автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Мобильный экспериментальный комплекс для исследования электромагнитных полей, генерируемых электрооборудованием и элементами электроэнергетических систем

На правах рукописи

І

АСАДУЛЛИН Артур Ильдарович

МОБИЛЬНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ, ГЕНЕРИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕМ И ЭЛЕМЕНТАМИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 8 МАР 2013

Казань-2013

005051127

005051127

Работа выполнена на кафедре «Электрический транспорт» ФГБОУ ВПО "Казанский государственный энергетический университет" (КГЭУ)

Научный руководитель: Белашов Василий Юрьевич

доктор физико-математических наук, профессор, ФГАОУ ВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет», Институт физики, профессор кафедры «Радиофизика»

Официальные оппоненты: Даутов Осман Шакирович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ», профессор кафедры «Радиоэлектронные и телекоммуникационные системы»

Наумов Анатолий Алексеевич доктор физико-математических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет», зав. кафедрой «Теоретические основы электротехники»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский

университет «Московский энергетический институт», г. Москва

Защита состоится 29 марта 2013 г. в 14 часов 30 минут на заседании Диссертационного совета Д 212.082.01 в ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет» по адресу: 420066, г. Казань, ул. Красносельская, 51, зал заседаний Ученого совета, тел./факс (843)562-43-30.

Отзывы на автореферат просим направлять по адресу: 420066, г. Казань, ул. Красносельская, д. 51, КГЭУ, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.082.01.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного энергетического университета.

Автореферат разослан <.<./$"■> февраля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.ф.-м.н.

Р.И. Калимуллин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Настоящая работа посвящена созданию системы измерения электромагнитных (ЭМ) полей, генерируемых электрооборудованием и элементами электроэнергетических систем (ЭЭС) в широком диапазоне частот.

Актуальность темы диссертации. Исследование ЭМ полей, генерируемых электрооборудованием и элементами ЭЭС, является чрезвычайно актуальной проблемой, поскольку связано с задачами электромагнитной совместимости (ЭМС) в ЭЭС промышленных предприятий, устойчивости и надежности работы оборудования, а также с вопросами безопасности электротехнического и другого персонала, обслуживающего электроустановки и электротехнические системы. С каждым годом как в России, так и за рубежом возрастает энергонасыщенность промышленных предприятий и происходит развитие как региональных, так и глобальных энергосистем. Еще одной проблемой является то, что на данный момент, по имеющейся у нас информации, в мире не существует такой системы измерения ЭМ полей, с помощью которой можно было бы комплексно решать задачи мониторинга ЭМ обстановки.

Об актуальности проблемы свидетельствует и то, что в последние три десятилетия данным вопросам уделяется особое внимание целым рядом международных научных организаций и научной общественностью. Так, в разных странах мира под эгидой Международного радиосоюза (URSI) и Международного Института электроинженеров (IEEE) регулярно проводятся конференции и симпозиумы по ЭМС, в которых весьма активно работают секции по ЭМС в электроэнергетике и транспорте, воздействию ЭМ полей на кабельные системы и биологические объекты и т.п. Из этого следует, что для решения данных проблем является актуальным создание нового специализированного средства измерения ЭМ полей, которое будет удовлетворять всем требованиям с точки зрения комплексного изучения пространственно-временной структуры излучаемых электрооборудованием и элементами ЭЭС ЭМ полей.

Объектом исследования являются ЭМ поля, генерируемые электрооборудованием энергонасыщенных предприятий, электроэнергетическими системами и их элементами.

Предметом исследования является ЭМС и безопасность персонала (особенно на энергонасыщенных предприятиях и в энергосистемах) как на этапе проектирования систем электроснабжения и объектов ЭЭС, так и на этапе их эксплуатации.

Целью работы является разработка и создание мобильного экспериментального комплекса для исследования ЭМ полей, генерируемых электрооборудованием и элементами ЭЭС в широком диапазоне частот.

Задачи исследования:

1. Разработка архитектуры и комплектация аппаратной части комплекса.

2. Разработка системного и прикладного программного обеспечения для управления экспериментом, обработки данных и визуализации результатов в режиме реального времени.

3. Разработка интерфейсов и согласование элементов аппаратной и программной составляющих комплекса.

4. Тестовые измерения ЭМ полей в лабораторных условиях и на реальных объектах электроэнергетики и промышленности.

Методы исследования. При выполнении работы использовались экспериментальные методы изучения ЭМ полей, генерируемых электрооборудованием и элементами ЭЭС в широком диапазоне частот. Экспериментальные тестовые измерения проведены на оригинальной установке (мобильный экспериментальный комплекс), содержащей в себе современную электронную аппаратуру.

Научная новизна заключается в следующем:

1. В процессе работы над литературой по теме диссертации впервые была проведена классификация существующих на данный момент времени средств измерения ЭМ полей по целому ряду признаков - диапазон частот, тип применяемых антенн, количество независимых каналов, возможность автоматической записи временных реализаций сигнала, корреляционно-спектральной обработки регистрируемой информации и визуализации характеристик поля в режиме реального времени, возможность управления экспериментом в ходе его выполнения.

2. Разработана алгоритмическая структура системы анализа данных в экспериментальных исследованиях пространственно-временных характеристик ЭМ полей, и создан программный модуль управления экспериментом по регистрации ЭМ полей, обработки и анализа полученных данных с возможностью графической визуализации результатов эксперимента в реальном масштабе времени.

3. Разработан и создан мобильный комплекс для измерения ЭМ полей, генерируемых электрооборудованием энергетики и промышленности в диапазоне частот 5 кГц - 2600 МГц, не имеющий, как показали результаты проведенного анализа литературных источников, аналогов как в России, так и за рубежом, с помощью которого можно проводить измерения, обработку и графическую визуализацию результатов в задачах исследования пространственно-временной структуры ЭМ полей, т.е. осуществлять комплексный мониторинг ЭМ обстановки на предприятиях энергетики и промышленности.

4. Разработана методика проведения экспериментальных измерений ЭМ полей с помощью мобильного экспериментального комплекса.

Практическая значимость. Созданный мобильный экспериментальный комплекс позволяет регистрировать ЭМ поля, генерируемые электрооборудованием и элементами ЭЭС в широком диапазоне частот, и проводить изучение пространственно-временных и корреляционно-спектральных характеристик ЭМ полей, что было невозможно с использованием существующих на данное время средств измерений, используемых в энергетике и промышленности. Комплекс предназначен для решения проблем ЭМС и безопасности персонала (особенно на энергонасыщенных предприятиях и в энергосистемах) как на этапе проектирования систем электроснабжения и объектов ЭЭС, так и на этапе их эксплуатации.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Архитектура и структурная схема аппаратной части мобильного экспериментального комплекса.

2. Программный комплекс управления экспериментом, обработки и визуализации экспериментальных данных в реальном времени.

3. Методика организации и проведения экспериментов по исследованию ЭМ полей, генерируемых электрооборудованием и элементами ЭЭС в широком диапазоне частот, направленных на изучение пространственно-временной структуры и корреляционно-спектральных характеристик ЭМ полей, с помощью разработанного комплекса.

4. Результаты тестовых измерений ЭМ полей в лабораторных условиях и на реальных объектах энергетики и промышленности.

Достоверность полученных результатов и обоснованность выводов диссертационной работы обеспечивается совпадением полученных в работе результатов с результатами известных теоретических и численно-модельных исследований других авторов, а также совпадением результатов по выявленным в различных частотных диапазонах характеристик излучений с известными из литературы данными по диапазонам и уровням излучений установленного на обследовавшихся объектах оборудования. Достоверность также подтверждается использованием корректных, апробированных математических методов и оценок, использованных при создании программного модуля управления экспериментом, обработке и анализе регистрируемых данных.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на III Всероссийской научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» (Тольятти, 2007); XIV Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2008); V Международной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2010); XXIII Всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн» (Йошкар-Ола, 2011); VII Всероссийской научно-технической конференции с международным участием, посвященной 50-летию Приборостроительного факультета ИжГТУ «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (Ижевск, 2011); XV Всероссийской научной конференции студентов-радиофизиков (Санкт-Петербург, 2011); XVIII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2012); VIII Всероссийской научно-технической конференции с международным участием, посвященной 60-летию ИжГТУ «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (Ижевск, 2012).

Диссертационная работа выполнялась при поддержке гранта У.М.Н.И.К., государственный контракт № 7678 р /11209 от 31 марта 2010 года.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы были внедрены при выполнении мониторинговых исследований ЭМ обстановки на предприятиях: ОАО «ПО «Завод имени Серго» (г. Зеленодольск), ОАО «Сетевая компания» (г. Казань), что подтверждено актами внедрения.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 16 научных публикациях, включая 3 статьи в ведущих научных изданиях, входящих в перечень ВАК, 9 материалов докладов международных конференций, 4 материала докладов всероссийских конференций.

Личный вклад автора работы. Результаты, представленные в диссерта-

ции и публикациях, получены при непосредственном участии автора работы. Автор принимал участие в разработке прикладного программного обеспечения для управления экспериментом, обработки данных и визуализации результатов; разработке интерфейсов и согласовании функционирования аппаратной и программной частей комплекса; разработке методики, организации и проведении экспериментов; выполнении тестовых измерений ЭМ поля в лаборатории и на реальных объектах; обработке и анализе экспериментальных данных; написании статей и представлении докладов на конференциях. Системное программное обеспечение мобильного экспериментального комплекса разработано непосредственно автором.

Соответствие диссертации научной специальности.

Диссертация соответствует специальности 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий. Представленные в ней результаты соответствуют п. 3 «Разработка, внедрение и испытание приборов, средств и систем контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, имеющих лучшие характеристики по сравнению с прототипами», п. 6. «Разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения процессов обработки информативных сигналов и представление результатов в приборах и средствах контроля, автоматизация приборов контроля».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 169 страниц машинописного текста, 72 рисунка, 13 таблиц, 155 наименований использованной литературы и 25 наименований работ автора, опубликованных по теме диссертации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность, формулируется цель и задачи исследований, научная новизна и практическая значимость проведенных разработок и исследований.

В первой главе рассмотрены возможные источники ЭМ полей и индуктивных помех, генерируемых электрооборудованием и элементами ЭЭС в широком диапазоне частот, степень их воздействия на работу электрооборудования.

Отмечается, что ЭМ излучения, генерируемые электрооборудованием и элементами ЭЭС, отнюдь не ограничиваются, как видно из табл. 1, полосой частот, в которой лежит промышленная частота и её обычно учитываемые гармоники. Так, например, во время коммутации выключателей и разъединителей высокого напряжения (ВН) на электростанциях и подстанциях возникают высокочастотные (ВЧ) ЭМ помехи высокого уровня напряженности вследствие резкого изменения поля в зоне межконтактного промежутка, возникновения и последующего гашения электрической дуги, а также в результате скачка напряжения на шинах ВН распределительного устройства подстанции. Из-за изменения напряжения в первичной цепи в ней происходит переходный процесс и наблюдается появление колебательных затухающих импульсов тока и напряжения, которые излучаются во внешнюю среду. Такого рода ЭМ поля могут оказывать существенное влияние на устойчивость работы электроэнергетических систем и оборудования промышленных предприятий, включая системы

релейной защиты и автоматики (РЗиА), системы управления и информационные сети на предприятии.

Таблица 1

Сводная информация по источникам ЭМ полей с частотными диапазонами ЭМ излучения

Источники ЭМ поля Диапазон частот, МГц

Электроприемники промышленных предприятий:

Электродвигатели от 0,00005

Сварочное оборудование от 0,00005

Коммутационные аппараты:

Разъединители 0,5 - 200

Выключатели 0,1 - 100

Турбогенераторы: 0,00005 - 3000

Силовые трансформаторы: 0,00005 - 3000

ВЧ источники передачи:

Радиовещательные передатчики 0,014-2000

Навигационные средства 1000-30000

Устройства дистанционного управления 27-1000

Грозовые разряды и молнии, токи короткого замыкания: 0,00005 - 3000

Линии электропередачи:

Кабельные линии 0,00005 - 10000

Воздушные линии 0,00005 - 10000

Приведены некоторые из результатов исследований ЭМ полей, выполненных известными научно-исследовательскими центрами.

Представлен анализ всего спектра существующих средств измерения ЭМ полей с учетом возможности их применения для комплексного мониторинга ЭМ обстановки на объектах энергетики и промышленности, проведена их классификация по таким характеристикам, как диапазон частот, тип применяемых антенн, количество независимых каналов, возможность автоматической записи временных реализаций сигнала, корреляционно-спектральной обработки регистрируемой информации и визуализации характеристик поля в режиме реального времени, возможность управления экспериментом в ходе его выполнения. Это позволило установить, что имеющееся оборудование не позволяет обеспечить необходимого комплексного исследования ЭМ полей, а также выработать обоснованный подход к созданию средства измерения и разработке методики контроля ЭМ ситуации на предприятиях промышленности и энергетики.

Во второй главе диссертации на основе проведенного анализа источников ЭМ полей и существующих средств, предназначенных для их измерения, сфор-

мулированы основные функциональные требования к разрабатываемому оборудованию:

1) мобильность, малогабаритность, независимое питание;

2) широкий диапазон частот;

3) возможность сканирования всего частотного диапазона и определяемых программой эксперимента поддиапазонов;

4) многоканальный режим записи длительных временных реализаций процесса;

5) направленность антенных систем для пеленгации источников;

6) возможность как автоматической работы по заранее заданной программе, так и оперативного, в реальном времени, управления экспериментом с консоли оператора;

7) возможность предварительной обработки (тестирование процесса на стационарность, сглаживание, цифровая фильтрация и т.п.) и корреляционно-спектрального анализа записываемых реализаций в реальном масштабе времени с графической визуализацией результатов;

8) относительно невысокая стоимость в сравнении с другими измерительными системами.

С учетом сформулированных требований была разработана архитектура создаваемого комплекса, выполнена детальная проработка характеристик элементов структуры, алгоритмов их взаимодействия, осуществлен выбор (на основе соответствующих маркетинговых исследований) конкретных составляющих и комплектация оборудования с согласованием функционирования его компонентов.

В состав экспериментального комплекса (рис. 1) вошли:

1) магнитная антенна (рамка);

2) система антенн, состоящая из трех электрических антенн;

3) блок переключения электрических антенн 8А-5000;

4) цепь управления переключением антенн;

5) широкополосный приемник типа АЯ-5000А;

6) блок переключения выходов приемника;

7) блок переключения АЦП;

8) многоканальный быстродействующий модуль с АЦП и ЦАП Е14-440;

9) многоканальный быстродействующий модуль с АЦП и ЦАП Е20-10;

10) программный демультиплексор;

11) компьютер с пакетами программ корреляционной и спектральной обработки информации, а также графической визуализации результатов регистрации и анализа, работающих под управлением диалоговой программы-супервизора;

12) система синхронизации комплекса по времени;

13) GPS (GPRS) приемник;

14) рубидиевый стандарт частоты;

15) система питания комплекса с возможностью питания от электрической сети 220 В через адаптер 12 В (16), от дизельного генератора электроэнергии (17) и аккумуляторной батареи большой емкости (18).

На рис. 2 представлен общий вид основных функциональных модулей мобильного комплекса. Далее в главе приведено описание архитектуры и состава оборудования, рассмотрены функциональные возможности и даны основные технические характеристики созданного мобильного экспериментального комплекса для исследования ЭМ полей, генерируемых электрооборудованием и элементами

ЭЭС в диапазоне частот 5 кГц - 2600 МГц.

В третьей главе приведено описание системного и прикладного программного обеспечения мобильного экспериментального комплекса, рассмотрены принципы и методы управления экспериментом по регистрации ЭМ полей, анализа и обработки данных эксперимента с визуализацией результатов.

Главной функциональной возможностью экспериментального комплекса является регистрация ЭМ полей, генерируемых электрооборудованием и элементами ЭЭС в широком диапазоне частот, и обработка полученных данных в реальном масштабе времени. Реализация этого требует программного управления экспериментом и комплексного подхода к обработке получаемых массивов данных. Для этого используется разработанная в диссертации программа — супервизор (Supervisor 1.2). На рис. 3 представлен внешний вид диалогового окна программы.

В левой половине рабочего окна супервизора расположена область управления экспериментом. В верхней ее части находятся кнопки функциональной настройки программного модуля на решение соответствующих задач корреляционного и спектрального анализа. Внизу данной области расположены окна ввода параметров регистрируемых реализаций сигнала (количество блоков, имя файла, частота ввода данных) и управляющие кнопки: старт - стоп записи, перемотки записанной информации, и кнопка перезагрузки программы. В правой части рабочего окна расположена область визуализации результатов измерения, имеющая два графических окна. Каждое окно имеет возможность индивидуальной настройки по выводу графической информации. При этом в нижнем окне могут визуализироваться в реальном времени результаты вычисления корреляционных функций, амплитудного и фазового спектров, спектра мощности,

свертки и динамического спектра исследуемого процесса.

Тестирование информации на стационарность является весьма важным моментом при статическом и спектральном анализе, это связано с необходимостью дифференцированного подхода при обработке данных в случаях стационарных и нестационарных процессов. Нестационарность, которая возникает вследствие изменения среднего значения временного ряда, может, помимо прочего, маскировать эффект большой мощности на низких частотах. Между тем, достоверность спектральных оценок тем выше, чем ближе временной ряд к стационарному.

0 Злтсь д»№сс в 0 Т«сг>*хмл па ствяонвеиосп.

1 ft f 1 \ Ii У

0СП.ОРНО»"«»" @Дтттуд>*Л спастр У V V V

—-—-1 — ЦА __ I ннинн ¡3

ЕЕ

»я» нят iso ооо гида ясаю зшооо яоо»

Рис. 3. Диалоговое окно программы Supervisor 1.2

Под стационарностью процесса понимается стационарность в широком смысле, когда математическое ожидание М[х(г)]=сои5? и корреляционная функция процесса зависят только от г = - и не зависят от времени (. Задача, таким образом, заключается в проверке записываемого массива на данное условие, состоящей в оценке величины введенного в работе критерия

0 =1:Хн) = -±-±-±\г(т,к)-г(т,к]\ при Л?^>00,

где г(т,А:,) - элемент корреляционной матрицы к-ж реализации.

В основе структуры алгоритмико-программной части экспериментального комплекса лежит алгоритм Кули-Тьюки быстрого преобразования Фурье (БПФ).

Обработка экспериментальных данных состоит в построении амплитудных, фазовых спектров и спектра мощности, вычислении авто- и кросскорреля-ционных функций (АКФ и ККФ), сверток и т.д. В программной части комплекса эти процедуры реализованы как программные модули, выполняющие необходимые преобразования по алгоритмам БПФ.

1) Кросс — корреляционная функция (ККФ)

Вычисление ККФ осуществляется в соответствии со схемой - рис. 4.

2) Автокорреляционная функция (АКФ)

Вычисление АКФ осуществляется аналогично при формальной замене на схеме У—>Х(у—>х).

БПФ ,_

{хт-»{сх т - {сх да}

I

, ОБПФ , Л ■ , ®=>{с2(к)}--*{г(т)}

т

БПФ г ,

{ут->{су(к-)}

Рис. 4. Схема вычисления ККФ с использованием БПФ (Сх{к\Су{к) -последовательности коэффициентов Фурье соответствующих рядов)

3) Свертка

Вычисление свертки выполняется без операции комплексного сопряжения первой последовательности (см. рис. 4).

Амплитудный и фазовый спектры представляют собой последовательности [С,. (А;)| и <ру (&) = (к)/Ку (&)} (/ и К - мнимые и действительные части

коэффициентов Фурье, соответственно), спектр мощности — |си .

В программные модули супервизора входят следующие компоненты: программа записи массива данных в ОЗУ и/или на жесткий диск, программа тестирования записываемой информации на стационарность, модуль обработки нестационарного ряда, программы спектрального и корреляционного анализа, базирующиеся на использовании алгоритма Кули-Тьюки вычисления БПФ, как центральном ядре программного модуля корреляционно-спектрального анализа. Это позволяет выполнять корреляционный и спектральный анализ регистрируемого массива данных, строить динамические спектры, наглядно иллюстрирующие изменение амплитудно-частотных характеристик ЭМ излучения во времени. Функциональные возможности программной части комплекса, таким образом, дают возможность осуществления комплексного мониторинга ЭМ обстановки с целью исследования пространственно-временной и корреляционно-спектральной структуры ЭМ полей, генерируемых электрооборудованием и элементами ЭЭС. Существующие на данный момент времени средства измерений, используемые для изучения ЭМ полей на объектах ЭЭС и промышленных предприятий, не имеют специализированного программного обеспечения, включающего в себя такой спектр возможностей по анализу ЭМ полей.

В четвертой главе описана методика подготовки мобильного экспериментального комплекса к проведению исследований по регистрации ЭМ излучений электрооборудования и элементов ЭЭС. Она включает в себя: разработку программы эксперимента, подготовку программного модуля и настройку оборудования комплекса.

Разработка программы эксперимента включает в себя следующие этапы:

На рис. 6 приведен пример результатов аналогичных измерений, выполненных в районе заводоуправления предприятия ОАО ПО "Завод имени Серго", г. Зеленодольск. По имеющейся информации, в этом районе установлены следующие потребители электрической энергии: преобразователи частоты электродвигателей GFW-0,9 110 кВт; VLT-8252 160 кВт; ТПЧ-320-05/160-04, автомат низкотемпературного отжига AHO; автомат отжига и закалки АОЗ. Все эти потребители излучают ЭМ поля частотой до сотен мегагерц. Здесь же отчетливо видно, что помимо гармоник промышленной частоты в течении всего интервала измерений присутствуют излучения на частотах -600 кГц (~50 дБ), -750 кГц (-90 дБ), -1200 кГц (-50 дБ), -2200 кГц (-50 дБ). В режиме амплитудной демодуляции наблюдалась аналогичная картина.

2500 22 SO 2000 17SO if 1SOO g"12SO Jr-iooo - Щ 120 Ш100 1 во - 60 - 20

soo 2SO 5 14:3 2:43 14:23 13 14:23 l_T (вес) 43

Рис. 6. Динамический спектр (5 кГц - 2,5 МГц). Заводоуправление. Частотная демодуляция

а)

22S0 2000 175 О gieoo t 140

1-1 ООО 750 SOO 250 ЮО 80 бо

12 02 13 12 02 ЛЗ 12 03 13 Ob

6)

2 SSO 17SO ; loo 60

iisso JTlQOO 20

soo - J -2 О -40

Э5 13 12 05 43 12 Об CT faec) із' Db

Рис. 7. ГПП: а) частотная, б) амплитудная демодуляция

На рис. 7 приведены динамические спектры ЭМ излучений вблизи главной понизительной подстанции (ГПП) предприятия ОАО ПО "Завод имени Серго" (восточная сторона цеха по сборке холодильников), зарегистрированные как в режиме частотной, так и в режиме амплитудной демодуляции принимаемого сигнала в диапазоне 5 кГц — 2500 кГц. Измерения выполнялись непосредствен-

но вблизи силовых кабельных линий (КЛ) 10 кВ. Отчетливо видно, что помимо гармоник промышленной частоты в течение всего интервала измерений присутствуют мощные излучения на частотах -700 кГц (-130 дБ), -1450 кГц (-145 дБ).

Из сравнения приведенных результатов можно, в частности, заключить, что генерируемые кабельными сетями (10 кВ) и силовым электрооборудованием, установленным на ГПП завода (трансформаторы ТМС-2500/10, высоковольтные элегазовые выключатели 100SFMT-40E), излучения промодулиро-ваны как по частоте, так и по амплитуде, что, по-видимому, определяется весьма сложной пространственно-временной структурой и динамикой ЭМ поля вблизи энергонасыщенных объектов. Кроме трансформаторов, выключателей и KJI ВН, свой вклад в спектр ЭМ излучений вносят установки потребителей, размещенные в близрасположенных цехах и помещениях (преобразователи частоты электродвигателей котельной MFC710 55 кВт и закалочная установка JI3-107, генерирующие ЭМ поле в диапазоне частот 5 кГц -900 МГц).

На рис. 8-10 представлены примеры результатов измерения ЭМ поля на п/ст. "Аэропорт" Приволжских электрических сетей Республики Татарстан. Видно, что в «низкочастотном» диапазоне (рис. 8) на территории подстанции наблюдается сложная ЭМ обстановка, связанная с наличием постоянно действующих источников узкополосного излучения. При этом в высокочастотном диапазоне 2,5 - 1280 МГц наблюдалось промодулированное как по амплитуде, так и по частоте достаточно мощное излучение -1100 МГц (-100 дБ). Предположительно, источником этого высокочастотного излучения может являться система навигации аэропорта Казань, находящегося неподалеку (см. табл. 1, с. 8). Не исключено также, что свой вклад в общую ЭМ картину вносит высоковольтное электрооборудование подстанции.

2500 2250 і 100

2000 1750 5Г 1500 - 80 60 40

1*1250 Ш 1000 750 500 250 - 20 0 -20 -АО -60

9:' 33:28 9 33.58 Э 34:28 LT (sec) Db

Рис. 8. Динамический спектр (5 кГц -2,5 МГц). Электрическая антенна. Амплитудная демодуляция

На рис. 9, 10 представлены примеры динамических спектров ЭМ поля, полученных в течение одноминутных интервалов измерения на магнитную антенну (с варьированием пространственной ориентации рамки) в «низкочастотном» (5 кГц - 2,5 МГц) диапазоне. На рис. 9 можно видеть, что при ориентации нормали рамки под азимутальным углом 0° к направлению на места расположения силового оборудования подстанции в режиме частотной демодуляции наблюдаются мощные излучения на частотах 700 кГц (—100 дБ), -1300 кГц (-40

пеленгационные измерения. Однако такого рода исследования, связанные с изучением ЭМ обстановки и источников ЭМ полей на конкретном предприятии, выходят далеко за пределы целей и задач диссертационной работы.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В работе получены следующие основные результаты.

1. Проведена классификация существующих на данный момент времени средств измерения ЭМ полей по'целому ряду признаков - диапазон частот, тип применяемых антенн, количество независимых каналов, возможность автоматической записи временных реализаций сигнала, корреляционно-спектральной обработки регистрируемой информации и визуализации характеристик поля в режиме реального времени, возможность управления экспериментов в ходе его выполнения. Это позволило выработать обоснованный подход к созданию средства измерения и разработки методики комплексного контроля (мониторинга) ЭМ ситуации на объектах промышленности и энергетики.

2. Разработана алгоритмическая структура системы анализа данных в экспериментальных исследованиях пространственно-временных характеристик ЭМ полей и создан программный модуль управления экспериментом по регистрации ЭМ полей, обработке и анализу полученных данных с возможностью графической визуализации результатов эксперимента в реальном масштабе времени.

3. Выполнена детальная проработка характеристик элементов структуры, алгоритмов их взаимодействия, выбор (на основе соответствующих маркетинговых исследований) конкретных составляющих и комплектация оборудования с согласованием функционирования его компонентов. Разработан и создан мобильный комплекс для измерения ЭМ полей, генерируемых электрооборудованием энергетики и промышленности в диапазоне частот 5 кГц - 2600 МГц, по-видимому, не имеющий аналогов как в России, так и за рубежом, с помощью которого можно проводить измерения, обработку и графическую визуализацию результатов в задачах исследования пространственно-временной структуры ЭМ полей, т.е. осуществлять комплексный мониторинг ЭМ обстановки на предприятиях энергетики и промышленности.

4. Разработана методика проведения экспериментальных измерений ЭМ полей с помощью мобильного экспериментального комплекса, которая позволила выполнить исследования спектральной структуры ЭМ поля в диапазоне частот 5 кГц - 2,5 ГГц на ряде реальных объектов энергетики и промышленности с целью изучения общей ЭМ ситуации и анализа наличия источников ЭМ помех на территориях данных предприятий, а также установления возможных причин потенциальных ложных срабатываний систем РЗиА - в контексте решения проблем ЭМС и обеспечения безопасности персонала.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях:

1. Асадуллин А.И., Белашов В.Ю. Исследование ЭМ полей, генерируемых электрооборудованием и элементами ЭЭС. Часть 1. Характерные источни-

ки ЭМ полей в ЭЭС. Средства измерения ЭМ поля // Изв. вузов. Проблемы энергетики.-2011.-№ 11-12.-С. 98-105.

2. Асадуллин А.И., Белашов В.Ю. Исследование ЭМ полей, генерируемых электрооборудованием и элементами ЭЭС. Часть 2. Мобильный экспериментальный комплекс для исследования ЭМ полей в широком диапазоне частот // Изв. вузов. Проблемы энергетики. - 2012. - № 1-2. - С. 46-59.

3. Асадуллин А.И., Белашов В.Ю. Мобильный экспериментальный комплекс для исследования электромагнитных полей, генерируемых электрооборудованием и элементами электроэнергетических систем // Промышленная энергетика. - 2012. - № 8. - С. 52-55.

4. Асадуллин А.И. Алгоритмико-программная часть экспериментального комплекса по исследованию ЭМ полей, генерируемых электрооборудованием // Труды Всеросс. научно-техн. конф. студентов, магистрантов, аспирантов «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов». Тольятти: ТГУ, 2007. - С. 130-131.

5. Асадуллин А.И. Мобильный экспериментальный комплекс для исследования ЭМ полей, генерируемых электрооборудованием и элементами ЭЭС // Четырнадцатая межд. научно-техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: Материалы докладов. Т. 3. М.: Изд-во МЭИ, 2008. - С. 325-326.

6. Асадуллин А.И. Исследование пространственно-временной структуры ЭМ поля в диапазоне 10 кГц - 2,6 ГГц, с помощью мобильного экспериментального комплекса // Материалы докл. III Молодежи, межд. научно-техн. конф. «Тинчуринские чтения». Казань: Изд-во КГЭУ, 2008. - С. 187-188.

7. Асадуллин А.И., Белашов В.Ю. Экспериментальные исследования флуктуаций амплитуды сигналов пространственно и частотно разнесенных радиостанций в области фронтов солнечного терминатора // Материалы докл. Межд. научно-техн. конф. «Энергетика-2008: инновации, решения, перспективы». Кн. 3. Казань: КГЭУ, 2008. - С. 99-101.

8. Асадуллин А.И. Экспериментальные исследования спектра ЭМ поля в диапазоне частот 5 - 5,5 МГц // Материалы докл. IV Молодежи, межд. научно-техн. конф. «Тинчуринские чтения». Кн. 1. Казань: КГЭУ, 2009. - С. 272-274.

9. Асадуллин А.И. Исследования ЭМ полей, генерируемых электрооборудованием и элементами ЭЭС // Шестнадцатая межд. научно-техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: Материалы докладов. Т.З. М.: Изд-во МЭИ, 2010. - С. 466-467.

10. Асадуллин А.И. Методы корреляционного и спектрального анализа информации в экспериментальных исследованиях ЭМ поля // Материалы докл. V Молодежи, межд. научно-техн. конф. «Тинчуринские чтения». Кн. 1. Казань: Изд-во КГЭУ, 2010. - С. 259-260.

11. Асадуллин А.И. Алгоритм обработки данных в экспериментальных исследованиях ЭМ полей генерируемых электрооборудованием и элементами ЭЭС // Семнадцатая межд. научно-техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» : Материалы докладов. Т. 3. М.: Изд-во МЭИ, 2011.-С. 315-317.

12. Асадуллин А.И. Мобильный экспериментальный комплекс для исследования электромагнитных полей, генерируемых естественными и искусственными источниками // Материалы докл. VI Молодежи, межд. научно-техн. конф. «Тин-чуринские чтения». Т. 3. Казань: КГЭУ, 2011. - С. 182-183.

13. Асадуллин А.И., Белашов В.Ю. Мобильный экспериментальный комплекс для исследования ЭМ полей, генерируемых в широком диапазоне частот естественными и искусственными источниками // XXIII Всеросс. науч. конф. «Распространение радиоволн»: Материалы докладов. Т. 1. Йошкар-Ола: Мар-ГТУ, 2011.-С. 295-298.

14. Асадуллин А.И., Белашов В.Ю. Мобильный экспериментальный комплекс для исследования ЭМ полей, генерируемых элементами ЭЭС // VII Всеросс. научно-техн. конф. с междунар. участием, посвящ. 50-летию приборостр. факул. «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства»: Материалы докладов. Ижевск: ИжГТУ, 2011. — С. 225-227.

15. Асадуллин А.И. Исследование пространственно-временной структуры ЭМ полей естественных и искусственных источников с помощью мобильного экспериментального комплекса // XV Всеросс. научн. конф. студентов-радиофизиков: Материалы докладов. Санкт-Петербург: Изд-во «Соло», 2011. -С. 11-13.

16. Асадуллин А.И. Системное программное обеспечение мобильного экспериментального комплекса для исследования ЭМ полей, генерируемых электрооборудованием и элементами ЭЭС // XVIII Межд. научно-техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: Материалы докладов. Т. 2. М.: Изд-во МЭИ, 2012. — С. 231-232.

Подписано в печать 28.12.12. Бумага офсетная. Печать цифровая. Формат 60x84 1/16. Гарнитура «Times New Roman». Физ. печ. л. 1.0 Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 51/2

Отпечатано с готового оригинала-макета в типографии Издательства Казанского университета

420008, г. Казань, ул. Профессора Нужина, 1/37 тел. (843) 233-73-59, 292-65-60

КГЭУ

министерство образования и науки российской федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ» (ФГБОУ ВПО «КГЭУ»)

042013561 3 5 На правах рукописи

АСАДУЛЛИН Артур Ильдарович

МОБИЛЬНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ, ГЕНЕРИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕМ И ЭЛЕМЕНТАМИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ,

материалов и изделий

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор физико-математических наук профессор В.Ю. Белашов

Казань - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................5

Глава 1. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ ГЕНЕРИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕМ И ЭЛЕМЕНТАМИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ЭМ ПОЛЯ.......................................................................................................20

1.1. Общие положения.................................................................................20

1.1.2. Искажение сигналов в антенных цепях..........................................32

1.1.3. Попадание помех на входы питания аппаратуры.........................32

1.1.4. Протекание токов помех по металлическим корпусам аппаратуры и экранам кабелей....................................................................33

1.1.5. Непосредственное воздействие внешних полей на внутренние цепи аппаратуры............................................................................................35

1.2. ЭМ поля, создаваемые коммутационными аппаратами высокого напряжения.....................................................................................................37

1.3. ЭМ поля, создаваемые воздушными и кабельными линиями электропередач высокого напряжения........................................................47

1.4. ЭМ поля, создаваемые грозовыми разрядами и молниями, токами короткого замыкания.....................................................................................51

1.5. ЭМ поля, создаваемые ВЧ источниками............................................54

1.6. Средства измерения ЭМ поля.............................................................55

1.7. Заключение............................................................................................61

Глава 2. АППАРАТНАЯ ЧАСТЬ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭМ ПОЛЕЙ, ГЕНЕРИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕМ И ЭЛЕМЕНТАМИ ЭЭС В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ................................................................................62

2.1. Цели и задачи экспериментов и основные функциональные требования к архитектуре комплекса..........................................................62

2.2. Базовая архитектура и аппаратная часть комплекса.........................64

2.3. Основные структурные элементы.......................................................66

2.3.1. Широкополосный сканирующий приемник AR5000A. Адаптация в архитектуру комплекса. Интерфейсы........................................................66

2.3.2. Антенная система комплекса..........................................................69

2.3.3. Канал ввода информации с частотой опроса менее 400 кГц. Многофункциональный быстродействующий модуль с АЦП и ЦАП Е14-440. Структура. Интерфейс........................................................................70

2.3.4. Канал ввода информации с частотой опроса более 400 кГц. Многофункциональный быстродействующий модуль с АЦП и ЦАП Е20-10. Структура. Интерфейс..........................................................................72

2.3.5. Система электропитания комплекса.............................................76

2.4. Основные характеристики и функциональные возможности экспериментального комплекса....................................................................77

2.5. Заключение............................................................................................81

Глава 3. ПРОГРАММНАЯ ЧАСТЬ КОМПЛЕКСА...................................84

3.1. Вводные замечания..............................................................................84

3.2. Программа - супервизор......................................................................84

3.3. Системное программное обеспечение и обработка данных, реализуемая комплексом ЬСгарИ.................................................................87

3.4. Анализ и обработка данных эксперимента........................................89

3.4.1. Тестирование информации на стационарность..........................90

3.4.2. Обработка нестационарных рядов.................................................96

3.4.3. БПФ, как центральное ядро системы обработки........................97

3.5. Заключение..........................................................................................101

Глава 4. МЕТОДИКА И ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА.......................................................................................102

4.1. Разработка программы эксперимента..............................................102

4.2. Подготовка программного модуля...................................................102

4.3. Настройка оборудования комплекса................................................103

4.4. Заключение..........................................................................................106

Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭМ ПОЛЕЙ, ГЕНЕРИРУЕМЫХ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ С ПОМОЩЬЮ МОБИЛЬНОГО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО КОМПЛЕКСА..............................................................................................107

5.1. Экспериментальные исследования в лабораторных условиях

(КГЭУ, Лаборатория ЭМ поля и ЭМС).....................................................107

5.2. Экспериментальные исследования на реальных объектах............110

5.2.1. ЛЭП110 кВ (ТЭЦЗ - n/cm. Зеленодольская).................................110

5.2.2. ОАО ПО «Завод имени Серго».......................................................117

5.2.3. Приволжские электрические сети (п/ст. "Аэропорт").............130

5.3. Заключение..........................................................................................141

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................142

Приложение..................................................................................................146

Список литературы......................................................................................149

ВВЕДЕНИЕ

Исследование электромагнитных (ЭМ) полей генерируемых электрооборудованием и элементами электроэнергетических систем занимают важное место в проблеме электромагнитной совместимости (ЭМС). Оно является чрезвычайно актуальной проблемой, поскольку связано с задачей ЭМС промышленных предприятий, устойчивостью и безаварийностью работы оборудования, а также с вопросами безопасности жизнедеятельности электротехнического и другого персонала, обслуживающего электроустановки и электротехнические системы. Поскольку экспериментальные исследования ранее проводились только для промышленной частоты, результаты создания экспериментального комплекса и изучение ЭМ полей в широком диапазоне частот будут являться, безусловно, новыми. В наше время, одна из серьезных и сложных проблем является оценка ЭМ полей вблизи электроэнергетических объектов, так как там сконцентрированы сложные электрические соединения и строительные конструкции. В настоящее время термин «электромагнитная совместимость» все чаще употребляется в связи с проблемой обеспечения надежности систем контроля, управления и связи, реализованных на базе цифровой техники и работающих в условиях реальных объектов. Для реальных объектов характерно неидеальное качество систем питания и заземления, высокая вероятность воздействия значительных электромагнитных помех (например, при молниевом разряде). Под ЭМС в данном контексте понимается способность используемого оборудования нормально работать в электромагнитной обстановке на объекте, где оно размещается. Термином электромагнитная обстановка обозначается совокупность уровней помех, характерных для конкретного объекта. Сюда же можно добавить условия, от которых зависит помехоустойчивость аппаратуры.

Считается, что электромагнитная обстановка на энергетических и промышленных предприятиях является очень жесткой. Однако нужно понимать, что уровни помех даже на однотипных предприятиях могут быть совершенно разными. Существенную роль играют такие факторы, как отклонения от проекта в ходе его реализации, старение заземляющего устройства, проведенные модернизаций и т.п. Поэтому оценка электромагнитной обстановки на любом конкретном предприятии требует индивидуального подхода. Обычно электромагнитная обстановка тем хуже, чем выше энерговооруженность предприятия. Следовательно, установка оборудования на основе микропроцессорной технологии на энергоемких производствах и объектах электроэнергетики требует тщательного подхода к защите от электромагнитных помех. При этом нельзя забывать, что на предприятиях могут появляться ЭМ помехи внешнего происхождения.

Под внешними понимаются излучения, генерируемые в широком диапазоне частот внешними по отношению к оборудованию источниками самой разнообразной природы. В качестве таких источников, могут выступать различные элементы электротехнических систем, генерирующие ЭМ поля, например, близ расположенные линии электропередачи, коммутационные устройства и токоограничители, приемники и преобразователи электрической энергии низкого и высокого напряжения, а также электрические молниевые разряды, различного рода мощные излучатели ЭМ энергии (например, мощные СВЧ - системы, радиопередатчики и локаторные системы), источники ионизирующего излучения и т.д.

Результаты измерений, выполненных рядом организаций, показывают, что даже при экранировании кабельных линий (КЛ) и линий каналов связи, значительно снижающего степень воздействие внешнего ЭМ поля, амплитуды наведенных напряжений в жилах таковы, что с ними приходится считаться, когда идет речь, о безопасной работе микропроцессорной техники. Кроме того, проблема ЭМС приобретает особую значимость при

решении вопросов эффективной защиты информационных потоков в системах управления, связи и телекоммуникации, используемых на энергетических объектах. Таким образом, возникает необходимость оценивать степень воздействия внешних ЭМ полей, а также наводимых ими напряжений и токов, и, следовательно, на показатели качества электрической энергии -для силовых (питающих) KJI и вторичных цепей, и достоверность передаваемой информации (управляющих сигналов) - для систем управления электротехническими объектами и систем связи. Необходимость в результатах исследований проблемы внешних ЭМ воздействий существует как на стадиях конструирования, проектирования, монтажа и эксплуатации электротехнических систем и комплексов, так и при их реконструкции.

Следует также отметить, что в последние годы в России, как и в других странах мира, получает все большее распространение использование чувствительного электронного оборудования и компьютерной техники в электротехнических системах - это всевозможные электронные аппараты защиты, средства компьютерного контроля и управления энергетическими системами, использующие кабельные и радиоканалы передачи информации. Это обстоятельство, конечно, подразумевает, что питающие такое оборудование линии и линии, использующиеся для обмена управляющими (информационными) сигналами, требуют экранирования. Актуальность соответствующих исследований определяется, таким образом, их направленностью на решение проблем, связанных с различными аспектами электромагнитной совместимости и надежности функционирования электрических систем и их элементов. Об актуальности перечисленных проблем говорит хотя бы то, что в последние два десятилетия данным вопросам уделяется особое внимание целым рядом международных научных организаций и научной общественностью. Так, в разных странах под эгидой Международного радио союза (URSI) и Международного Института электроинженеров (IEEE) регулярно проводятся международные конференции и

симпозиумы по электромагнитной совместимости, в которых весьма активно работают секции по ЭМС в электроэнергетике и транспорте, воздействию ЭМ полей на кабельные системы и биологические объекты и т.п. СIntern. Wroclaw Symp. on EMC - Poland - 1984, 1988, 1990, 1992, ..., ,2004 гг., Intern. Symp. on EMC - Japan - 1993, 1996, 1999, 2002 гг., Intern. Symp. on EMC - Italy - 1997 г. и т.д.).

Характерными источниками ЭМ воздействий, которые могут влиять на работу автоматических и автоматизированных систем технологического управления электротехнических объектов на электрических станциях и подстанциях, крупных промышленных предприятий, могут быть вызваны следующими процессами [1-6]:

1) переходные процессы в цепях различных классов напряжения при ударах молнии непосредственно в объект или вблизи него;

2) коммутационные процессы в цепях высокого напряжения (ВН);

3) переходные процессы в цепях высокого напряжения при коротких замыканиях (КЗ), срабатывании разрядников или ограничителей перенапряжения (ОПН);

4) электрические и магнитные поля промышленной частоты, создаваемые силовым оборудованием;

5) переходные процессы в заземляющих устройствах подстанции, обусловленные токами КЗ промышленной частоты и токами молний;

6) быстрые переходные процессы при коммутациях в индуктивных цепях низкого напряжения (НН);

7) радиочастотные поля различного происхождения;

8) разряды статического электричества;

9) электромагнитные возмущения в цепях оперативного тока.

Дополнительным источником электромагнитных возмущений в ЭЭС,

которые могут вызвать сбои в работе электронного оборудования - это сварочные аппараты, осветительные приборы, мощные тяговые механиз-

мы, бытовые электроприборы и т.д. Еще имеют место источники ЭМ возмущений, такие как, переходные значения сопротивления в контактных соединениях, шумы активных и пассивных элементов, дрейф параметров элементов, разброс времени коммутации в логических устройствах, исчезновение сигналов при передачи, явление отражения волн в линиях, вибрации и микрофонный эффект в контактах, пьезоэлектрические смещения зарядов при сжатии и изгибах изоляции, а также контактные напряжения, схемо - и термоэлектрические эффекты в точках соединения проводников из различных материалов. Существуют также еще два вида воздействия, которые рассматриваются в особых ситуациях [2]:

1) ЭМ импульсы ядерных взрывов;

2) магнитное поле Земли при аномальных явлениях на поверхности Солнца.

Анализу ЭМ обстановки вблизи воздушных линий (ВЛ) электропередачи высокого напряжения было посвящено много работ. Например, в Московском энергетическом институте (Техническом университете) (МЭИ (ТУ)) был проведен ряд экспериментов, и была получена карта распределения уровней напряженности электрического поля для одноцепной и двухцепной ВЛ при разных высотах над поверхностью земли. В итоге авторы работы [2] пришли к выводу, что ширина зоны отчуждения одноцепной В Л 220 кВ (марка опоры ПУС220-1), превышает ширину зоны отчуждения двухцепной ВЛ 220 кВ (марка опоры П220-2), при более высоких максимальных значениях напряженности двухцепной ВЛ. Еще одним открытием стало, что максимальное значение напряженности электрического поля у стен зданий, построенных вблизи ВЛ, намного больше значений, которые рассчитывают в тех же точках пространства, при отсутствии зданий [1].

Остается также много вопросов, связанных с ЭМ обстановкой вблизи контактных систем высоковольтных электрических аппаратов.

Во время коммутации выключателей и разъединителей высокого напряжения на электростанциях и подстанциях вызывают ЭМ помехи вследствие резкого изменения напряжения на шинах ВН распределительного устройства подстанции и станции, а также промышленного предприятия. Из-за изменения напряжения в первичной цепи в ней происходит переходный процесс и появление колебательных затухающих импульсов тока и напряжения [2].

На данный момент существуют разные методы измерения (исследования) ЭМ полей (численно-модельные методы исследования, теоретические методы исследования). Но все эти методы требуют практического подтверждения.

Указанные соображения определяют актуальность разработки средств и методов изучения воздействия внешних источников ЭМ поля на электрооборудование, кабельные и воздушные линии различного назначения, которые позволили бы учитывать величину вклада этого поля в общую ЭМ обстановку на энергетическом или промышленном объекте при решении обозначенного выше комплекса проблем, особенно с учетом того, что, как было выяснено в процессе аналитической проработки имеющихся монографических и журнальных публикаций последних лет, а также по результатам наших теоретических и численно-модельных исследований, выполненных ранее, большинство определяющих ЭМ ситуацию на объекте помех имеют индуктивный характер[7, 8]. Кроме того, важно и решение обратной задачи - изучение ЭМ полей, генерируемых самим электрооборудованием и элементами электроэнергетических систем (ЭЭС).

Актуальность проблематики имеет, таким образом, два аспекта:

1. Изучение структуры, пространственно-временных и спектральных характеристик ЭМ полей и помех, генерируемых отдельными элементами ЭЭС (линиями электропередач (ЛЭП), коммутационными устройствами, токоограничителями, приемниками и преобразователями электроэнергии

низкого и высокого напряжения (электрические двигатели, электрические генераторы, трансформаторы и т.д.)). Это важно для оптимального, с точки зрения ЭМС, проектирования электротехнических устройств, ЭЭС и их структур, а также для изучения воздействия ЭМ полей на биологические объекты (проблемы безопасности персонала при выполнении работ в электроустановках и ЭЭС, уточнение границ санит�