автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Переходные процессы в электрических цепях технических средств при воздействии грозовых разрядов

084612724 На правах рукописи

ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЯХ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ГРОЗОВЫХ

РАЗРЯДОВ

Специальность 05.13.05 «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 8 НОЯ 2010

Москва-2010

004612724

Работа выполнена на кафедре «Теоретическая электротехника» в Московском авиационном институте (государственном техническом университете) МАИ (ГТУ).

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор зав. кафедрой.«Теоретическая электротехника»

Московского авиационного института (государственного технического университета)

Кириллов Владимир Юрьевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Москалев Александр Иванович

доктор технических наук, профессор Тумковский Сергей Ростиславович

Ведущая организация:

Государственное образовательное учреждение

Московский государственный индустриальный университет (ГОУ ГИУ)

Защита диссертации состоится " & " I £ ■ 2010 г. в /О часов на заседании диссертационного совета Д 212.125.01 при Московском авиационном институте (государственном техническом университете) по адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационного института (государственного технического университета) «МАИ».

Автореферат разослан " 3 " 11 • _ 2010 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.125.01

к.т.н., доцент. / А. В. Корнеенкова,

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Грозовые разряды сопровождают многие атмосферные явления и процессы: градо- и торнадосодержащие облака, мезомасштабные конвективные комплексы, циклоны умеренных и тропических широт. Они представляют опасность для авиации, энергетики, других отраслей экономики и населения. Увеличение интенсивности воздушного движения, широкое применение композиционных материалов, низковольтных систем управления, компьютерных сетей сопровождается количественным и качественным ростом ущерба от грозовых разрядов. По данным Национального института молниевой безопасности США (г.Луисвилл) потери гражданского сектора этой страны от поражения молниями составляют 4-5 млрд. долларов ежегодно из них: 150-200 млн. от лесных пожаров, около 2 млрд. из-за отмены авиарейсов и их переносов в другие аэропорты, 1 млрд. из-за отключений электроэнергии, 125 млн. от повреждений компьютерных сетей и др. Кроме того, с 1990 по 2000 годы на АЭС зарегистрировано 346 инцидентов, связанных с грозами. Ежегодно страховым компаниям предъявляются около 300 000 требований на возмещение убытков, вызванных молниями (в 2000 году на сумму 332 млн. долларов).

Отличительными признаками грозовых разрядов (ГР) являются широкополосное электромагнитное излучение (ЭМИ) и высокая концентрация электронов в каналах протекания разрядного тока. Молнии, представляют собой мощные разряды, образующиеся в нижних слоях атмосферы.

Молния определяется как нестационарный сильноточный электрический разряд, длина пути которого обычно исчисляется километрами. Разряд молнии переносит в среднем заряд от 140 до 250 Кл.

Полная длительность разряда молнии порядка 0,2 с, а предельный ток может достигать 200 - 300 кА. Молния выводит из строя электронные элементы и устройства. Наносит ущерб в электроэнергетике, повреждает линии электропередачи ЛЭП и подстанции, представляет опасность для нефте-, газо-резервуаров.

Грозовые разряды представляют опасность для технических средств: самолетов, ракет, судов и автомобилей. Грозовые разряды создают излучаемые электромагнитные помехи (ЭМП) в виде электрических и магнитных полей, которые воздействуют на элементы и устройства технических средств. Излучаемые ЭМП от грозового разряда ухудшают качество функционирования технических средств, могут вызывать сбои, отказы, прекращение функционирования. Прямое попадание молнии в техническое средство может привести к катастрофе.

Для обеспечения помехоустойчивости элементов и устройств от излучаемых ЭМП грозовых разрядов необходимо разрабатывать эффективные средства защиты и проверять их на испытательных стендах в лабораторных условиях. Исходными данными для проведения испытаний являются расчетные параметры электромагнитной обстановки в виде напряженности электрического и магнитного полей. Разработка программ, алгоритмов и методов расчета для различных случаев воздействия электрических и магнитных полей на технические средства позволяет определять исходные данные для разносторонних и многоэтапных испытаний элементов и устройств технических средств на воздействие грозовых разрядов.

Цель диссертационной работы

Целью диссертационной работы является: Исследование переходных процессов в электрических цепях технических средств при воздействии грозовых разрядов для улучшения качества

функционирования с учетом их использования в условиях грозовых разрядов.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

• Разработка критерия определения ближней и дальней зон распространения электрических и магнитных полей грозовых разрядов.

• Способ расчета напряженностей электрического и магнитного полей грозового разряда в ближней и дальней зонах распространения.

• Методика расчета напряжений и токов в электрических цепях технических средств индуцированных электрическим и магнитным полями грозового разряда.

• Алгоритм расчета импульсного тока для проведения исследований переходных процессов в электрических цепях технических средств при воздействии грозового разряда в лабораторных условиях.

• Методика исследования переходных процессов в электрических цепях технических средств, предназначенная для определения уровней переходных процессов при воздействии грозового разряда.

Методы исследования

При решении поставленных задач в диссертационной работе были использованы: методы математического анализа; методы теории линейных электрических цепей; теоретические основы электротехники; теория электромагнитного поля; методы оптимизации. Расчеты выполнялись с помощью компьютерных программ МаИлЬ, МаЙ1са& Научная новизна

1. Предложен критерий определения ближней и дальней зон распространения электрического и магнитного поля от канала тока молнии.

2. Получены формулы расчета напряженностей электрического и магнитного поля на основе апериодической модели тока молнии, в зоне соизмеримой с длиной канала молнии, ближней и дальней зонах распространения.

3. Разработана методика расчета индуцированных напряжений и токов в центральных проводниках экранированных кабелей при воздействии электрического и магнитного полей грозового разряда и тока молнии.

4. Разработан алгоритм расчета тока для исследования переходных процессов в электрических цепях технических средств от грозового разряда в лабораторных условиях.

5. Предложена методика исследований переходных процессов в электрических цепях технических средств от грозового разряда в лабораторных условиях.

Достоверность и обоснованность

Достоверность результатов работы основана на использовании в теоретических расчетах, в качестве исходных, обобщенных экспериментальных данных.

Практическое значение работы

1. Разработанная методика расчета напряжений в центральных проводниках позволяет определять эффективность экранов кабелей при воздействии грозовых разрядов.

2. Разработанный алгоритм расчета импульсного тока позволяет ускорить процесс исследований технических средств на воздействие грозового разряда в лабораторных условиях и сократить время их проведения.

3. Предложенная методика проведения исследований переходных процессов от грозового разряда позволять уменьшить затраты на

проектирование технических средств с учетом их использования в

условиях грозовых разрядов.

Апробация результатов работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались автором и обсуждались: на 2-ой Всероссийской конференции ученых, молодых специалистов и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике - 2009» (г. Москва 2009г.), на 8-ой научно-техническая конференции «Международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии» (г. Санкт-Петербург, 2009г.), на 8-ой международной конференции «Авиация и космонавтика - 2009» (г. Москва 2009г.), на научно-практической конференции молодых ученых и студентов МАИ «Инновации в авиации и космонавтике - 2010» (г. Москва 2010г.). Тезисы докладов опубликованы. Опубликована статья под названием «Расчет электрического поля грозового разряда» в журнале «Технологии ЭМС», Москва, 2009 г, № 2(29), 66-68 стр..

Публикации

По основным результатам выполненных в диссертации исследований опубликовано 5 печатных работ. В том числе опубликована одна статья в журнале, включенном в списке ВАК.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников. Основная часть диссертации содержит 123 страницы машинописного текста, включая 79 рисунков и 3 таблицы. Список литературы включает 39 наименований. Общий объем диссертационной работы составляет 135 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель исследований, определенны решаемые научно-технические задачи, показаны научная новизна и практическая ценность результатов, дана информация о структуре, апробации, публикациях и практическому использованию материалов диссертационной работы.

В первой главе диссертации приведено описание физической природы и даны параметры грозового разряда. Проанализированы три основные типа грозовых разрядов линейная молния, шаровая молния и тихие разряды. Проведен сравнительный анализ моделей тока молнии. Систематизированы прямые и косвенные воздействия электромагнитных помех грозовых разрядов на элементы и устройства технических средства (рис. 1). Сформулированы требования к параметрам испытательных установок. Важнейшее требование заключается в обеспечении прохождения импульса тока заданной формы через испытываемое техническое средство. Приведено описание методики испытаний технических средств на молниеустойчивость от грозового разряда.

Рис. 1. Схема воздействий грозового разряда на элементы и устройства технических средств: 1 -прямое воздействие; 2-косвенное воздействие.

Во второй главе диссертации предложен критерий для нахождения границы зон распространения излучаемых импульсных электромагнитных помех в виде электрического и магнитного поля от грозового разряда. Критерий для нахождения границы зон распространения электромагнитного поля при появлении импульсных грозовых разрядов заключается в выполнении условия:

где Шф = V / Яф- граничная частота;

V - скорость распространения излучаемых ЭМП;

Ягр - расстояние от источника ЭМП до границы раздела зон;

к - коэффициент, определяющий величину энергии излучаемой помехи в

ближней зоне;

Р (/¿у) - спектральная функция излучаемой электромагнитной помехи.

Если приемник (техническое средство) располагается на расстоянии II,, < Ягр> то, следовательно, он находится в ближней зоне, где 11^= У/со^. Расчет параметров излучаемой электромагнитной помехи - напряженностей электрического и магнитного полей осуществляется по формулам для индукционной зоны. Соответственно при Яп > Яф расчет осуществлется по формуле для дальней зоны рис. 2.

Значения коэффициента к при определения границы разделения ближней и дальней зон могут изменяться в пределах к = 0,9 - 0,98 .

Получены формулы для расчета напряженностей электрического и магнитного полей грозового разряда в зоне размером меньше или соизмеримой с длиной канала молнии на основе апериодической модели тока молнии. Схема для расчета напряженности электрического и магнитного поля на основе метода зеркального отражения приведена на рис. 3.

о

о

ближняя зона П1

дальняя зона П2

Яш

Л,

К»:

Рис. 2. Схема расположения приемника относительно источника и границы зон: П1 - приемник ЭМП в ближней зоне; П2 - приемник ЭМП в дальней зоне; Яп, - расстояние Ш от грозового разряда; Кп2 - расстояние П2 от грозового разряда; Ят <0,1Ял/>; Кпг>ШгГ

X

н

/

н

чР(х.у,г)

г /

отражения: Н - высота облака; О - величина заряда; Р - точка наблюдения;

у

__:> К-скорость распространения

импульса тока; г - высота точки наблюдения над поверхностью земли; г0 - расстояние от канала Рис. 3. Схема модели для расчета молнии; г - расстояние от напряженности электрического и магнитного до р; Г] _ расстояние от О поля на основе метода зеркального до р

Формулы вихревой Е21 и потенциальной составляющих

напряженности электрического поля грозового разряда полученные в соответствии со схемой (рис. 3) имеют вид

-С?

-а,-е 1 у '>-а2-е 1 4

и,-е I ^-а,-е ^

7г02+(г + 2')2

сЬ'

V 1 с

,/г03 + (г+г')2

где А2, ф - векторный и скалярный электродинамические потенциалы.

Результирующая напряженность электрического поля вычисляется по формуле

=—г^—г1 •

(1)

9/ Зг

Для расчета напряженностей электрического и магнитного полей грозового разряда принята модель тока молнии в виде

¿(0 = 1т(е-""-е"П-Ю-у)

где =

О , (<— . V

Временная диаграмма, напряженности электрического поля Е рассчитанной по формуле (1) приведена на рис. 4.

Е(Вм]

! \

| \ ! \ \

........................

Рис. 4. Временная диаграмма напряженности электрического поля грозового разряда: для параметров 1т=20-103А; а,= 0,0138-Ю6 с'; а2= 1,6253-Ю6 с1; г = 0 м; г = 50 м; Н=2000 м; с = 3-Ю8 м/с; У= 5-Ю7 м/с;

1= 1-Ю'6 ...200-Ю"6 с. Формула для расчета напряженности магнитного поля имеет вид

н

-I-

¿ы

г.-К

'-(Я-р?^

(2)

Временная диаграмма напряженности магнитного поля Н , для параметров :г = 50м;г = 0мв соответствии с формулой (2) приведена на рис. 5.

Рис. 5. Временная диаграмма напряженности магнитного поля Н: для параметров 1т=20-103А; а,= 0,0138- 106;а2= 1,6253-Ю6; Н=2000 м; с = 3-Ю8 м/с; У= 5-107 м/с;г= МО-6...100-Ю"6 с.

Получены формулы для расчета напряженностей электрического и магнигаого полей в ближней и дальней зонах. Изменение напряженности магнигаого поля грозового разряда во времени в дальней определяется формулой

4 жгс

а2-е

-«г(<—>

-о,«—)

изменение тангенциальной составляющей напряженности электрического поля Е(/1) имеет вид

4 71ГЕ„С

-аг(!~)

а, -е

-а, -е

-0,(1--)

где ба=8г-б0; 0=90°.

В диссертации приведены временные диаграммы, изменения тангенциальной составляющей напряженности электрического поля и напряженности магнитного поля грозового разряда в ближней и дальней зонах.

В третьей главе диссертации исследованы переходные процессы при воздействии электрического и магнитного полей в ближней зоне грозового разряда на электрические цепи. Используя эквивалентные схемы расчета исследована реакция цепи в виде межблочной симметричной линии связи при воздействии электрического и магнитного поля грозового разряда.

Токи и напряжения в линии связи определяются по формулам при условии подстановки в них (1) и (2)

2-Ьк.х.е^т и (А = 2'/ - /!• ^

^ Л

При значениях г=50м, г=0м, временные диаграммы напряжения и тока индуцированных грозового разряда в линии длиной /=1м, с диаметром проводников 2а=0.001м и расстоянии между ними И=0.01м, приведены на рис. 6 и рис. 7.

ПА]

и[В]

_

V---- : ;

■

г.;:"1 ; ;-::"'г[с}

/

» 1>:г! *.цг» кит' и."! 1д1У*»[с] Рис. 6. Временная диаграмма тока I Рис. 7. Временная диаграмма в линии связи. напряжения и в линии связи.

Разработана программа расчета напряжений и токов на экране заземленного кабеля (рис.8) под воздействием магнитного поля грозового разряда апериодической формы

Временные диаграммы напряжений и токов на экране кабеля полученные с помощью разработанной программы для кабеля для значений, например, Ят=1000[А/м]; а,=1,2288-104с"'; а2=2,63 76-106с'; /=500м; Ь=0,01м приведены на рис. 9.

экран

® н э 1

ш

Рис. 8. Эквивалентная схема экрана кабеля в виде цепи с распределенными параметрами.

![А]

у у—: х=0 х=0 .— х=0 .91

и

\ г/ \

у

1

и[В]

Рис. 9. Временные диаграммы тока и напряжения, для Нт=1000[А/м]; а,1=\,22ПЛ0Асл\ а2=2,6376-10бс"1; /=500м; Ь=0,01м; х=0,1/, х=0,5/, х=0,9/.

Разработана методика расчета напряжения индуцированного на центральном проводнике кабеля под воздействием грозового разряда. Для расчета используется формула сопротивления связи представлена в виде

2св{т) = -

(1+7)

1л-г.. -и-

•втЬ

/©■//•(г

где г0 - радиус оболочки кабеля;

О + №

+ ]0)М ,

(3)

а - удельная проводимость материала оболочки, См/м;

^ _ | 2 _ толщина скин-слоя материала оболочки, м; \a-fj-cr

<1- толщина оболочки кабеля, м ;

}аМ-сопротивление утечки через неоднородности экрана в виде оплетки. Частотная диаграмма сопротивления связи с экраном состоящим из трех оплеток приведена на рис.10.

Расчет индуцированных на центральном проводнике кабеля с тремя оплетками напряжения осуществляется по формуле

Щ0 = и(р) = 1(р)-гш(р) (4)

1

где гст(р) =

Т2р2+тр+п

+ рМ ,

(5)

1(р) - изображение по Лапласу тока на экране кабеля создаваемого грозовым разрядом.

гсз[нОмм]

Рис Ю.Частотная зависимость сопротивления связи для гибкого коаксиального кабеля с тремя оплетками: го=2-10'3м; ст=5,6- 107См/м; ца=цг-ц0; цг=1; цо=4-л-10"7Гн/м; <1=0,Ы0'3м; г,= 50 Ом;

со[раЯ/с] ^£ = 45б7.10~ПГН/0М-М.

Коэффициенты Т, гп, п определяются при аппроксимации модуля функции (3) модулем функции (5) с помощью итерационного метода Ньютона. Для значений го=2-10 Зм; ст=5,6-107См/м; ца=цг-ц0; Цг=1; с1=0,1-10"3м,

Ио=4-я-10"7Гн/м; М=4,67-10'12Гп/0.м.м коэффициенты в выражении (4) имеют вид

Т = 6,4932 • ¡О"6,, п=75,9567—, ш = 7,1742 • 1(Г6 М'С

мОм

I мОм' ' мОм' ' мОм

Временная диаграмма напряжения на центральном проводнике кабеля с экраном из трех оплеток при протекании по экрану тока грозового разряда /(/) = 1т(е~аг'-е~"у')с параметрами 1т=10 кА , а1= 0,0138-Ю6 с'1, а2 =

1,6253-Ю6 с'1, приведена на рис.11.

.«•([С]

Рис. 11. Временная диаграмма напряжения на центральном проводнике кабеля с тремя оплеткам.

В четвертой главе диссертации предложена методика исследований переходных процессов в электрических цепях технических средств при воздействии грозовых разрядов в лабораторных условиях.

Исследование сложных технических средств связано со значительными материальными и временными затратами, поэтому выбор алгоритма исследования переходных процессов является одной из главных задач. В общем случае алгоритмы исследования строятся по следующей схеме:

- определяется неработоспособное техническое средство;

- определяется отказавшее устройство технического средства с максимально возможной точностью;

- находится элемент(ы), вызвавшие отказ устройства. При проведении исследований переходных процессов при воздействии грозовых разрядов в лабораторных условиях создаются преднамеренные высоковольтные разряды. В результате воздействия электрического и магнитного полей от высоковольтных разрядов и самих разрядов на техническое средство возможны следующие состояния:

- сохранение и продолжение работоспособности технического средства (техническое средство невосприимчиво или устойчиво);

- полное нарушение работоспособности технического средства;

- нарушение работоспособности при сохранении функционирования;

- нарушение работоспособности только при воздействии разрядов и создаваемых ими полей.

Схема исследования переходных процессов в электрических цепях технических средств в виде графа приведена на рис. 12. На схеме обозначены этапы исследований. Первый этап - комплексные исследования .¡-го технического средства. Стрелкой В1 обозначено воздействие, создаваемое на первом этапе комплексных исследований. Второй этап -автономные исследования п - подсистем на которые можно разделить техническое средство с воздействиями в виде факторов грозовых разрядов В2, параметры которых определены на первом этапе. Третий этап -автономные исследования ш - устройств технического средства из которых состоит п-я подсистема с воздействиями ВЗ, параметры которых определены на втором этапе и.т.д.

Полученные в диссертации формулы позволяют рассчитывать напряженности электрического и магнитного полей грозового разряда в лаборатории на основе заданных параметров в пространстве таких как длина разрядного канала, ток разряда, расстояние от канала разряда и т. п.

Л\ /К /К /Г\

Рис. 12. Схема исследования переходных процессов в электрических цепях технических средств в виде графа.

Диаграммы напряженности электрического и магнитного поля выражающие зависимости напряженностей электрического и магнитного полей от расстояния между каналом разряда и техническом средством г0 для различных значений тока и значений: 0,0138-Ю6 с"1, а2 = 1,6253-Ю6 с"1, Ь= 1 м, приведены на рис. 13 и рис. 14, где Ь - длина канала разряда.

Е[В и] 12 3 5 « "> 8 10 г0[ы]

-10000

->:•! 1Л

•30000

•40000 *

Рис. 13. Диаграмма напряженности электрического поля Е в зависимости от расстояния до канала разряда.

Рис. 14. Диаграмма напряженности магнитного поля Н в зависимости от расстояния до канала разряда.

Для исследований переходных процессов в электрических цепях технических средств разработан алгоритм, расчета уровней электрического и магнитного полей в лаборатории. Основные этапы алгоритма указаны на схеме на рис. 15. На первом этапе осуществляется выбор исходных значений для расчета напряженности электрического и магнитного полей. На втором этапе формируются значения для расчета. На третьем этапе рассчитываются напряженности электрического и магнитного полей в пространстве. Алгоритм позволяет определять напряженности электрического и магнитного полей в лаборатории, сравнивает напряженности электрического и магнитного полей в пространстве и напряженности электрического и магнитного полей в лаборатории. Если напряженности электрического и магнитного полей равны, то расчет окончен. В противном случае, осуществляется возврат к второму этапу, со значением /та±Л/ Для

достижения равенства напряженностей электрического и магнитного полей в лаборатории и пространстве.

(Начало

выбор исходных значении для расчета напряженное™ электромагнитного поля

формирование значений для расчета

Рис 15. Схема алгоритма для расчета напряженности электрического и магнитного полей в лаборатории.

Гконец

Разработанный алгоритм позволяет рассчитывать значения напряженности электрического и магнитного поля для лабораторных исследований, соответствующие значениям напряженностей в пространстве.

Разработанный алгоритм также позволяет определять расстояние от канала молнии до технических средств, при которых переходные процессы напряжений и токов, возникающие под воздействием электрического и магнитного полей грозового разряда в устройстве, не превышают заданные стандартом нормативные значения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ По основным результатам, полученным в диссертационной работе можно сделать следующие выводы:

1. Проведен сравнительный анализ математических моделей импульсного тока молнии, позволяющий выбрать адекватную модель тока молнии.

2. Предложен критерий определения ближней и дальней зон распространения электрического и магнитного полей создаваемого грозовым разрядом, позволяющий определять зону расположения технического средства относительно грозового разряда.

3. Получены формулы расчета напряженностей электрического и магнитного полей на основе апериодической модели импульса тока молнии в зоне соизмеримой с длиной канала молнии, ближней и дальней зонах, позволяющие определять напряженности на разных расстояниях от канала молнии до технического средства и для различных параметров импульса тока молнии.

4. Разработана методика расчета индуцированных напряжений в центральных проводниках кабелей при воздействии на экран магнитного поля от грозового разряда а также при непосредственном воздействии тока молнии.

Разработан алгоритм расчета тока для проведения исследований переходных процессов в электрических цепях технических средств при воздействии грозового разряда в лабораторных условиях. Предложена методика исследований переходных процессов в электрических цепях технических средств, позволяющая определять уровни переходных процессов при воздействии грозового разряда. Предложенная методика позволяет уменьшить затраты на проведение исследований переходных процессов от грозовых разрядов в электрических цепях технических средств.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Со Аунг, «Расчет электрического поля грозового разряда», сборник тезисов 2-ой Всероссийской конференции ученых, молодых специалистов и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике - 2009», Москва, 2009г. стр.47. Со Аунг, «Расчет кондуктивных электромагнитных помех в электрических цепях от грозового разряда», сборник тезисов 8-ой международной конференции «Авиация и космонавтика - 2009», Москва, 2009г. стр. 181.

Со Аунг, «Испытание элементов и устройств технических средств при воздействии имитационных грозовых разрядов», сборник тезисов научно-практической конференции молодых ученых и студентов МАИ «Инновации в авиации и космонавтике - 2010», Москва 2010г. стр.47. В.Ю. Кириллов, Со Аунг, «Расчет электромагнитного импульса грозового разряда», труды симпозума 8-ой научно-техническая конференции «Международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии», Санкт-Петербург, 2009г. стр. 384.

5. В.Ю. Кириллов, Со Аунг, «Расчет электрического поля грозового разряда» // Технологии электромагнитной совместимости, № 2(29), Москва, 2009 г., стр. 66-68.

Введение

1. Грозовые разряды и технические средства

1.1. Физическая природа грозовых разрядов

1.2. Характеристики и математические модели импульсного тока грозового разряда

1.3. Воздействие электромагнитных помех на электронные устройства технических средств.

1.4. Испытания технических средств на воздействие электромагнитных помех от грозового разряда

1.5. Методики проведения испытаний объектов на молниеустойчивость

2. Расчет излучаемых электромагнитных помех от грозового разряда.

2.1. Зоны распространения и параметры излучаемых электромагнитных помех от грозового разряда

2.2. Расчет электрического поля грозового разряда в пространстве в зоне соизмеримой с длиной канала молнии.

2.2.1. Расчет напряженности электрического поля при ступенчатой модели тока в зоне соизмеримой с длиной канала молнии.

2.2.2. Расчет напряженности электрического поля в зоне соизмеримой с длиной канала молнии для апериодической модели тока.

2.3. Расчет напряженности магнитного поля грозового разряда в пространстве в зоне соизмеримой с длиной канала молнии.

2.4. Расчет напряженности электрического и магнитного полей грозового разряда в ближней и дальней зонах

3. Расчет переходных процессов в электрических цепях при воздействии грозового разряда

3.1. Расчет токов и напряжений, наведенных в двухпроводной линии электрическим полем

3.2 Расчет токов и напряжений, наведенных в двухпроводной линии магнитным полем

3.3. Расчет токов и напряжений, наведенных на экране кабеля магнитным полем

3.4. Расчет напряжения индуцированного на центральном проводнике кабеля при воздействии грозового разряда.

4. Исследование переходных процессов в электрических цепях технических средств при воздействии грозовых разрядов в лабораторных условиях

4.1. Определение сбоев и отказов элементов и устройств, при воздействии грозовых разрядов в лабораторных условиях.

4.2. Расчет напряженности электрического и магнитного поля грозового разряда в лабораторных условиях

4.3. Исследование переходных процессов в электрических цепях элементов и устройств технических средств при воздействии грозового разряда в лабораторных условиях.

Грозовые разряды сопровождают многие атмосферные явления и процессы: градо- и торнадосодержащие облака, мезомасштабные конвективные комплексы, циклоны умеренных и тропических широт. Они представляют опасность для авиации, энергетики, других отраслей экономики и населения. Увеличение интенсивности воздушного движения, широкое применение композиционных материалов, низковольтных систем управления, компьютерных сетей сопровождается количественным и качественным ростом ущерба от грозовых разрядов. По данным Национального института молниевой безопасности США (г.Луисвилл) потери гражданского сектора этой страны от поражения молниями составляют 4-5 млрд. долларов ежегодно из них: 150-200 млн. от лесных пожаров, около 2 млрд. из-за отмены авиарейсов и их переносов в другие аэропорты, 1 млрд. из-за отключений электроэнергии, 125 млн. от повреждений компьютерных сетей и др. Кроме того, с 1990 по 2000 годы на АЭС зарегистрировано 346 инцидентов, связанных с грозами. Ежегодно страховым компаниям предъявляются около 300 000 требований на возмещение убытков, вызванных молниями (в 2000 году на сумму 332 млн. долларов).

Отличительными признаками грозовых разрядов (ГР) являются широкополосное электромагнитное излучение (ЭМИ) и высокая концентрация электронов в каналах протекания разрядного тока. Молнии, представляют собой мощные разряды, образующиеся в нижних слоях атмосферы.

Молния определяется как нестационарный сильноточный электрический разряд, длина пути которого обычно исчисляется километрами. Разряд молнии переносит в среднем заряд от 140 до 250 Кл. Полная длительность разряда молнии порядка 0,2 с, а предельный ток может достигать 200 - 300 кА. Молния выводит из строя электронные элементы и устройства. Наносит ущерб в электроэнергетике, повреждает линии электропередачи ЛЭП и подстанции, представляет опасность для нефте-, газо-резервуаров.

Грозовые разряды представляют опасность для технических средств: самолетов, ракет, судов и автомобилей. Грозовые разряды создают излучаемые электромагнитные помехи (ЭМП) в виде электрических и магнитных полей, которые воздействуют на элементы и устройства технических средств. Излучаемые ЭМП от грозового разряда ухудшают качество функционирования технических средств, могут вызывать сбои, отказы, прекращение функционирования. Прямое попадание молнии в техническое средство может привести к катастрофе.

Для обеспечения помехоустойчивости элементов и устройств от излучаемых ЭМП грозовых разрядов необходимо разрабатывать эффективные средства защиты и проверять их на испытательных стендах в лабораторных условиях. Исходными данными для проведения испытаний являются расчетные параметры электромагнитной обстановки в виде напряженности электрического и магнитного полей. Разработка программ, алгоритмов и методов расчета для различных случаев воздействия электрических и магнитных полей на технические средства позволяет определять исходные данные для разносторонних и многоэтапных испытаний элементов и устройств технических средств на воздействие грозовых разрядов.

Цель диссертационной работы

Целью диссертационной работы является: Исследование переходных процессов в электрических цепях технических средств при воздействии грозовых разрядов для улучшения качества функционирования с учетом их использования в условиях грозовых разрядов. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

• Разработка критерия определения ближней и дальней зон распространения электрических и магнитных полей грозовых разрядов.

• Способ расчета напряженностей электрического и магнитного полей грозового разряда в ближней и дальней зонах распространения.

• Методика расчета напряжений и токов в электрических цепях технических средств индуцированных электрическим и магнитным полями грозового разряда.

• Алгоритм расчета импульсного тока для проведения исследований переходных процессов в электрических цепях технических средств при воздействии грозового разряда в лабораторных условиях.

• Методика исследования переходных процессов в электрических цепях технических средств, предназначенная для определения уровней переходных процессов при воздействии грозового разряда.

Методы исследования

При решении поставленных задач в диссертационной работе были использованы: методы математического анализа; методы теории линейных электрических цепей; теоретические основы электротехники; теория электромагнитного поля; методы оптимизации. Расчеты выполнялись с помощью компьютерных программ Ма1;ЬаЬ, МаШсас!.

Научная новизна

1. Предложен критерий определения ближней и дальней зон распространения электрического и магнитного поля от канала тока молнии.

2. Получены формулы расчета напряженностей электрического и магнитного поля на основе апериодической модели тока молнии, в зоне соизмеримой с длиной канала молнии, ближней и дальней зонах распространения.

3. Разработана методика расчета индуцированных напряжений и токов в центральных проводниках экранированных кабелей при воздействии электрического и магнитного полей грозового разряда и тока молнии.

4. Разработан алгоритм расчета тока для исследования переходных процессов в электрических цепях технических средств от грозового разряда в лабораторных условиях.

5. Предложена методика исследований переходных процессов в электрических цепях технических средств от грозового разряда в лабораторных условиях.

Практическое значение

1. Разработанная методика расчета напряжений в центральных проводниках позволять определять эффективность экранов кабелей при воздействии грозовых разрядов.

2. Разработанный алгоритм расчета импульсного тока позволяет ускорить процесс исследований технических средств на воздействие грозового раяряда в лабораторных условиях и сократить время их проведения.

3. Предложенная методика проведения исследований переходных процессов от грозового разряда позволять уменьшить затраты на проектирование технических средств с учетом их использования в условиях грозовых разрядов.

Апробация результатов работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались автором и обсуждались: на 2-ой Всероссийской конференции ученых, молодых специалистов и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике - 2009» (г. Москва 2009г.), на 8-ой научно-техническая конференции «Международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии» (г. Санкт-Петербург, 2009г.), на 8-ой международной конференции «Авиация и космонавтика - 2009» (г. Москва 2009г.), на научно-практической конференции молодых ученых и студентов МАИ «Инновации в авиации и космонавтике — 2010» (г. Москва 2010г.). Тезисы докладов опубликованы. Опубликована статья под названием «Расчет электрического поля грозового разряда» в журнале «Технологии ЭМС», Москва, 2009 г, № 2(29), 66-68 стр.

Публикации

По основным результатам выполненных в диссертации исследований опубликовано 5 печатных работы, из них 1 научная статья и 4 тезиса докладов [1.5].

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников. Основная часть диссертации содержит 123 страницы машинописного текста, включая 79 рисунков и 3 таблицы. Список литературы включает 39 наименований. Общий объем диссертационной работы составляет 135 страниц.

Выводы по главе 4.

1. Разработан алгоритм расчета напряженностей электрического и магнитного поля грозового разряда в лабораторных условиях.

2. Предложена методика исследования переходных процессов в электрических цепях элементов и устройств технических средств при воздействии грозового разряда в лабораторных условиях.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По основным результатам, полученным в диссертационной работе можно сделать следующие выводы:

• Проведен сравнительный анализ математических моделей импульсного тока молнии, позволяющий выбрать адекватную модель тока молнии.

• Предложен критерий определения ближней и дальней зон распространения электрического и магнитного полей создаваемого грозовым разрядом, позволяющий определять зону расположения технического средства относительно грозового разряда.

• Получены формулы расчета напряженностей электрического и магнитного полей на основе апериодической модели импульса тока молнии в зоне соизмеримой с длиной канала молнии, ближней и дальней зонах, позволяющие определять напряженности на разных расстояниях от канала молнии до технического средства и для различных параметров импульса тока молнии.

• Разработана методика расчета индуцированных напряжений в центральных проводниках кабелей при воздействии на экран магнитного поля от грозового разряда а также при непосредственном воздействии тока молнии.

• Разработан алгоритм расчета тока для проведения исследований переходных процессов в электрических цепях технических средств при воздействии грозового разряда в лабораторных условиях.

• Предложена методика исследований переходных процессов в электрических цепях технических средств, позволяющая определять уровни переходных процессов при воздействии грозового разряда. Предложенная методика позволяет уменьшить затраты на проведение исследований переходных процессов от грозовых разрядов в электрических цепях технических средств.

1. Атабеков Г.И. Купалян С.Д. Тимофеев А.Б. Хухриков С.С. Нелинейные электрические цепи. Электромагнитное поле. М.: Энергия, 1979, 432с.

2. Барнс Дж. Электронное конструирование: методы борьбы с помехами. М.: Мир. 1990, 238с.

3. Бадер М.П. Электромагнитная совместимость. М. 2002, 637 с.

4. Балюк Н.В., Болдырев В.Г.,Булеков В.П., Кечиев Л.Н., Кириллов В.Ю., Литвак И.И., Постников В.А., Резников СБ. Электромагнитная совместимость технических средств подвижных объектов. М.: МАИ. 2005, 674 с.

5. Гальперин Ю.И. Гладышев В.А. Козлов А.И. Электромагнитная совместимость научного космического комплекса АРКАД-3. М.: Наука, 1984, 189с.

6. Дьяков А.Ф. Максимов Б.К. Борисов Р.К. Кужекин И.П. Жуков A.B. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике и электротехнике. М.: Мир. Энергоатомиздат, 2003, 329с.

7. Дональд Р.Ж. Уайт. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и непреднамеренные помехи. Вып. 1 Общие вопросы ЭМС. Межсистемные помехи. М.: Советское радио. 1977, 348 с.

8. Дональд Р.Ж. Уайт. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и непреднамеренные помехи. Вып.2. Внутрисистемные помехи и методы их уменьшения. М.: Советское радио. 1978, 272 с.

9. Дональд Р.Ж. Уайт. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и непреднамеренные помехи. Вып.З, Измерение электромагнитных помех и измерительная аппаратура. М.: Советское радио, 1979, 464с.

10. Каганов 3. Г. Электрические цепи с распределенными параметрами и цепные системы. М.: Энергоатомиздат, 1990, 247с.

11. П.Кириллов В.Ю. Испытание космических аппаратов на воздействие электростатических разрядов. М.: Издательство МАИ. 2005, 88 с.

12. Кириллов В.Ю. Лабораторные работы по курсу «Методы и технические средства испытаний электромагнитной совместимости JIA» М.: Издательство МАИ. 2005, 46с.

13. Князев А.Д. Элементы теории и практики электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств. М.: Радио и связь, 1983,336с.

14. Кравченко В.И. Болотов Е.А. Летунова Н.И. Радиоэлектронные средства и мощные электромагнитные помехи. М.: Радио и связь, 1987,256с.

15. Князев А.Д. Кечиев Л.Н. Петров Б.В. Конструирование радиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры с учетом электромагнитной совместимости. М.: Радио и связь, 1989, 223с.

16. Кечиев Л.Н. Кузьмин В.И. Введение в электромаггаггаую совместимость электронного оборудования. М.: МГИЭМ, 1996,100с.

17. Кечиев Л.Н, Кузьмин В.И. Электростатический разряд и электронное оборудование. М.: МГИЭМ, 1996, 88с.

18. Кечиев Л.Н. Пожидаев Е.Д. Защита электронных средств от воздействия статического электричества. Учебное пособие. Издательский дом Технологии, 2005, 352с.

19. Кужекин И.П. Ларионов В.П. Прохоров E.H. Молния и молниезащита» М.: Знак, 2003, 329 с.

20. Кравченко В.И. Грозозащита радиоэлектронных средств. М.: Радио и связь, 1991,261с.

21. Ott Г. Методы подавления шумов и помех в электрических системах. М.: Мир, 1979,317с.

22. Хабигер Э. Электромагнитная совместимость. Основы ее обеспечения в технике. М.: Энергоатомиздат, 1995, 295с.

23. Шваб А. Й. Электромагнитная совместимость. М.: Энергоатомиздат, 1995, 467 с.

24. Уильяме Т. ЭМС для разработчиков продукции "Издательский дом Технологии". 2003, 483с.

25. Уилльямс Т. Армстронг К. ЭМС д ля систем и установок. « Издательский дом Технологии». 2004, 508 с.

26. Кармашев B.C. Электромагнитная совместимость технических средств: Справочник. М.: 2001, 401 с.

27. Кириллов В. Ю. Стандарты и методы испытаний электромагнитной совместимости технических средств.М.: МАИ. 2006, 68 с.

28. Цицикян Т.Н. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике. СПб.: Элмор, 2007, 184с.

29. Цицикян Г.Н. Сравнение некоторых аналитических оценок для электромагнитных проявлений обратного разряда молнии.// Известия РАН. Энергетика, 2005, №1, с 44-55.

30. Разевиг Д.В. Атмосферные перенапряжения на линиях электропередачи. М. :-JI. ГЭИ, 1959.

31. Rusck S. Induced lightning over-voltage on power transmission lines with special reference to the voltage protection of low voltage networks. Trans. R. inst. Technol. (Sweden), 1958, с 1-118.

32. Haldar M.K., Liew A.C. Validation of Rusck's scalar and vector potential expressios due to a return stroke in a lightning channel. IEE Pro., vol. 134, Pt. C. №5, 1987, с 366-367.

33. Lightning Return Stroke Current Models with Specified Channel-Base Current: A Review and Comparison.// C.A. Nucci at all. Journal of Geophysical Research. Vol. 95, №12, pp. 20, 395-20,408. November 20, 1990.

34. Давыдов П. С. Техническая диагностика радиоэлектронных устройств и систем. М.: Радио и связь, 1988, 256с.

35. В.Ю. Кириллов, Со Аунг, «Расчет электрического поля грозового разряда» // Технологии электромагнитной совместимости, № 2(29), Москва, 2009 г., стр. 66-68.

36. Со Аунг, «Расчет электрического поля грозового разряда», сборник тезисов 2-ой Всероссийской конференции ученых, молодых специалистов и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике 2009», Москва, 2009г. стр.47.

37. Со Аунг, «Расчет кондуктивных электромагнитных помех в электрических цепях от грозового разряда», сборник тезисов 8-ой международной конференции «Авиация и космонавтика 2009», Москва, 2009г. стр. 181.