕТОД ОЦЕНКИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ИЗОЛЯЦИИ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ
Рассматриваются вопросы мониторинга состояния изоляции силовых кабельных линий (СКЛ). Показано, что наличие примесей, либо продуктов окисления, возникающих в результате нагрева в изоляционном материале (ИМ), приводит к возникновению токов утечки. Получена математическая модель, позволяющая рассчитать мощность ЧР, а также определить расположение включения m1 в основной изоляции, обусловленные мощностью активной составляющей тока утечки, при его возникновении в основной изоляции кабеля. Расчет изменения теплового потока, проходящего через слои изоляции кабеля проводится в зависимости от радиальных расстояний методом кусочно-заданных функций, с учетом теплового сопротивления включения. Математическая модель, позволяет на ряду с послойным расчетом изотерм в поперечном сечении кабеля, определять наличие включений
в ИМ. Методика, предлагаемая в разработанной модели, позволяет проводить учет тепловых потерь основываясь на тепловых и геометрических размерах включения, что не было учтено в указанных выше моделях. Предложен способ определения срока службы изоляционного материала учитывающий суммарную напряженность электрического поля в изоляционном материале для различных размеров включения, а также геометрические и электрические параметры включений; энергия активации структурного пробоя материала. Модель старения изоляционного материала позволит использовать ее для определения остаточного ресурса и прогнозирования износа изоляционного материала. Исследована надежность ИМ, а именно срок службы изоляционного материала КЛ от напряженности и температуры, в сравнении с базовой формулой. Проведены экспериментальные исследования надежности изоляции, а именно разработан алгоритм и выполнено моделирование срока службы изоляции СКЛ от напряженности и температуры. Рассмотрены вопросы технического обслуживания силовых кабельных линий с использованием современных не-разрушающих методов диагностики.
Изоляционные материалы; прогнозирование; неразрушающий метод контроля; энергия частичных разрядов; термофлуктуационные процессы; силовые кабели; тепловые потери; износ.
M.N. Dubyago, N.K. Poluyanovich
THE METHOD OF ESTIMATION AND FORECASTING OF A RESIDUAL RESOURCE OF ISOLATION IN CABLE LINES
The article deals with the monitoring of the state of insulation ofpower cable lines (PCL). It is shown that the presence of impurities or oxidation products resulting from heating in the insulation material (IM) leads to leakage currents. A mathematical model is obtained to calculate the power of the CR, as well as to determine the location of the inclusion of m1 in the main radiation, due to the power of the active component of the leakage current, when it occurs in the main cable insulation. The calculation of the change in the heat flux passing through the insulation layers of the cable is carried out depending on the radial distances by the method of piecewise given functions, taking into account the thermal conjugation of the inclusion. The proposed mathematical model allows to determine the presence of inclusions along with the layer-by-layer calculation of isotherms in the cross section of the cable. The technique proposed in the developed model allows to account for heat losses based on the thermal and geometric dimensions of the inclusion, which was not taken into account in the above models. A method for determining the service life of the insulation material taking into account the total electric field strength in the insulation material for different inclusion sizes, as well as geometric and electrical parameters of inclusions; activation energy of the structural breakdown of the material. The aging model of the insulation material will allow to use it to determine the residual life and predict the wear of the insulation material. The reliability of IM, namely the service life of the insulating material of CL from the tension and temperature, in comparison with the basic formula is investigated. Experimental studies of insulation reliability have been carried out, namely, an algorithm has been developed and simulation of the service life of PCL insulation from tension and temperature has been performed. The questions of technical service ofpower cable lines with the use of modern non-destructive diagnostic methods are considered.
Insulation materials; forecasting; non-destructive testing method; energy of partial discharges; thermal fluctuation processes; power cables; heat losses; wear.
Введение. Основным аспектом обеспечения надёжности электроснабжения является реализация энерго- и ресурсосберегающей концепции обслуживания электрооборудования на базисе непрерывного мониторинга его технического состояния [1-3]. Для этого необходимы средства и методы позволяющие определять текущее состояние объекта, проводить контроль и прогнозировать состояние.
Актуальность концепции вызвана усложнением требований электросетей к их надёжности, обеспечиваемые в будущем интеллектуальными системами электроснабжения (smart grids), обязательным элементом которых являются средства мониторинга. При эксплуатации СКЛ подвержены воздействию многих факторов вызывающих: электрическое старение изоляционного материала (электрическое поле); увлажнение, ведущее за собой снижение электрических и физических характеристик изоляционного материала; химическое старение (происходящие под влиянием агрессивных веществ); а также тепловое старение и окисление изоляционного материала (тепловое поле). Старение изоляционного материала кабельных линий (КЛ) вследствие продолжительного взаимодействия с негативными факторами может привести к его пробою. В связи с приведенными аргументами тема работы актуальна.
Достижение указанной цели требует решения задачи, формулируемой следующим образом: разработка диагностических методов которые позволяет обеспечить удаленность и безошибочность мониторинга СКЛ. Обеспечение непрерывного анализа состояния изоляции СКЛ является важным элементом в процессе создания интеллектуальных электрических сетей (smart grids). Решением этой научной и технической проблемы станет обнаружение дефектов изоляционных материалов на ранней стадии их развития и, как следствие, предотвращение аварийных ситуаций, которые способны привести к серьезным негативным последствиям и повлиять на работу системы электроснабжения в целом.
Научная новизна работы состоит в том, что исследуется термофлуктуацион-ная теория разрушения изоляционных материалов, предложен неразрушающий метод диагностики.
Методы измерения характеристик частичных разрядов. Температура изоляции кабеля основной фактор вызывающий старение [4-8, 10, 13], разрушение и выход из строя кабеля. Так в изоляции под продолжительным воздействием напряжения ЧР образуются в газовых пузырях и микротрещинах. А при попадании влаги, возникают водные триинги [12]. Под ЧР понимается частичный электрический пробой изоляционной среды, т.е. при этом перекрывается лишь какой-то локально ограниченный участок всей изоляции. Поверхности, поврежденные длительными ЧР, рис. 1.
Рис. 1. Внешний вид пробоя в силовом кабеле
Исследование срока службы изоляции. При диагностике кабеля, на основе метода измерения характеристик ЧР, используют метод измерения и локализации ЧР осциллирующим затухающим напряжением [9]. Что позволит определить величину и расположение ЧР и делать заключение о реальном техническом состоянии кабеля. Объектом исследований в работе являются КЛ с изоляцией из сшитого полиэтилена, применяемые для общих задач электроснабжения. Включения в линии не препятствует работе, но имеет тенденцию к ухудшению ее технического состояния. Завершающей стадией развития включения является процесс выхода линии из строя, т.е. пробой. Время развития включения до пробоя может составлять от нескольких месяцев до нескольких лет. Поэтому задача диагностики технического состояния СКЛ состоит в определении степени развития включения, его опасности и остаточном ресурсе эксплуатации до пробоя. Наличие информации о текущем действительном техническом состоянии СКЛ позволяет исключить внезапные аварии. Проведена комплексная диагностика электрической сети, рис. 2.
[]
РП-1
380/10kV 1000kVA
20A
ТП-149
380/10kV, 1000kVA
20A
[]
joint joint
Рис. 2. Схема исследуемой кабельной системы Технические данные одной из КЛ сведены в табл. 1.
Технические данные КЛ
Таблица 1
Тип кабеля Длина линии, м Количество соединительных муфт Особенности прокладки / год прокладки Средняя токовая нагрузка, А
ААБ-10 3*150 10 кВ 590 2 в грунте /06.1983 10
Благодаря методу возможно определение, как общего состояния линии, так и конкретных мест с включениями, а также прогнозирование развития включения. Эксперимент проводился аппаратурой 0WTS по всем фазам СКЛ длиной 590 м, которая находилась под напряжением 6кВ с 1983 года. Участок энергосети состоит из РП1 и ТП-149, соединенных между собой 3-х жильным кабелем типа ААБ 3*150. СКЛ состоит из трех секций, соединенных между собой муфтами. Распределение основной характеристики ЧР (интенсивности ЧР) на карте, представлено на рис. 3,б. На рис. 3,а показана схема участка силовой кабельной системы для измерения ЧР.
Обсуждение полученных результатов. Обнаруженные в кабельной линии (рис. 2) источники ЧР (рис. 3) свидетельствуют о наличии включений в ИМ кабельной системы.
Рис. 3. А - распределение интенсивностей ЧР на участке энергосети; б - карта распределения и интенсивности ЧР в изоляции СКЛ
По результатам обследования КЛ ее техническое состояние оценивается как удовлетворительное. При обследовании на отметке 230 м по всем фазам от ТП-149 зафиксирована повышенная интенсивность ЧР, рис. 3,б. Обнаруженные источники ЧР свидетельствуют о наличии включений в изоляции кабеля. Это может быть связано со снижением электрической прочности основного диэлектрика кабеля, если это место обнаружения ЧР совпадает с расположением муфт, причиной появления такого включения может быть вызвано нарушением технологии монтажа этих муфт. Рекомендуется ремонт в вышеуказанных отметках в течение 1 года с последующей диагностикой. По результатам обследования аппаратурой CDS состояние изоляционного материала кабеля оценивается как неудовлетворительное. Степень увлажнённости изоляционного материала кабеля высокая (кабель «влажный»). Степень старения изоляционного материала кабеля высокая (кабель «сильно состаренный»). Результаты исследований участков СКЛ (напряжение возникновения ЧР, иЧР; максимальная величина (уровень) ЧР q) сведены в табл. 2, где: РСТ - коэффициент старения; QS - коэффициент нелинейности.
Таблица 2
Исследование диэлектрических параметров состояния СКЛ
Кабельная система Параметры диэлектрического старения (!раб, U^) Рекомендации по техническому обслуживанию
РСТ QS Степень увлажненности Степень старения изоляции Состояние Диагностирование
РП-1 до ТП-149 0.279 1.172 Влажная Сильно состарена Неуд. Через 1-год
Как следует из табл. 2, исправный изоляционный материал имеет значение максимального кажущегося заряда намного меньшей величины даже при установленном испытательном напряжении (СТО 80380011-РЭ(843)-ИСМ 017-2011 Стандарт «Объемы и нормы щадящих и неразрушающих методов испытания и диагностики кабельных линий 6-110кВ»). Таким образом, доказывается взаимосвязь характеристик ЧР со состоянием электрической изоляции.
Исследования процессов старения изоляционного материала. Целью работы является разработка способа определения остаточного ресурса изоляционного материала КЛ, для чего необходимо использовать математическую модель ее старения. Существует много работ, посвященных оценке степени износа и старения изоляционного материала. Для расчета срока службы изоляционного материала СКЛ, в работе использовалась уточнения в модель Журкова, для учета воздействия температуры и электрического поля:
Тсл = т0ехр
М-
(1)
где То - значение срока службы, когда степенное выражение стремится к единице, w - энергия активации структурного пробоя, R - универсальная газовая постоянная, х - структурный параметр, Е - напряженность электрического поля, Т- абсолютная температура.
Недостатком определения старения по формуле Журкова является тот факт, что не учитывается энергия ЧР, а также разрывов связей (СС и СН), вызванных этой энергией. То есть предлагается в формуле (2) напряженность Е учитывать как сумму напряженностей Е = Ео + Еу.
В связи с этим расчет остаточного срока службы изоляции необходимо вести в зависимости от: - напряженности определяемой размерами включения; - энергии разрыва связи мономера (СС и СН - связи); - емкости основной изоляции и включения; - толщины изоляции и размера включения.
Анализ моделей старения показал, что зависимость срока службы изоляционного материала от температуры и напряженности электрического поля существенно зависит от коэффициентов, задаваемых в моделях, которые могут варьироваться в больших пределах.
Исходные данные для расчета представлены на рис. 4, где: г1 - радиус жилы; г1 -наружный радиус основной изоляции; т0=10-13 - время ожидания распада одной связи; К=8.3144598*10"3 - универсальная газовая постоянная; Т - температура в Кельвинах; ео=8.85*10"15 - диэлектрическая постоянная; еЗРЕ=2.4 - диэлектрическая проницаемость полиэтилена; £укь=1 - диэлектрическая проницаемость полиэтилена; £=50 Гц -частота, и=10кВ - напряжение; гук11 - радиус включения 10 мкм; гук1з - радиус включения 250 мкм; гук1з - радиус включения 500 мкм; Включение для простоты представлено в виде сферы; Емкость включения определяется по формуле Су = 4 пе0£укьгукь.
Г1
^ X
щ
Бго
Рис. 4. Исследуемый изоляционный материал
Общая напряженность электрического поля в изоляционном материале при различных размерах включения (гук11, гук12, гук1з) запишется как
!Е 1 = Еу-1 + £ол,
Е2 = ЕУ2 + Е012, (2)
Е 3 = Еу3 + Е013.
Учитывая, что напряженности на включении для радиуса гук11, гук12, гук1з
Еу 1 — '
Еу =
исп
Еу 2 — '
иС12
ЯТИ1/
Еуз — '
ис, з
2П/КХ2/
(3)
2гук1.зСуз1од{
2ггахз/
г:
Ь
Напряженности на остаточном слое изоляции для радиуса rvkl1, rvkl2, rvki3
CV1*C0I1 CV1+C0I1
-Oll
JJ^._
_ 4nE0£VKL(h-2rVKLl)
l°g(^)<h-rvKLi)
Eoi =
u*-
cV2*cOI2 cV2+cOI2
7 _ 47r£0£ym(fa-2rym2) "012 — / h \
l°a{-^y<h-rVKL2)
Cy3*COI3 cV3+cOI3
(4)
и*■
Eoi3 —
ine0eVKL{h-2rVKL3) l°3(^)<h-rVKL3)
При расчете остаточного срока службы учитывалось, что в одном мономере присутствует две СС связи и четыре СН связи. Энергии разрыва одной связи брались соответственно Wcc = 84 [-^-1 и Wcн = 99 [-^-1 .
|_моль J |_моль J
Энергию разрыва, как и в работе Полякова, в формуле (1), возьмем среднюю
2*]АгСС+4*]Агсн
Wcp =
(5)
Таким образом, итоговая формула для расчета срока службы изоляционного материала СКЛ
(У/ср~хЕ
т = т0ехр
(Wcp~xE\ V RT )'
(6)
Здесь: х - структурный параметр [кДж = 0,447; Е - общая напряженность электрического поля рассчитывалась по формулам для Е1 Е2 Е3.
Результаты математического моделирования выполненные в интерактивной среде МайаЬ, представлены на рис. 6. Алгоритм работы программы приведен на рис. 5.
С
Начало
Э
r1, r2, tau0,
Wa, X k, ksgs, R
Ввод исходных параметров СПЭ кабеля
eps0 = 8.85*10л-12; eps_vk1 = 1; eps_SPE = 2.4; f = 50; U=7.76[kV]; T = linspace (273.350); rvk1=^-3*linspace(r1,(r2-r1)*0.5); C=4*pi*eps_vk1*rvk1*eps0; Uvk1=eps_vk1*(rvk1*2/(r2-r1))*U; Pvk^Uvki^^^i^C; E0 = U/log (r2/r1)*(r2-r1)); Ev=E0.*(eps_SPE/eps_vk1+2.*rvk1.*(eps_SPE-eps_vk1)/((r2-r1)*eps_SPE)); E = E0 + Ev; Wa = 127; Tau_Z = tau0*exp ((Wa-X*E)./(R.*T))
Расчет геометрических и электрических параметров и места включения
fprintf ('В годах') god = tau_Z./(8760*3600) plot3 (rvk1,T,god); view ([138.1 22.8]) Grid on view ([138.1 22.8]) [RR,TT] = meshgrid (rvk1,T); tau_Z3=tau0.*exp((Wa-X. *E)./(R. *T)); GOD = tau_Z3./(8760*3600); mesh (RR,TT,GOD) view ([138.1 22.8]) view ([-141.5 25.2])
Вывод данных и построение зависимости срока службы изоляции СКЛ от E и T
Конец J
Рис. 5. Алгоритм расчета срока службы изоляции СКЛ
Для математического моделирования выбрана модель старения изоляционного материала Журкова, так как она базируется на учете энергетических составляющих разрушающих воздействий, которыми является температура изоляционного материала (как параметр термической и термоокислительной деструкции) и мощность ЧР, которая является функцией от напряженности электрического поля.
Радиальное расстояние, мм Температура, К
Рис. 6 . Контурная поверхность зависимости срока службы изоляции
Обсуждение результатов. Анализ результатов моделирования срока службы изоляционного материала КЛ показывает зависимость ресурса изоляционного материала от величины включений и температуры. Очевидна существенная погрешность расчета по формуле Журкова, в сравнении с усовершенствованной формулой (6), даже при минимальном размере включения (10 мкм).
Заключение. В развитии метода расчета ресурса по формуле Журкова, в статье предложен практичный способ определения срока службы изоляционного материала. Для реализации которого: - получена формула суммарной напряженности электрического поля (2) в изоляционном материале для различных размеров включения; - предложен расчет геометрических и электрических параметров с учетом энергия ЧР, а также места включения; - учитывается энергия активации структурного пробоя (5) вызванная разрывом связей (СС и СН) мономера материала. Уточнена модель старения изоляционного материала Журкова, для кабелей из сшитого полиэтилена, что позволит использовать ее для определения остаточного ресурса и прогнозирования износа изоляционного материала.
Внедрение неразрушающих методов испытаний и диагностики СКЛ с использованием современного испытательного и диагностического оборудования будет способствовать повышению надежности электроснабжения потребителей, а также позволит эффективнее планировать ремонт и замену КЛ по их техническому состоянию. Проведены экспериментальные исследования надежности изоляции, а именно разработан алгоритм и выполнено моделирование срока службы изоляции СКЛ от напряженности и температуры.
Работа выполнена при поддержке гранта: Разработка теоретических основ и методов построения интеллектуальных многосвязных систем управления процессами производства, транспортировки, распределения и потребления энергии, № ВнГр-07/2017-15.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Коржов А.В., Томашева Е.В. Энергетическая диаграмма силового кабеля для анализа активных потерь, влияющих на состояние изоляции // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». - 2008. - № 11. - Вып. 9. - С. 29-31.
2. Полуянович Н.К., Тибейко И.А. Эксплуатация и ремонт систем электроснабжения промышленных предприятий. - Таганрог, 2014.
3. Полуянович Н.К., Дубяго М.Н., Щуровский В.А. Методы испытания силового электрооборудования. - Таганрог, 2016.
4. Зайцев Е.С. и др. Моделирование тепловых процессов в кабеле с изоляцией из сшитого полиэтилена средствами Matlab и Simulink // Матер. НПК. Ч. 1. - СПб.: Изд-во Политехнического университетата, 2014. - 176 с.
5. Полуянович Н.К., Дубяго М.Н. Термофлуктуационный метод диагностики состояния изоляционных материалов СКЛ и прогнозирование их остаточного ресурса // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. - 2018. - Т. 61, № 5. - С. 66-71.
6. Дубяго М.Н., Полуянович Н.К., Пшихопов В.Х. Метод исследования термофлуктуацион-ных процессов в задачах диагностики и прогнозирования изоляционных материалов // Вестник Донского государственного технического университета. - 2017. - Т. 17, № 3 (90). - С. 117-127.
7. Дубяго М.Н., Полуянович Н.К. Термодинамический способ выявления деструкции изоляции в задачах диагностики и прогнозирования ресурса кабельных систем // Инженерный вестник Дона. - 2017. - № 3 (46). - C. 25.
8. Dubyago M.N. and Poluyanovich N.K. Thermal Processes of the Isolating Materials in Problems of Nondestructive Diagnostics of the Main and Distributive Power Stations // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 229. - 2017.
9. Дубяго М.Н., Пшихопов В.Х., Полуянович Н.К. Оценка и прогнозирование изоляционных материалов силовых кабельных линий // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2015. - № 7 (168). - C. 230-237.
10. Дубяго М.Н., Пшихопов В.Х., Полуянович Н.К. Оценка и прогнозирование изоляционных материалов силовых кабельных линий // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2015. - № 7 (168). - С. 230-237.
11. Dubyago M.N., Poluyanovich N.K. Thermal processes of the isolating materials in problems of nondestructive diagnostics of the main and power supply systems // EAI Endorsed Transactions on Energy Web and Information Technologies. 18(16): e3.
12. Dubyago M.N. and Poluyanovich N.K. Prediction of residual life of isolating materials in the process of thermal power equipment deterioration // 2017 2nd International Conference on Advanced Materials Research and Manufacturing Technologies (AMRMT 2017) 2-5 August 2017, Phuket, Thailand IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - 2017. - Vol. 229.
- 012036. - ISSN: 1757-899X.
13. Дубяго М.Н., Полуянович Н.К. Метод амплитудного и фазового распределения импульсов частичных разрядов в задачах исследования изоляции кабельных линий // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2012. - № 7 (132). - С. 200-205.
14. Dubyago M.N., Poluyanovich I.A., Poluyanovich N.K. Thermodynamic approach for identifying oxidative processes insulation breakdown // Applied Mechanics and Materials. - 2015.
- Vol. 752-753. - P. 1153-1157.
15. Dubyago M.N., Poluyanovich N.K. Prediction of residual life of isolating materials in the process of thermal power equipment deterioration // Advances in energy, environment and chemical engineering (AEECE 2015). - 2015. - P. 49-54.
16. Poluyanovich N.K., Rassoha D.P., Formanyuk V.S. The automatic electric isolation defects diagnosing system's algorithm development // Proceedings of X International Saum Conference on Systems, Automatic Control and Measurements (SAUM 2010). - 2010. - P. 265-269.
17. Dubyago M.N., Poluyanovich N.K. Analysis of insulation materials of cable systems by method of partial discharges // Advances in Materials Science and Applications. - 2015. - Vol. 4, No. 1. - P. 23-32.
18. Дубяго М.Н., Полуянович Н.К. Неразрушающий метод прогнозирования остаточного ресурса силовых кабельных линий // Информатика, вычислительная техника и инженерное образование. - 2012. - № 1 (8). - C. 27-33.
19. Poluyanovich N.K., Dubyago M.N. Study of characteristics of partial discharge for assessment of condition of electrical insulating materials of power supply system // Applied Mechanics and Materials. - Vol. 459. - P. 70-75.
20. Dubyago M.N., Poluyanovich N.K. Thermal Processes of the Isolating Materials in Problems of Nondestructive Diagnostics of the Main and Distributive Power Stations // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 229(1),012036.
21. Dubyago M.N., Poluyanovich N.K. Thermal processes of the isolating materials in problems of nondestructive diagnostics of the main and power supply systems // EAI Endorsed Transactions on Energy Web 5(16),e3.
22. Dubyago M.N. & Poluyanovich N.K. Thermal processes of the isolating materials in problems of nondestructive diagnostics of the main and distributive power stations // EAI Endorsed Transactions on energy Web and Information Technology 12 2017-01. - 2018. - Vol. 5, Issue 16. E3.
23. Dubyago M.N. Poluyanovich N.K. Dependence of dielectric loss tangent on the parameters of multilayer insulation materials cable. Environment, Energy and Applied Technology - Sung & Kao (eds), 2015 Taylor & Francis Group, London. - P. 1003-1007. ISBN 978-1-138-02691-9.
24. Dubyago M.N., Poluyanovich N.K. Thermal processes of the isolating materials in problems of nondestructive diagnostics of the main and distributive power stations. EAI Endorsed Transactions on Energy Web and Information Technologies 18(16): e3. x. SJR SCImago Journal & Coutry Rank
25. Marina N. Dubyago and Nikolay K. Poluyanovich. Estimation of Insulating Materials Depreciation and Forecasting the Residual Cable Resource Considering the Current Core Temperature // International Journal of Materials, Mechanics and Manufacturing. - 2019. - Vol. 7, No. 1. - P. 415-420.
REFERENCES
1. Korzhov A.V., Tomasheva E.V. Energeticheskaya diagramma silovogo kabelya dlya analiza aktivnykh poter', vliyayushchikh na sostoyanie izolyatsii [Energy diagram of a power cable for the analysis of active losses affecting the insulation condition], Vestnik YuUrGU. Seriya «Energetika» [Bulletin of SUSU. Series "Energy"], 2008, No. 11, Issue 9, pp. 29-31.
2. Poluyanovich N.K., Tibeyko I.A. Ekspluatatsiya i remont sistem elektrosnabzheniya promyshlennykh predpriyatiy [Operation and repair of power supply systems of industrial enterprises]. Taganrog, 2014.
3. Poluyanovich N.K., Dubyago M.N., Shchurovskiy V.A. Metody ispytaniya silovogo elektro-oborudovaniya [Methods of testing power electrical equipment]. Taganrog, 2016.
4. Zaytsev E.S. i dr. Modelirovanie teplovykh protsessov v kabele s izolyatsiey iz sshitogo polietilena sredstvami Matlab i Simulink [Modeling of thermal processes in a cable with cross-linked polyethylene insulation by means of Matlab and Simulink], Mater. NPK [Materials of scientific and practical conference]. Part 1. Saint Petersburg: Izd-vo Politekhnicheskogo universitetata, 2014, 176 p.
5. Poluyanovich N.K., Dubyago M.N. Termofluktuatsionnyy metod diagnostiki sostoyaniya izolyatsionnykh materialov SKL i prognozirovanie ikh ostatochnogo resursa [Thermalfluctuation method of diagnosing the condition of the insulation materials of the SCR and the prediction of their residual life], Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Elektromekhanika [Proceedings of higher educational institutions. Electromechanics], 2018, Vol. 61, No. 5, pp. 66-71.
6. Dubyago M.N., Poluyanovich N.K., Pshikhopov V.Kh. Metod issledovaniya termofluktuatsionnykh protsessov v zadachakh diagnostiki i prognozirovaniya izolyatsionnykh materialov [Research method thermalfluctuation processes in problems of diagnostics and forecasting of insulating materials], VestnikDonskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta [Bulletin of the don state technical University], 2017, Vol. 17, No. 3 (90), pp. 117-127.
7. Dubyago M.N., Poluyanovich N.K. Termodinamicheskiy sposob vyyavleniya destruktsii izolyatsii v zadachakh diagnostiki i prognozirovaniya resursa kabel'nykh sistem [Thermody-namic method of detecting degradation of insulation in the problems of diagnostics and forecasting of resource cabling systems], Inzhenernyy vestnik Dona [Engineering journal of Don], 2017, No. 3 (46), pp. 25.
8. Dubyago M.N. and Poluyanovich N.K. Thermal Processes of the Isolating Materials in Problems of Nondestructive Diagnostics of the Main and Distributive Power Stations, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 229, 2017.
9. Dubyago M.N., Pshikhopov V.Kh., Poluyanovich N.K. Otsenka i prognozirovanie izolyatsionnykh materialov silovykh kabel'nykh liniy [Assessment and prediction of the insulation materials of power cable lines], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2015, No. 7 (168), pp. 230-237.
10. Dubyago M.N., Pshikhopov V.KH., Poluyanovich N.K. Otsenka i prognozirovanie izolyatsionnykh materialov silovykh kabel'nykh liniy [Assessment and prediction of the insulation materials of power cable lines], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2015, No. 7 (168), pp. 230-237.
11. Dubyago M.N., Poluyanovich N.K. Thermal processes of the isolating materials in problems of nondestructive diagnostics of the main and power supply systems, EAI Endorsed Transactions on Energy Web and Information Technologies. 18(16): e3.
12. Dubyago M.N. and Poluyanovich N.K. Prediction of residual life of isolating materials in the process of thermal power equipment deterioration, 2017 2nd International Conference on Advanced Materials Research and Manufacturing Technologies (AMRMT 2017) 2-5 August 2017, Phuket, Thailand IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2017, Vol. 229, 012036. ISSN: 1757-899X.
13. Dubyago M.N., Poluyanovich N.K. Metod amplitudnogo i fazovogo raspredeleniya impul'sov chastichnykh razryadov v zadachakh issledovaniya izolyatsii kabel'nykh liniy [Method of amplitude and phase distribution of partial discharge pulses in the problems of cable lines insulation research], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2012, No. 7 (132), pp. 200-205.
14. Dubyago M.N., Poluyanovich I.A., Poluyanovich N.K. Thermodynamic approach for identifying oxidative processes insulation breakdown, Applied Mechanics and Materials, 2015, Vol. 752-753, pp. 1153-1157.
15. Dubyago M.N., Poluyanovich N.K. Prediction of residual life of isolating materials in the process of thermal power equipment deterioration, Advances in energy, environment and chemical engineering (AEECE 2015), 2015, pp. 49-54.
16. Poluyanovich N.K., Rassoha D.P., Formanyuk V.S. The automatic electric isolation defects diagnosing system's algorithm development, Proceedings of X International Saum Conference on Systems, Automatic Control and Measurements (SAUM 2010), 2010, pp. 265-269.
17. Dubyago M.N., Poluyanovich N.K. Analysis of insulation materials of cable systems by method of partial discharges, Advances in Materials Science and Applications, 2015, Vol. 4, No. 1, pp. 23-32.
18. DubyagoM.N., Poluyanovich N.K. Nerazrushayushchiy metod prognozirovaniya ostatochnogo resursa silovykh kabel'nykh liniy [Non-destructive method of predicting the residual life of power cable lines], Informatika, vychislitel'naya tekhnika i inzhenernoe obrazovanie [Computer science, computer science and engineering education], 2012, No. 1 (8), pp. 27-33.
19. Poluyanovich N.K., Dubyago M.N. Study of characteristics of partial discharge for assessment of condition of electrical insulating materials of power supply system, Applied Mechanics and Materials, Vol. 459, pp. 70-75.
20. Dubyago M.N., Poluyanovich N.K. Thermal Processes of the Isolating Materials in Problems of Nondestructive Diagnostics of the Main and Distributive Power Stations, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 229(1),012036.
21. Dubyago M.N., Poluyanovich N.K. Thermal processes of the isolating materials in problems of nondestructive diagnostics of the main and power supply systems, EAI Endorsed Transactions on Energy Web 5(16),e3.
22. Dubyago M.N. & Poluyanovich N.K. Thermal processes of the isolating materials in problems of nondestructive diagnostics of the main and distributive power stations, EAI Endorsed Transactions on energy Web and Information Technology. 12 2017-01, 2018, Vol. 5, Issue 16. E3.
23. Dubyago M.N. Poluyanovich N.K. Dependence of dielectric loss tangent on the parameters of multilayer insulation materials cable. Environment, Energy and Applied Technology - Sung & Kao (eds), 2015 Taylor & Francis Group, London, pp. 1003-1007. ISBN 978-1-138-02691-9.
24. DubyagoM.N., Poluyanovich N.K. Thermal processes of the isolating materials in problems of nondestructive diagnostics of the main and distributive power stations, EAI Endorsed Transactions on Energy Web and Information Technologies 18(16): e3. ж. SJR SCImago Journal & Coutry Rank.
25. Dubyago Marina N. and Poluyanovich Nikolay K. Estimation of Insulating Materials Depreciation and Forecasting the Residual Cable Resource Considering the Current Core Temperature, International Journal of Materials, Mechanics and Manufacturing, 2019, Vol. 7, No. 1, pp. 415-420.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор В.И. Финаев.
Полуянович Николай Константинович - Южный федеральный университет; e-mail: [email protected]; 347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский 44; тел.: 89185693365; кафедра электротехники и мехатроники.
Дубяго Марина Николаевна - e-mail: [email protected]; тел.: 89281758225; кафедра электротехники и мехатроники; аспирант.
Poluyanovich Nikolay Konstantinovich - Southern Federal University; e-mail: [email protected]; 44, Nekrasovsky, Taganrog, 347928, Russia; phone: +79185693365; the department of electric technics and mechatronics.
Dubyago Marina Nikolaevna - e-mail:[email protected]; phone: +79281758225; the department of electrical engineering and mechatronics; graduate student.
УДК 621.396 DOI 10.23683/2311-3103-2019-3-143-152
И.Е. Лысенко, Д. В. Науменко
РАСЧЕТ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА МИКРОМЕХАНИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА С C ПОМОЩЬЮ КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Микромеханические вибрационные гироскопы являются одним из устройств микроэлектромеханических систем (МЭМС) и предназначены для измерения угловой скорости. В данной работе исследуется модель одномассового микромеханического гироскопа LL-типа, изготавливаемого по объемной кремниевой технологии с толщиной приборного слоя 50 мкм. Целью работы является изучение измерительных свойство прибора с определенной частотной настройкой. Описаны проведенные для этого исследования его динамических характеристик, частотного отклика при воздействии гармонических нагрузок эквивалентных тем, что будут воздействовать при реальной работе микрогироскопа на изготовленный чувствительный элемент. АЧХ (амплитудно-частотная характеристика) МЭМС гироскопа существенно зависит от конструкции и топологии чувствительного элемента. При выборе конструкции закладываются качественные характеристики и алгоритм его функционирования, при разработке топологии получаются количественные характеристики существенно влияющие на измерительные свойства прибора. Получение амплитудно-частотных характеристик на этапе проектирования позволит оценить предельные точностные характеристики, определить его чувствительность, провести оптимизацию конструкции гироскопа для улучшения его конечных характеристик. В статье описана последовательность произведенных расчетов для получения АЧХ и определения чувствительности к угловой скорости методом конечных элементов в программном пакете ANSYS Workbench. В результате исследований определены собственные частоты ММГпо двум осям, по полученным АЧХ графическим способом определена полоса пропускания, определена зависимость изменения емкости от угловой скорости. По полученным результатам анализа проведена оценка измерительные свойство прибора и рекомендации по его дальнейшей частотной настройке и оптимизации.
МЭМС; микрогироскоп; конечно-элементный анализ; модальный анализ; гармонический анализ; резонанс.
I.E. Lysenko, D.V. Naumenko
FINITE-ELEMENT MODELING OF AMPLITUDE-FREQUENCY CHARACTERISTICS OF THE SENSITIVE ELEMENT OF A MICROMECHANICAL GYROSCOPE
Micromechanical vibration gyroscopes are one of the devices of microelectromechanical systems (MEMS) and are designed to measure angular velocity. In this work, we study a model of a single-mass micromechanical linear gyro, manufactured by bulk silicon technology with an in-
