автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Исследование импульсных напряжений в распределительных электрических сетях

На правах рукописи

Шемякин Виталий Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ

Специальность 05 14 02 - Электростанции и электроэнергетические системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

□ОЗОТ1174

Ставрополь - 2007

003071174

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ставропольский государственный аграрный университет» (СтГАУ)

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Ершов Андрей Борисович

Официальные оппоненты доктор технических наук, доцент

Кононов Юрий Григорьевич

кандидат технических наук, доцент Хабаров Алексеи Николаевич

Ведущая организация: ОАО «Черкесские городские

электрические сети»

Защита состоится «25» мая в 10 — часов на заседании диссертационного совета Д 212 245 06 Северо-Кавказского государственного технического университета 355029, г Ставрополь, просп Кулакова, 2

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Северо-Кавказского государственного технического университета

Автореферат разослан 24 апреля 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, профессор

В И. Дроздова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы Вопрос поддержания нормируемых значений показателей качества электрической энергии в электрических сетях является в настоящее время одним из важнейших проблемных вопросов практической деятельности энергоснабжающих организаций За последние 30 лет основной документ, регламентирующий показатели качества электроэнергии в сетях общего назначения, ГОСТ 13109-97, претерпел серьезные изменения в части увеличения номенклатуры показателей и расширения диапазона допустимых изменений ряда из них Несмотря на это энергоснабжающие организации до сих пор испытывают серьезные трудности в поддержании требуемого уровня качества электроэнергии в электрических сетях

Среди показателей качества электроэнергии наиболее часто нарушаемыми и оказывающими наибольшее влияние на работу электроприемников являются отклонения напряжения и импульсные напряжения В технической литературе имеется значительный объем материалов по теоретическим и экспериментальным исследованиям отклонений напряжения в электрических сетях Данным вопросом занимались такие известные ученые, как Ф Ф Карпов, Я Д Баркан, Н С Маркушевич, Л А Солдаткина, М С Левин, К М Поярков, Б И Геллер, А И Веверка и другие Отсутствие в ГОСТ норм на импульсные напряжения вплоть до 1997 года не стимулировало проведения широкомасштабных исследований по указанному направлению, хотя отдельные результаты выполненных проработок свидетельствуют, что с импульсными напряжениями, помимо непосредственных сбоев в работе и отказов электронного оборудования, связан и ускоренный его износ

Из всего мно1 очисленного перечня сбоев и отказов в работе электрооборудования проблемы с электропитанием являются основной причиной полного выхода из строя оборудования, на которые приходится 54,7 % и из них 9,4 % обусловлены влиянием импульсных напряжений, а применительно к полупроводниковым приборам - до 50 % выхода их из строя связано именно с этим показателем

Цель работы: получение объективной вероятностной оценки величины совместных амплитудно-временных параметров импульсных напряжений в точках общего присоединения распределительных электрических сетей

Для выполнения комплекса теоретических и экспериментальных исследований сформулированы следующие частные научные задачи

1 Оценка импульсных напряжений как возмущающего фактора

2 Разработка анализатора импульсных напряжений и проведение экспериментальных исследований в электрических сетях

3 Вероятностно-статистическая обработка результатов эксперимента

4 Разработка рекомендаций по защите электроприемников от импульсных напряжений

Методы исследований Для решения поставленных задач использовались методы теоретической электротехники, теории вероятностей и матема-

тической статистики, теории измерений и погрешностей, теории проектирования и конструирования сложных радиоэлектронных устройств

Научная новизна работы:

1 Систематизированы и теоретически проанализированы возможные последствия воздействия импульсных напряжений на потребители электроэнергии, предложены формы их аналитического представления

2 Обосновано и разработано схемно-конструкгивное решение устройства контроля и измерения параметров импульсных напряжений, изготовлен опытный образец анализатора

3 Предложен новый подход вероятностной оценки параметров импульсных напряжений, зарегистрированных в электрической сети

4 Проведен вероятностно-статистический анализ импульсных напряжений в распределительных электрических сетях Установлены формы статистического и вероятностного распределений параметров импульсных напряжений, аналитически установлена корреляционно-регрессионная взаимосвязь между ними

5 Разработано устройство комбинированной защиты электроприемников от импульсных напряжений

Практическая ценность результатов работы.

Выполненные исследования и разработанный анализатор импульсных напряжений могут использоваться в энергоснабжающих организациях и у потребителей для оценки импульсных напряжений в точках присоединения электроустановок как при проведении замеров, обусловленных требованиями нормативных документов, так и в конфликтных ситуациях при установлении причин выхода электрооборудования из строя При этом следует учитывать, что необходимые замеры могут производиться в течение длительного времени без участия оператора

Основная практическая значимость работы заключается в возможности получения объективной информации об одном из основных и малоизученных параметров качества электроэнергии, оказывающим самое существенное влияние на надежность электроприемников

Разработанные рекомендации и предложенное устройство комплексной защиты могут быть использованы в проектной практике при решении вопросов защиты оборудования от импульсных напряжений

Реализация результатов работы

Разработанный опытный образец «Прибор для измерения параметров паразитных импульсных возмущений в сетях электропитания с переменным напряжением» (патент на изобретение № 2239201 от 27 октября 2004 года) используется конструкторским отделом «Концерна Энергомера» для дальнейшей конструкторской разработки с целью возможного последующего промышленного производства В Буденновских районных электрических сетях проводились экспериментальные исследования уровней импульсных напряжений в обычном режиме работы электрических сетей и в условиях гро-

зовой деятельности с использованием анализатора импульсных помех Исследования проводились с целью установления объективной информации об амплитуде и длительности указанного показателя качества электрической энергии Полученные результаты используются при заключении договоров на пользование электрической энергией и возникновении конфликтных ситуаций с потребителями

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1 Методический подход оценки импульсных напряжений, как показателя качества электроэнергии и возмущающего фактора

2 Схемно-констр>ктивное решение и опытный образец анализатора импульсных напряжений

3 Результаты экспериментальных исследований импульсных напряжений в распределительных электрических сетях

4 Результаты исследований корреляционно-регрессионной зависимости между амплитудно-временными параметрами импульсных напряжений

5 Устройство комплексной защиты электроприемников от импульсных напряжений

Апробация работы и публикации.

Основные положения и результаты диссертационных исследований доложены и опубликованы автором на 13 конференциях, в том числе 65-й -69-й ежегодных научно-практических конференциях СтГАУ, секция «Методы и технические средства повышения эффективности применения электроэнергии в сельском хозяйстве» (Ставрополь 2001-2005 гг ), ежегодных научно-практических конференциях (Зерноград, 2004, 2005 гг ), секция «Электротехнологии и электрооборудование в сельскохозяйственном производстве», II и III Российской научно-практической конференции СтГАУ «Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе» (Ставрополь 2004, 2005 гг), 22- й Межведомственной научно-технической конференции «Проблемы обеспечения эффективности и устойчивости функционирования сложных технических систем» (Серпухов, 2003 г), Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Нальчик, 2003 г), VII региональной научно-технической конференции «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону» (Ставрополь, СевКавГТУ, 2003 г), XXVIII сессии семинара «Кибернетика энергетических систем» по тематике «Диагностика электрооборудования» (г Новочеркасск, ЮРГТУ (НПИ), 2006 г )

По содержанию и результатам работы выпущена одна монография, опубликовано 11 статей, получен патент, подана заявка на полезную модель

Стр \ ктура и объем диссертации.

Днссер]ация состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка использованных источников Материал диссертации изложен на 139 страницах, иллюстрирован 43 рисунками, содержит 5 таблиц, 4 приложения Список использованных источников включает 100 наименований

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи научных исследований, отражена структура диссертации Сформулированы научная новизна основных результатов работы и их практическая ценность

В первой главе проведена общая оценка импульсных напряжений, как возмущающего фактора в сети электропитания Импульсные напряжения представляют собой специфичный возмущающий фактор Если импульсные напряжения относительно большой (миллисекундной) длительности, как возмущающий фактор, представляют собой преимущественно электрические процессы и оцениваются интегральными методами оценки, то короткие (микросекундные) импульсные возмущения распространяются по электрической линии преимущественно в форме электромагнитной волны, при этом, по сути, являются кондуктивными помехами

ГОСТ 13109-97 характеризует импульс напряжения показателем импульсного напряжения, при этом термин «показатель» определяет совместное значение его амплитудно-временных параметров Устанавливая порядок определения значений данных параметров, стандарт устанавливает предельно допустимое значение показателя

Нормирование значений параметров импульсных напряжений производится для грозовых и коммутационных импульсов в точках общего присоединения электрической сети, причем нормы на их параметры устанавливаются различным образом В сети 0,38 кВ для коммутационных импульсных напряжений устанавливается предельное значение амплитуды импульса-4,5 кВ и длительности импульса 1000-5000 мкс Для грозовых импульсов данное соответствие устанавливается посредством определения максимально допустимой амплитуды и стандартной формы импульса (рисунок 1), для соответствующих точек общего присоединения

1 10 мкс 10 40 мс I *

а) б) в)

Рисунок 1 - Формы грозовых импульсов, характерные для различных точек присоединения

Электромагнитные процессы в точках общего присоединения сети при воздействии импульса напряжения можно описать линейным дифференциальным уравнением второго порядка с постоянными коэффициентами

^ <7 ¿<1 12 л

где />-, ,

активное сопротивление физической цепи, ¿-индуктив-

ность физической цепи, С-емкость физической цепи, с/-мгно-

венное значение заряда, t - время

Решение уравнения (1) имеет различный вид в зависимости от соотношения между коэффициентами Т1 и Г,

При Т\ > Г,' решением уравнения будет функция вида ч = (2) В данном выражении А и С - постоянные коэффициенты, определяемые начальными условиями, а л/'/ ] -Г,' = о> - частота колебаний

Функция (2) имеет вид затухающих гармонических колебаний, что соответствует форме импульса напряжения, показанного на рисунках 1а и 16

При большом активном сопротивлении сети, т е Т] <7/, частота колебаний со = л/7 ] - 77 будет мнимой и решение уравнения (1) будет иметь вид

д = А, ехр\(-Т, + ^/Г/ -Г/>}+ Аг ехр{(-Т, - (3)

где Л, и Л, — также произвольные постоянные, определяемые начальными условиями

Функция (3) имеет известный вид апериодического разряда, что соответствует форме импульса напряжения, изображенного на рисунке 1 в Статистические данные в форме совместных значений их амплитуды и длительности (и,т),с одной стороны, позволяют констатировать фактические данные о существовании в сети импульсных возмущений определенной величины и, с другой - позволяют установить статистические вероятности возникновения данных возмущений Если (и,т) - дискретный случайный вектор, то совместным распределением случайных величин и и г является таблица следующего вида (таблица 1)

Таблица 1 - Совместное распределение случайных величин я и г

и/т т' Т2 Т,„

р„ Рп Р,„

"2 Ру Р 21 Р 2</г

... 1

К 1 Рш Р„2 Р,„„

где ри г - статистические частоты попадания двумерной случайной величины в совместные интервалы соответственно &ип =«„.,-"„ и Лтш = г„11( -тш

Существование совместного вероятностного закона возможно только при существовании сколь либо выраженной функциональной взаимосвязи

ср(и,т) или существовании зависимости между и и г Учитывая, что совместные значения амплитуды и и длительности г импульсных напряжений характеризуют энергию импульсного напряжения IVп, функцию распределения величины И',, Р{И'П < следует записать как

Р0?„ <"„) = Р(<р(и.т)<■*„) (4)

Учитывая, что в двумерной области О, определяемой интервалами О - и^, 0- гт, и и г могут принимать любые значения, следует говорить о возможности существования такой неотрицательной функции ^, которая однозначно определяет вероятность события Р(£ <еО)

Р(£еЛ)= 1\/({и,т)с!ис1т, (5)

/3

где плотность распределения

В выражение (5) величина £, определяющая Р(П'„ < и-,,,) входит неявно, через пределы интегрирования Плотность распределения, характеризующая величину \УП, определяется дифференцированием Р(£) по £

/Ю=РШ (6)

Зная конкретный вид функции ^ = <р(и,т), можно выразить пределы интегрирования через £ и написать выражение [(£,) в явном виде

Учитывая, что априорно функция регрессии у/(т) величины г на интервалах 0-к„;а<, 0-т,т является монотонно возрастающей функцией, одномерная функция плотности вероятности /(и) определится как

/(и) = Р(и) = Лг(и)) у (и), (7)

где у/(и) — функция обратная функции регрессии цг(г)

Выражение (7) представляется достаточно важным по следующим причинам получить одномерный закон распределения /(и) или /(х) возможно через функцию регрессии посредством использования выражения (7), также вследствие того, что /(сходный статистический материал содержит погрешности определения амплитудных значений импульсных напряжений, связанных с ограниченным количеством каналов амплитудного анализатора, следует производить двойную проверку истинности определения соответствующей одномерной вероятностной зависимости, и такая проверка в данном случае действительно возможна

Во второй главе обосновано инженерное решение устройства измерения и регистрации импульсных напряжений Учитывая, что импульсные напряжения являются непериодическими и редко повторяющимися процессами малой (микросекундной) длительности, их регистрация и измерение параметров невозможны посредством использования стандартных методов измерения и существующих измерительных преобразователей Более приемлемым в данном случае представляется использование свойств нелинейных преобразователей

В настоящее время в качестве элементов, обладающих ярко выраженной нелинейностью, представляется оптимальным использовать симметричные, либо несимметричные полупроводниковые ограничители напряжения (ПОН) Причем использование симметричных ПОН позволяет обеспечить регистрацию импульсов напряжения как положительной, так и отрицательной полярности посредством использования одного элемента Значительно более худшими свойствами как по нелинейности, так и по быстродействию обладают варисторы Использование на практике тех или иных приборов в данном случае обусловливалось полнотой их номенклатурного перечня и стоящими задачами регистрации и измерения При этом количество используемых приборов определяет шаг квантования и соответственно точность измерения амплитуды импульса

Количество нелинейных элементов или каналов регистрации во многом определяет структуру и сложность устройства памяти и отображения информации При достаточно малом количестве каналов регистратора амплитуды импульсных напряжений становится возможным не производить перевод информации о количестве импульсных напряжений соответствующей амплитуды импульсного напряжения в двоично-десятичную форму ее представления, что значительно упрощает и уменьшает промежуточный объем дискретных преобразований как при записи, так и при считывании информации Именно такой путь построения амплтудного анализатора и соответственно той части прибора, которая определяет структуру устройства памяти, была принята за основу построения разработанного прибора

Разработанный прибор помимо регистрации и измерения амплитуды импульсного напряжения позволяет регистрировать и его дли1ельность Данная схема построена по принципу цифрового измерителя временных интервалов Учитывая необходимые пределы для регистрации длительности импульсов напряжения, информация о длительности импульсного напряжения переведена в двоично-десятичную форму ее представления Полная принципиальная схема анализатора импульсных напряжений вследствие достаточно большого объема приведена в приложении 1 диссертационной работы Функциональная схема анализатора импульсных напряжений представлена на рисунке 2

Рисунок 2 - Функциональная схема анализатора импульсных напряжений

Информационные импульсы с каждого из каналов поступают на трех-декадные счетчики импульсов. Таким образом, по каждому из каналов пробор способен зафиксировать до 999 импульсов, при использовании четырех каналов амплитудного анализатора прибор соответственно способен зафик-сировавать до 3996 импульсов напряжения.

Устройство отображения и 1 ¡фор мац и и об амплитуде импульсных напряжений состоит из электронного коммутатора (ЭК А А), дешифратора (ДАА), семисегментных индикаторов (УИАА) и схемы управления (СУАА). Схема анализатора длительности включает последовательный двухтактный интегратор (ИАД), элемент И, генератор стробирующих импульсов (ГСИ) и счетчик: стробирующих импульсов (ОСИ) со схемой Предварительного обнуления (СПО).

Устройство оперативной памяти содержит в своем составе: оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), шифратор адреса записи (ШАЗ), шифратор адреса считывания (ШАС), электронный коммугатор шины адреса (ЭКША), электронный коммутатор анализатора длительности (ЭКАД). В схему устройства оперативной памяти к.ведена устройство отображения информации о длительности импульсных напряжений, состоящее из дешифратора анализатора длительности (ДАД) и устройства индикации анализатора длительности (УИАД). С выхода входного устройства информационный сигнал, формируемый с помощью датчиков схемы сравнения, поступает в канальные счетчики и анализатор длительности. Информация о состоянии счетчиков выводится в устройство отображения и в запоминающее устройство. Просмотр содержимого ОЗУ осуществляется пошаговым способом.

Прибор конструктивно выполнен в переносном однокорпусном исполнении. Функциональные узлы прибора выполнены в виде отдельных модулей И размещены на платах с двухсторонним монтажом. Для увязки в единую конструкцию платы вставляются в слоты, что обеспечивает ремонтопригодность и удобство сборочного монтажа прибора. Основные элементы управления, отображения н Индикации размещены на лицевой панели прибора. Для подключения к цепи измерения прибор снабжен сменными кабелями. Внешний вид прибора показан на рисунке 3.

Рисуиок 3 - Внешний вид прибора для измерения импульсных напряжений

Достигнутый уровень основных технических характеристик прибора характеризуется следующими показателями:

I. Область применения устройства - сеть переменного тока 220 В 50 I ц.

2 Предельное значение измеряемой амплитуды импульсных напряжений -8,5 кВ

3 Диапазон измеряемых длительностей импульсных напряжений - от 0,1 мкс до 10 мс

4 Максимальное количество регистрируемых прибором импульсов напряжения - 3996 шт

5 Потребпяемая мощность - 32 Вт

6 Габариты - 425*320х 190 мм

7 Масса-5,5 кг

8 Стоимость - 11 741 руб

В третьей главе выполнена первичная обработка исходного статистического материала Исходным материалом для последующей его обработки методами теории вероятностей и математической статистики стали полученные с помощью разработанного прибора статистические данные в форме генеральной совокупности совместных значений амплитуд и длительностей импульсных напряжений Ввиду того, что изготовленный образец прибора имеет четырехканальный амплитудный анализатор, в целях увеличения количества порогов регистрации, измерения производились несколькими циклами продолжительностью от I до 2 месяцев каждый За данные промежутки времени регистрировалось от 1520 до 2506 импульсных возмущений Отдельный массив информации содержит данные об импульсных напряжениях во время интенсивной грозовой деятельности в районе регистрации

Исходный статистический материал обрабатывался с использованием машинных методов, для чего был представлен в табличной форме Средние значения выборки соответственно для и иг, сохраненных в матрице А, вычислялись с использованием встроенной в Mathcad 2000 Pro функции

теап{А) = —У\А , где п - общее количество зарегистрированных импульс-

п,„

ных напряжений во всех каналах амплитудного анализатора

Размах выборки для амплитуд импульсных напряжений (R„) определялся как разность между минимальным и максимальным порогами регистрации амплитудного анализатора, в которых наблюдались импульсные напряжения Размах выборки для длительностей импульсных напряжений (RT) определялся с помощью встроенных функций тиг(А) и тах(А) В качестве выборочной дисперсии оказалось целесообразнее вычислять величину

s2 =—!— ¿(и, -¡т)*', а стандартное отклонение рассчитывать по формуле п — I

сг = 4V Для определения выборочного эксцесса Гл сначала отыскивалась величина выборочного центрального момента 4-го порядка для амплитуд

=- ¿(г/, -»)' и соответственно для длительностей = — Х(Г, > а за" II П i-l

тем по формуле Гл = fij^ J'' -3 определялся выборочный эксцесс

Из показателей асимметрии определялся коэффициент асимметрии,

вычисляемый по формуле где ¡л, — выборочный центральный мо-

ст

мен г 3-го порядка, определяемый по формулам для амплитуд импульсных напряжений juj - — £ - и)' н соответственно дая их длительностей

П ,,!

//,=— ¿(г -г)',а<т - стандартное отклонение Расчеты вероятностных па-iij.i

раметров импульсных напряжений дали следующие результаты

1 Частота следования импульсов за длительный период наблюдения практически не варьируется, однако многократно изменяется при кратких циклах измерений в различные промежутки суток и дни недели

2 Размах выборок составил для амплитуд 330 - 4600В, соответственно для длительностей 1 - 280 мке

3 Математическое ожидание (среднее значение выборки) составило для амплитуд ти « 456,8В, для длительностей математическое ожидание составляет /77г к 11,4мкс, среднеквадратическое отклонение соответственно <уг « 56,6 vkc

4 Коэффициент асимметрии для амплитуд Sktl=7,6 10', для длительностей коэффициент асимметрии приблизительно равен нулю

5 Коэффициент эксцесса для амплитуд Е\=0,4 10s для длительностей коэффициент эксцесса с точностью до двух знаков после запятой равен нулю

Одномерные законы распределения параметров импульсных напряжении, гистограммы распределений соответственно для амплитуд и длительностей импульсных напряжений, построенные по полученным эмпирическим данным, представлены на рисунках 4 и 5 Представленная выборка для построения данных гистограмм содержит 1843 совместных значения и и г Средняя частота следования импульсных напряжений при минимальном пороге регистрации в 330 В составила 11,4 имп/час Представленная экспериментальная функция распределения плотности вероятности амплитуд импульсных напряжений удовлетворительно аппроксимируется логарифмически-нормальным законом

/ Г /

/(«) = -7=—ехр\--т(М ")~Н„)!

V 2 к su 2 s

(8)

где //„ и 5-,, - параметры закона распределения

Для определения параметров логарифмически нормального закона распределения использовались следующие выражения

математическое ожидание - т = с'" - , дисперсия - £> = <?'"" (е* -1), коэффициент скоса - = -^ё' - 1 (е' + 2) коэффициент эксцесса - Гл - (е' - / )(е + 1е +6е'+6)

Рисунок 4 - Гистограмма и теоретическая кривая плотности вероятности амплитуд импульсных напряжений

Рисунок 5 - Гистограмма и теоретическая кривая плотности вероятности длительностей импульсных напряжений

Учитывая полученные точечные оценки эмпирических значений математического ожидания и стандартного отклонения, выражение для одномерного чакона распределения плотности вероятностей амплитуд имеет вид

Р„(и) = У-^ехр[-0 318(1п(и)-7,3)3] (9)

Графические изображения вероятностной функции и ее значения для значений аргументов, соответствующих статистическим частотам, вычисленные средствами стандартного пакета МаЛСЛГ) (рисунок 6), соответствуют установленным порогам амплитудного анализатора

Я") = -«Л (1п(и> - 7 З)2

V--1 I -59" [: 1 г^з2

Г(и) -4 2 10

II

О 30(10 1 10*

Рисунок 6 — Графические изображения вероятностной функции и ее значения для значений аргументов, соответствующих статистическим частотам, вычисленные средствами стандартного пакета Ма^тСАО, соответствуют установленным порогам амплитудного анализатора

Полученный вероятностный закон распределения плотности вероятностей амплитуд импульсных напряжений определяется двумя параметрами -средним значением выборки и стандартным отклонением В то же время значения показателей скошенности и экстенсивноеги, определенные по выборочным значениям с точностью до 0,12 соответствуют их теоретическим значениям

Аналогично проведен анализ длительностей импульсных напряжений Гистограмма и аппроксимирующая ее функция плотности вероятности распределения длительностей импульсных возмущений представлена на рисунке 5, при этом функция плотности вероятности с учетом полученных точечных оценок эмпирических значений математического ожидания и стандартного отклонения удовлетворительно аппроксимируется нормальным законом распределения Значения вероятностной функции для значений аргументов, соответствующих статистическим частотам и ее графическое изображение, вычисленные средствами пакета МаШСАЭ, показаны на рисунке 7

По результатам других опытов для данного объекта исследования форма нормального закона повторяется Математическое ожидание и стандартное отклонение варьируются в небольших пределах Частота следования импульсов за длительный период наблюдения практически не варьируется, однако многократно изменяется при кратких циклах измерений в различные промежутки суток и дни недели, что согласуется с априорными соображениями об источниках их возникновения

Оценка сходимости вероятностной и статистической функций плотностей распределения выполнена по критерию «х7 - Пирсона» Искомая вероятность при /' = ¿Г х] ~6,84 и трех степенях свободы приблизительно равна

0,7, те гипотеза об логарифмически-нормальном законе плотностей распределения амплитуд импульсных напряжений подтверждается Для длительностей импульсных напряжений искомая вероятность при ^ — 2,1 и трех степенях свободы приблизительно равна 0,8, т е гипотеза о нормальном законе плотностей распределения длительностей импульсных напряжений также подтверждается

Установлены условные законы распределения длительностей импульсных напряжений для всех фиксированных с помощью прибора значений амплитуд Параметры установленных условных законов распределения плотности вероятности длительности импульсных напряжений сведены в таблицу 2 Анализ параметров установленных условных законов распределения плотности вероятности длительности импульсных напряжений и их графических зависимостей позволяет констатировать

1 Формы всех условных законов распределения соответствуют одномерному нормальному закону плотности вероятности возникновения в сети импульсных напряжений длительностью г

2 Максимальные значения условных законов распределения соответствуют значениям плотности вероятности для одномерного закона плотности вероятности возникновения в сети импульсных возмущений с амплитудой и

3 Численные значения математических ожиданий условных законов распределения увеличиваются с увеличением фиксированных значений амплитуд импульсных напряжений монотонно, но не линейно

4 Численные значения среднеквадратических отклонений условных законов распределения монотонно возрастают с возрастанием амплитуд им-

пульсных напряжений до значений 2300-2600 В, а затем практически не изменяются до предельных значений амплитуд импульсных напряжений

, Ч 0 023 _

ад -¡=exí1

50 Ц2л

f(t)' №

2(50 I)

= 00 Ю18ч.\рГ~(0СЮ[)".)ч)~ | 1=) 12 ,20 ! ,■(,,)

-200 о

Рисунок 7 - Значения вероятностной функции для значений аргументов, соответствующих статистическим частотам, вычисленные средствами стандартного пакета МаЛСАЭ, и ее графическое изображение

Таблица 2 - Численные значения математических ожиданий и средне-квадратических отклонений условных законов распределения плотности ве-

пор 330 620 1000 1500 2000 2300 2600 3000 3600 4000 4600

í,Ur) ю 0,472 0,404 0,303 0,244 0 212 0,155 0,130 0,110 0,090 0,068 0,058

щ/икс) 1,6 2,4 4 6,2 8,3 16,2 25,1 36,5 65 150 250

о/икс) 5,1 6,2 9,7 10,2 12,1 15,6 19,3 25,4 25,1 25,2 25,2

Для первичного суждения о зависимости между параметрами импульсных напряжений использовался точечный график регрессии Этот график для выборки, содержащей 196 совместных значений, представлен на рисунке 8

ЩВ) 4500 4000 35W 3000 2500 2ООО 1500 10ОО 500

0 1 20 J0 60 80 100 120 140 160 IS0 Т(мкс)

Рисунок 8 - Точечный график импульсных напряжений с параметрами и и г

15

•

-- ... -vil ■М'

Из данного графика видно, что зависимость между и и г действительно существует, что данная зависимость достаточно ярко выражена, однако далека от чисто функциональной зависимости Вероятно, такого характера регрессию следует аппроксимировать полиномом второй степени, однако на достаточно малом участке изменения параметров и и г вполне применима линейная зависимость

Более точное суждение о форме корреляционно-регрессионной взаимосвязи между параметрами импульсных напряжений даст точечный график значений математических ожиданий для условных законов распределения длительностей импульсных напряжений при фиксированных значениях их амплитуд На рисунке 9 приведен точечный график зависимости математических ожиданий ранее определенных условных законов распределения длительностей импульсных напряжений при фиксированных значениях амплитуд и график аппроксимирующей его функции регрессии

/ / 1

1 ___ _ 7 /

! 1 I / / /

■ / / /

! - _/ / ^

/ /

- 1 - -1-- 1 -

—-с "1- - 1 - ; - -

Рисунок 9 - Точечный график регрессии между математическими ожиданиями длительностей импульсных напряжений и фиксированными значениями их амплитуд

Выдвинута гипотеза, что аппроксимирующая функция регрессии представляет собой экспоненциальную функцию /(и)- ехР(/Ст)) или с учетом вида одномерных законов распределения

42;г

- ехр

2 *

= ехр'

[сг 42 я

Для проверки истинности уравнения (7) определено распределение плотности вероятности амплитуды импульсных напряжений через распределение плотности вероятности длительности импульсных напряжений и экспоненциальную функцию регрессии Функция плотности вероятностей амплитуд импульсных напряжений имеет следующий вид

-е\р

(т-'»,)'

2а

(10)

/ {!»(„ )-т ) 1 1

(П)

Полученное выражение представляет собой логарифмически-нормальный закон, и, следовательно, выражение (10) справедливо, а экспоненциальная функция является функцией регрессии нормального закона плотности вероятностей длительностей импульсных напряжений на случайную величину амплитуд импульсных напряжений

Ниже (рисунок 10) данная процедура реализована с помощью стандартного пакета \1alhCAD для значений аргументов, полученных из статистических данных для нормального закона условной плотности вероятностей длительностей импульсных напряжений (т. = ],6мкс, егг = 1,2 икс), соответствующих первому порогу амплитудного анализатора, т е 330 В

Кт)=ехр(т) Гип(т) и 1п(и) (1П\(т) = 1п(т)

¿ппу(т) = -с!т у т т

ш = 1 6 о = 1 2

рт(т) = с!погт(т,т,а) ри(т) = с1попп(!п(т)>тп,гт) (¡Пп\{т)

/ ! \ \Аюгт(1п(т),450 40) \ри\т)-> )-

1 1 1

1 \ 1 1 —.

0 5 10 15 20

т

Рисунок 10 - Определение распределения плотности вероятности амплитуды импульсных напряжений через распределение плотности вероятности длительности импульсных напряжений и экспоненциальную функцию регрессии с помощью стандартного пакета МаШСАБ

Плотность вероятности возникновения в сети импульсных напряжений вычислена через экспоненциальную функцию регрессии, а обратная функция здесь определена посредством символьного решения уравнения еТ- и = 0

Полученный график функции плотности вероятности амплитуд импульсных напряжений полностью соответствует полученной ранее вероятностной функции, соответствующей в свою очередь аппроксимирующей статистической функции плотности вероятности амплитуд импульсных напряжений (логарифмически-нормальный закон)

Подтверждение гипотезы об экспоненциальном характере функции регрессии аналитическим, а не вероятностным методом ее получения (подтверждения) позволяет свести к минимуму погрешности определения вероятностных характеристик импульсных напряжений Практически эта по-

грешность, в данном случае, определяется вероятностными значениями одной случайной величины - длительности импульсных напряжений, либо их амплитуды

Анализ полученных вероятностных зависимостей для других объектов исследования позволяет констатировать о стабильности функций распределения их основных параметров и корреляционно-регрессионных зависимостей, что подтверждает правильность их математического моделирования

Для практики получение совместных значений параметров импульсных напряжений представляется более удобным посредством использования номограмм, получаемых по исходным таблицам совместного распределения Значения элементов данных таблиц представляют собой определенные непосредственно по исходному статистическому материалу частоты возникновения импульсных напряжений в исследуемой сети

Процесс формирования таблицы совместного распределения плотности вероятностей возникновения в сети импульсных напряжений в данном случае следует производить в рамках использования уже разработанных частных процедур обработки вероятностных величин в среде MathCAD

Внешний вид исходной таблицы совместного распределения амплитуд и длительностей для исследуемой сети с нанесенными на них номограммами показан на рисунке 11

т>

0 0008

4500

О 0112

4000

0 0128

3500

ОС-*

3000

0 04

2500

0С374

2000

ооъа

1500

0QJ58

1000

005

500

01 20 40 60 ео 100 120 140 160 180 г (мке)

Рисунок 11 - Исходная матрица совместного распределения и и г построенная по исходным статистическим данным

Для определения вероятности возникновения импульса напряжения с параметрами и и г следует использовать на номограмме средние значения между двумя соседними величинами соответственно и и т

В четвертой главе проанализированы известные методы защиты потребителей от влияния импульсных напряжений в первичной сети Использование схем пассивной защиты дает неплохие положительные результаты, однако данные схемы снижают коэффициент полезного действия устройств, на высоких частотах поглощают полезную энергию и сложны в изготовлении Более перспективными методами защиты от импульсных напряжений в настоящее время является использование схем активной защиты Основными элементами схем активной защиты являются полупроводниковые ограничители напряжения, разрядники и варисторы Полупроводниковые ограничители напряжения имеют малое время срабатывания (для несимметричных ограничителей напряжения время срабатывания составляет пикосекунды, а для симметричных — наносекунды), что позволяет использовать их для защиты различных по назначению устройств, в состав которых входят чувствительные к перегрузкам полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы В настоящее время из-за отсутствия большой номенклатуры полупроводниковых ограничителей напряжения в отечественной практике в качестве элементов защиты используют разрядники, варисторы, полупроводниковые приборы общего применения (стабилитроны, импульсные диоды, р-1-п диоды, диоды Шотки, выпрямительные столбы, сборки и матрицы) Из-за различного времени запаздывания и максимально допустимой рассеиваемой мощности использование приборов только одной номенклатуры не решает проблемы защиты, поэтому целесообразным представляется использование комбинированных способов защиты с применением двух и трех ступеней ограничения напряжения, выполненных на различных физических принципах действия

Проведенная оценка эффективности использования пассивных схем защиты показала, что поведение фильтров при действии импульсов напряжения во многом зависит от различных практических ситуаций

Ь-образный фильтр вносит значительные добавочные потери из-за рассогласования импедансов

П-образные фильтры часто менее эффективны в реальных условиях эксплуатации и могут лишь увеличивать трудности, связанные с помехами

Недостатком разрядников является большое время срабатывания (больше 0,15 мкс) Полупроводниковые ограничители напряжения и варисторы по сравнению с разрядниками имеют значительно меньшее время срабатывания, что позволяет использовать их для защиты многих радиотехнических цепей, в состав которых входят чувствительные к переходным процессам полупроводниковые приборы и микросхемы Относи гелыю низкие значения рабочего напряжения полупроводниковых ограничителей напряжения и варисторов по сравнению с напряжением пробоя разрядников существенно снижают значения импульсной коммутируемой мощности Этот недостаток полупроводниковых ограничителей напряжения и варисторов может быть в ряде случаев устранен путем последовательного и параллельного их соединения

Недостатком полупроводниковых ограничителей и варисторов является то, что они имеют максимальный предел зашиты по напряжению 2000 В,

что, с одной стороны, позволяет использовать их для защиты различных по назначению цепей, но, с другой стороны, не удовлетворяет требованиям защиты ог возможных импульсных напряжений (4,5 кВ и 6 кВ)

Наиболее эффективными устройствами защиты электроприемников, подключаемых к сетям переменного тока, являются комбинированные схемы защиты с использованием нескольких ограничителей

Разработанное устройство комбинированной защиты от импульсных напряжений, показанное на рисунке 12, обеспечивает защиту от импульсных напряжений и токов перегрузки, обладает достаточным диапазоном быстродействия для качественной защиты электроприемников В предлагаемом устройстве применяется двухступенчатая схема защиты, причем наименьший порог ограничения напряжения определяется полупроводниковыми ограничителями напряжения, как элементами, имеющими наименьшее время срабатывания (10~псек)

Рисунок 12 - Устройство защиты аппаратуры от воздействия импульсных напряжений в сети электропитания

В данном устройстве используется раздельный способ защиты Предлагаемая схема защиты обеспечивает защиту источника вторичного электропитания и тем самым защиту самого радиоэлектронного устройства от кратковременных перегрузок по напряжению и токовых перегрузок с одновременной сигнализацией работоспособности схемы защиты

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1 Одним из наиболее часто нарушаемых и оказывающих значительное влияние на работу электроприемпиков показателей качества напряжения являются импульсные напряжения Установлено, что из всего многочисленного перечня сбоев в работе электрооборудования проблемы с электропитанием являются основной причиной полного выхода из строя оборудования, на которые приходится 54,7 % и из них 9,4 % обусловлены влиянием импульсных напряжений, а применительно к полупроводниковым приборам - до 50 % выхода их из строя связано именно с этим показателем Импульсные напряжения как возмущающий фактор целесообразно рассматривать и оценивать по параметрам амплитуды и длительности импульсов

2 Процесс возникновения импульсных напряжений в электрических сетях носит случайный характер, в силу этого научно - обоснованный анализ указанного параметра должен базироваться на вероятностно-статистической оценке Проведенный патентный поиск и анализ литературных источников показал, что серийный выпуск приборов для оценки импульсных напряжений в России не налажен

3 Проведенные в процессе разработки диссертации исследования и ОКР позволили создать опытный образец анализатора импульсных напряжений Прибор доведен до аппаратурной реализации, запатентован, позволяет получать объем статистической информации до 3996 измерений, регистрирует амплитуды импульсных напряжений до 8,5 кВ и длительности от долей мкс до 10 мс Прибор компактен, прост и удобен в эксплуатации Технико-экономическая оценка устройства показала его сравнительно низкую стоимость, приемлемые массогабаритные и другие показатели

4 Экспериментальные исследования импульсных напряжений в распределительных электрических сетях позволили собрать статистический материал, объемом в несколько тысяч измерений Обработка полученных материалов велась известными методами теории вероятностей и математической статистики и дала следующие результаты

- амплитуда импульсных напряжений при отсутствии грозовой деятельности не выходит за пределы 4,5 кВ, при действии грозы достигает 8 кВ, длительность импульсных напряжений находится в диапазоне от 0,1 до 240 мкс,

- распределение амплитуд импульсных напряжений подчиняется логарифмически-нормальному закону, длительностей — нормальному, при этом функции плотностей вероятностей распределения амплитуд и длительностей импульсных напряжений удовлетворительно аппроксимируются следующими выражениями

для амплитуд - /(и) =

I

-¡2тгя „ и 1

ехр

2 5„

-(1п(и)-р„)2

для длительностеи - /(т) =

ехр

(т-»',)'

2а!

- результаты корреляционно-регрессионного анализа подтвердили наличие явно выраженной зависимости между амплитудами и длительностями импульсных напряжений, уравнение регрессии удовлетворительно аппроксимируется экспоненциальной зависимостью

1

- ехр

2 5,

= ехр

I

о\2л

-ехр

(т-т )

5 Наиболее целесообразным для вероятностной оценки степени влияния импульсных напряжений в конкретных практических приложениях является использование метода номограммной оценки, состоящего в совмещении графика функции регрессии с таблицей исходных параметров совместного распределения

6 Проведенный анализ возможных способов защиты электроприемников от импульсных напряжений позволил рекомендовать следующее отделение сети питания, содержащей высокочувствительные к импульсным напряжениям электроприемники о г сети, содержащей потенциально опасные потребители, использование схем активной защиты на основе ограничителей напряжения При этом установлено, что пассивные средства защиты (фильтры) малоэффективны из-за возможности внесения связи между входом и выходом, возможности дополнительного усиления импульса за счет запасенной энергии конденсатора и т д

7 Для защиты электроприемников от импульсных напряжений наиболее эффективными являются комбинированные схемы защиты на основе ограничителей напряжения различных классов Разработанное устройство комбинированной защиты выполнено в двухканальном исполнении, обеспечивает эффективную защиту от импульсных напряжений до 7,5 кВ и перегрузок по току, обладает хорошим быстродействием (время срабатывания 10" 11 с), является сравнительно простым и удобным в эксплуатации

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ

Статьи в ведущем рецензируемом журнале, определенном перечнем ВАК

1 Хорольский, В Я Исследование импульсных напряжений в распределительных электрических сетях / В Я Хорольский, А Б Ершов, В Н Шемякин // Известия высших учебных заведений Северо-Кавказский регион Технические науки Приложение № 15 Диагностика энергооборудования -2006 - С 141-143

2 Хорольский, В Я Вероятностно-статистический анализ импульсных напряжений в сетях электропитания / В Я Хорольский, А Б Ершов, В Н Шемякин // Известия высших учебных заведений Северо-Кавказский регион Технические науки Приложение № 15 Диагностика энергооборудования -2006 - С 143-146

Публикации в материалах конференций, сборниках трудов

3 Хорольский, В Я Оценка влияния импульсных напряжений на блоки питания бытовой радиоэлектронной аппаратуры / В Я Хорольский, В Н Шемякин // Методы и технические средства повышения эффективности применения электроэнергии в сельском хозяйстве сб науч тр / СгГАУ -Ставрополь, 2002 - С 78-80

4 Шемякин, В Н Функционирование узлов импульсных блоков питания в условиях действия помех сети питания / В Н Шемякин // Перспектива - 2003 материалы Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых -Т 4 - Нальчик Каб-Балк ун-т - С 39^12

5 Хорольский, В Я Вероятностный анализ импульсных напряжений в сельских распределительных сетях 0,4 кВ / В Я Хорольский, А Б Ершов, В Н Шемякин // Актуальные проблемы современной науки сб науч тр -Ставрополь Изд-во СтГАУ «АГРУС», 2004 -С 179-182

6 Шемякин, В Н Пути повышения надежности и качественных характеристик бестрансформаторных блоков питания / В Н Шемякин // Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону материачы VII региональной научно-технической конференции - Ставрополь СевКавГТУ, 2003 г

7 Хорольский, В Я Импульсные напряжения в сетях электропитания монография / В Я Хорольский, А Ь Ершов, В Н Шемякин - Ставрополь Изд-во СтГАУ «АГРУС», 2004 - 152 с

8 Хорольский, В Я Анализ импульсных напряжений в условиях грозовой деятельности в сетях электропитания 0,4 кВ / В Я Хорольский, А Б Ершов, В Н Шемякин // Межвузовский сборник научно-практических трудов Выпуск 3 -Ставрополь ЗАО «Пресса»,2005 -С 162-166

9 Хорольский, В Я Прибор для измерения параметров паразитных импульсных возмущений в сетях электропитания с переменным напряжением/В Я Хорольский, А Б Ершов, В Н Шемякин // межвузовский сб на-уч-практ тр Выпуск3 -Ставрополь ЗАО «Пресса», 2005 -С 167-170

10 Шемякин, В Н Влияние питающей сети на надежность работы микропроцессорных устройств / В Н Шемякин // Современное гуманитарное знание о проблемах социального развития материалы XII годичного научного собрания СКСИ - Ставрополь, 2005 -С 304-305

11 Шемякин, В Н Использование анализатора импульсных помех при обслуживании и ремонте вычислительной техники / В Н Шемякин, И К Шарипов // Современное гуманитарное знание о проблемах социального развития • материалы XII годичного научного собрания СКСИ - Ставрополь, 2005 -С 302-303

12 Хорольский, В Я Особенности сельских электрических сетей и их защита от импульсных перенапряжений / В Я Хорольский, В Н Шемякин // Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе сб материалов 3-й Российской конференции Т 2 -Ставрополь Изд-во СтГАУ «АГРУС», 2005 С 48-52

13 Пат 2239201 РФ, (51) МПК7 й 01 II 29/02 Прибор для измерения параметров паразитных импульсных возмущений в сетях электропитания с переменным напряжением / В Я Хорольский, А Б Ершов, С В Сапронов, В Н Шемякин, С А Липовой, А М Тимофеенко, Р П Галилов -№ 2002121103 , заявлено 02 08 2002 , опубл 27 10 2004

11одш:сано в печать 20 04 2007 Формат 60*84'/i6 Бума! а офсетная Гарнитура «Times» Печать офсетная Уел печ и 1,4 Тираж 100 экз Заказ № 269

Отпечатано в типографии издательско-почнграфического комппекса СгГ АУ «АГРУС», г Ставропочь, ул Мира, 302

ВВЕДЕНИЕ.

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Общая оценка импульсных напряжений, как возмущающего фактора в сети электропитания.

1.2. Априорная оценка импульса напряжения, как нормируемого показателя качества электрической энергии.

1.3. Методический подход к оценке параметров импульсных напряжений.

1.4. Обзор и анализ существующих методов схемотехнической защиты от импульсных напряжений в электрических сетях.

Выводы по первой главе.

И. УСТРОЙСТВО РЕГИСТРАЦИИ И ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ

ИМПУЛЬСНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ.

2.1. Обоснование инженерных решений устройства измерения и регистрации импульсных напряжений.

2.2. Функциональная схема анализатора импульсных напряжений.

2.3. Принципиальная схема анализатора импульсных напряжений.

2.4. Принцип работы анализатора импульсных напряжений.

2.5. Конструкция и технические характеристики прибора.

Выводы по второй главе.

III. ВЕРОЯТНОСТНО - СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ИМПУЛЬСНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ.

3.1. Решение задачи обработки исходного статистического материала в общем виде.

3.2. Первичная обработка исходного статистического материала.

3.3. Определение одномерных законов распределения параметров импульсных напряжений.

3.4. Установление условных законов распределения длительностей импульсных напряжений для фиксированных значений амплитуд.

3.5. Определение и анализ корреляционно-регрессионной зависимости между параметрами импульсных напряжений.

3.6. Определение вероятностных характеристик по номограммам совместного распределения.

Выводы по третьей главе.

IV. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ЗАЩИТЕ ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКОВ ОТ ИМПУЛЬСНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ.

4.1. Обзор известных методов защиты цепей электропитания потребителей, содержащих высокочувствительные к импульсным перегрузкам элементы.

4.2. Оценка эффективности использования пассивных схем защиты для подавления импульсных напряжений в сети электропитания.

4.3. Сравнительная оценка ограничителей напряжения различных классов.

4.4. Многоступенчатое устройство защиты от импульсных напряжений.

Выводы по четвертой главе.

Актуальность темы. Говоря о наступившем новом тысячелетии, общественность постоянно обращает внимание на неуклонно растущую зависимость энергопотребителей от надёжности электропитания. Внимание к этой насущной проблеме ещё более возросло, когда минувшим летом многие российские компании и рядовые потребители потеряли десятки миллионов рублей из-за сбоев электропитания. Аналогичные проблемы в настоящее время испытывают и энергопотребители других стран.

Поскольку оснащённость организаций и домашних пользователей электрооборудованием неуклонно растёт, человечество становится всё более зависимым от решения проблем в области организации электроснабжения.

Вопрос поддержания нормируемых значений показателей качества электрической энергии в электрических сетях является в настоящее время одним из важнейших проблемных вопросов практической деятельности энергоснабжаю-щих организаций. Помехи, падения напряжения, всплески, скачки и отключения. По данным отдела планирования чрезвычайных ситуаций (http://www.aps.ru) [100], в мире каждую секунду происходит в среднем около 9000 сбоев электропитания.

За последние 30 лет основной документ, регламентирующий показатели качества электроэнергии в сетях общего назначения, ГОСТ 13109-97 [24], претерпел серьезные изменения в части увеличения номенклатуры показателей и расширения диапазона допустимых изменений ряда из них. Несмотря на это, энергоснабжающие организации до сих пор испытывают серьезные трудности в поддержании требуемого уровня качества электроэнергии в электрических сетях.

Среди показателей качества электроэнергии наиболее часто нарушаемыми и оказывающими наибольшее влияние на работу электроприемников являются отклонения напряжения и импульсные напряжения. В технической литературе имеется значительный объем материалов по теоретическим и экспериментальным исследованиям отклонений напряжения в электрических сетях. Данной проблематикой занимались такие известные ученые как Карпов Ф.Ф., Баркан Я.Д., Маркушевич Н.С., Солдаткина Л.А., Левин М.С., Поярков К.М., Геллер Б.И., Веверка А.И. и другие. Что касается импульсных напряжений, то отсутствие в ГОСТ норм на данный показатель вплоть до 1997 года не стимулировало проведения широкомасштабных исследований по указанному направлению, хотя отдельные результаты проработок, выполненные в [1, 11, 20, 47, 61, 63, 92], свидетельствуют, что с импульсными напряжениями помимо непосредственных сбоев в работе и отказов радиоэлектронного оборудования связан и ускоренный его износ.

Применительно к электроприёмникам, содержащим высокочувствительные элементы, качество электроэнергии следует рассматривать как воздействие кондуктивных помех (электромагнитных импульсов, распространяющихся по элементам электрической сети). При этом, если уровень помех (показателей качества электроэнергии) не превышает норм, установленных стандартом, оборудование должно функционировать исправно и нарушений (сбоев, снижения эффективности) не должно быть. Подобные свойства электроприёмников относятся к электромагнитной совместимости - способности технических средств функционировать с заданным качеством в заданной электромагнитной обстановке и не создавать недопустимых электромагнитных помех другим техническим средствам.

В настоящее время ГОСТ 13109-97 импульс напряжения характеризует показателем импульсного напряжения. Согласно данного документа, грозовые импульсные напряжения имеют стандартную форму импульса, а их значения с вероятностью 90% не должны превышать 10 кВ - в воздушной сети напряжением 0,38 кВ и 6 кВ - во внутренней проводке зданий и сооружений. Значения коммутационных импульсных напряжений при их длительности на уровне 0,5 амплитуды импульса, равной 1000 - 5000 мкс для сети напряжением 0,38 кВ не должны превышать 4,5 кВ. Вероятность превышения указанного значения коммутационных импульсных напряжений составляет не более 5%. Однако с физической точки зрения импульсную электрическую прочность любого элемента какой угодно структуры наиболее полно характеризует предельно допустимая импульсная мощность, как предельно допустимый поток электрической энергии в единицу времени.

В справочниках по полупроводниковым элементам импульсная прочность характеризуется минимальными значениями энергии, приводящими к отказу элементов. Такие данные определяются, как правило, при действии прямоугольного импульса длительностью 1 мкс и, следовательно, не являются исчерпывающим источником информации при оценке импульсной прочности приведённых элементов.

Условную аналитическую точность оценки импульсной прочности даёт пороговая энергия импульса вызывающая отказ элемента. Условность данной оценки определяется значением амплитуды импульса приводящего к отказу элемента при его минимальной длительности, или аналитически максимальной энергией при минимальной длительности приводящей к отказу элемента.

При формировании нормируемых значений импульсов напряжения в ГОСТ 13109-97 установлены предельные нормы для совместных значений амплитуды и длительности импульса, что, по сути, соответствует предельным уровням мощности. Несомненно, что данный подход в ГОСТ 13109-97 обусловлен тем, что при фиксированном значении длительности импульса напряжения амплитуда импульса определяет не только его предельную энергию, но и импульсную мощность, что и позволяет установить точную границу максимально допустимого значения импульсной мощности.

Однако приводимые в ГОСТ 13109-97 нормируемые значения позволяют производить только предельную, а, следовательно, очень грубую аналитическую оценку необходимой импульсной прочности энергопотребителей, а если учесть, что реальные данные по импульсным напряжениям в электрических сетях могут значительно отличаться от нормируемых величин, то такая оценка будет практически несостоятельной, а следовательно неприменимой для конкретных практических приложений.

Цель работы и задачи исследований. Цель диссертационных исследований связана с получением объективной вероятностной оценки величины совместных амплитудно-временных параметров импульсных напряжений в точках общего присоединения распределительных электрических сетей.

Для выполнения комплекса теоретических и экспериментальных исследований сформулированы следующие частные научные задачи:

• оценка импульсных напряжений как возмущающего фактора;

• разработка анализатора импульсных напряжений и проведение экспериментальных исследований в электрических сетях;

• вероятностно-статистическая обработка результатов эксперимента;

• разработка рекомендаций по защите электроприемников от импульсных напряжений.

Для решения поставленных задач использовались методы: теоретической электротехники, теории вероятностей и математической статистики, теории измерений и погрешностей, теории проектирования и конструирования сложных радиоэлектронных устройств.

Научные результаты и их новизна.

В результате выполненного комплекса исследований решена научная задача по теоретической и экспериментальной оценке импульсных напряжений в распределительных электрических сетях, а именно:

1. Систематизированы и теоретически проанализированы возможные последствия воздействия импульсных напряжений на электропотребители, предложены формы их аналитического представления.

2. Обосновано и разработано схемно-конструктивное решение устройства контроля и измерения параметров импульсных напряжений, изготовлен опытный образец анализатора.

3. Предложен новый подход вероятностной оценки параметров импульсных напряжений, зарегистрированных в электрической сети.

4. Проведен вероятностно-статистический анализ импульсных напряжений в распределительных электрических сетях. Установлены формы статистического и вероятностного распределений параметров импульсных напряжений, аналитически установлена корреляционно-регрессионная взаимосвязь между ними.

5. Разработано устройство защиты электроприемников от импульсных напряжений.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Выполненные исследования и разработанный анализатор импульсных помех могут использоваться в энергоснабжающих организациях и у потребителей для оценки импульсных напряжений в точках присоединения электроустановок как при проведении замеров, обусловленных требованиями нормативных документов, так и в конфликтных ситуациях при установлении причин выхода электрооборудования из строя. При этом следует учитывать, что необходимые замеры могут производиться в течение длительного времени без участия оператора.

Основная практическая значимость работы заключается в возможности получения объективной информации об одном из основных и малоизученных параметров качества электроэнергии, оказывающим самое существенное влияние на надежность электроприемников.

Разработанные рекомендации и предложенное устройство комплексной защиты могут быть использованы в проектной практике при решении вопросов защиты оборудования от импульсных напряжений.

Разработанный опытный образец "Прибор для измерения параметров паразитных импульсных возмущений в сетях электропитания с переменным напряжением" (патент на изобретение № 2239201 от 27 октября 2004 года) используется конструкторским отделом "Концерна Энергомера" для дальнейшей конструкторской разработки с целью возможного последующего промышленного производства. В Буденовских районных электрических сетях проводились экспериментальные исследования уровней импульсных напряжений в обычном режиме работы электрических сетей и в условиях грозовой деятельности с исполь8 зованием анализатора импульсных помех. Исследования проводились с целью установления объективной информации об амплитуде и длительности указанного показателя качества электрической энергии. Полученные результаты используются при заключении договоров на пользование электрической энергией и возникновении конфликтных ситуаций с потребителями.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты диссертационных исследований доложены и опубликованы на 12 конференциях, в том числе 65-ой, 66-ой, 67-ой, 68-ой и 69-ой Ежегодной научно-практической конференции СтГАУ, секция "Методы и технические средства повышения эффективности применения электроэнергии в сельском хозяйстве" (Ставрополь 2001, 2002, 2003, 2004 и 2005 года); Ежегодной научно-практической конференции (Зерноград, 2004 и 2005 г.) секция "Электротехнологии и электрооборудование в сельскохозяйственном производстве"; II и III Российской научно-практической конференции СтГАУ "Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе" (Ставрополь 2004, 2005 г.); 22-ой Межведомственной научно-технической конференции "Проблемы обеспечения эффективности и устойчивости функционирования сложных технических систем" (Серпухов, 2003 г.); Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Нальчик, 2003 г.); VII региональной научно-технической конференции «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону» (Ставрополь, СевКавГТУ, 2003 г.); XXVIII сессии семинара "Кибернетика энергетических систем" по тематике "Диагностика электрооборудования" (г. Новочеркасск, ЮРГТУ (НПИ), 2006г.).

По содержанию и результатам работы выпущена одна монография, опубликовано 10 статей, одни тезисы доклада, получен патент, подана заявка на полезную модель.

Основные положения выносимые на защиту.

На защиту выносятся:

• методический подход оценки импульсных напряжений, как показателя качества электроэнергии и возмущающего фактора;

• схемно-конструктивное решение и опытный образец анализатора импульсных напряжений;

• результаты экспериментальных исследований импульсных напряжений в распределительных электрических сетях;

• результаты исследований корреляционно-регрессионной зависимости между амплитудно-временными параметрами импульсных напряжений;

• устройство комплексной защиты электроприемников от импульсных напряжений.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка использованных источников. Материал диссертации изложен на 135 страницах, иллюстрирован 43 рисунками, содержит 5 таблиц, приложения. Список использованных источников включает 100 наименований.

Выводы по четвертой главе

1. Существующие способы защиты электрических сетей от импульсных напряжений с помощью разрядников недостаточно эффективны и не исключают импульсных напряжений, что предопределяет необходимость разработки дополнительных мер защиты цепей электропитания электроприемников.

2. Различная чувствительность электроприемников к импульсных перегрузкам предопределяет дифференцированный подход к построению схем защиты.

3. Из известных способов защиты электроприемников от импульсных напряжений наиболее эффективными являются комбинированные схемы активной защиты.

4. Защита цепей электропитания потребителей, содержащих высокочувствительные элементы возможна только при использовании полупроводниковых ограничителей напряжения с временем срабатывания 10"пс.

5. Схемы включения высокочувствительных ограничителей напряжения, обеспечивающих минимальное время срабатывания, не обеспечивают рассеивание необходимой импульсной мощности.

6. Разработанное устройство комбинированной защиты обладает достаточным пределом ограничения амплитуды импульса напряжения, время срабатывания составляет 10"пс, что обеспечивает качественную защиту электроприемников от импульсных напряжений и токов перегрузки.

Заключение

1. Качество электроэнергии является одним из основных показателей эффективности функционирования систем электроснабжения. Нарушение действующих требований нормативных документов к показателям качества электрической энергии в распределительных электрических сетях является причиной возникновения конфликтных ситуаций между потребителями и энергоснаб-жающей организацией.

2. Одним из наиболее часто нарушаемых и оказывающих значительное влияние на работу электроприемников показателей качества напряжения являются импульсные напряжения. Установлено, что из всего многочисленного перечня сбоев в работе электрооборудования проблемы с электропитанием являются основной причиной полного выхода из строя оборудования, на которые приходится 54,7% и из них 9,4% обусловлены именно импульсными напряжениями.

3. Процесс возникновения импульсных напряжений, а также их параметры носят случайный характер, вследствие чего научно-обоснованный анализ импульсных напряжений должен базироваться на вероятностно-статистической оценке.

4. ГОСТ 13109-97 регламентирует предельно допустимые значения показателя импульсного напряжения, устанавливающего соответствие предельных значений амплитудно-временных параметров импульсных напряжений

5. Существующие в распределительных сетях методы схемотехнической защиты не обеспечивают эффективной (полной) защиты потребителей от импульсных напряжений.

6. Опасность воздействия импульсных напряжений на потребители оценивается величиной предельно допустимой импульсной мощности, которая может быть представлена плотностью распределения совместных значений амплитудно-временных параметров.

7. Разработанное техническое решение прибора для измерения и регистрации параметров импульсных напряжений подтверждено патентом на изобретение (патент на изобретение № 2239201 от 27 октября 2004 года) и позволяет производить регистрацию и измерение амплитудно-временных параметров импульсных напряжений в распределительных электрических сетях. Прибор обеспечивает получение информации об импульсных напряжениях в распределительных электрических сетях, согласно требованиям ГОСТ 13109-97, путём длительного наблюдения и регистрации. Технические характеристики прибора обеспечивают измерение параметров импульсных напряжений с теоретически обоснованными пределами по амплитуде и длительности и в соответствии с ГОСТ 13109-97. Устройство памяти прибора обеспечивает сбор информации в автоматическом режиме, что позволяет получить без участия человека (оператора) исходный статистический материал для последующей его обработки.

8. Функции распределения плотности вероятности возникновения в сети импульсных напряжений стабильны и удовлетворительно аппроксимируются следующими выражениями: для амплитуд - /(и) = 1

42ns,и ехр 1

2-s„

-(In(u)-pJ где /л = 7,3; S = 1,25; для длительностей - f(T) а 42л ехр т-тг)2 2а2 где тТ «11,4мкс;сг « 56,6мкс.

Между параметрами совместного распределения существует функциональная стохастическая связь, функция регрессии представляет собой экспоненциальную функцию:

42ns,и ехр 1

2-s, j(ln(u)-pu)2

T-mrf

2а2 ехр< —т= ехр \оы2л

9. Численные значения амплитудно-временных параметров импульсных напряжений, зарегистрированных в сети, превышают допустимые пороги ограничения к импульсным перегрузкам большинства высокочувствительных электронных приборов.

10. Использование методов схемотехнической защиты цепей питания электроприемников следует ориентировать либо на защиту от коротких (микросекундных) импульсных напряжений, либо на защиту от длительных (миллисе-кундных) импульсных напряжений. Методы защиты при этом принципиально отличаются.

11. Использование схем пассивной защиты дает неплохие положительные результаты, однако данные схемы снижают коэффициент полезного действия, на высоких частотах поглощают полезную энергию и сложны в изготовлении.

12. Наиболее перспективным направлением развития схемотехнических методов защиты в настоящее время является использование схем активной защиты.

13. Практически наиболее эффективным решением построения схем активной защиты является способ комбинированного построения схем активной защиты, позволяющий производить последовательное поглощение энергии импульсного напряжения.

14. Разработанное устройство комбинированной защиты обеспечивает защиту от импульсных напряжений амплитудой до 7,5 кВ и обладает временем срабатывания 10*11 с. Защиту от длительных (миллисекундных) импульсных напряжений обеспечивает схема защиты от токовой перегрузки.

1. Абдулаев Г.Б., Искар-Заде З.А., Ведерников В.В. и др. Электрическая прочность полупроводниковых приборов при импульсной нагрузке. -М.: Радио и связь, 1983.

2. Аветисян Д.А. Основы автоматизированного проектирования электромеханических преобразователей. -М.: Высшая школа, 1988.

3. Алексенко А.Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника. М.: Радио и связь, 1990.

4. Ашматин И.П., Васильев Н.Н., Амбросов В.А. Быстрые методы статистической обработки и планирование экспериментов. JL, Изд-во Ле-нингр. ун-та, 1974.

5. Баков Ю.В. Влияние мощности короткого замыкания и компенсирующей мощности на качество электроснабжения промышленных установок. // Пром. энергетика. -1991. -№ 9, с. 41-43.

6. Балакирев B.C., Дудников Е.Г., Цирлин A.M. Экспериментальное определение динамических характеристик промышленных объектов управления. М.: Энергия, 1967. -232 с.

7. Баркан Я.Д., Маркушевич Н.С. Использование статистической информации о качестве напряжения в электрических сетях. М.: "Энергия", 1972.

8. Бессонов А.А., Свердлов JI.3. Методы статистического анализа погрешностей устройств автоматики. JL: «Энергия», 1974.

9. Бессонов J1.A. Теоретические основы электротехники. Изд. 6-е, пере-раб. и доп. Учебник для студентов энергетических и электротехнических вузов. М.: «Высшая школа», 1973.

10. Будзко И.А и др. Электроснабжение сельского хозяйства / И.А. Будзко/^ Т.Б. Лещинская, В.И. Сукманов. М.: Колос, 2000.

11. Будянский А.Я., Ерехин В.В., Черноус М.Ф. Устойчивость потенциальных логических элементов к помехам по цепям электропитания и требования к системе электропитания ЭЦВМ. Вопросы радиоэлектроники. Вып. 18, с37-43.

12. Быстрое Ю.А., Гамкрелидзе С.А., Иссерлин Е.Б., Черепанов В.П. Элек-троннве приборы и устройства на их основе: Справочная книга. М.: ИП РадиоСофт, 2002.

13. Векслер Г.С., Додик С.Д., Пилинский В.В., Темников В.А. Переходные процессы в цепи электропитания. Радиотехника, 1984, №8.

14. Вентцель Е.С. Теория вероятностей: Учеб. для вузов. 8-е изд., стер. -М.: Высш. шк., 2002. - 575 е.: ил.

15. Вентцель Е.С. Прикладные задачи теории вероятностей. М.: Радио и связь, 1983.-416 с.

16. Видениекс П.О. и др. Проблемно-ориентированные микропроцессорные системы в производстве РЭА / П.О. Видениекс, Я.Я. Вентиньш, А.А. Кривчиков. -М.: Радио и связь, 1987.

17. Галанов В.П., Галанов В.В. О влиянии нелинейных и несимметричных нагрузок на качество электрической энергии. // Пром. энергетика. -2001.-№3, с. 46-49.

18. Гамазин С.И., Ставцев В.И., Цырук С.А. Переходные процессы в системах промышленного электроснабжения, обусловленные электродвигательной нагрузкой. М.: МЭИ, 1997.

19. Гамазин С.И., Цырук С.А., Зинчук Д.Е. Импульсные напряжения в низковольтных распределительных сетях, вызванные коммутационными процессами. // Пром. энергетика. -2000. -№ 3, с. 28-33.

20. Геллер Б. И., Веверка А.И. Импульсные процессы в электрических машинах. М.: Энергия, 1973.

21. Гольдберг О.Д. Качество и надежность асинхронных двигателей. М.: Энергия, 1968.

22. ГОСТ 13109-67. Электрическая энергия. Нормы качества электрической энергии у ее приемников, присоединенных к электрическим сетям общего назначения. М.: Издательство стандартов, 1980.

23. ГОСТ 13109-87. Электрическая энергия. Нормы качества электрической энергии в электрических сетях общего назначения. М.: Издательство стандартов, 1988.

24. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Требования к качеству электрической энергии в электрических сетях общего назначения. М.: Издательство стандартов, 1997.

25. ГОСТ 23413-79. Средства вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Термины и определения. М.: Издательство стандартов, 1979.

26. ГОСТ Р 50571.26-200. Электроустановки зданий. Часть 5. Выбор и монтаж электрооборудования. Раздел 534. Устройства для защиты от импульсных перенапряжений.

27. ГОСТ Р 50571.20-200. Электроустановки зданий. Часть 4. Требования по обеспечению безопасности. Глава 44. Защита от перенапряжений. Раздел 444. Защита электроустановок от перенапряжений, вызванных электромагнитными воздействиями.

28. ГОСТ 11.004 74. Прикладная статистика. Правила определения оценок и доверительных границ для параметров нормального распределения.

29. ГОСТ 27.002 89. Надежность в технике. Основные понятия, термины и определения. -М.: Госстандарт, 1989.

30. Гук Ю.Б. Теория надежности в электроэнергетике. JL: Энергоатомиз-дат, 1990.

31. Гурвич И.С. Защита электронно-вычислительных машин от внешних помех. -М.: Энергия, 1975. 160с.

32. Длин A.M. Математическая статистика в технике: Учебник для высших технических учебных заведений. 3-е изд., перераб. - М.: «Саветская наука», 1958.

33. Евсиков Ю.А., Обрезков Г.В., Разевиг В.Д., Чапурский В.В., Чиликин В.М. Прикладные математические методы анализа в радиотехнике. -М.: Высшая школа, 1985. 343 с.

34. Ермаков В.Ф. Исследование процессов в электрических сетях. Ростов-на-Дону.: Издательство Ростовского университета, 2003.

35. Ефимов А.В., Золотарёв Ю.Г., Терпигорева В.М. Математический анализ (специальные разделы) т.2 М.: Высшая школа, 1980. - 295с.

36. Зевеке Г.В., Ионкин П.А., Нетушил А.В., Страхов С.В. Основы теории цепей. М.: Энергия, 1975. - 752 с.

37. Иванов B.C., Соколов В.И. Режимы потребления и качество электроэнергии систем электроснабжения промышленных предприятий. М.: Энергоатомиздат, 1987.

38. Игнатов А.Н., Мелентьев О.Г. Контроль помех в сетях электропитания. // "Радиотехника". 2000г., №5, с. 87-91.

39. Источники электропитания. Любительские схемы. Ч. 2. Сост. А.А. Ха-лоян. -М.: ИП РадиоСофт, ЗАО «Журнал «Радио», 2003.

40. Калабеков Б.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы. -М.: Горячая линия Телеком, 2000.

41. Калинина В.Н. Математическая статистика: Учеб. для студ. спец. учеб. заведений / В.Н. Калинина, В.Ф. Панкин. 4-е изд., испр. - М.: Дрофа, 2002.

42. Кассандрова О.Н., Лебедев В.В. Обработка результатов наблюдений. «Наука», Главная редакция физ.-мат. литературы, 1970.

43. Колемаев В.А. и др. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Высшая школа, 1991.

44. Компоновка и конструкция микроэлектронной аппаратуры. / Под ред. Высоцкого Б.Ф., Пестрякова В.Б., Пятяина О.А. М.: Радио и связь, 1982.

45. Корчемный Н.А., Машевский В.П. Повышение надежности электрооборудования в сельском хозяйстве. К.: Урожай, 1988.

46. Костиков В.Г., Парфенов Е.М., Шахнов В.А. Источники электропитания электронных средств. Схемотехника и конструирование: Учебник для вузов. 2-е изд. - М.: Горячая линия - Телеком, 2001.47.50,51,52,53,54