CC BY
20
The article analyzes the existing design approaches and identifies a number of contradictions, on the basis of which an algorithm is formulated that allows them to be eliminated. As a tool for eliminating contradictions, elements of the theory of solving inventive problems that have been tested in many areas of human activity are used.
Key words: theory of inventive problem solving, system design, information security system, computer attacks.
Dobryshin Michael Mihajlovich, candidate of technical sciences, employee, Do-brithin@ya.ru, Russia, Oryol, The Academy of FSO of Russia,
Gorshkov Alexey Anatolevich, candidate of technical sciences, employee, Dobrithin@ya.ru, Russia, Oryol, The Academy of FSO of Russia,
Belov Andrey Sergeyevich candidate of technical sciences, employee, an-drej2442016@yandex.ru, Russia, Oryol, The Academy of FSO of Russia,
Borzova Natalya Yuiryevna, employee, kislaya90@mail.ru, Russia, Oryol, The Academy of FSO of Russia
УДК 620.424.1
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-9-44-51
НАДЕЖНОСТЬ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ КРУПНЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ
ПОТРЕБИТЕЛЕЙ В АРКТИКЕ
Я.М. Толкачев, Д.А. Тютин, М.К. Авакян, В.М. Толкачев, П.В. Баталов
Проанализированы особенности арктических регионов Российской Федерации. Систематизированы и проанализированы результаты мониторинга показателей качества электроэнергии (ПКЭ) на шинах подстанций, снабжающих крупные предприятия Мурманской области, как хороший пример промышленного освоения Арктики. Выявлены проблемы электромагнитной совместимости промышленных потребителей с сетями электроснабжения и сопоставлены результаты мониторинга регистрационных записей за период 2012 - 2018 гг. с более ранними регистрационными записями 00-х годов, когда регулярный мониторинг ПКЭ не был законодательно закреплен. Доказана необходимость проведения исследований для выявления причин несогласованности и предложен ряд наиболее общих и эффективных мер по ограничению перекосов в качестве электроэнергии.
Ключевые слова - промышленный потребитель, качество электроэнергии, горнообогатительное предприятие, электромагнитная совместимость, виновник искажений, результаты экспериментов, подстанция, высоковольтная сеть.
В соответствии с Указом Президента Российской Федерации сухопутные территории Арктической зоны Российской Федерации (включая Мурманскую область) определены в [1]. Территория Мурманской области расположена на Балтийском хрустальном щите, который богат полезными ископаемыми, поэтому одним из основных направлений деятельности промышленных предприятий области является добыча, а также их переработка. Следует отметить, что для обеспечения полного цикла производства и переработки предприятия должны обеспечивать их надежной электроэнергией.
Под надежным электроснабжением понимается непрерывное обеспечение потребителей электрической энергией заданного качества [2]. Понятие надежности включает в себя как бесперебойное снабжение потребителей электроэнергией, так и ее качество - стабильность частоты и напряжения [3]. Превышение нормативных значений ПКЭ отрицательно влияет на условия эксплуатации электрооборудования и с течением времени на его состояние. Ухудшение приводит к сокращению срока службы и выходу из строя. В настоящее время показатели и нормы качества электроэнергии в Российской Федерации определены в стандарте ГОСТ 321442013 [4].
Качество электроэнергии связано с электромагнитной совместимостью электрической сети и электрических приемников. Под электромагнитной совместимостью понимается способность электроприемников нормально функционировать в своей электромагнитной среде (к которой они подключены), не создавая недопустимых помех для других электроприемников [5-6].
К электрическим сетям предприятий предъявляются следующие основные требования по обеспечению определенных показателей [5]:
- качество передаваемого электричества как продукта;
- надёжность электроснабжения;
- безопасность электрического и неэлектрического персонала при эксплуатации электросетей и электроустановок;
- рентабельность, т.е. снижение затрат на строительство и эксплуатацию сетей и установок;
- реконфигурация сетей в связи с изменениями в технологии производства;
- снижение потерь электроэнергии в сетях;
- экологичность, т.е. отсутствие вредного воздействия на окружающую среду.
Крупнейшие промышленные потребители электроэнергии в Мурманской области
(рис. 1):
- ОАО "Кольская горно-металлургическая компания" на базе двух заводов "Северони-кель" и "Печеганикель", являясь дочерним предприятием ОАО ГМК "Норильский никель", производящим и выпускающим цветные и драгоценные металлы;
- ОАО "Северо-Западная Фосфорная Компания" (СЗФК) создано ОАО "Акрон" в 2005 году, которое занимается производством комплексных удобрений из добываемых апатит-нефелиновых руд;
- Кировский филиал ОАО "Апатит" - базовое предприятие ФосАгро - является крупнейшим в мире предприятием по производству высококачественного фосфорного сырья и единственным производителем нефелинового концентрата в России;
- ОАО "Ковдорский ГОК" входит в состав Минерально-химической компании "Евро-хим" и является вторым по величине производителем апатитового концентрата в России и единственным производителем бадделеитового концентрата в мире;
- ОАО "Олкон" (Оленегорский ГОК) - самый северный производитель железорудного концентрата в России, является одной из крупнейших в мире металлургических и горнодобывающих компаний ПАО "Северсталь";
- ООО "Ловозерский ГОК" является единственным в Российской Федерации производителем лопаритового концентрата - источника тантала (используется в электронике, оптике, акустике, хирургии, химической промышленности), ниобия (атомная промышленность, сверхпроводники, легированные стали, оптика) и редкоземельных металлов (лазеры, магниты, катализаторы);
- Филиал ОАО "Урал "РУСАЛ" в г. Кандалакша ОК РУСАЛ КАЗ является ведущей компанией в мировой алюминиевой промышленности.
Каждое из этих предприятий является градообразующим, а предприятия-потребители и города гальванически связаны между собой. Это заставляет контролировать электромагнитную совместимость городских потребителей и энергоемких промышленных установок, а также в режиме мониторинга регистрировать качество электроэнергии. Во время регистраций, которые проводились в период с 2012 по 2018 год, несоответствия стандартам ПКЭ были зафиксированы не только со стороны низкого напряжения 6 (10) кВ, но и со стороны энергосистемы (110, 150 кВ). Для лучшего понимания нагрузки, искажающей качество электроэнергии в табл. 1 представлена деятельность крупнейших промышленных предприятий Мурманской области.
Вышеперечисленные промышленные предприятия являются энергоемкими, имеют в составе конкретных потребителей нелинейные параметры, которые часто являются источниками ухудшения качества электроэнергии [7-12], что влияет на энергопотребление других потребителей, подключенных к той же питающей сети, а также на эффективность работы самой питающей сети. К конкретным потребителям относятся электродвигатели конвейеров, дробилок, грохотов, мельниц, насосных агрегатов, вентиляторов, обогатительного оборудования и др.
Более детальное рассмотрение энергопотребителей на таких предприятиях выявляет основные проблемы в области качества электроэнергии. Например, для обогатительной фабрики основным потребителем электроэнергии является мельница с потреблением электроэнергии около 4000 кВт. Также большую часть электроэнергии на обогащение потребляют электропри-
емники, а именно ленточные конвейеры, центробежные насосы, грохоты, масляные станции, гидравлические подшипники, мешалки, флотационные машины, воздуходувки, компрессоры, насосные станции, пресс-фильтры, вакуумные фильтры и сушильная линия.
гг.. нияд]
Рис. 1. Промышленное предприятие Мурманской области Промышленные предприятия Мурманской области
Таблица 1
Название компании Тип деятельности компании
"Кольская горно-металлургическая компания" Горно-металлургическое производство по добыче сульфидных медно-никелевых руд и производству цветных металлов
"Печенганикель"
"Североникель"
"Северо-Западная Фосфорная Компания" (СЗФК) Разработка собственного фосфатного месторождения и производство фосфоросодержащих удобрений
"Кировский филиал Апатита" Комплексное горно-обогатительное предприятие по добыче (разработка 6 Хибинских месторождений) и переработке апатит-нефелина
"Ковдорский ГОК Железорудный комбинат
"Олкон" Железорудный комбинат
ООО "Ловозерский ГОК" Горно-обогатительная фабрика по добыче и переработке лопаритовых руд с получением лопаритового концентрата
Филиал «РУСАЛ Урал» в г. Кандалакша «ОК РУСАЛ КАЗ» Предприятие с готовым технологическим циклом переработки глинозема с производством алюминия различных марок
На рис. 2 показана диаграмма распределения электроэнергии в год для одной из станций концентрационного региона.
сопгеуог; 5%
Рис. 2. Основные потребители электроэнергии на обогатительной фабрике
46
Проведены инструментальные исследования основных электрических характеристик в помещениях подстанций на шинах трансформаторов тока и напряжения. Измерения проводились двумя анализаторами качества ПКЭ-А и Ресурс-ПКЭ (рис. 3). Энергетический анализатор ПКЭ-А (класс А) и Ресурс-ПКЭ (класс С) - проводят анализ показателей качества электроэнергии в соответствии с новыми стандартами ГОСТ 32144-2013 [4] и ГОСТ 30804.4.30-2013 [12]. Ресурс-ПКЭ-А - измеритель и регистратор электроэнергии в одном приборе.
Результаты регистрации получены в виде архивированных числовых данных, которые могут быть представлены в виде недельных, дневных, часовых расписаний, гистограмм с различным масштабом сканирования по времени (рис. 4) или в табличной форме, а также в виде протоколов.
Рис. 3. Анализаторы качества электроэнергии: а - тестер мощности ПКЭ-А; б - модель Ресурс-ПКЭ
На ряде подстанций Мурманской области были проведены исследования показателей качества электроэнергии. Согласно стандарту [4], регистрация на каждой подстанции проводится два раза в год на всех шинных системах. Каждая точка замера длится одну неделю. Так как периодический мониторинг ПКЭ проводится в исследуемых сетях с 2012 г., то общая продолжительность регистраций составляет не одну тысячу часов. Обобщенные результаты измерений приведены в табл. 2. Все обозначения соответствуют стандарту [4, 8-10].
А. Коэффициент Ы-ТИ гармонического компонента напряжения
Сокращения "с" и "н/с" - показывают соответствие/несоответствие показателя качества электроэнергии стандартам, установленным ГОСТом. Наиболее часто отклонение показателя качества электроэнергии наблюдается для коэффициента п-й гармонической составляющей, который больше зависит от нелинейности нагрузки и указывает на необходимость оснащения подстанций дополнительными устройствами, которые фильтруют или компенсируют искажения, так как при появлении более высоких гармоник напряжения (тока) возрастает амплитуда и фактическое значение напряжения (тока), что приводит к увеличению нагрева элементов энергосистемы, старению изоляции. Это самый трудный из возможных индикаторов качества электроэнергии, так как высоковольтные установки промышленных предприятий могут как вырабатывать гармоники, так и сглаживать их. Поэтому любые изменения в конфигурации нагрузки сразу же изменят эту меру.
Примечание: 5иу - отклонение напряжения в установившемся состоянии; Дf - отклонение частоты; Ки - коэффициент синусоидального искажения кривой напряжения; Ки(п) - коэффициент п-й гармонической составляющей напряжения; К2и - коэффициент асимметрии напряжений в обратной последовательности; К0и - коэффициент асимметрии напряжений в нулевой последовательности.
Следует отметить, что искажение этого коэффициента (КИ(П)) на стороне 110___150 кВ
не зависит от нелинейности нагрузки, так как силовые трансформаторы обеспечивают полную гальваническую развязку с классами напряжения 6_35 кВ. Поэтому на классах напряжения 110___150 кВ необходимо провести дополнительные исследования для выявления причин несоответствия стандартам.
ЩШтар
а
ЁЗ-Оа-
Шй-
Мах,= 111.42 (1) 1УИп = 103.41 (1) Мат. ож. = 103.374 Ср.кв.откл. = 0.6П6
п-п-р-тп-т-рт.-р-п-и-р-и-п-"-1-"ТТШР-г--I-ттр-т-тт-г"-|-ггтГ^НГ"-,-п-г-г-рит-I-ГЛ1-
00:00 01.0002:00 03:00 04:00 05.00 06:00 07:00 00:00 03:00 10.00 8 ! '0012:00 13.00 14:00 '15:00 16:001 7.0018:00 15:00 20:00 2! 00 22:00 23:00
б
Рис. 4. Варианты представления результатов измерений
Результаты измерений на подстанциях Мурманской области
Таблица 2
Наименование биу Дf Ки Ки(п) К2и Кои
150-110 кВ
Ковдорский ГОК c c c н/c c c
Североникель н^ c c н/c c c
Печенганикель н/c c н/c н/c c c
NWPC н^ c c н/c c c
35 кВ
Печенганикель н^ c с н/c н/c c
6-10 кВ
Ловозерский ГОК н^ c н/c н/c c c
Ковдорский ГОК с н^ н/c н/c c c
Североникель н^ c c н/c c c
Олкон c c c н/c c c
Печенганикель c c c н/c c c
Апатит c c c н/c c c
РУСАЛЬСКИИ КАЗ н^ c c н/c н/c c
В. Коэффициент синусоидального искажения для кривой напряжения. Еще одним показателем, наиболее подверженным искажениям, по результатам измерений, является коэффициент синусоидального искажения для кривой напряжения KU. Несинусоидальный ток вызывает дополнительные потери мощности в трансформаторах, электрических машинах, линиях электропередач. Они перегружают конденсаторные батареи, вызывая их разбухание и отказ. При наличии токов высших гармоник в силовых трансформаторах возникают вихревые индукционные токи (токи Фуко), которые растут приблизительно пропорционально квадрату частоты. Высокие гармоники тока и напряжения в сети вызывают нарушения в работе устройств релейной защиты, автоматики и телемеханики. Высокие гармоники токов суммируются в нейтральном проводнике. При соединении нейтрального и защитного проводников с токове-дущими элементами инженерных сооружений здания, обратные токи в нейтрали могут легко проникать в металлические части здания, создавая неконтролируемые и неконтролируемые магнитные поля. Это вызывает мерцание экранов монитора [25].
Ранее проведенные исследования качества электроэнергии в высоковольтных сетях Мурманской области [13-20] в период с 2004 по 2012 гг. также показали систематическое превышение нормативов для ПКЭ. Ухудшение качества электроэнергии так или иначе снижает
эксплуатационные характеристики системы и ее оборудования и, с одной стороны, приводит к ускоренному износу оборудования, его извлекаемым или невосстанавливаемым отказам, а с другой - к снижению надежности электроснабжения [21-26].
Негативное влияние электростанции на качество электроэнергии зависит от следующих факторов: качество электроэнергии, получаемой от поставщика; виды нагрузки; чувствительность оборудования к различным видам помех и отклонениям от номинальных параметров. Следует отметить, что универсального способа решения проблем качества электроэнергии не существует. Оптимальное технико-экономическое решение должно быть разработано для каждой электроустановки в отдельности, но с учетом трех вышеуказанных факторов. Особенно трудно решить проблемы качества электроэнергии, если на электростанции одновременно существует несколько факторов, влияющих на качество электроэнергии, поэтому применяемые решения должны быть не только оптимальными, но и взаимосовместимыми [25].
Наиболее эффективными мерами по ограничению искажений ПКЭ являются следующие:
1. В случае длительных перебоев в электроснабжении использование автономных источников, таких как дизель-генераторные установки, обеспечивающих электроснабжение либо целой станции, либо наиболее важных потребителей.
2. В случае кратковременных посадок или повышения напряжения, а также частотных отклонений - использование статических источников бесперебойного питания для питания наиболее критичных потребителей, чувствительных к помехам: компьютерной техники, а также систем связи, пожарной и охранной сигнализации [27].
3. Разделение точек подключения приемников - генераторов искажений, промышленных предприятий и городской сети с обеспечением гальванической развязки и максимального снижения взаимного влияния через силовые трансформаторы вплоть до отделения электроснабжения промышленного предприятия от отдельных силовых трансформаторов;
4. Разработка эффективных автоматических систем управления напряжением 6(10) кВ, включающих изучение возможности использования регулируемых синхронных компенсаторов, устройств компенсации реактивной энергии, регулирование режимов работы мощных синхронных машин или аналогичных систем управления реактивной нагрузкой;
5. Активация широкополосных силовых фильтров высших гармоник на подключениях до 6 (10) кВ со стороны нагрузки (источник искажений).
Заключение.
1. Сложности с электроснабжением в Арктике связаны, прежде всего, с промышленным освоением арктических регионов, поскольку это неизменно связано с большими нелинейными нагрузками крупных предприятий.
2. Проанализированы протоколы регистрации качества электроэнергии на всех крупных промышленных предприятиях Мурманской области, являющейся Арктическим регионом Российской Федерации.
3. Анализ мониторинговых измерений выявил несоответствие стандартам ПКЭ не только со стороны низкого напряжения 6 (10) кВ, но и со стороны энергосистемы (110, 150 кВ), что указывает на необходимость проведения дополнительных исследований для выявления причин несоответствия.
4. Поскольку потребители, подключенные к общим точкам подключения, могут быть "виновниками" искажений ПКЭ, необходимо локализовать нагрузку напряжения, которое вносит и потребляет искажения в сети.
5. Локализация источника искажений затруднена. Основная трудность локализации виновника заключается в том, что контроль искажений напряжения может выявить группу потребителей, подключенных параллельно. Поэтому при определении источника искажений требуется большое количество сравнительных измерений для получения доказательной базы.
6. Необходимо разработать методы и оборудование для одновременной регистрации качества электроэнергии при нескольких подключениях, а также внедрение автоматизированных систем мониторинга ПКЭ.
7. Необходимо разработать нормативную базу и механизмы, стимулирующие борьбу с нарушениями качества электроэнергии.
8. При недопустимых значениях отклонений напряжения сокращается срок службы электрооборудования и электроприемников подстанций, повышается эффективность работы оборудования, повышается вероятность возникновения аварий.
Список литературы
1. Указ Президента Российской Федерации №296 О сухопутных территориях Арктической зоны Российской Федерации. Москва, Кремль 02.05.2014.
2. Т. В. Алферова, О. Ю. Пухальская, А. А. Алферов, "Надежность электроснабжения потребителей агропромышленного комплекса": Учеб. Пособие, Гомель": ГГТУ им. П.О. Сухого, 2017.
3. В. Я. Горольский, "Надежность электроснабжения", Ростов-на-Дону: Терра Принт,
2007.
4. ГОСТ 32144-2013, Электроэнергетика. Электромагнитная совместимость технического оборудования, ограничения по качеству электроэнергии в системах электроснабжения общего пользования.
5. Д. С. Александров, Е. Ф. Щербаков, "Надёжность и качество электроснабжения: учебное пособие", Ульяновск: УльГТУ, 2010.
6. В. В. Суднова, "Качество электрической энергии". М.: ЗАО "Энергосервис", 2000.
7. МЭК 60050-161:1990, Международная электротехническая лексика (МЭЛ) - глава 161: Электромагнитная совместимость.
8. ГОСТ 13109-97 "Электроэнергия - электромагнитная совместимость технического оборудования - нормы качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения".
9. РД 153-34.0-15.501-00, Методические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в системах общего назначения. Часть 1. Контроль качества электрической энергии.
10. РД 153-34.0-15.502-2002, Методические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в системах общего назначения. Часть 2. Анализ качества электрической энергии.
11. EN 50160:2010, Характеристики напряжения электроэнергии, поставляемой общественными электросетями.
12. IEC 61000-4-30:2008, Электроэнергия, Электромагнитная совместимость технического оборудования, Методы измерения качества электроэнергии.
Толкачев Ярослав Михайлович, магистр, оператор ВИТ "ЭРА", yaro-slav14tolkachev@gmail.com, Россия, Анапа, ФГАУ «ВИТ«ЭРА»,
Авакян Михаил Каренович, магистр, yaroslav14tolkachev@gmail.com, Россия, Новочеркасск, Южно-Российский Государственный Политехнический Университет (Новочеркасский Политехнический Институт) им. М.И. Платова,
Тютин Дмитрий Андреевич, магистр, yaroslav14tolkachev@gmail.com, Россия, Новочеркасск, Южно-Российский Государственный Политехнический Университет (Новочеркасский Политехнический Институт) им. М.И. Платова,
Толкачев Владимир Михайлович, бакалавр, yaroslav14tolkachev@gmail. com, Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет,
Баталов Павел. Владиславович., магистр, оператор ВИТ "ЭРА", bata-lov.pav@yandex.ru, Россия, Анапа, ФГАУ «ВИТ «ЭРА»
FEASIBILITY STUDY OF ENERGY SUPPLY IN DEEP NORTH REGIONS: THE CASE STUDY OF
YAKUTIA REMOTE COMMUNITY (RUSSIA)
M.T. Yaroslav, M.K. Avakyan, D.A. Tyutin, V.M. Tolkachev, P.V. Batalov
Features of the Russian Federation Arctic regions were analyzed. The results of electricity quality indicators (SCE) monitoring registration on types of substations supplying large enterprises of the Murmansk region were systematized and analyzed as a good example of Arctic industrial development. On existing substations example, the problems of high-energy-intensive objects that have nonlinear load parameters as part of consumers are shown. The load of the Murmansk region industrial enterprises on the capacity of electricity consumption is systematized, since all enterprises of the re-
50
gion work in the mining and chemical direction. Electromagnetic compatibility problems of industrial consumers with the supply grid were identified and the results of monitoring registrations for the period 2012 - 2018 years were compared with earlier registrations of the 00s, when regular monitoring of SCE was not legally fixed. The need for studies to identify the causes of inconsistency has been proven. A number of the most general and effective measures to limit distortions in the quality of electricity are proposed.
Key words: industrial consumer, quality of electricity, mining and processing plant, electromagnetic compatibility, the culprit of distortions, the results of experiments, substation, high-voltage grid.
Tolkachev Yaroslav Mikhailovich, master, operator of MIT "ERA", yaro-slav14tolkachev@gmail.com, Russia, Anapa, FGAU«MIT«ERA»»,
Avakyan Mikhail Karenovich, master, yaroslav14tolkachev@gmail.com, Russia, Novocherkassk, South-Russian State Polytechnic University (Novocherkassk Polytechnic Institute) named after M.I. Platova,
Tyutin Dmitry Andreevich, master, yaroslav 14tolkachev@gmail. com, Russia, Novocherkassk, South-Russian State Polytechnic University (Novocherkassk Polytechnic Institute) named after M.I. Platova,
Vladimir Mikhailovich Tolkachev, bachelor, yaroslav 14tolkachev@gmail. com, Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University,
Pavel Vladislavovich Batalov, master, operator of MIT "ERA", batalov.pav@yandex.ru, Russia, Anapa, FGAU «MIT «ERA»»
УДК 623.746.4-519
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-9-51-55
БОЕВОЙ РАЗВЕДЫВАТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС БПЛА
А.А. Малаховецкий, А.А. Злобарь, А.В. Воробьев, Д.К. Карпов, И.К. Абальян
Статья посвящена боевому разведывательному комплексу БПЛА. Описана его область применения и основные характеристики каждого летательного аппарата.
Ключевые слова: БПЛА, летательный аппарат, авиация, разведка.
Уровень технологий в высокой степени определяет облик систем вооружения, а крупные технологические прорывы становятся основой новых принципов и способов боевого применения, а зачастую и характера ведения военных действий.
Бурное развитие в ведущих странах мира информационных технологий, микропроцессорной техники, а также систем автоматического управления и связи неизбежно привело к переосмыслению концепций применения беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). БПЛА занимают достойное место в оборонной промышленности мировых держав. Основные перспективы развития направлены на придание БПЛА многоцелевого характера за счёт увеличения полезной нагрузки, использования современных средств связи, разведки и способов передачи разведывательной информации с целью выполнения задач координирование действий наземных сил, корректировки огня, а также нанесения удара по оперативным целям противника.
Возможности существующих в настоящее время наземных средств радиолокационной и оптико-электронной разведки ограничены дальностью прямой видимости и не обеспечивают обнаружения целей и объектов противника, находящихся за естественными укрытиями. Использование БПЛА в военных целях стало одним из важных направлений развития современной авиации и позволяет автоматизировать управление войсками и сократить потерю личного состава в бою за счет оперативной разведывательной информации о текущей боевой обстановке. В связи с этим актуальна задача создания мобильных, простых в эксплуатации и экономически недорогих средств ведения воздушной разведки.
