автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Импульсные переходные процессы в автономных электроэнергетических системах

На правах рукописи

Глухов Олег Африканович

ИМПУЛЬСНЫЕ ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В АВТОНОМНЫХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Специальность: 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург- 2000

Работа выполнена в Марийском государственном техническом университете.

Научный консультант:

доктор технических наук ИВАНОВ Е. А.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ТОКАРЕВ Л. Н. доктор технических наук, профессор ЯСАКОВ Г. С. доктор технических наук, профессор ВИЛЕСОВ Д. В.

Ведущая организация - Федеральный научно-производственный центр НПО "Аврора"

Защита диссертации состоится 15 ноября 2000 года в 15~ часов на заседании диссертационного совета Д 063.36.01 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» по адресу: 197376 Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ».

Автореферат разослан « /г^ » Ч

2000г.

Ученый секретарь % и1/1 _ а л . 1 ¡г г\ л. 2. )М _ л/^У 2 _ л/- П

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Тенденции развития автономных электроэнергетических систем (ЭЭС), в частности судовых и корабельных, характеризуются увеличением разнообразия и сложности электрооборудования, широким внедрением силовой электроники и вычислительной техники, автоматизацией управления ЭЭС и ростом разветвленпости распределительной сети. В результате увеличивается как количество и мощность электрооборудования -источников импульсных перенапряжений и сверхтоков, так и потенциальных рецепторов - оборудования, функционирование которого критично к импульсным воздействиям.

Перспективы развития судовых и корабельных электроэнергетических систем характеризуются также ростом энерговооруженности за счет специального оборудования большой единичной мощности, что предполагает применение высоковольтной ЭЭС и решение возникающих в связи с этим проблем электромагнитной совместимости, в том числе и проблемы перенапряжений. Несоответствие между темпами внедрения современных достижений электротехники и электроники и темпами исследований последствий от этого, делает актуальным вопросы совместного функционирования множества различных потребителей электроэнергии в ЭЭС.

Важность исследования переходных процессов (ГШ) определяется их потенциальной опасностью для системы, где они происходят. Быстрое перераспределение и преобразование энергии при коммутациях в ЭЭС приводит к возникновению перенапряжений и сверхтоков, способных нарушить нормальное функционирование элементов системы. Особенностью ГШ в автономных ЭЭС является их комплексное - информационное и энергетическое -воздействие. Информационное воздействие выражается в импульсных помехах (ИП), а энергетическое - в негативном воздействии на изоляцию и пробое силовых полупроводниковых приборов.

Сложность ЭЭС, объединяющей большое количество разнообразных элементов с распределенными и сосредоточенными параметрами, предопределяет необходимость применения упрощающих моделей и методов декомпозиции и анализа сложных систем с целью определения значимых для формирования ПГТ параметров ЭЭС. Неэффективность известных решений и способов подавления импульсных коммутационных перенапряжений (ИКП) требует исследования и учета фильтрующих свойств сети. Структурная неоднородность ЭЭС с большим количеством разнообразных элементов делает оптимальным подавление ИКП в источнике их возникновения, что требует ис-

следования формирования ПП, неразрывно связанного с процессом коммутации, критического анализа особенностей коммутационных аппаратов и поиска нестандартных решений.

Важной областью при исследовании механизмов возникновения, формирования и распространения ИКП и ИП, а также их оценки и нормирования, являются вопросы измерений, особенно в условиях функционирующей ЭЭС. В связи с этим весьма актуальным является исследование методов измерений параметров случайных импульсных процессов, их излучения в пространство, а также вероятностных характеристик.

Кардинальное решение проблемы коммутационных перенапряжений и сверхтоков возможно при принципиальном изменении способа коммутации. Отсутствие теории оптимальной коммутации приводит к тому, что существующие решения основаны на эмпирическом опыте. Таким образом, актуальность разработки целостного подхода, основанного на анализе комплекса параметров коммутатора и цепи весьма велика. Значимость решения проблемы оптимальной коммутации определяется широкой областью применения ключевых элементов: от высоковольтных коммутационных аппаратов до силовых полупроводниковых преобразователей и цифровых микросхем.

Цель работы. Целью работы является создание целостной теории ПП при коммутации с ненулевой длительностью, направленной на решение проблемы перенапряжений и импульсных помех при коммутациях в ЭЭС. Достижение данной цели требует:

• разработки технических средств и методов измерения и контроля импульсных ПП с целью получения достоверных экспериментальных данных;

• анализа причин и закономерностей формирования ПП с целью разработки целостного подхода к проблеме ИКП;

• разработки теории оптимальной коммутации с целью минимизация амплитуды ИКП и определение закономерностей взаимосвязей между амплитудой ПП, параметрами цепи и коммутатора;

• разработки и метода синтеза оптимального коммутатора в зависимости от параметров коммутируемых цепей.

Методы исследования. Решение поставленных задач достигается за счет применения методов математического моделирования, основанных на системном анализе, теории случайных процессов, дифференциальном исчислении. Численные методы в их приложениях в теории цепей применялись в виде пакетов прикладных программ P-Spice, DesignLab, MtcroCap. Обработка экспериментальных данных проводилась с применением математических и графических программ Mathcad, Origin, TableCurve. Методы активного и пас-

сивного эксперимента являлись основой при получении исходных данных. Оценка адекватности принятых моделей и сходимости полученных результатов выполнялась при проведении натурных измерений и испытаний в реальных ЭЭС и при физическом моделировании на специализированных стендах.

Научная новизна. Научная новизна диссертационной работы заключается в совокупности теоретических положений и практических результатов, развивающих перспективное направление в электротехнике и электроэнергетике. Основное содержание этого вклада раскрывается следующими научными положениями, выносимыми на защиту.

1. Закономерности случайных импульсных ПП в ЭЭС с обоснованием локализованное™ и многокомпонентности импульсных ПП в ЭЭС с разветвленной распределительной сетью.

2. Принцип согласования в анализе максимальных амплитуд импульсных переходных процессов.

3. Основы теории оптимальной коммутации, решающей проблему коммутационных перенапряжений и сверхтоков на основе математической модели коммутации с ненулевой длительностью и комплексного использования активных потерь и длительности коммутации.

4. Закономерности взаимосвязей между затуханием коммутатора R^/Zo относительной длительностью коммутации сот* и амплитудой максимума ПП при коммутации с ненулевой длительностью и методики оптимизации формы коммутационной функции и длительности коммутации.

Практические результаты. Практическая ценность работы связана с прикладными аспектами основ теории оптимальной коммутации, а также методами анализа и экспериментального исследования ПП в ЭЭС. Непосредственное применение при проведении НИОКР, проектировании и эксплуатации ЭЭС и электрооборудования автономных объектов имеют следующие результаты работы.

1. Методика декомпозиции и структурного анализа ЭЭС автономных объектов при расчете ИКП.

2. Структура и схемотехника эффективных средств подавления ИП и ИКП на основе компенсационного и активного методов, учитывающих свойства электрической сети и источника возникновения ИКП.

3. Комплекс средств измерений параметров ИКП и ИП в ЭЭС и методики их применения для диагностики и мониторинга на основе приоритетности пиковых параметров и оптимального приема импульсных излучений.

4. Методика синтеза оптимального коммутатора в зависимости от параметров коммутируемых цепей и заданных уровней ИКП, обеспечивающего

минимизацию дугообразования, эрозии контактов и перенапряжений.

Личный вклад. В диссертации подробно излагаются только те результаты, вклад автора в которые был существенным на всех этапах, включая по становку задачи, непосредственное проведение эксперимента, анализ полученных данных и разработку теоретических положений. Во всех других случаях, используемые материалы приводятся с соответствующими ссылками на их авторство и приоритетные публикации.

Апробация работы. Данная работа выполнена в Марийском государственном техническом университете. Основное ее содержание опубликовано в монографиях "Оптимальная коммутация электрических цепей" "Измерение параметров случайных импульсных процессов в ЭЭС", "Переходные процессы и оптимальная коммутация электрических цепей", в статьях, и докладывалось па семинарах НТО им. акад. А.Н. Крылова (Санкт-Петербург), симпозиумах ЭМС-96, ЭМС-97, научных чтениях "Белые ночи" (МАНЭБ, Санкт-Петербург), конференциях ДИМЭБ-97 (Санкт-Петербург).

Публикации. Основные материалы по теме диссертации опубликованы в 33 научных работах, том числе в 3 монографиях, 9 статьях, 19 тезисах докладов и 2 авторских свидетельствах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованной литературы, 165 наименований, и приложения. Основная часть работы изложена на 287 страницах машинописного текста. Работа содержит 95 рисунков и 12 таблиц.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, показана научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе анализируются особенности объекта исследования, существенно влияющие на характер ПП. Объектами экспериментальных исследований были распределительная сеть ЭЭС и основные типы приемников электроэнергии. Амплитудно-временные характеристики ПП определяются свойствами элементов коммутируемой цепи и особенностями их взаимодействия, поэтому измерения их параметров проводились в широкой полосе частот измерителями АЧХ Xl-53, Х1-54, измерителями неоднородности линий Р5-11, Р5-15 и универсальными мостами Е7-11, Е7-13. Участки распределительной сети рассматривались как электрически длинные линии с входным сопротивлением:

Содержание работы

(О

Волновое сопротивление и затухание в кабелях определялись по формулам:

О'^^пш /2тах 20 = ^тт '2 тах ^2)

где , 2тах - наименьший и наибольший модули входного сопротивления линии, измеренные в определенном диапазоне частот. Для усредненной оценки входного сопротивления цепи предлагается использовать интеграл:

^ '¿верх

¿ех =--\Ziayico . (3)

®еерх о

Разработанные методики измерений входных сопротивлений элементов ЭЭС позволили получить достоверную информацию, на основе которой основаны упрощенные схемы замещения элементов.ЭЭС.

Особенностями исследуемых ЭЭС являлись значительная разветвлен-ность распределительной сети с радиальной структурой и большая (десятки -сотни мкФ) емкость силовой сети относительно корпуса. Типичный фрагмент ЭЭС радиальной структуры приведен на рис.1.

РисЛ. Фрагмент ЭЭС радиальной структуры и эквивалентная схема её участка

В общем случае, нолное входное сопротивление РЩ в такой сети определяется выражением:

(4)

где - входные сопротивления отходящих линий. Если от РЩ отходит п электрически длинных линий, разомкнутых на конце относительно земли, то в этом случае будем иметь п зависимостей вида рис.2. При большом значении п график результирующей зависимости относительно гладок, что позволила заменять входные сопротивления РЩ эквивалентной емкостью (режим КЗ на высокой частоте). Отсутствие согласования в силовой сети приводит к локализации волновых ПП на ограниченном участке сети. Применительно к квазистационарным ПП утверждение о локализованное™ также справедливо,

так как сеть выступает в роли ФНЧ, подавляющего высокочастотные компоненты процесса.

Широкий диапазон значений резонансных частот элементов ЭЭС предопределяет многокомпонентность коммутационных ГШ в корабельных и судовых ЭЭС. Указанные особенности приводят к тому, что полная схема замещения, учитывающая все электромагнитные связи между всеми элементами ЭЭС, малопригодна для практического использования при расчетах параметров ИКП. Для получения простой схемы замещения предлагается метод декомпозиции, основанный на временном разделении компонент ГШ и частотном анализе цепей, состоящий из следующих этапов:

1. Выделение элемента с наибольшей запасенной энергией, коммутация которого определяет максимум амплитуды ГШ и его частотный диапазон.

2. Оценка связности элементов системы в данном частотном диапазоне и выделение двух подсистем.

3. Упрощение подсистемы с ИП на основе оценки АЧХ элементов цепи..

4. Введение параметров коммутатора;

5. Проведение расчета с использованием известных методов (Р-Брке).

Z, кОм

Рис. 2. Входные сопротивления трех электрически длинных линий с различной длиной и волновым сопротивлением с режимом х.х. на конце и результирующее сопротивление

В конечном итоге, коммутируемая цепь приводится к эквивалентной схеме замещения в виде последовательного или параллельного контуров или электрически длинной линии с XX или КЗ на конце.

Во второй главе рассмотрены вопросы формирования перенапряжений, дан краткий обзор состояния проблемы ИКП и показана определяющая роль процесса коммутации. Значительные амплитуды ИКП наиболее вероятны

при ненулевых начальных условиях, срезе тока, многократных коммутациях и несинхронной коммутации полюсов аппарата. Классическая коммутация сопровождается зажиганием дуги, свойства которой и определяют комплекс недостатков существующих выключателей, но в то же время снижают уровни перенапряжений. Наибольшее влияние на формирование ПП оказывает сопротивление дуги в критическом режиме, когда дуга согласована с источником Я = Я ист, и на её сопротивлении выделяется максимальная мощность. Дуговая коммутация не оптимальна из-за возможности среза тока, повторных зажиганий, несинхронности и эрозии контактов. При неблагоприятных условиях ИКП могут превышать допустимые уровни воздействия на изоляцию и приводить к её пробою. Влияние ИКП на электрическое старение изоляции, особенно в электрических сетях до ЮкВ, выражается в генерации частичных разрядов и в перегреве локальных неоднородностей при бросках переходного тока.

Двойственность ИКП, проявляющаяся в информационном и энергетическом воздействии, предопределяет сложность борьбы с ними и неэффективность известных решений и способов подавления ИП и ИКП. Применяемые технические средства не учитывают свойств электрической сети и взаимное влияние предпринимаемых защитных мер. В основе широко распространенных способов подавления находятся зависимости сопротивления защитных элементов от частоты (реактивные цепи) и от напряжения (нелинейные сопротивления), а в схемотехнике защитных устройств основным является принцип делителя напряжения. В силовых сетях ЭЭС основным является параллельное нагрузке включение защитных элементов (рис.3.б.).

Источник, фильтр ИП нагрузка

а) 6) в)

Рис.3 Обобщенные схемы включения средств подавления перенапряжений и помех: а) -общий случай, б) - высокоомная нагрузка, в) - низкоомная нагрузка

Анализ схем рис.3 и выражения для коэффициента вносимого затухания:

»

А=201ё Ч2н + гген{гф+гн) ^ ^

показывает, что защита цепей с малым полным сопротивлением 2И на основе их шунтирования сопротивлением фильтра не эффективна. Защитное влияние начинает проявляться при сопоставимых сопротивлениях 2ф и и усиливается с уменьшением 2ф.

В сетях переменного тока эффективность частотно-зависимых помехопо-давляющих устройств определяется крутизной скатов амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), которая не может быть большой при малом количестве звеньев, содержащих продольные элементы. Включение в силовую сеть продольных индуктивностей неприемлемо из-за их массогабаритных показателей. Значительная часть энергии ИКП сосредоточена в низкочастотной области спектра, что требует больших значений индуктивностей и емкостей фильтров, что также неприемлемо. Существующие сетевые фильтры с большой емкостью характеризуется малой эффективностью подавления ИКП, низкой надежностью и повышением пожарной опасности силовой сети. Пассивные фильтры с высокой добротностью непригодны для защиты от ИКП, так как могут увеличить их амплитуду при возникновении колебательного ПП. Высокая эффективность подавления ИП и ИКП может быть достигнута только при использовании индуктивности сети в качестве элемента фильтра.

Все рассмотренные защитные средства обеспечивают лишь создание граничных условий, близких к короткому замыканию на высоких частотах в месте их установки, но не устраняют волновых ИКП. Показано, что для уменьшения волновых перенапряжений необходимы специальные согласованные поглощающие нагрузки. Эффективность нелинейных ограничителей перенапряжений сопротивлений в значительной степени зависит от схемы и параметров коммутируемой цепи, а выбор высокого значения защитного уровня не обеспечивает требуемого подавления ИКП. При использовании полупроводниковых или гибридных коммутационных аппаратов основным способом борьбы с ИКП является синхронная коммутация - включение в О напряжения и отключение в 0 тока. Синхронная коммутация не исключает возможность возникновения ИКП в реактивных и трехфазных цепях из-за фазовых сдвигов между током и напряжением и моментами коммутации в разных фазах, имеющих электромагнитную связь друг с другом.

Компенсационный метод подавления помех принципиально более эффективен фильтров, представляющих собой частотно-зависимые делители, так как ФЧХ имеет более крутые скаты, чем АЧХ. Подавление помех происходит

за счет фазовых соотношений между сигналами. В общем случае метод реализуется фазовращателями и сумматором. Экспериментальные исследования привели к созданию опытного образца активного фильтра, реализующего компенсационный принцип действия. Результаты его испытаний приведены на рис.4.

-ОЛЬ!., гжс -о:.in ь ^К-М. Г».': -се.о', f

а) б)

Рис.4. Испытательный импульс иа входе активного фильтра (а) и на защищаемой нагрузке (б)

Особенно наглядны преимущества активного фильтра при воздействии импульсов большой длительности: для импульса длительностью 2мс рис. 5а, активный фильтр по уровню подавления в 500 раз превосходит пассивный од-нозвенный фильтр с индуктивностью 50мГн и емкостью 200мкФ.

Результаты исследований показали, что подавление ИКП должно осуществляться в источнике их возникновения за счет изменения способа коммутации.

Третья глава посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям вопросов измерений импульсных ПП в ЭЭС. Основное внимание в главе уделено широкополосным измерениям максимальных амплитуд случайных импульсных сигналов и измерениям излучения импульсных ГШ, возникающих в произвольный момент времени. Предлагаемый подход основан на рассмотрении ИП и ИКП как эргодического потока случайных событий, поэтому вероятностные характеристики определяются при усреднении во времени. Математическое ожидание будет:

i)u(t)dt

U - lim

7-> со

Т0

(6)

где 11(0 " функция изменения амплитуд ИКП во времени, получаемая идеальным пиковым детектором, изменяющим свой выходной сигнал только в

момент /,■ возникновения г-го ИКП (рис.5); Г - длительность наблюдений (на практике временное усреднение проводится в пределах интервала стационарности потока ИКП).

и(1)

Шш !

0и\

{

! ! '

.......V

! !

I I

® Т

Рис.5. Изменение амплитуды потока ИКП во времени

График Щ1) на рис.5 является ступенчатым, что позволяет от интеграла (б) перейти к сумме:

— 1 п 1 ¿=1

М;

(7)

Дисперсия в этом случае будет определяться как разность между средним квадратом случайной амплитуды и квадратом ее математического ожидания.. Предлагаемые вероятностные характеристики потока ИКП более информативны, так как учитывают не только амплитуду ИКП но и временные интервалы между их возникновением.

Выполнение условий стационарности и эргодичности потока ИКП тесно связано с режимами работы ЭЭС и частотой их изменений. Предположение об эргодичности потока ИКП является обоснованным, так как достаточным условием является выполнение равенства:

Т

Ит =

Т->*>Т

(8)

0

где К(т) - функция автокорреляции. Поток ИКП в первом приближении имеет экспоненциальную функцию автокорреляции поэтому будет эргодичным при достаточно длительном, по сравнению с интервалом корреляции процесса, времени наблюдения.

Нормальное распределение амплитуды случайных импульсных ПП явля-

ется следствием центральной предельной теоремы и определяется формированием ИП в результате одномоментного действия множества независимых факторов со случайными значениями. Отклонение распределения амплитуды ИКП от нормального (часто упоминаются распределение Вейбулла и лог-нормальное) свидетельствует о нелинейной обработке сигнала (в частности пороговой), недостаточном объеме выборки и ограниченном количестве точек измерений.

При проведении измерений в ЭЭС с помощью традиционных средств широкого применения (осциллографы, импульсные вольтметры и др.) необходим ряд дополнительных устройств: входных делителей, фильтров, схем запуска и управления; схем сопряжения с ПЭВМ, защиты от импульсных помех в цепях питания, В результате получается достаточно сложная информационно-измерительная система, эксплуатация которой вне лабораторных условий затруднена. Для измерений параметров ИКП в натурных условиях применялись специализированные средства, достоинством которых является относительная простота, а недостатком - ограниченный объем получаемой информации

Точность измерений максимальных амплитуд ПП обеспечивается при соответствии времени нарастания переходной характеристики средства измерений минимально возможному значению времени нарастания реального процесса. Если длительность входного импульса будет меньше времени нарастания tmm < tu , то значение измеренной амплитуды будет меньше максимальной Umax\

1

-/ U(t)dt<Umn. (9)

'и о

Возникновение эффекта интегрирования выражается в занижении пиковых амплитуд ИКП. При измерении амплитуды ИКП верхняя частота полосы пропускания средства измерений выбирается в зависимости от свойств цепи, где они возникают. Опыт измерений позывает, что достаточно учета 5-7 гармоник волнового ПП в самом электрически "коротком" элементе ЭЭС. Для 1/4-волнового резонанса верхняя частота будет:

тЬ т

где / -длина однородного участка.

Метод однократных измерений является единственно возможным средством получения информации при анализе случайных импульсных процессов,

в связи с чем были рассмотрены вопросы пиковых измерений и повышения точности при применении двухканального метода. Для исследования перенапряжений и импульсных помех был разработан, изготовлен и внедрен на ряде предприятий (ЦКБ МТ "Рубин", НПО "Аврора", ПО СМП) анализатор импульсных помех АИП-8Г, предназначенный для измерения, хранения и индикации амплитудных значений напряжения ИП и ИИН в силовых электрических сетях. Исследования показали, что измерения ИКП в узлах распределительной сети (РЩ) некорректны, так как входное сопротивление РЩ достаточно мало в широкой полосе частот. В зависимости от точки измерений необходимо измерять либо переходный ток, либо переходное напряжение, а критерием выбора является значение входного сопротивления сети в данной точке.

Итогом исследований был неочевидный вывод: для получения достоверной картины электромагнитной обстановки в ЭЭС наиболее эффективно измерение излучений ИКП и ИП. Основными регистрируемыми параметрами являются пиковые амплитуды сигнала и зависимость интенсивности потока сигналов от порога обнаружения. После пороговой обработки импульсного излучения получим дискретный поток, интенсивность которого на уровне £, определяется выражением:

где А/ - полоса пропускания приемника, К - коэффициент, значение которого зависит от крутизны ската АЧХ измерительного тракта. Выражение (11) является еще одним доказательством необходимости широкой полосы пропускания при измерении пиковой амплитуды случайных импульсных процессов, в частности ИКП и ИП. Широкополосные методы измерений ближе приближаются к оптимальному приему импульсных помех с широким спектром, что обеспечивает увеличение отношения сигнал/шум.

Выражение (11) является идеализированным, а к реальным данным ближе степенная зависимость, свойственная случайным процессам со слабой корреляцией:

где а, Ь - эмпирические коэффициенты, Ь - 1,5...3,5; Хтах - максимальное для данной выборки экспериментальных данных значение интенсивности потока. Отклонения от зависимости (11) в виде ступенек кривой Аузм = являют-

(И)

А 1

(12)

^тах 1 +а-£;'

■Ь'

ся важным диагностическим признаком для оценки ИП и ИКП в сети.

Рассмотренные подходы к построению широкополосного приемника однократных и редколовторяющихся импульсных процессов были реализованы при разработке индикатора импульсных электромагнитных полей "ЭЛМИН-1" структура которого имеет вид: антенна (датчик) - широкополосный ВЧ усилитель - пиковый детектор - ФНЧ - усилитель - пороговое устройство -АЦП —формирователь - счетчик.

Разработанный метод оценки ИКП т ИП по их импульсному излучению обладает наибольшей информативностью и ценностью, позволяет безопасно проводить измерения в реальных условиях эксплуатации ЭЭС во множестве точек сети без устройств подключения и получать большое количество экспериментальных данных за ограниченное время.

Четвертая глава посвящена анализу классического описания ПП при мгновенной коммутации и разработке математической модели ПП при ненулевой длительности коммутации.

Практическая полезность классического математического описания выражается в возможности точного расчета формы ПП, что является избыточным при оценке перенапряжений, амплитуды которых рассчитываются с помощью упрощенных методов. Преобразование классических выражений для переходных напряжений и токов с позиций принципа согласования подчеркивает роль характеристического сопротивления Z0 и затухания цепи при расчете амплитуды перенапряжений и позволяет выявить общность с ПП в электрически длинных линиях.

Максимальная амплитуда ПП в цепях с малыми потерями, как в электрически длинных линиях при граничных условиях типа XX или КЗ на конце, так и в последовательном или параллельном контурах, определяется выражениями:

1тах = / ('включение) V щах ~ ¡0^0 (отключение) (13) где и0, и ~ начальные напряжение и ток, - характеристическое (волновое) сопротивление. Условие апериодичности ПП г=22й, получает четкое объяснение с позиций принципа согласования: согласование приводит к отсутствию колебательных ПП в цепи и максимально большому выделению мощности в активной нагрузке.

В результате исследования зависимости коэффициента относительной амплитуды первого пика ПП от добротности цепи 20 /г были получены эмпирические формулы, имеющие достаточную точность для практических расчетов. Максимальные амплитуды ПП при включении последовательного контура (бросок тока) и отключении параллельного (бросок напряжения) опре-

деляются по следующим формулам:

I тах ~ „ ехР 10

-ол

¿0

итах = 1020 ехР

-0,8

г0

(14)

На рис.6 приведены графики экспериментальных зависимостей относительной амплитуды (1Литах, Штах)=/(¿01г), и график общей аппроксимирующей функции.

1,0

08

Ё °-4 1

02

ОН

_ .11

(

1

11

10

15

г0т

а ~ вк.шчгнш последовательною —отключение параллельного

Рис.6. График аппроксимирующей функции (14) экспериментальных зависимостей амплитуды первого пика ПП при включении последовательного контура и отключении параллельного

Исследования показали, что между коммутацией за счет изменения активного сопротивления коммутатора и мгновенным включением фронта заданной формы и длительности от идеального источника имеются существенные различия. Переменное активное сопротивление коммутатора вносит дополнительное затухание и изменяет характер ПП, что иллюстрируют графики рис.7.

Математическое описание процесса коммутации с ненулевой длительностью выключателем с переменным сопротивлением может быть основано на классическом решении, примененном для дискретной модели процесса коммутации при последовательном получении рекуррентных соотношений между этапами расчета при достаточно большом количестве интервалов Л дискретной модели. Данный метод реализуется с помощью известных прикладных программ по математике (МаЛСас!, МагЬЬаЬ и другие).

Решение исходного дифференциального уравнения у" + /(х)у' + ау = 0 возможно при известном нетривиальном частном решении у о :

У=УО

УО

(15)

где Р - 1/(х)с1х. Даже для простейшей коммутационной функции решение

по данному способу затруднено, так как интегралы (15), как правило, не имеют табличных решений.

l.i I

09

05 07

06 05 04 0.3

......\ .. .................. i ................ .................... Г" - -■ 11

...........\ v____- S^i...................

.............i .

1

Рис.7. Зависимости коэффициента относительной амплитуды от сот при воздействии фронта идеалыюго источника и при применении резистивного коммутатора (нижняя кри-

Другой проблемой является обеспечение адекватности математических функций, используемых в дифференциальном уравнении ПП, и реальной коммутационной функции, определенной только в интервале (0, тк) и имеющей начальное и конечное значения сопротивления. Задача упрощается при введении ограничений на длительность исследуемого интервала ПП ^ < тком - г(^1тах) и на фазовые соотношения между тком и моментами времени характерных экстремумов ПП.

При включении последовательного контура без потерь гиперболической коммутационной функцией R=Rq tit исходное уравнение будет:

,2 * ■

г л " " " * ' (16)

где г - постоянная времени коммутатора (для гиперболической функции г равна времени, за которое сопротивление коммутатора уменьшится от начального до характеристического сопротивления коммутатора Я о). После преобразований получим общее решение вида:

v

о

иМ = ?[С1^у(сЯ) + С2Уу(ал)] V = 0,5 — ёт , (17)

где С] и С2 - коэффициенты, определяемые из начальных условий, V - порядок функций Бесселя, J и У - функции Бесселя 1 и 2 рода, д^Яд !2Ь. Анализ данного решения показывает, что определяющее влияние на характер переходного процесса имеет порядок функций Бесселя.

Для коммутационной функции Я(0=Я ехр(-а где Я - начальное сопротивление коммутатора, дифференциальное уравнение включения последовательного контура без потерь имеет вид

dt dt

(18)

После подстановки, jc = exp(ctt), rj ~ Ux , U~т]х , к=а!а получим:

х2т]" + 2(к + 5)xtj' + [а2хг + к(к + 2ё-1)]? = 0 (19)

Решение в общей форме имеет вид:

jj = x~kxv[CxJv{cox) + C2Yv{m)\, v = 0,5 - 5 (20)

После преобразований получим:

U(t) = evat[c} ■Jv(a-eat) + C2Yv(Q)-eat) (21)

Данное решение совпадает по виду с решением (17). Физически реализуемые коммутационное функции незначительно отличаются друг от друга по конечному влиянию на амплитуду ПП, что позволяет считать применимым для других коммутационных функций общий вид решения вида (17).

Для цепей с потерями математическое описание ПП усложняется. Для гиперболической коммутационной функции исходное уравнение ПП включения последовательного контура с потерями имеет вид:

______

dt2 ' ^ Lt "¿J dt

где г - собственное активное сопротивление коммутируемой цепи, p=r!2L. Общее решение такого уравнения для случаев Q 0:

U(t) = ea/2 ■е~р1\с1М(а,Ь;-&) + С2(-П)}~ЬМ(а-Ь + 1,2-Ъ;-П) (23) где М(а,Ъ;х) - вырожденная гипергеометрическая функция. При выполнении условия b ф 0,-1,-2,... эту функцию можно представить рядом Куммера:

(24)

где (а)а=1, (а)к=а(а+1)...(а+к-1), (b)k=b(b+l)...(b+k-l). Коэффициенты (а)к,

d2U (Щт r^dU 2 тт « —- + | -г- + т| — + ©'U = 0, (22)

(b)k - символы Похгаммера. При расчетах ПП в реальных электрических сетях потерями при вычислении О можно пренебречь, так как они незначительно влияют на изменение собственной резонансной частоты. В этом случае выражения для коэффициентов, используемых в решении, существенно упростятся:

Q^2jco, h-jco-p, а = 8т(l+j/к), b-.2Sr. После соответствующих преобразований, связанных с изменением знака аргумента, получим:

U(t) = e~}0Jte~pi[ciM(b - а,Ъ;2jcot) + С2 (-2jo)t)'~bМ(1 - а,2 - Ъ;2jot)

■ (25)

Дальнейший анализ выражения (25) целесообразно провести для упрощающего допущения а=3т, незначительно влияющего на точность решения в цепях с малыми потерями, тем более что собственные потери в цепи учитываются экспоненциальным множителем exp(-pt) . В результате получим.

' С\М( 8т,25т; ]2оХ )+

+ С 2 (~J2wt) J~2St M(l - Sr,2 - 25т: j2cot

(26)

Для выражения (26) выполняются условия, позволяющие выразить гипергеометрическую функцию через любые функции Бесселя - обычные, модифицированные и сферические. В частности для условия а=\>+1/2, Ь=2у+], имеем:

М(/2й)1) = Г(1 + v)e

jcot ^ ся

Jv(eot),

(27)

Напряжение

Ток

Рис.8. Относительные напряжение и ток при мгновенной коммутации (затухающая синусоида) и при оптимальной (функция Бесселя) при включении последовательного контура

После соответствующих подстановок и преобразований получим:

и(Х) = е'Р1 (Ш)"у2^[с1Г{1 + у)/у (а*) + С2Г(1- у)22у (&() . (28)

Разработанная математическая модель коммутации с ненулевой длительностью принципиально отличается от классических решений при мгновенной коммутации и показывает возможность существенного уменьшения амплитуды ПП, что иллюстрирует рис.8.

Таблица 1

Переходные токи и напряжении при включении последовательного контура

Порядок Напряжение Ток

у=-0,5 и(1) = ие~й Щ- — е~р1&тал ¿о

¿0

у=0,5 иО) = и-Г(1,5)42^5(,Ш)е-Р1 Дв- ' ^«гтиЛ-" ¿0 У си

У=1 ах щ- и СО!

ах м2

у=3 юг 1(1) =17 г0 со?

Выражение порядка V через относительную длительность коммутации т и затухание коммутатора позволяет связать теоретическое описание с результатами моделирования дискретного оптимального коммутатора. Характер ПП и его максимальная амплитуда при коммутации с ненулевой длительностью в значительной степени зависит от соотношения между 5 % р и £2, причем основным является параметр 6 г.

Аппроксимация максимумов функций Бесселя для различных значений порядка при квадрате коэффициента корреляции г2 = 0,99985 имеет вид:

П 8

у = 0,21 +-^-т^т- (29)

1 + (х / 0,87)

Анализ зависимости максимальной амплитуды ПП итах —/(V) основан на получении решений для конкретных значений порядка V, определении макси-

мальных амплитуд переходных токов и напряжений и подборе функций, аппроксимирующих зависимости максимальной амплитуды ПП от порядка. Приведенные в табл.1 формулы для ряда значений порядка упри начальных условиях 1(0)=0, Щ0)=и показывают, что мгновенная коммутация является частным случаем коммутации с ненулевой длительностью.

Взаимосвязь между максимальными амплитудами бросков напряжения при отключении параллельного контура и тока при включении последовательного позволяет применить полученные закономерности и для случая отключения параллельного контура.

5 глава посвящена определению условий оптимальной коммутации, решающей проблему коммутационных перенапряжений и сверхтоков на основе принципиального изменения способа коммутации и контролируемого использования активных потерь и длительности процесса коммутации. Исходным при моделировании оптимального коммутатора является выбор коммутационной функции описывающей изменение сопротивления коммутатора во времени. Важнейшим параметром оптимального коммутатора, не имеющим аналогов при классической коммутации, является характеристическое сопротивление Я0, которое в общем случае определяется выражением:

где Кф - коэффициент формы, количественно характеризующий особенности коммутационной функции.

При физическом моделировании основным временным параметром оптимального коммутатора является длительность коммутации, а при математическом описании некоторых коммутационных функций более удобно применение постоянной времени. Оптимальной диапазон изменения тк определялся на основе экспериментальных исследований по критерию минимума первого пика ПП. Для функций типа ехр(-г/т) оптимальным является изменение //г*, от -2,5 до +2,5 при длительности коммутации тк = 5т.

Исследования заключались в получении и анализе экспериментальных зависимостей для коэффициентов относительной амплитуды, мгновенной мощности Р и энергии Ж, выделяемой в коммутаторе:

с целью минимизации амплитуды ПП и энергии W. При моделировании использовалась дискретная модель по схеме рис.9.

Анализ проводился для двух видов достаточно типичных цепей с характерными для них начальными условиями для типичного случая малого затуха-

тк о

(30)

{PiWiKu-K!}^ f{R0 /ZQ-coTk}

ния: при включении последовательного контура или длинной линии с XX на конце измерялся бросок тока, а при отключении параллельного контура или длинной линии с КЗ на конце - бросок напряжения. Основным параметром, характеризующим влияние длительности процесса коммутации и активных потерь в коммутаторе на максимальную амплитуду ГШ, был коэффициент относительной амплитуды:

1 шах

■Лтк

KU =

итах(Ч =0)

(31)

Выявление закономерностей между коэффициентом относительной амплитуды, затуханием Ro !Z0 и относительной длительностью коммутации сотк. осуществлялось при корреляционном и регрессионном анализе экспериментальных данных при помощи программ "Origin" и "Table Curve".

Рис.9. Схема замещения оптимального коммутатора в цепи (а) и два варианта дискретной реализации: б) - последовательная схема замещения, в) - параллельная схема

Особенностью графиков на рис.10, 11 является существование единственного минимума, обусловленного проявлением принципа согласования в оптимальной коммутации. Для каждого конкретного значения относительной длительности коммутации, существует единственное наилучшее соотношение затухания коммутатора Ё0 /20, при котором амплитуда ГШ минимальна. Анализ полученных результатов показывает, что координата минимума зависимостей К =/(Я012о), перемещается по плавной кривой, которая приближается к вертикали с абсциссой Д^о -1 по мере уменьшения относительной длительности коммутации а>тК.

Зависимости Кц/=/(Л[)120) при коммутации электрически длинных линий

не имеют принципиальных отличий от аналогичных при коммутации цепей с сосредоточенными параметрами. Во всех случаях оптимальным является некоторое значение затухания коммутатора £> соответствующее равенству 2о —2(1), где 2(1) - сопротивление коммутируемой цепи при данной скорости изменения сопротивления коммутатора, определенное по формуле (32).

(0Т(,/2я:->- 0.28 -»-0.31 -Ш -»-0.51 -¿-0.67 <чтк/2к:-.-025 -»-0.52 • 0.33-т-0.51 1 —2

Рис.10. Зависимости коэффициента относительной амплитуды от затухания при различных атк (отключение (слева) и включение экспоненциальной коммутационной функцией)

Перемещение точки оптимума на рис.10, 11 в зависимости от относительной длительности коммутации свидетельствует об изменении сопротивления цепи, которое при данной относительной длительности коммутации можно определить по экспериментальным данным минимумов графиков зависимостей Kv. i~f(Ro/20). Анализ результатов экспериментальных исследований для различных коммутационных функций дает следующую усредненную зависимость Z(t) = fln IT) при <7= 0,017 (+ - включение, - отключение):

Z(J) = Zq

I Сr ^ 0,6843^

1± 0,254

(32)

В зависимости от относительной длительности коммутации выполнение условия согласования в различной степени влияет на максимальную амплитуду ПП. При малых значениях ц/Т<0,5 отсутствие согласования в меньшей степени сказывается на коэффициенте относительной амплитуды. При тк /Т>0,5 для получения наилучшего результата требуется точное согласование между характеристическими сопротивлениями коммутатора и цепи. Сопоставление полученных результатов (в частности на рис.10, 11) показывает на общность рассмотренных закономерностей, несмотря на различные коммутационные

функции, что является еще одним доказательством справедливости принципа согласования при реализации оптимальной коммутации.

ОД

к©

02

-»— 1

\ у '——А—~

\ т-

0.6

0.0

Г-*

V, у -

V

яр 0.4 о.б 0£ 1,0 1.2 до/го 1 Ю поаа

штк/2я:-'-0^5-»-0.31 0Л8-Г-0.63 - 0.95 Шт^/Зл :-«-0.25 -»-0.32 * 0,38 -»-0,51 0.96

Рис.11. Зависимость коэффициента относительной амплитуды от затухания й</2о при различных штк (отключение (слева) и включение линейной коммутационной функцией)

Исследование зависимостей Ка / ~f(a>zK.) при различных значениях затухания коммутатора, позволило выделить ряд особенностей. При относительной длительности коммутации в интервале (1,2) различия в форме коммутационных функций фактически не сказываются на амплитуде ПП, что показано на рис.11а. Кривая "th" соответствует коммутационной функции вида 1/(1+ехр(-х)), график "ехр" -функции ехр(-х)), "lin" - линейной функции при наилучшем для каждой функции значении затухания коммутатора Rr/Z0 . Сравнение функций позволяет выбрать наилучшую по критерию минимума амплитуды ПП. На графиках рис. 12а в окрестности точки Ti/T-cùTi/2n=\ имеется перегиб кривой который является своеобразной границей между качественными характеристиками степени влияния относительной длительности коммутации. В зависимости от относительной длительности коммутации r/Г сопротивление цепи Z(t) и коэффициент относительной амплитуды изменяются следующим образом:

• При тк /Т< 0,1 связь между переходными током и напряжением определяется '¿о и наименьшие амплитуды ПП имеют место при Rq-Zo',

• При тк 1Т>0,4 уменьшение коэффициента относительной амплитуды при нарастании тк /Т выражено наиболее резко. При отключении параллельного контура по мере роста а>Тк оно уменьшается, а при включении последовательного - увеличивается. При сот^ —> со, для параллельного контура Z(t) 0, а для последовательного - Z(t) -> <х>.

• При ц /Т>1 доминирующим фактором при формировании ПП является затухание коммутатора. Принцип согласования проявляется в том, что наилучший результат получается при и точность выполнения этого условия определяющим образом влияет на амплитуду ПП. Данная особенность наглядно проявляется на графиках рис.10,11, где с ростом значений относительной длительности коммутации выраженность минимума функций Кц, =^К(/1г) возрастает.

• При Г/- Л >2 амплитуда ПП достаточно мала и не представляет какой-либо опасности с позиции перенапряжений, а основной проблемой становится выделенная в коммутаторе энергия, которая почти равна энергии, запасенной в коммутируемой цепи.

КО) К

■ 1 ; 1 ' л— ! 1 M !

i < i .........!........i........1.......1......... i i ; i .....•.........i...... L_l—

Л , \ j

.....

npU ♦ n i ьпи12п

-•-"th" • "exp" -i- "lin" iOTt/2ît

а) б)

Рис.12. Графики зависимостей коэффициента относительной амплитуды: а) для различных коммутационных функций при включении, б) - для экспоненциальной коммутационной функции: 1 - отключение, 2 - включение, 3 - аппроксимация

В результате исследований были получены эмпирические формулы для коэффициента относительной амплитуды ПП в интервале изменения относительной длительности коммутации (0, 2), при Лo=Zfl.. Для несимметричных коммутационных функций при г2 = 0,994 и ст=0,02 зависимость имеет вид:

0,878

К = 0,131 + -

1 +

['Щ

V 0,593J

(33)

Для коммутаторов с симметричными коммутационными функциями справедлива следующая зависимость при г2 = 0,956 сг= 0,05 .

К = 0,25 + -

0,748 i

10,342;

(34)

В качестве примеров, иллюстрирующих связь полученных формул с экспериментальными данными, на рис.12, 13 приведены некоторые зависимости К-/Ш).

а) б)

J______ -!-i - 1 i 1

; ! ;

\\ ...... nzu~.....

i i \ \

..... -......1........- .........

: 1 i 1 III! -•-f.......i.........J......-

i i / \ i | 3 [ )

; | I 2

i f i ; м-- ч

Mill —

о о.2 (и о.б штк/2л 0 сг м аб 08соя/2я

Рис.13. Зависимости коэффициента относительной амплитуды: а) - для коммутационной функции вида 1/(1+ехр(-//тк)2); б) -' для линейной коммутационной функции. 1 - отключение, 2 - включение, 3 - аппроксимация

Сопоставление полученных зависимостей показывает, что несимметричные функции эффективнее симметричных при т*/7>(0.5...1), а при тА/Г<(0.5...1), предпочтительны симметричные коммутационные функции. Преимуществом коммутационной функции типа 1/(1+ехр(-х)), является значительно меньшее значение постоянной времени по сравнению с гиперболической при равной длительности процесса коммутации. В качестве одной из лучших является коммутационная функции вида 1/(1+ехр(-х")) и ехр(-х") при 1<п<2, которые позволяют получить меньшие амплитуды перенапряжений при относительно малой длительности коммутации.

Максимальная амплитуда ПП в цепи с оптимальным коммутатором при включении последовательного контура и отключении параллельного будет определяться выражениями:

, -Чо

'шах

Z0

~KI Umax ~ 10^0 'КU

(35)

Проведенные исследования показывают два направления оптимизации коммутации с ненулевой длительностью. Первое применимо при длительно-

ста коммутации меньше периода собственных колебаний в особенности при Ть/Т<0,5. В этом случае амплитуда ГШ в большей степени зависит от конкретных значений относительной длительности коммутации, чем от точности согласования. Здесь применимы эмпирические формулы (33, 34). При значительной относительной длительности коммутации, роль затухания коммутатора возрастает, что требует точного согласования цепи с коммутатором для минимизации максимальной амплитуды ПП. При применении принципа согласования необходимо учитывать реальное сопротивления коммутируемой цепи при данной длительности коммутации по формул (32).

1 1 —|—

—-ч/ —1—

- -/. У- —1-

/J1 • - 1 х XI

/ ,г 1 Г-

1 1

/ Ь

~7/Г Т \Г"

ом -»-101 -*-гл -1-32

•—тзг •—*— 24 т— Ш5

а) 5)

Рис. 14. Относительная энергия коммутатора, в зависимости от затухания при различной относительной длительности сот: а) - включение последовательного контура, б) - отключение параллельного

Важнейшим оптимизационным параметром является энергия IV, выделяемая в коммутаторе за время коммутации г*: Выраженный максимум зависимостей \У1Цггпах=/(!1о !Ъг) соответствует условию согласования коммутатора и цепи, что является важнейшим признаком оптимальности коммутации. Из анализа кривых на рис.14 видна избыточность больших значений относительной длительности коммутации, проявляющаяся в ограничении вершины верхней кривой уровнем №г11¥пах=]. Характерной точкой является пересечение графиков для коэффициента относительной амплитуды перенапряжения К=/(ц/Т) и энергии в выключателе )У1)¥кт=/(тк 1Т) рис.15. Эта точка определяет оптимальную длительность коммутации, как компромисс между амплитудой перенапряжения и энергией, выделенной в коммутаторе, и соответствует значению относительной длительности коммутации атк/2тг-тк/Т=<},5 .

Значение оптимальной длительности может быть определено аналитиче-

ски, при решении уравнения К(ц /Т) - IV/\Утсл (тк /Т). Экспериментальная зависимость ШП¥тюг/(тк П) (пример на рис.15а) на интервале изменения аргумента (О, 3) аппроксимируется со среднеквадратическим отклонением ст = 0,012 следующим выражением:

\У___1_

^шаХ=1 +(0.53Г/г,)2'615 ' (36)

1.0' 0,6' О,Б 0,4

ал

о

к0/г0=о.5:-»-К к0/г0=1:-А-к -т-\л/

Рис.15. Определение границы оптимальной длительности коммутации по графикам зависимостей /(гк/Т) и №/Жтах=/(тк !Т)

Анализ графика для относительной энергии рис.15, 16а показывает, что при тк /Т>1 наклон кривой заметно уменьшается и увеличение относительной длительности коммутации дает меньший эффект поглощения энергии коммутируемой цепи, чем при тк1Т<1.Мз графика также следует верхняя граница относительной длительности коммутации - при тк /Т>2 нет роста эффективности подавления перенапряжений, так как вся энергия коммутируемой цепи преобразуется в тепло в активном сопротивлении коммутатора. Исследование зависимости для относительной энергии 1¥ЛУтах=/(хк /Т) рис. 15а позволяет найти точку перегиба по максимуму производной с1(ЖА¥тах)/с1(/Т) на рис.166, что дает границу для определения интервала оптимальной длительности коммутации. Зона оптимальности относительной длительности коммутации составляет (0,4; 2) и её увеличение выше верхней границы не приводит к заметному уменьшению максимальной амплитуды

ПП, но увеличивает выделяемую в выключателе энергию.

WWlMlS Р(иТ)

А :

--------------

'«vis ..... •

а) б)

Рис.16. Зависимость относительной энергия JVAVmax=f(rk /Г) (а) и ее производная (б)

В шестой главе рассмотрены вопросы физической реализации оптимального коммутатора. Проведенные исследования стали основой для методики синтеза оптимального коммутатора, обеспечивающей приемлемый уровень ИКП при заданных номинальном токе, длительности коммутации и характеристическом сопротивлении коммутируемой цепи. Сформулированы основные требования к параметрам оптимальных коммутаторов и дан сравнительный анализ различных способов реализации: на основе применения резистивных контактов, дискретных резистивных элементов со вспомогательными контактами и мультидискретного элемента переменного сопротивления. Испытания различных вариантов реализации оптимального коммутатора в варианте полупроводникового контактора показали высокую эффективность в части минимизации перенапряжений.

В заключении формулируются основные результаты работы.

Основные результаты

В диссертационной работе на основании выполненных автором исследований получены теоретические положения, совокупность которых создает новое перспективное научное направление в области теории переходных процессов в электротехнических системах. В диссертации получены следующие научные и практические результаты.

1. Разработана методика декомпозиции и структурного анализа ЭЭС автономных объектов при расчете ИКП, основанная на учете локализованности и многокомпонентности импульсных ПП. Показано отсутствие согласования

при распространении ИКП в ЭЭС с высокой разветвленностью распределительной сети.

2. Предложен новый подход к анализу максимальных амплитуд ПП в цепях с сосредоточенными и распределенными параметрами, основанный на применении принципа согласования в математическом описании ПП. Показана неоптимальность дуговой коммутации из-за неполной синхронности, возможности среза тока, крутого фронта кривой изменения собственного сопротивления и возможности повторных зажиганий дуги. Установлена применимость принципа согласования при дуговой коммутации.

3. Разработаны структура и схемотехника эффективных средств подавления ИП и ИКП на основе компенсационного и активного методов, учитывающих свойства электрической сети и источника возникновения ИКП. Показана необходимость учета свойств электрической сети и взаимного влияния предпринимаемых мер по подавлению ИП и ИКП.

4. Разработаны методы анализа случайных импульсных ПП в ЭЭС, определены их особенности и показана зависимость выполнения условий стационарности и эргодичности потока ИКП от режимов работы ЭЭС. Показана зависимость законов распределения и плотности вероятности ИКП от обработки при проведении измерений. Установлены закономерности взаимосвязей между интенсивностью потока импульсных ПП и порогом их обнаружения и показаны возможности их применения для диагностики.

5. Разработаны, изготовлены и внедрены приборы для измерений параметров случайных ИКП и ИП в ЭЭС в том числе и их излучения и методики их применения, основанные на приоритетности пиковых параметров, оптимальном приеме, пороговой обработке и анализе интенсивности потока.

6. Разработаны основы теории оптимальной коммутации, решающей проблему коммутационных перенапряжений и сверхтоков. Минимизация амплитуды ПП и энергии, выделяемой в коммутаторе, достигается за счет изменения способа коммутации, заключающегося в комплексном и контролируемом использовании активных потерь и длительности коммутации.

7. Определены критерии выбора оптимальной формы коммутационной функции. На основе экспериментальных исследований установлена оптимальная форма коммутационной функции в виде комбинации прямоугольного и экспоненциального (или косинусоидального) фронтов.

8. Разработана математическая модель, показывающая принципиальное отличие полученных решений от известных при мгновенной коммутации и учитывающая изменение характера ПП при переменном активном сопротивлении коммутатора. Обоснована возможность применения функций Бесселя

в общем решении при различных коммутационных функциях.

9. Разработаны методы экспериментального определения характеристического сопротивления цепи Z0(t) и характеристического сопротивления коммутатора Яй при коммутации с ненулевой длительностью.

10. Установлены закономерности взаимосвязей между затуханием коммутатора Ro !Z0 относительной длительностью коммутации сотк и относительной амплитудой максимума ПП при коммутации с ненулевой длительностью. Доказано, что характер ПП и его максимальная амплитуда при коммутации с ненулевой длительностью определяются затуханием коммутатора Ra /Zo и относительной длительностью коммутации сотк и видом коммутационной функции. Установлен закон оптимальной коммутации, заключающийся в существовании единственного значения затухания коммутатора R0 !Z0 , при котором амплитуда ПП минимальна.

11. Разработан метод оптимизации длительности коммутации. Получены результаты, определяющие оптимальную длительность коммутации как абсциссу точки пересечения графиков для коэффициента ослабления амплитуды ПП Umm~f(corK)и относительной энергии в выключателе W-f(corO-

12. Разработан метод синтеза оптимального коммутатора и расчета его параметров в зависимости от параметров коммутируемой цепи и заданных уровней ИКП, обеспечивающего минимизацию дугообразования, эрозии контактов и ИКП. Разработаны модели коммутационных аппаратов с дискретными резистивными элементами и резистивными вспомогательными контактами. Испытаны варианты реализации оптимального коммутатора в виде полупроводникового контактора и получено экспериментальное подтверждение основных теоретических положений оптимальной коммутации.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Основные результаты исследований изложены в следующих работах:

1. Павлов В.Н., Глухов O.A., Ковбасин A.A. Новый прибор для оценки параметров электрических сетей "двойного рода тока" // Опыт создания ЭЭС буровых установок и судов / ВНТО им. акад. А. Н. Крылова. - 1982. -Вып.368. - С.43-49

2. Глухов O.A. Качественный анализ перенапряжений фаза-корпус при однофазных замыканиях в судовых ЭЭС двойного рода тока: Тез. докл. 4-й ВНТК "Проблемы создания мощных ЭЭС") ВНТО им. акад. А. Н. Крылова. -Л.: Судостроение - 1983. - С.145-147

3. Глухов O.A. Портативный цифровой регистратор перенапряжений в судовой ЭЭС: Тез. докл. 4-й ВНТК "Проблемы создания мощных ЭЭС" / ВНТО

им. акад. А. Н. Крылова. - JL: Судостроение - 1983. - С.151-152

4. Глухов O.A. Формирование перенапряжений при внезапных снижениях сопротивления изоляции ЭЭС // Методы и средства повышения эффективности контроля сопротивления изоляции ЭЭС / ВНТО им. акад. А. Н. Крылова - Л., 1984. - Вып.387 - С.50-54

5. А.с.№1132256. Устройство для измерения эквивалентного сопротивления изоляции и емкости сети постоянного тока / Е.А.Иванов, В.М. Ребров, O.A. Глухов, В.Н.Павлов, A.B. Ковбасин Опубл. В БИ 1984, №48 - Зс.

6. Глухов O.A., Иванов Е.А. Глухов В.А. Исследование условий электропо-жаробезопасности в трехфазных сетях 380/220 В с глухозаземленной нейтралью: методические указания. - Йошкар-Ола, МарПИ, 1987. - 20с.

7. Глухов O.A., Иванов Е.А., Глухов В.А. Перспективы уменьшения емкости и уровня помех в ЭЭС // Повышение электропожаробезопасности судовых ЭЭС / ВНТО им. А. Н. Крылова.'-Л., 1988. - вып.450. - С. 16-26

8. Глухов O.A., Григорьев В.К. Нетрадиционные подходы к измерению импульсных помех в силовой электрической сети судовых ЭЭС: НТК «Диагностическое обеспечение РЭА» / ВНТО им. А. Н. Крылова. - JL, 1990. - С.83-86

9. Глухов O.A., Григорьев В.К. ИИС контроля и диагностики помех в сетях питания РЭА: НТК «Диагностическое обеспечение РЭА» / ВНТО им. А. Н. Крылова. - Л., 1990. - С.86-88

10. Глухов O.A., Григорьев В.К., Братчиков В.А. Информационно-измерительная система измерения, регистрации и контроля параметров импульсных помех и перенапряжений в судовых электроэнергетических системах // Судовые энергетические установки и их элементы / ВНТО им. А. Н Крылова. - Л., 1990. - Вып.490. - С.63-69

11. A.c. №1742880 СССР. Трехфазный гибридный контактор / O.A. Глухов, В.А Глухов. Опубл. в: БИ 1992 - №23 - Зс.

12. Глухов O.A., Глухов В.А. Активный сетевой фильтр // Сб. НТК Электромагнитная совместимость технических средств. - СПб. - 1993 - С.114-115

13. Глухов В.А. Григорьев В.К Григорьев В.К. Исследование электромагнитного СВЧ-излучения: метод, указания. - Йошкар-Ола, МарПИ, 1993. - 18с.

14.Глухов O.A., Глухов В.А., Иванов Е.А. Неэффективность традиционных методов защиты от ЭМ полей в электроэнергетических системах // Сб. НТК ЭМС -94. - СПб., ВИСКУ. - 1994. - С.19-21

15. Глухов O.A., Глухов В.А., Григорьев В.К. Проблемы измерений импульсных перенапряжений и помех в силовых электрических сетях: Прикладные исследования в электронике / Материалы республ. научн.-техн. конф. - Йош-

кар-Ола, МарГТУ. - 1996. - С.50-52

16. Глухов O.A., Иванов Е. А. Диагностирование состояния изоляции электрооборудования напряжением б -10 кВ с использованием ненормируемых измеряемых величин// Сб. НТК ДИМЭБ-96, СПб. - 1996. - С.364-365

17. Глухов O.A., Иванов Е. А. Импульсные электромагнитные поля, частичных разрядов, как диагностический параметр состояния изоляции высоко вольтного электрооборудования // Сб. Электромагнитная совместимость технических средств и биологических объектов (ЭМС-96). - СПб, ГЭТУ. - 1996 -С.126-129

18. Глухов O.A. Глухов В.А. Диагностика изоляции электрооборудования 635кВ по излучению частичных разрядов // Труды МарГТУ. - Йошкар-Ола -1996. - Вып.2 - С.133-136

19.Глухов O.A. Корепанов Д.А. Особенности импульсного электромагнитного зондирования при проведении поисковых археологических работ / Тезисы докл. конф. «Взаимодействие человека и природы на границе Европы и Азии». - Самара, Самарское отд. РАН, 1996. - С.123-124

20. Глухов O.A., Иванов Е. А. Метод контроля качественного состояния изоляции высоковольтных электроустановок // Сб. ВНТК Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности / под ред. Н. И. Иванова. - СПб., МЦЭНТ. -1997-С. 31-34

21. Глухов O.A., Иванов Е. А., Знаменский Г.П., Малаян K.P. Биологическая опасность шумового излучения ЛЭП / Научные чтения "Белые ночи" / Под ред. Русак О.Н. - СПб.: МАНЭБ. - 1997. - С.260-262

22. Глухов O.A. Иванов Е.А. Оценка биологической опасности импульсного излучения высоковольтных электроустановок // ЭМС-97. - СПб., ГЭТУ. -1997 - С.388-390

23. Глухов O.A. Иванов Е.А. Глухов В.А. Особенности измерения электромагнитных полей случайных импульсных процессов в судовых ЭЭС // Известия ГЭТУ. - 1997. - Вып.509. - С.21-23

24.Глухов O.A. Глухов В.А. Оценка биологической опасности импульсного излучения ВЛ // Труды МарГТУ. - Йошкар-Ола, МарГТУ. - 1997. - C.2S6-287

25. Глухов O.A., Иванов Е.А., Знаменский Г.П. Пути решения проблемы поиска мест замыканий на землю в сетях переменного тока метрополитена /Сб. докладов научных чтений / МАНЭБ. - СПб, 1999, т.2, - С. 303-304

26. Иванов Е.А., Глухов O.A., Знаменский Г.П. Эффективный метод контроля состояния изоляции элементов электроустановок напряжением выше 1000В / Материалы научных чтений "Белые ночи" / МАНЭБ. - СПб, 1999, т.2, С.304-305

27. Глухов O.A., Глухов В.А. Новые технические средства для исследования параметров и повышения условий безопасности при эксплуатации электроустановок: Предотвращение, спасение, помощь / Мат-лы научн-практ. конф. -Йошкар-Ола, МарГТУ, 2000. - С.76-81

28. Иванов Е.А., Глухов O.A., Знаменский Г,П. Новые технические средства для исследования параметров и повышения условий безопасности при эксплуатации электроустановок / мат-лы конф. Безопасность XXI века. - СПб.: МАНЭБ, 2000. - С.28-29

29.Глухов O.A. Измерение параметров случайных импульсных процессов в автономных ЭЭС. - Йошкар-Ола, МарГТУ, 2000. - 147с. Деп. ВИНИТИ, 22.02.00, №424-ВОО

30. Глухов O.A. Переходные процессы и оптимальная коммутация электрических цепей. - Йошкар-Ола, МарГТУ, 2000. - 167с. Деп. ВИНИТИ, 22.02.00 №436-В00

31. Глухов O.A. Оптимальная коммутация силовых электрических цепей: Научное издание. - Йошкар-Ола, МарГТУ, 2000 - 168с.

32. Глухов O.A. Иванов Е.А. Знаменский Г. П. Поиск мест замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью: Перспективн. информ. технологии и проблемы упр-я рисками / Мат-лы'междунар. экологич. симп. "Белые ночи-2000" - СПб, МАНЭБ, 2000, - С.236-237

33.Глухов O.A., Иванов Е.А. , Мельников Д.А., Кустов А.Г. .Некоторые особенности применения индуктивных датчиков с разомкнутым магнитопрово-дом при пофидерном контроле и определении мест снижения сопротивления изоляции в судовых ЭЭС / Сб. мат.-лов VII Междунар. научн.-техн. конф. Проблемы повышения технического уровня ЭЭС и электрооборудования кораблей. - СПб. ЦНИИ СЭТ, 2000 С.64-66

ПЛД№ 69-142 от 18.08.95

Подписано в печать 12.10.2000. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ 7.9 .

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии МГП «ПОЛИКОМ» 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5