141 "Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка"

Постійне посилання колекціїhttps://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/49050

Переглянути

Результати пошуку

Зараз показуємо 1 - 10 з 17

Електромеханічна система регулювання коливань кузова швидкісного електропоїзду з нахилом кузова
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2024) Озулу, Антон Борисович
Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної науково-практичної задачі щодо покращення ходових характеристик швидкісного електропоїзду та рекуперації енергії коливань. Метою дисертаційної роботи є розробка теоретичних положень і практичних рішень щодо реалізації електромеханічної системи регулювання коливань кузова швидкісного електропоїзду з механізмом нахилу кузова. Об’єктом дослідження є процес електромеханічного перетворення енергії в системі нахилу кузова при гасінні коливань кузова. Предметом досліджень є електромеханічна система регулювання коливань кузова швидкісного електропоїзду с нахилом кузова. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, визначені задачі дослідження, показано зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами, наведено дані про наукову новизну, практичне значення, апробацію результатів та публікації. У першому розділі проведено аналіз існуючих рішень для систем нахилу кузова який показує, що найпоширенішим приводом для нахилу кузова є гідравлічний. Описано недоліків цього приводу, таких як складність гідравлічних ліній, високий тиск та складна система керування. З іншого боку, для демпфуючих систем на рухомому складі широко використовуються пневморесори. Розглянуто потенційне рішення для покращення характеристик ходової частини швидкісного електропоїзду таке як інтеграція функцій нахилу кузова та гасіння коливань в одну систему шляхом синтезу електромеханічного амортизатора. Відповідно до аналізу існуючих електромеханічних пристроїв, було обґрунтовано рішення застосування лінійного двигуна електромагнітного типу як пристрою для нахилу кузова та демпфуючої складової, що дозволяє рекуперувати енергію коливань, що може значно підвищити ефективність системи та зменшити її складність завдяки великій гнучкості та точності управління електроприводом. Обрано напрями досліджень, поставлені основні задачі дисертаційної роботи. У другому розділі запропоновано використання лінійного електромагнітного двигуна як оптимального рішення для реалізації системи нахилу кузова та демпфування коливань. Для оцінки ефективності роботи електромеханічного амортизатора була побудована математична модель ходової частини електропоїзда з електромеханічними амортизаторами, що враховує відсутність пневматичної частини. Модель включає рівняння руху та нахилу кузова, враховуючи електромеханічні характеристики. Проведено розрахунок магнітного поля методом скінченних елементів для визначення оптимальних параметрів індуктивності (32.1-40.6 мГн) та інших характеристик. Результати показали, що при максимальному робочому зазорі 70 мм магнітопровід не входить у режим насичення, забезпечуючи стабільну роботу амортизатора. У третьому розділі побудована імітаційна модель електромеханічної системи регулювання коливань кузова швидкісного електропоїзду з нахилом кузова. Результати моделювання нахилу кузова показують, що електромеханічний амортизатор досягає заданого кута 5° за 2 секунди з відхиленням ±0,2° при підтримці кута. Результати моделювання гасіння коливань показують, що електромеханічний амортизатор ефективно гасить коливання і відновлює енергію. Без дії амортизатора кут нахилу кузова змінюється від -0,45° до +0,38°, а після його впливу цей діапазон скорочується до -0,2° до +0,2°. Електромеханічний амортизатор здатний рекуперувати 84 Вт/год при коливаннях з амплітудою 5 мм та частотою 2 Гц, при цьому електромагнітна сила на якорі становить 43 кН. Імітаційне моделювання показало, що електромеханічний амортизатор ефективно гасить коливання та рекуперує енергію, що підтверджується осцилограмами. Ця система відкриває шлях для оптимізації параметрів та інтеграції з існуючими системами вагонів. У четвертому розділі досліджено ключові аспекти управління електромеханічною системою регулювання коливань кузова швидкісного електропоїзду з нахилом кузова з використанням електромеханічних компонентів. Розроблено алгоритм керування електромеханічним амортизатором, який використовує гіроскопи типу МЕМС для вимірювання кутів нахилу кузова та візка. Обрано модель МЕМС датчику MPU-9250 для використання в системі керування нахилом кузова електропоїзда, який забезпечує високу точність вимірювань (нелінійність ±0,1 % для гіроскопа та ±0,3 % для акселерометра) при частоті оновлення даних 8000 Гц. В якості основного мікроконтролеру було обґрунтовано та обрано мікроконтролер STM32F407. При виборі силових ключів обрано IGBT транзистори моделі FF800R17KP4_B2, які забезпечують надійну роботу системи в умовах високих навантажень. Розроблено схему електричну принципову драйвера керування (напівпровідникового перетворювача) електромеханічною системою, що включає блоки живлення, мікроконтролер, керування силовими ключами та вихідні роз'єми для підключення датчиків. Створена топологія друкованої плати (розмір 120 мм на 90 мм, двошарова, з розташуванням компонентів на одній стороні) забезпечує зручність монтажу та обслуговування системи. Також розроблено схему електричну принципову блоку датчику типу МЕМС, яка має компактні габарити (розмір 25 мм на 25 мм, двошарова). Виконана база конфігурація вводів/виводів мікроконтролера в програмному середовищі CubeMX. У висновках наведено основні результати наукової роботи щодо вирішення поставлених наукових задач дослідження. В дисертації отримані наступні наукові результати: 1. Вперше запропоновано використання електромеханічного амортизатор у складі ходової частини швидкісного електропоїзду для систем нахилу кузова, що дозволяє одночасно виконувати функції нахилу кузова та рекуперації енергії коливань, замінюючи традиційні пневматичні амортизатори. Без амортизатора кут нахилу кузова змінюється в межах від -0,45° до +0,38°, а з його застосуванням цей діапазон скорочується та складає від -0,2° до +0,2°, тобто вдвічі менше. Електромеханічний амортизатор здатен рекуперувати 84 Вт/год при коливаннях з амплітудою 5 мм та частотою 2 Гц. 2. Вперше запропоновано алгоритм керування нахилом кузова та рекуперацією коливань каскадного типу, алгоритм переключення режимів роботи електромеханічної системи регулювання коливань швидкісного електропоїзду з нахилом кузова Запропоновано виконувати вимір кута нахилу за допомогою датчиків акселерометру та гіроскопу типу МЕМС. Крім того, розроблено методику для розрахунку кутів, що забезпечує високу точність та стабільність вимірювань у динамічних умовах. 3. Вперше розроблено концептуальне прикладне рішення з реалізації блоку електроніки драйверу керування електромеханічною системою регулювання коливань кузова швидкісного електропоїзду з нахилом кузова та блоку електроніки датчику кута нахилу, що включає інтеграцію сучасних мікроконтролерів для обробки сигналів та розробку спеціалізованого програмного забезпечення, яке забезпечує адаптивне управління електроприводом електромеханічної системи регулювання коливань кузова швидкісного електропоїзду з нахилом кузова у режимі реального часу. Достовірність теоретичних дисертаційних досліджень підтверджено коректністю постановок математичних задач, відповідністю математичних моделей суті описуваних процесів та експериментальними дослідженнями, виконаними за допомогою імітаційних моделей. Практичне значення одержаних результатів полягає у наступному: – розробка та впровадження електромеханічного амортизатора в системі нахилу кузова швидкісного електропоїзда дозволяє значно покращити стабільність і комфорт під час руху. Це забезпечує більш плавний нахил кузова, зменшуючи вплив коливань на пасажирів у 2 рази, що особливо важливо для швидкісних потягів; – інтеграція узагальненої імітаційної моделі системи регулювання коливань кузова швидкісного електропоїзду з нахилом кузова у процес проєктування і моделювання забезпечує точність і надійність розробки нових систем нахилу кузова; – створена концептуальна схема системи керування нахилом кузова та рекуперації коливань, що базується на використанні мікроконтролера STM32F407 та МЕМС гіроскопа MPU-9250, сприяє впровадженню інноваційних рішень у транспортній індустрії. Це відкриває можливості для подальших досліджень і розробок у сфері швидкісних електропоїздів. Результати дисертаційної роботи використано при виконанні наукового дослідження за темою: «Підвищення енергоефективності електрорухомого складу залізничного транспорту» (№ ДР 0122U201673, 2022 р.), де здобувач був виконавцем частини розділу 2 «Електромеханічні амортизатори». Результати дисертаційної роботи впроваджено на ТОВ НВП «СПЕЦЕЛЕКТРОМАШ» (акт про впровадження від 05.04.2024 р.), а також у навчальному процесі кафедри електричного транспорту та тепловозобудування НТУ «ХПІ» (акт про впровадження від 29.04.2024 р.) The dissertation is devoted to solving the actual scientific and practical problem of improving the running characteristics of a high-speed electric train and recuperating vibration energy. The purpose of the dissertation is the development of theoretical provisions and practical solutions for the implementation of an electromechanical system for regulating body vibrations of a high-speed electric train with a body tilting mechanism. The object of research is the process of electromechanical conversion of energy in the system of tilting the body during damping of vibrations of the body. The subject of research is an electromechanical system for regulating body vibrations of a high-speed electric train with a body tilt. The work solves the scientific and practical task of synthesizing an electromechanical shock absorber for the undercarriage of a high-speed electric train with a body tilting system, which allowed to ensure the performance of body tilting and vibration recovery, and will replace the pneumatic part. The research was carried out on the basis of fundamental provisions of theoretical electromechanics, methods of mathematical and simulation modeling of the high-speed electric train undercarriage system, modern information technologies and application programs. The introduction substantiates the relevance of the topic of the dissertation, defines the tasks of the research, shows the connection of the work with scientific programs, plans, topics, provides data on scientific novelty, practical significance, approbation of results and publications. In the first chapter, an analysis of existing solutions for body tilting systems is carried out, which shows that the most common drive for body tilting is hydraulic. Disadvantages of this drive are described, such as the complexity of hydraulic lines, high pressure, and complex control system. On the other hand, air springs are widely used for damping systems on rolling stock. A potential solution for improving the characteristics of the undercarriage of a high-speed electric train is considered, such as the integration of body tilt and vibration damping functions into one system by synthesizing an electromechanical shock absorber. According to the analysis of the existing electromechanical devices, the decision to use an electromagnetic type linear motor as a device for tilting the body and a damping component was justified, which allows to recover the energy of oscillations, which can significantly increase the efficiency of the system and reduce its complexity due to the great flexibility and precision of control of linear electromagnetic devices. The directions of research are chosen, the main tasks of the dissertation work are set. In the second chapter, the use of a linear electromagnetic motor is proposed as the optimal solution for the implementation of the system of tilting the body and damping vibrations. To evaluate the effectiveness of the electromechanical shock absorber, a mathematical model of the undercarriage of an electric train with electromechanical shock absorbers was built, taking into account the absence of a pneumatic part. The model includes equations of motion and tilt of the body, taking into account electromechanical characteristics. The magnetic field was calculated using the finite element method to determine the optimal inductance parameters (32.1-40.6 mH) and other characteristics. The results showed that with a maximum working gap of 70 mm, the magnet wire does not enter the saturation mode, ensuring stable operation of the shock absorber. In the third section, a simulation model of the electromechanical system for regulating body oscillations of a high-speed electric train with body inclination is built. Body tilt simulation results show that the electromechanical shock absorber reaches a set angle of 5° in 2 seconds with a deviation of ±0.2° when maintaining the angle. The results of vibration damping simulation show that the electromechanical shock absorber effectively damps vibrations and recovers energy. Without the action of the shock absorber, the angle of inclination of the body varies from -0.45° to +0.38°, and after its influence, this range is reduced to -0.2° to +0.2°. The electromechanical shock absorber is capable of recuperating 84 W/h during oscillations with an amplitude of 5 mm and a frequency of 2 Hz, while the electromagnetic force on the armature is 43 kN. Simulation modeling showed that the electromechanical shock absorber effectively dampens oscillations and recovers energy, which is confirmed by oscillograms. This system paves the way for parameter optimization and integration with existing railcar systems. In the fourth chapter, the key aspects of the control of the electromechanical system of regulating the oscillations of the body of a high-speed electric vehicle with the tilt of the body using electromechanical components are investigated. An algorithm for controlling an electromechanical shock absorber has been developed, which uses MEMS-type gyroscopes to measure the angles of inclination of the body and the trolley. The MPU-9250 MEMS sensor model was selected for use in the body inclination control system of the electric train, which provides high measurement accuracy (nonlinearity ±0.1% for the gyroscope and ±0.3% for the accelerometer) at a data update frequency of 8000 Hz. The STM32F407 microcontroller was justified and chosen as the main microcontroller. When choosing power switches, IGBT transistors of the FF800R17KP4_B2 model were chosen, which ensure reliable operation of the system under conditions of high loads. The electrical schematic diagram of the control driver (semiconductor converter) of the electromechanical system, which includes power supplies, a microcontroller, control of power switches and output connectors for connecting sensors, has been developed. The created topology of the printed circuit board (size 120 mm by 90 mm, two-layer, with the arrangement of components on one side) ensures the convenience of installation and maintenance of the system. Also developed is the electrical principle diagram of the MEMS-type sensor unit, which has compact dimensions (size 25 mm by 25 mm, two-layer). The basic configuration of the inputs/outputs of the microcontroller in the CubeMX software environment is completed. In the conclusions, the main results of the scientific work regarding the solution of the set scientific problems of the research are given. Scientific novelty of the results: 1. For the first time, the use of an electromechanical shock absorber as part of the chassis of a high-speed electric train for body tilting systems is proposed, which allows simultaneously performing the functions of body tilting and vibration energy recovery, replacing traditional pneumatic shock absorbers. Without a shock absorber, the angle of inclination of the body varies from -0.45° to +0.38°, and with its use, this range is reduced to -0.2° to +0.2°, that is, half as much. The electromechanical shock absorber is able to recover 84 W/h during oscillations with an amplitude of 5 mm and a frequency of 2 Hz. 2. For the first time, an algorithm for controlling body inclination and recuperation of cascade-type oscillations, an algorithm for switching modes of operation of the electromechanical system for regulating oscillations of a high-speed electric train with an inclination of the body is proposed for the first time. It is proposed to measure the inclination angle using MEMS-type accelerometer and gyroscope sensors. In addition, a technique for calculating angles has been developed, which ensures high accuracy and stability of measurements in dynamic conditions. 3. For the first time, a conceptual application solution has been developed for the implementation of the driver electronics unit for controlling the electromechanical body vibration control system of a high-speed electric train with body inclination and the tilt angle sensor electronics unit, which includes the integration of modern microcontrollers for signal processing and the development of specialized software that provides adaptive control of the electric drive of the electromechanical control system oscillations of the body of a high-speed electric train with body inclination in real time. The reliability of theoretical dissertation research is confirmed by the correctness of mathematical problem statements, the correspondence of mathematical models to the essence of the described processes, and experimental studies performed with the help of simulation models. The practical significance of the results obtained is as follows: – the development and implementation of an electromechanical shock absorber in the tilting system of the body of a high-speed electric train allows to significantly improve stability and comfort during movement. This ensures a smoother body tilt, reducing the impact of vibrations on passengers by 2 times, which is especially important for high-speed trains; – the integration of the generalized simulation model of the body oscillation regulation system of the high-speed electric train with body inclination into the design and modeling process ensures the accuracy and reliability of the development of new body inclination systems; – a conceptual diagram of the body tilt control system and vibration recovery based on the use of the STM32F407 microcontroller and MPU-9250 MEMS gyroscope was created, which contributes to the implementation of innovative solutions in the transport industry. This opens up opportunities for further research and development in the field of high-speed electric trains. The results of the research were used in the performance of scientific research on the following planned topics: "Increasing the energy efficiency of electric rolling stock of railway transport" (No. DR 0122U201673, 2022), where the acquirer was the executor of part of section 2 "Electromechanical shock absorbers". The results of the dissertation work were implemented in the Research and Production Enterprise LLC SPE "SPETSELEKTROMASH" from 04.05.2024, as well as in the educational process of the Department of Electric Transport and Locomotive Construction of NTU "KhPI" from 04.29.2024.
Підвищення якості електричної енергії в мережі з сонячними електростанціями в режимі зниження генерованої потужності
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2024) Шелест, Дмитро Андрійович
Дисертаційна робота присвячена розробці методів та засобів для покращення показників якості електричної енергії генерованої сонячними електростанціями до трифазних електричних мереж, а саме дозволяє знизити долю емісії вищих гармонік струмів та реактивної потужності. Метою дисертаційної роботи є підвищення показників якості електричної енергії генерованої сонячною електростанцією до трифазних електричних мереж в режимі зниження генерованої потужності. Об'єкт дослідження – процес передачі електричної енергії до трифазних електричних мереж сонячними електростанціями в режимі зниженої генерованої потужності. Предмет дослідження – параметри якості електричної енергії в мережах з сонячними електростанціями в режимі зниженої генерованої потужності. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, визначені задачі дослідження, показано зв’язок роботи з науковими темами, наведено дані про наукову новизну, практичне значення, апробацію результатів та публікації. У першому розділі виконано аналіз енергетичних параметрів сонячних електростанцій: залежностей генерованої потужності сонячних панелей від сонячної радіації та температури, аналіз характеристик деградації сонячних панелей, проведено огляд конфігурацій сонячних панелей в складі сонячних електростанцій та напівпровідникових перетворювачів силових схем напівпровідникових перетворювачів, що забезпечують процеси відбору максимальної потужності сонячних панелей та передачу потужності до трифазних електричних мереж. Проведено аналіз вимог вітчизняних та міжнародних стандартів щодо вимог параметрів якості електричної енергії та вимоги до емісії вищих гармонік струмів, генерованих сонячними електростанціями до трифазних електричних мереж. Представлено проблему зниження якості електроенергії, генерованою сонячними електростанціями при зниженні рівня генерованої потужності. Поставлено завдання до наступних розділів. У другому розділі запропоновано структури сонячних електростанцій, що забезпечують передачу потужності від блоків сонячних панелей до трифазних електричних мереж на базі інвертора напруги та інвертора струму. Досліджено роботу узгоджуючих DC/DC перетворювачів, що забезпечують режим відбору максимальної потужності. Синтезовано математичну модель ВАХ сонячних панелей та систему відбору максимальної потужності, що реалізується DC/DC перетворювачем. Запропоновано системи прямого та непрямого визначення точки максимальної потужності, що може бути відібрана перетворювачами від сонячних панелей. Запропоновано компенсаційний алгоритм керування узгоджуючими перетворювачами сонячної електростанцій, що забезпечує зниження пульсацій напруги ланок постійного струму сонячної електростанції, яка є живлячою напругою мережевого інвертора, чим досягається покращення якості електроенергії генерованої до трифазних електричних мереж. У третьому розділі виконано дослідження особливостей роботи мережевих інверторів сонячної електростанції, що забезпечують передачу електричної енергії в трифазні електричні мережі в режимі зниження генерованої потужності. Запропоновано систему керування мережевим інвертором струму фотоелектричної електростанції (ФЕС), що забезпечує передачу електроенергії з коефіцієнтом потужності близьким до одиниці та формою струмів близьких до синусоїдальних. Визначені аналітичні залежності, що визначають залежності параметрів якості генерованої електричної енергії від генерованої потужності. Запропоновано методи підвищення параметрів якості електроенергії в режимі зниження генерованої потужності. У четвертому розділі виконано розробку комп’ютерної імітаційної моделі, що описує енергетичні процеси в сонячній електростанції з узгоджуючим перетворювачем та мережевим інвертором. Проведено дослідження параметрів якості електричної енергії, що генерується сонячними електростанціями до трифазної електричної мережі. Визначена аналітична умова реалізації коефіцієнту потужності близького до одиниці в режимі зниження рівня генерованої потужності. Отримані результати комп'ютерного моделювання процесу передачі електроенергії від сонячної електростанції на базі трифазного інвертора струму та інвертора напруги з ШІМ до трифазної електричної мережі підтвердили реалізацію високих показників якості електроенергії, генерованої до трифазної електричної мережі, в режимі зниження генерованої потужності. В п’ятому розділі виконано дослідження мережевого інвертора ФЕС , що працює в режимі автономного живлення. Визначено вимоги, що пред’являються до параметрів напруги генерованої сонячної електростанції та проведено аналіз схемних рішень інверторів, що задовольняють вказані вимоги. Визначено, що при реалізації в ФЕС автономного живлення дворівневого інвертора напруги та застосування LC фільтра можливим є виникнення значення пускового струму, зумовленого зарядом конденсатора фільтра, що може спричинити вихід з ладу силових транзисторів мережі. Розроблена методики розрахунку LC фільтра, яка дозволяє визначити параметрів фільтра за критеріями обмеження пускового струму та забезпечення потрібної якості вихідної напруги. Для підтвердження розробленої методики виконано комп’ютерне моделювання та проведені фізичні досліді. У висновках наведено основні результати роботи щодо вирішення поставлених задач дослідження. В дисертації отримані наступні наукові результати: 1. Отримано подальшого розвитку метод непрямого визначення точки максимальної потужності сонячних панелей, який відрізняється від відомих визначенням максимальної вихідної напруги узгоджувальних перетворювачів при фіксованому значенні вихідного струму, що дає можливість спростити системи керування фотоенергетичної системи, апаратну реалізацію системи керування узгоджуючими перетворювачами та знижує її вартість. 2. Вперше запропоновано метод компенсаційного керування узгоджуючими перетворювачами сонячних електростанцій, що реалізує взаємну синхронізацію каналів керування окремих узгоджуючих перетворювачів в системі відбору потужності та на відміну від відомих забезпечує взаємну компенсацію пульсацій напруги в ланці постійного струму сонячної електростанції від окремих узгоджуючих перетворювачів, що дозволяє досягти зниження пульсацій напруги в ланці постійного струму, чим досягається подальше покращення якості електроенергії генерованої до трифазної електричної мережі. 3. Вперше запропоновано метод частотно-адаптивного керування мережевим інвертором напруги сонячної електростанція, який на відміну від відомих дозволяє забезпечити покращенні показники якості електричної енергії генерованої до трифазної електричної мережі в режимі зниження генерованої потужності. 4. Подальший розвиток отримав метод управління трифазним інвертором струму з синусоїдальної ШІМ, який відрізняється від існуючих у корекції завдання фазних струмів мережі, що дозволяє знизити пульсації потужності у ланці постійного струму інвертора, при роботі ФЕС на потужності у ланці постійного струму інвертора , при роботі ФЕС на несиметричну трифазну мережу, на 50 % та коефіцієнт нелінійних спотворень мережних струмів на 60 % на відміну від систем управління, не враховують несиметрію мережевих напруг. 5. Вперше розроблено метод визначення параметрів LC фільтра інвертора напруги ФЕС, що працює в режимі автономного джерела живлення, який на відміну від існуючих дозволяє визначити параметри фільтра, з урахуванням частоти ШІМ модуляції інвертора, допустимого струму ключів інвертора та вимог параметрів якості вихідної напруги з коефіцієнтом гармонійних спотворень менше 5%. Достовірність теоретичних дисертаційних досліджень підтверджено експериментами на обладнанні конструкторського бюро ТОВ «АКУТЕК». Експериментальні результати показали високу ефективність розроблених методів та інструментів для покращення показників якості електроенергії генерованої мережевими інверторами напруги, що впливають на додаткові втрати в електричних мережах від вищих гармонік струмів. Використання розроблених методів дозволило значно підвищити показники якості електроенергії, генерованої в мережі та знизити пускові струми перетворювача. Практичне значення отриманих результатів для електроенергетичної галузі полягає в наступному: – розроблено методику розрахунку основних параметрів послідовної фотоенергетичної системи, що забезпечує передачу електричної енергії до трифазної електричної мережі; – запропоновано методику компенсації пульсацій напруги у ланці постійного струму сонячної електростанції, що забезпечує покращення показників якості електричної енергії генерованої до трифазної електричної мережі; – запропоновано методику керування мережевим інвертором напруги ФЕС, що забезпечує підвищення показників якості електричної енергії в режимі зниженої генерованої потужності; – розроблені імітаційні комп’ютерні моделі сонячних електростанцій, що дозволяють проводити дослідження показників якості електричної енергії, проводити визначення втрат потужності в силових перетворювачах сонячних електростанціях, досліджувати та проводити аналіз роботи регуляторів та інші дослідження; – розроблено методику визначення параметрів LC фільтра інвертора напруги ФЕС, що працює в режимі автономного джерела живлення, яка дозволяє визначити параметри фільтра, з урахуванням частоти ШІМ модуляції інвертора, допустимого струму ключів інвертора та вимог параметрів якості вихідної напруги з коефіцієнтом гармонійних спотворень менше 5%. Результати дисертаційної роботи використані на ТОВ «АКУТЕК» при розробці мережевих інверторів напруги та перетворювачів частоти з покращеними показниками якості вихідної напруги (акт про впровадження від 15.04.2024 р.) та в навчальному процесі на кафедрі «Передача електричної енергії» Національного технічного університету «ХПІ» (акт про впровадження 11.09.2023 р.). The dissertation is devoted to the development of methods and means for improving the quality indicators of electrical energy generated by solar power plants for three-phase electrical networks, namely, it allows to reduce the rate of emission of higher harmonics of currents and reactive power. The aim of the dissertation is to increase the quality indicators of the electric energy generated by the solar power plant to three-phase electric networks in the mode of reducing the generated power. The object of research is the process of transferring electrical energy to threephase electrical networks by solar power plants in the mode of reduced generated power. The subject of the study is the parameters of the quality of electric energy in networks with solar power plants in the mode of reduced generated power. The introduction substantiates the relevance of the dissertation topic, defines research tasks, shows the connection of work with scientific topics, provides data on scientific novelty, practical significance, approval of results and publications. In the first chapter, an analysis of the energy parameters of solar power plants is performed: the dependence of the generated power of solar panels on solar radiation, temperature and degradation characteristics of solar panels, an overview of the configurations of solar panels as part of solar power plants and semiconductor converters of power circuits of semiconductor converters that provide the processes of selecting the maximum power of solar panels and power transmission to three-phase electrical networks. The analysis of the requirements of domestic and international standards regarding the requirements of the parameters of the quality of electric energy and the requirements for the emission of higher harmonics of currents generated by solar power plants to three-phase electric networks was carried out. The problem of reducing the quality of electricity generated by solar power plants when the level of generated power is reduced is presented. Tasks are set for the following sections.The second chapter presents the structures of solar power plants that provide power transmission from solar panel units to three-phase electrical networks based on a voltage inverter and a current inverter. The study of matching DC/DC converters providing the maximum power sampling mode is presented. A mathematical model of the I-V characteristics of solar panels and a maximum power selection system implemented by a DC/DC converter are presented. Systems of direct and indirect determination of the point of maximum power, which can be selected by converters from solar panels, are presented. A compensatory algorithm for controlling the matching converters of solar power plants is proposed, which ensures a reduction in the voltage ripples of the direct current lines of the solar power plant, which is the supply voltage of the grid inverter, which improves the quality of electricity generated for three-phase electrical networks. The third chapter presents the results of the study of the features of the network inverters of the solar power plant, which ensure the transmission of electrical energy in three-phase electrical networks. A control system for a grid inverter of a photovoltaic power plant (FES) is proposed, which ensures the transmission of electricity with a power factor close to unity and a shape of currents close to sinusoidal. Analytical dependences that determine the dependence of the quality parameters of the generated electrical energy on the generated power are determined. Methods of increasing the parameters of the quality of electricity in the mode of reducing the generated power are proposed. The fourth chapter presents the results of computer modeling of the process of electricity transmission from a solar power plant based on a three-phase current inverter and a PWM voltage inverter to a three-phase electrical network. The results of the study of the parameters of the quality of electric energy generated by solar power plants to the three-phase electric network are presented. The analytical condition for realizing a power factor close to unity in the reduced mode is determined In fifth chapter, a study of a grid-tied PV inverter operating in the autonomous power supply mode was performed. The requirements for the voltage parameters of the generated solar power plant are determined and the circuit solutions of inverters that meet these requirements are analysed. It is determined that when implementing a twolevel voltage inverter and using an LC filter in a PV power plant, it is possible to have a value of the inrush current caused by the charge of the filter capacitor, which can lead to the failure of the power transistors of the grid. A methodology has been developed for calculating the LC filter, which allows determining the filter parameters according to the criteria of limiting the inrush current and ensuring the required quality of the output voltage. To confirm the developed methodology, computer modelling and physical experiments were performed. The conclusions present the main results of the work on solving the research objectives. The following scientific results were obtained as a result of the study: 1. The method of indirect determination of the maximum power point of solar panels has been further developed, which differs from the known ones by determining the maximum output voltage of matching converters at a fixed value of the output current, which makes it possible to simplify the control systems of the photovoltaic system, the hardware implementation of the control system for matching converters and reduces its cost. 2. For the first time, a method of compensatory control of matching converters of solar power plants is proposed, which implements mutual synchronisation of control channels of individual matching converters in the power take-off system and, unlike the known ones, provides mutual compensation of voltage fluctuations in the DC link of a solar power plant from individual matching converters, which allows to achieve reduction of voltage fluctuations in the DC link, which further improves the quality of electricity generated by three-phase. 3. For the first time, a method of frequency-adaptive control of the grid-tie voltage inverter of a solar power plant is proposed, which, unlike the known ones, allows to ensure improved quality of electricity generated to the three-phase power grid in the mode of reducing the generated power. 4. The method of controlling a three-phase current inverter with sinusoidal PWM, which differs from the existing ones in correcting the task of the grid phase currents, was further developed, which allows reducing power fluctuations in the DC link of the inverter, when operating the PPES on the power in the DC link of the inverter, when operating the PPES on an asymmetric three-phase network, by 50 % and the coefficient of nonlinear distortion of mains currents by 60 %, unlike control systems that do not take into account the asymmetry of mains voltages. 5. For the first time, a method for determining the parameters of the LC filter of a PV power inverter operating in the mode of an autonomous power supply has been developed, which, unlike the existing ones, allows determining the filter parameters, taking into account the frequency of PWM modulation of the inverter, the permissible current of the inverter keys and the requirements for the quality of the output voltage with a harmonic distortion coefficient of less than 5%. The validity of the theoretical dissertation research was confirmed by experiments on the equipment of the design bureau of AKUTEK LLC, from which the acts of implementation were obtained. Experimental results showed the high efficiency of the developed methods and tools for improving the quality indicators of electricity generated by mains voltage inverters, which affect additional losses in electrical networks from higher current harmonics. The use of the developed methods made it possible to significantly increase the quality indicators of electricity generated in the network and reduce the starting currents of the converter. Practical implications of the results for the electric power industry: – the method for calculating the main parameters of a sequential photovoltaic system that transmits electricity to a three-phase power grid has been developed; – the method of compensation of voltage fluctuations in the DC link of a solar power plant is proposed, which ensures improvement of the quality of electricity generated to a three-phase electrical network; – the method of controlling the grid-tie voltage inverter of a PV power plant is proposed, which ensures an increase in the quality of electricity in the mode of reduced generated power; – the simulation computer models of solar power plants were developed, which allow to study the quality of electricity, determine power losses in power converters of solar power plants, analyse the operation of regulators and other studies; – the methodology for determining the parameters of the LC filter of a PV power inverter operating in the mode of an autonomous power supply was developed, which allows determining the filter parameters, taking into account the frequency of PWM modulation of the inverter, the permissible current of the inverter keys and the requirements for the quality parameters of the output voltage with a harmonic distortion coefficient of less than 5%. The results of the dissertation work were used at AKUTEK LLC in the development of network voltage inverters and frequency converters with improved output voltage quality indicators (implementation act dated 04.15.2024) as well as in the educational process at the Department of Electric Energy Transmission of the National Technical University of «KhPI » (act on implementation of September 11, 2023).
Методи та засоби аналізу несиметричних режимів роботи електротехнічного обладнання
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2024) Дем’яненко, Роман Ігорович
Дисертаційна робота присвячена розробці методів та засобів для аналізу несиметричних режимів роботи електротехнічного обладнання, з особливим акцентом на системи метрополітену, зокрема ідентифікація, діагностика та аналіз несиметрій в роботі електротехнічних систем, які можуть впливати на їхню ефективність та надійність. Метою дисертаційної роботи є розробка та впровадження новітніх методів та інструментів для ідентифікації, аналізу та контролю несиметричних режимів в електротехнічних системах метрополітену. Об’єкт дослідження є несиметричні режими роботи та їх вплив на роботу електротехнічного обладнання в системах метрополітену. Предмет дослідження є способи виявлення, аналізу, інтерпретації та контролю несиметричних режимів роботи електротехнічного обладнання. У вступі обґрунтовується актуальність теми дослідження, яка безпосередньо випливає з високих вимог до ефективності та стабільності сучасних систем електричного транспорту, зокрема метрополітену, який відіграє важливу роль у життєдіяльності великих міст. Описується проблематика несиметричних режимів роботи електротехнічного обладнання, їхні причини та вплив на надійність і ефективність роботи систем. Визначені мета і завдання дослідження, а також об’єкт і предмет дослідження. У першому розділі наведено фундаментальну основу для дослідження, визначаючи актуальність теми, мету, завдання, об'єкт та предмет дослідження. В цьому розділі сформульовано проблематика несиметричних режимів роботи електротехнічного обладнання в контексті експлуатації метрополітену. Основна увага приділяється впливу цих режимів на надійність та ефективність систем, визначенню ключових причин виникнення несиметрії та потенційних шляхів їх усунення. У другому розділі представлені теоретичні аспекти та критерії для розрахунку миттєвих лінійних струмів, що є критично важливими для аналізу несиметричних режимів роботи. Презентується набір математичних методів і алгоритмів для точного визначення струмів, включаючи аналіз за допомогою критеріїв найменшої суми квадратів струмів, найменшої суми квадратів потужностей та максимального миттєвого коефіцієнта потужності. Описані підходи дозволяють підвищити точність діагностики систем та ідентифікації несправностей. Третій розділ присвячений моделюванню та аналізу розроблених підходів діагностики несиметричних режимів роботи. Розділ також включає обґрунтоване використання методів детального аналізу електричних сигналів для ефективного виявлення та локалізації несиметрії. Представлений аналіз спрямований на покращення розуміння механізмів виникнення несправностей та розробку електротехнічного обладнання. Четвертий розділ зосереджений на експериментальному дослідженні несиметричних режимів тягової підстанції метрополітену. Детально наведено проведення вимірювань за допомогою приладу АНТЕС-2, аналіз зібраних даних та інтерпретацію результатів. Особлива увага приділяється дослідженню конкретних випадків, як-от несиметричний провали напруги, та їх впливу на роботу системи. Надано важливу інформацію для розробки рекомендацій щодо покращення надійності та ефективності електротехнічного обладнання в умовах реальної експлуатації. У висновках наведено основні результати наукової роботи щодо вирішення поставлених наукових задач дослідження. В дисертації отримані наступні наукові результати: 1. Вперше запропоновані методи розрахунку миттєвих лінійних струмів за критеріями найменшої суми квадратів струмів, найменшої суми квадратів потужностей та максимального миттєвого коефіцієнта потужності. 2. Доведено, що при виконанні умови нульової суми лінійних напруг струми за критерієм максимального миттєвого коефіцієнта потужності збігаються зі струмами за найменшою сумою квадратів. 3. Визначено ефективність запропонованих методів розрахунків лінійних струмів при дослідженнях робочих режимів та несиметричних відмов у напівпровідниковому перетворювачі за схемою Ларіонова. 4. Вперше запропонований метод діагностування напівпровідникового перетворювача тягової підстанції у реальному часі в процесі його функціонування за розрахованими миттєвими лінійними струмами. Достовірність теоретичних дисертаційних досліджень підтверджено експериментами, проведеними на тягових підстанціях Т-3 КП «Харківський метрополітен» з використанням спеціалізованого діагностичного обладнання АНТЕС-2. Експериментальні результати показали високу ефективність розроблених методів та інструментів для аналізу несиметричних режимів роботи електротехнічного обладнання, підтвердивши їхню здатність ідентифікувати несиметричні режими, що впливають на надійність та стабільність систем метрополітену. Використання розроблених методів дозволило значно підвищити точність діагностики та своєчасність виявлення несправностей, що сприяє підвищенню ефективності та безпеки експлуатації електротехнічного обладнання. Практичне значення одержаних результатів у галузі електричної інженерії полягає в наступному: − покращити надійність функціонування обладнання на основі своєчасного індентифікування та діагностування несиметричних режимів роботи та відмов, що сприяє запобіганню пошкодженню обладнання та зниженню ризику аварійних ситуацій; − оптимізувати процеси технічного обслуговування, переходячи від планово-попереджувального до обслуговування залежно від фактичного стану обладнання (condition-based maintenance); − підвисити безпеку пасажирських перевезень, забезпечити стабільну та надійну роботу електротехнічного обладнання метрополітену, зменшуючи ймовірність аварій, пов'язаних з електропостачанням; − розширити наукові та технічні знання при розробці нових поколінь обладнання та систем електропостачання; − підвисити енергоефективность споживання електроенергії та систем метрополітену в цілому. Результати дисертаційної роботи використані на КП «Харківський метрополітен» при впровадженні методів та засобів аналізу несиметричних режимів роботи електротехнічного обладнання (акт про впровадження від 01.05.2024 р.) також в навчальному процесі на кафедрі «Автоматизація та кібербезпека енергосистем» Національного технічного університету «ХПІ» (акт про впровадження 02.05.2024 р.). The dissertation is devoted to the development of methods and tools for analyzing asymmetric modes of operation of electrical equipment, with a special emphasis on subway systems, in particular, identification, diagnosis and analysis of asymmetries in the operation of electrical systems that may affect their efficiency and reliability. The aim of the work is to develop and implement the latest methods and tools for identifying, analyzing and controlling asymmetric modes in subway electrical systems. The object of study is asymmetric operating modes and their impact on the operation of electrical equipment in subway systems. The subject of the study is the methods of detection, analysis, interpretation and control of asymmetric modes of operation of electrical equipment. The introduction discusses the relevance of the research topic, which directly stems from the high requirements for the efficiency and stability of modern electric transport systems, in particular the subway, which plays an important role in the life of large cities. The article describes the problems of asymmetric modes of operation of electrical equipment, their causes and impact on the reliability and efficiency of systems. The purpose and objectives of the study, as well as the object and subject of the research are defined. The first chapter describes the fundamental basis for the study, defining the relevance of the topic, the goal, objectives, object and subject of the study. This section formulates the problem of asymmetric modes of operation of electrical equipment in the context of subway operation. The main focus is on the impact of these modes on the reliability and efficiency of systems, identifying the key causes of asymmetry and potential ways to eliminate them. The second chapter describes the theoretical aspects and criteria for calculating instantaneous line currents, which are critical for the analysis of asymmetric operating modes. A set of mathematical methods and algorithms for the accurate determination of currents is presented, including analysis using the criteria of least sum of squared currents, least sum of squared powers, and maximum instantaneous power factor. These approaches help to improve the accuracy of system diagnostics and fault identification. The third chapter is devoted to modeling and analysis of the developed approaches to diagnosing asymmetric operating modes. It contains an overview of modern technologies and tools, including the use of specialized diagnostic equipment and software. The section also includes the development of our own method based on a detailed analysis of electrical signals for effective detection and localization of asymmetry. The presented analysis is aimed at improving the understanding of the mechanisms of malfunctioning and developing effective strategies for their elimination. The fourth chapter focuses on the experimental study of asymmetric modes of the subway traction substation. It describes in detail the measurements made with the ANTES-2 instrument, the analysis of the collected data, and the interpretation of the results. Particular attention is paid to the study of specific cases, such as an asymmetric voltage dip, and their impact on system operation. The chapter provides important information for developing recommendations for improving the reliability and efficiency of electrical equipment in real-world operation. The conclusions present the main results of the scientific work on solving the research tasks. The research has yielded the following scientific results: 1. For the first time, methods for calculating instantaneous linear currents based on the criteria of the least sum of squared currents, the least sum of squared powers, and the maximum instantaneous power factor are proposed. 2. It is proved that when the condition of zero sum of line voltages is fulfilled, the currents according to the criterion of maximum instantaneous power factor coincide with the currents according to the least sum of squares. 3. The effectiveness of the proposed methods for calculating linear currents in the study of operating modes and asymmetric failures in a semiconductor converter based on the Larionov scheme is determined. 4. For the first time, a method for diagnosing a semiconductor converter of a traction substation in real time during its operation based on the calculated instantaneous line currents is proposed. The reliability of the theoretical dissertation research has been confirmed by experimental studies conducted at traction substations T-3 of Municipal Enterprise «Kharkiv Metro» using specialized diagnostic equipment ANTES-2. The experimental results showed the high efficiency of the developed methods and tools for analyzing asymmetric modes of operation of electrical equipment, confirming their ability to identify asymmetric modes that affect the reliability and stability of subway systems. The developed methods have significantly improved the diagnostic accuracy and timeliness of fault detection, which contributes to the efficiency and safety of electrical equipment operation. The practical significance of the results obtained in the field of electrical engineering is as follows: − improving the reliability of equipment operation: The developed methods and analysis tools allow timely identification and diagnosis of asymmetric operating modes and failures, which helps prevent equipment damage and reduce the risk of emergencies. This, in turn, increases the reliability of operation of traction substations and other subway electrical equipment; − optimization of maintenance processes: The application of the developed analysis methods allows optimizing equipment maintenance and repair schedules, moving from scheduled preventive maintenance to maintenance depending on the actual condition of the equipment (condition-based maintenance); − reduced operating costs: Prevention of abnormal operating conditions and timely elimination of detected malfunctions can reduce the cost of repair and replacement of components, as well as reduce losses from equipment downtime; − improving the safety of passenger transportation: Ensuring the stable and reliable operation of subway electrical equipment contributes to the overall safety of passenger transportation by reducing the likelihood of power-related accidents; − expanding scientific and technical knowledge: The results of the study contributed to the development of scientific knowledge in the field of electrical engineering, in particular in the analysis of asymmetric operating modes, and can be used in the development of new generations of equipment and power supply systems; − improving the energy efficiency of systems: Effective management of asymmetric modes helps to optimize energy consumption and increase the energy efficiency of subway systems. The results of the dissertation were used at the Kharkiv Metro in the implementation of methods and tools for analysing asymmetric modes of operation of electrical equipment (act of implementation dated 01.05.2024) and in the educational process at the Department of Automation and Cybersecurity of Power Systems of the National Technical University ‘KhPI’ (act of 02.05.2024).
Забезпечення завадостійкості кабелів на основі витих пар для промислових мереж
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2024) Пушкар, Олег Анатолійович
Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної науково-прикладної задачі щодо забезпечення електромагнітної завадостійкості витих пар на технологічній стадії виготовлення кабелів промислових мереж з відповідним комплексом електричних параметрів передачі у широкому діапазоні частоти. Метою дисертаційної роботи є забезпечення завадостійкості кабелів для промислових мереж з відповідним комплексом електричних параметрів передачі на технологічній стадії виготовлення витих пар. Об’єктом дослідження є забезпечення завадостійкості неекранованих та екранованих витих пар на технологічній стадії виготовлення. Предметом дослідження є виті пари промислових мереж з електричними параметрами передачі у границях нормованих значень. У вступі обґрунтовано актуальність теми та визначено задачі дисертаційного дослідження, показано зв’язок роботи з науковими програмами, планами та темами, наведено наукову новизну та практичне значення, представлено дані щодо публікацій та апробації результатів. У першому розділі акцентовано на темпах зростання чисельності промислових мереж за останні 10 років у світі, що на фізичному рівні базуються переважно на витій парі. Представлено області застосування технології промислового Ethernet, міжнародні стандарти та категорії кабелів на основі чотирьох та одно парних кабелів на основі витих пар. Досягнення надійної продуктивності і ефективності з можливістю оптимізаціїпромислових операцій, забезпечення кібербезпеки та зменшення незапланованих перебоїв здійснюється із використанням промислових кабелів Ethernet. Мережеві компоненти, до яких відносяться і кабелі, та носії є причиною понад 70% усіх збоїв у мережі, причому на операційні системи припадає менше 20% збоїв. Доведено, що кабель, як інфраструктурний фундамент розгалуженої промислової мережі, є безпосередньою лінією передачі. Для створення таких протяжних завадостійких ліній необхідно використовувати нові різновиди кабелів з відповідним комплексом електричних параметрів. Представлені електромагнітні параметри для оцінки ефективності екранування витих пар. Наведено класифікацію кабелів і ліній різних класів з відповідними значеннями параметрів несиметричної електромагнітної завади в діапазоні частоти (0,1–10) МГц. Проаналізовано шляхи забезпечення завадостійкості кабелів на основі витих пар на технологічній стадії виготовлення витих пар. Наголошено на необхідності компромісу між екрануванням та забезпеченням електричних параметрів передачі у широкій смузі частоти на технологічній стадії виготовлення екранованих витих пар. Сформульовано невисвітлені питання та окреслено пріоритетні задачі дисертаційного дослідження. У другому розділі на підставі обґрунтованої методології чисельного розрахунку електростатичного поля визначено робочу ємність одиночної витої пари в залежності від конструктивного виконання. Доведено, що за умови однакової товщини ізоляції робоча ємність екранованої суцільним металевим екраном на 78% перевищує значення ємності неекранованої пари у захисній полімерній оболонці. Збільшення товщини ізоляції у 2,5 рази забезпечило однаковість значень робочої ємності, тобто втрат електромагнітної енергії, екранованої пари з неекранованою. Більш ефективним способом забезпечення завадостійкості з відповідним значенням робочої ємності є застосування двошарового екрану з полімерною плівкою. Варіювання товщини, способу розташування та діелектричної проникності матеріалу полімерної плівки двошарового екрану забезпечує різницю робочої ємності у 5% порівняно з неекранованою витою парою. Проведеними обчислювальними експериментами доведено зростання на 40,9 % і 39,0 % робочої ефективної ємності витої пари за умови наявності еліптичності суцільного екрану порівняно з неекранованою та екранованою двошаровим екраном конструкціями з діаметрами провідників 0,64 мм. Запропоновано застосування спінення ізоляції для зменшення робочої ємності та втрат електромагнітної енергії у конструкції екранованого кабелю. Таке конструкторсько-технологічне рішення дозволяє збільшити дальність передавання сигналів по витій парі, підвищити гнучкість та зменшити розміри кабелю у цілому. Наявність структурно-технологічних неоднорідностей у конструкції кабелів призводить до появи додаткових втрат електромагнітної енергії у відповідному діапазоні частоти, що підтверджено експериментальними дослідженнями. Це доводить про необхідність вдосконалення типового технологічного процесу виготовлення витих пар для зменшення структурно-технологічних неоднорідностей на завершальній технологічній стадії виготовлення кабелів. У третьому розділі представлено експериментальні дослідження впливу конструктивних особливостей кабелів на параметри електромагнітних завад. Підтверджено ефективність менших кроків скручування на підвищення рівня завадостійкості порівняно з більшими кроками скручування за умови однакової частоти. Максимальні значення взаємних впливів становлять 92 дБ і 62 дБ для частоти 1 МГц для 4-х парного неекранованого 30-парного екранованого кабелів відповідно. Наявність у конструкції кабелю загального екрану призводить до зменшення електромагнітних впливів між витими парами в кабелі. Діапазон значень перехідного згасання на ближньому кінці на верхній граничній робочій частоті 100 МГц для неекранованого та екранованого кабелів з витими парами, кроки скручування у котрих однакові, становить (44 – 54) дБ та (46 –58) дБ відповідно. Встановлено, що коефіцієнт згасання електромагнітної енергії для неекранованих кабелів має менші значення в діапазоні частоти від 1 МГц до 10 МГц. При більш високих значеннях частоти екрановані кабелі мають менші значення згасання, що обумовлено ефектом впливу індуктивності екрану на втрати електромагнітної енергії та обумовлює більш жорсткі вимоги для забезпечення щільної конструкції екранованих кабелів промислових мереж. Підтверджено значний позитивний кореляційних зв’язок між параметрами омічної та ємнісної асиметріями витих пар. Коефіцієнт парної кореляції становить 0,974 для неекранованого та 0,926 для екранованого кабелів. Встановлено значний кореляційний зв’язок між параметрами електромагнітних впливів та асиметрією електричного опору витих пар кабелів. Коефіцієнти парної кореляції становлять 0,90 та 0,93 для неекранованих та екранованих конструкцій кабелів, що обумовлює більш жорсткі вимоги до технологічного процесу виготовлення екранованих витих пар. У четвертому розділі визначено стратегію та обґрунтовано діапазон налаштувань технологічного процесу для досягнення нормованих електричних параметрів передачі та забезпечення завадостійкості кабелів промислових мереж. Показано, що значення відносних опорів провідників на постійному струмі повинні знаходитися у границях ± 3σ та мати позитивні допуски діаметрів провідників пар з різними кроками скручування. Мультиплікативна завада, обумовлена випадковими зміненням у стохастичному технологічному процесі, може призводити до відхилення діаметру у 2 рази від номінального значення на рівні 50% вірогідності. Обґрунтовано методологію синтезу конструкторсько-технологічних рішень регулювання ємності витої пари кабелів промислових мереж на технологічній стадії виготовлення ізольованого провідника. Отримано номограми ефективних діелектричних параметрів та відносних значень ємності ізольованого провідника в залежності від ступеню спінення суцільної поліетиленової ізоляції та товщини захисної плівки. Це дозволяє ефективно регулювати електричну ємність двошарової ізоляції провідника витої пари. Коефіцієнт варіації робочої ємності повинен бути на рівні 0,3% у випадку мультиплікативного характеру зміни стохастичного технологічного процесу. Встановлено, що при односпрямованій скрутці пар і сердечника кабелю для пар з меншими кроками скрутки спостерігається вихід за верхні межі нормованих значень ємності. Для забезпечення параметрів передачі в границях нормованих необхідно застосовувати 100% відкрутку. Експериментально доведено кореляційний зв’язок між хвильовим імпедансом та втратами електромагнітної енергії на структурних неоднорідностях та обґрунтовано більш високу чутливість цих параметрів до стабільності технологічного процесу виготовлення витих екранованих пар. У висновках наведено основні результати наукової роботи щодо вирішення поставлених наукових задач дослідження. В дисертації отримані наступні наукові результати: 1. Вперше доведено вплив конструктивних та діелектричних параметрів полімерної плівки двошарового екрану на електричну ємність витої пари, що забезпечує підвищений рівень завадостійкості та зменшує втрати електромагнітної енергії у робочому діапазоні частоти екранованої витої пари порівняно з неекранованою. 2. Вперше визначено вплив еліптичності конструктивних елементів на структуру електричного поля та робочу ефективну ємність витої пари в залежності від конструктивного виконання кабелю та електричної ізоляції, що дало можливість обґрунтувати доцільність застосування спіненої полімерної ізоляції для регулювання ємності та зменшенню її впливу на втрати електромагнітної енергії у екранованому кабелі. 3. Вперше експериментально встановлено кореляційний зв’язок між параметрами електромагнітних впливів та асиметрією електричного опору витих пар кабелів. Коефіцієнти парної кореляції становлять 0,90 та 0,93 для неекранованих та екранованих кабелів, що обумовлює більш жорсткі вимоги до технологічного процесу виготовлення екранованих витих пар. 4. Вперше визначено діапазони налаштувань технологічного процесу виготовлення витих пар з нормованими електричними параметрами передачі, що забезпечує позитивні допуски діаметрів провідників пар з різними кроками скручування при значеннях відносних опорів провідників на постійному струмі у границях ± 3σ та коефіцієнт варіації ємності ізольованого провідника на рівні 0,3%. 5. Вперше обґрунтовано методологію синтезу конструкторсько-технологічних рішень спінення полімерної ізоляції та отримано номограми ефективних діелектричних параметрів в залежності від ступеню спінення та товщини захисної полімерної плівки, що дозволяє ефективно регулювати електричну ємність двошарової ізоляції ізольованого провідника на технологічній стадії виготовлення витої пари. При ступені спінення 40% діелектрична проникність зменшується на 25%, тангенс кута діелектричних втрат – на 33%, електрична ємність ізольованого провідника – на 20%. Достовірність теоретичних дисертаційних досліджень підтверджено експериментальними дослідженнями статистично усереднених електричних параметрів передачі витих пар для 10 і 85 вибірок бухт довжиною 305 метрів неекранованих та екранованих кабелів. Практичне значення одержаних результатів полягає у наступному: – обґрунтована методологія чисельного визначення електричного поля, яка базується на методі вторинних джерел з врахуванням наявності структурно-технологічних неоднорідностей конструктивних елементів кабелів на основі витої пари, може бути застосована для налаштувань технологічного процесу виготовлення ізольованих провідників кабелів різного призначення, в тому числі і силових; – доведено ефективність застосування ламінованого двошарового екрану з неполярною плівкою, що надає можливості варіювання значеннями робочої ємності для зменшення її впливу на коефіцієнт згасання та підвищення завадостійкості витої пари у робочому діапазоні частоти; – обґрунтування щодо розташування ізольованого провідника у воді, що охолоджує, забезпечує в порівнянні з повітряним охолодженням високу чутливість до налаштувань технологічного процесу регулювання ємності ізольованого провідника при варіюванні товщини ізоляції провідника витої пари; – показано, що мультиплікативна завада, обумовлена випадковими змінами у стохастичному технологічному процесі, може призводити до відхилення діаметру у 2 рази від номінального значення на рівні 50% вірогідності; – доведено вихід за верхні границі нормованих значень робочої ємності і втрат електромагнітної енергії для витих пар з меншими кроками скрутки, що дало можливість на технологічній стадії виготовлення при односпрямованому скручуванні сердечника з відкруткою обґрунтувати застосування більших кроків скручування для отримання менших для підвищення завадостійкості витих пар; – встановлено кореляційний зв’язок між хвильовим імпедансом та структурними втратами електромагнітної енергії у витих екранованих парах, що дозволяє застосовувати ці параметри для налаштувань стабільності технологічного процесу; – рекомендації щодо налаштувань технологічного процесу виготовлення екранованих кабелів з витими парами забезпечують підвищення однорідності геометричних та електричних параметрів для зменшення розкиду параметрів електромагнітного впливу у кабелях з витими парами. Результати дисертаційної роботи застосовуються при створенні інноваційної для кабельної промисловості України кабелів на основі витих пар для промислових мереж у науково-виробничому підприємстві «Алай», при модернізації кабельної інфраструктури промислових мереж ДП «НАЕК «Енергоатом» (м. Київ), у навчальному процесі на кафедрі «Електроізоляційна та кабельна техніка» при підготовці бакалаврів та магістрів за спеціальністю 141 – Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка спеціалізації 141.04 Електроізоляційна, кабельна та оптоволоконна техніка. The dissertation is devoted to the solution of the actual scientific and applied problem of ensuring the electromagnetic immunity of twisted pairs at the technological stage of manufacturing cables of industrial networks with the appropriate set of electrical transmission parameters in a wide frequency range. The purpose of the dissertation is to ensuring the immunity of cables for industrial networks with the appropriate set of electrical transmission parameters at the technological stage of manufacturing twisted pairs. The object of the study is to ensure the interference resistance of unshielded and shielded twisted pairs at the technological stage of manufacturing. The subject of study is twisted pairs of industrial networks with electrical transmission parameters within the limits of normalized values. The introduction substantiates the relevance of the topic and defines the tasks of the dissertation research, shows the connection of the work with scientific programs, plans and topics, provides scientific novelty and practical significance, presents data on publications and approval of results. The first chapter focuses on the rate of growth of the number of industrial networks over the last 10 years in the world, which at the physical level are based mainly on twisted pair. Areas of application of industrial Ethernet technology, international standards and categories of cables based on four-pair and single-pair cables based on twisted pairs are presented. Achieving reliable productivity and efficiency with the ability to optimize industrial operations, ensure cyber security and reduce unplanned outages is carried out using industrial Ethernet cables. Network components, which include cables and media, account for more than 70% of all network failures, with operating systems accounting for less than 20% of failures. It has been proven that the cable, as the infrastructural foundation of an extensive industrial network, is a direct transmission line. To create such long interference-resistant lines, it is necessary to use new types of cables with an appropriate set of electrical parameters. The electromagnetic parameters for evaluating the shielding effectiveness of twisted pairs are presented. The classification of cables and lines of different classes with the corresponding values of parameters of asymmetric electromagnetic interference in the frequency range (0,1 – 10) MHz is given. Ways to ensure interference resistance of cables based on twisted pairs at the technological stage of manufacturing twisted pairs have been analysed. The need for a compromise between shielding and ensuring electrical transmission parameters in a wide frequency band at the technological stage of manufacturing shielded twisted pairs is emphasized. Unexplained questions are formulated and the priority tasks of the dissertation research are outlined. In the second chapter, on the basis of a justified methodology of numerical calculation of the electrostatic field, the working capacity of a single twisted pair is determined depending on the design. It has been proven that, under the condition of the same thickness of insulation, the working capacity shielded by a solid metal screen is 78% higher than the value of the capacity of an unshielded pair in a protective polymer shell. Increasing the thickness of the insulation by 2,5 times ensured the uniformity of the values of the working capacity, i.e. the loss of electromagnetic energy, of a shielded pair with an unshielded one. A more effective way to ensure interference resistance with the corresponding value of the working capacity is the use of a two-layer screen with a polymer film. Varying the thickness, arrangement, and dielectric constant of the polymer film material of the double-layer shield provides a 5% difference in working capacity compared to an unshielded twisted pair. The conducted computational experiments proved an increase of 40,9% and 39,0% in the working effective capacity of the twisted pair, provided the ellipticity of the solid screen is present, compared to unshielded and shielded by a double-layer screen structures with conductor diameters of 0,64 mm. The application of insulation foaming is proposed to reduce the working capacity and losses of electromagnetic energy in the design of the shielded cable. Such a design-technological solution allows you to increase the range of signal transmission over a twisted pair, increase flexibility and reduce the size of the cable as a whole. The presence of structural and technological inhomogeneities in the construction of cables leads to the appearance of additional losses of electromagnetic energy in the corresponding frequency range, which is confirmed by experimental studies. This proves the need to improve the typical technological process of manufacturing twisted pairs to reduce structural and technological inhomogeneities at the final technological stage of cable production. The third chapter presents experimental studies of the influence of the design features of cables on the parameters of electromagnetic interference. The effectiveness of smaller twisting steps in increasing the level of immunity compared to larger twisting steps at the same frequency has been confirmed. The maximum values of mutual influences are 92 dB and 62 dB for a frequency of 1 MHz for 4-pair unshielded and 30-pair shielded cables, respectively. The presence of a common shield in the cable design leads to a reduction of electromagnetic influences between twisted pairs in the cable. The range of near-end transient attenuation values at the upper limit operating frequency of 100 MHz for unshielded and shielded twisted-pair cables with the same twist steps is (44 - 54) dB and (46 - 58) dB, respectively. It is established that the attenuation coefficient of electromagnetic energy for unshielded cables has lower values in the frequency range from 1 MHz to 10 MHz. At higher frequency values, shielded cables have lower attenuation values, which is due to the effect of shield inductance on electromagnetic energy losses and leads to stricter requirements for ensuring the dense construction of shielded cables of industrial networks. A significant positive correlation between the parameters of ohmic and capacitive asymmetry of twisted pairs was confirmed. The pairwise correlation efficient is 0,974 for unshielded and 0,926 for shielded cables. A significant correlation was established between the parameters of electromagnetic influences and the asymmetry of the electrical resistance of twisted pairs of cables. Pair correlation coefficients are 0,90 and 0,93 for unshielded and shielded cable designs, which causes stricter requirements for the manufacturing process of shielded twisted pairs. The fourth chapter defines the strategy and substantiates the range of technological process settings to achieve standardized electrical transmission parameters and ensure interference immunity of industrial network cables. It is shown that the values of the relative resistances of the conductors on direct current should be within the limits of ± 3σ and have positive tolerances of the diameters of the conductors of pairs with different twist steps. Multiplicative interference caused by random changes in a stochastic technological process can lead to a deviation of the diameter by 2 times from the nominal value at the level of 50% probability. The methodology of the synthesis of design and technological solutions for regulating the electrical capacity of twisted pair cables of industrial networks at the technological stage of manufacturing an insulated conductor is substantiated. Nomograms of effective dielectric parameters and relative values of the electrical capacity of the insulated conductor depending on the degree of foaming of solid polyethylene insulation and the thickness of the protective film were obtained. This allows you to effectively adjust the electrical capacity of the double-layer insulation of the twisted pair conductor. The coefficient of variation of the working capacity should be at the level of 0,3% in the case of the multiplicative nature of the change in the stochastic technological process.It was established that with unidirectional twisting of the pairs and the cable core, for pairs with smaller twist steps, the upper limits of the normalized capacity values are observed. To ensure transmission parameters within the normalized limits, it is necessary to apply 100% unscrewing. The correlation between wave impedance and losses of electromagnetic energy on structural inhomogeneities was experimentally proven and the higher sensitivity of these parameters to the stability of the technological process of manufacturing twisted shielded pairs was justified. In the conclusions, the main results of the scientific work regarding the solution of the set scientific problems of the research are given. Scientific novelty of the results: 1. For the first time, the influence of the structural and dielectric parameters of the polymer film of the two-layer screen on the electrical capacity of the twisted pair has been proven, which provides an increased level of interference immunity and reduces the loss of electromagnetic energy in the operating frequency range of the shielded twisted pair compared to the unshielded one. 2. For the first time, the influence of the ellipticity of structural elements on the structure of the electric field and the working effective capacity of the twisted pair depending on the design of the cable and electrical insulation was determined, which made it possible to substantiate the feasibility of using foamed polymer insulation to regulate the capacity and reduce its impact on the loss of electromagnetic energy in the shielded cables. 3. For the first time, a correlation between the parameters of electromagnetic influences and the asymmetry of the electrical resistance of twisted pairs of cables was established experimentally. Pair correlation coefficients are 0,90 and 0,93 for unshielded and shielded cables, which causes stricter requirements for the manufacturing process of shielded twisted pairs. 4. For the first time, the ranges of settings for the technological process of manufacturing twisted pairs with standardized electrical transmission parameters were defined, which ensures positive tolerances of the diameters of the conductors of pairs with different twist steps at the values of the relative resistances of the conductors at direct current within the limits of ± 3σ and the coefficient of variation of the capacity of the insulated conductor at the level of 0, 3%. 5. For the first time, the methodology of the synthesis of design and technological solutions for the foaming of polymer insulation was substantiated and nomograms of effective dielectric parameters were obtained depending on the degree of foaming and the thickness of the protective polymer film, which allows to effectively regulate the electrical capacity of the double-layer insulation of the insulated conductor at the technological stage of twisted pair production. At a degree of foaming of 40%, the dielectric permeability decreases by 25%, the tangent of the dielectric loss - by 33%, the electrical capacity of the insulated conductor - by 20%. The validity of the theoretical dissertation studies was confirmed by experimental studies of statistically averaged electrical transmission parameters of twisted pairs for 10 and 85 samples of bays with a length of 305 meters of unshielded and shielded cables. The practical significance of the results obtained is as follows: – a reasonable methodology for the numerical determination of the electric field, which is based on the method of secondary sources, taking into account the presence of structural and technological inhomogeneities of the structural elements of cables based on twisted pair, can be applied to the settings of the technological process of manufacturing insulated conductors of cables for various purposes, including power ones; – the effectiveness of the application of a laminated two-layer screen with a non-polar film, which provides the possibility of varying the values of the working capacity to reduce its influence on the attenuation coefficient and increase the immunity of the twisted pair in the working frequency range, has been proven; – the justification for the location of the insulated conductor in the cooling water ensures, in comparison with air cooling, high sensitivity to the settings of the technological process of adjusting the capacity of the insulated conductor whe varying the thickness of the insulation of the twisted pair conductor; – it is shown that the multiplicative disturbance caused by random changes in the stochastic technological process can lead to a deviation of the diameter by 2 times from the nominal value at the level of 50% probability; – it is proved that the upper limits of the normalized values of working capacity and losses of electromagnetic energy for twisted pairs with smaller twist steps are exceeded. This made it possible to substantiate the use of larger twisting steps to obtain smaller twisted pairs to increase interference resistance at the technological stage of manufacturing during unidirectional twisting of the core with a screwdriver; – a correlation between wave impedance and structural losses of electromagnetic energy in twisted shielded pairs has been established, which allows these parameters to be used to adjust the stability of the technological process; – recommendations regarding the settings of the manufacturing process of shielded twisted-pair cables provide an increase in the homogeneity of geometric and electrical parameters to reduce the spread of electromagnetic influence parameters in twisted-pair cables. The results of the dissertation work are used in the creation of innovative for the cable industry of Ukraine cables based on twisted pairs for industrial networks at the research and production enterprise «Alay», in the modernization of the cable infrastructure of the industrial networks of SE «NAEK» Energoatom» (Kyiv), in the educational process at the department «Electrical insulation and cable Engineering» in the preparation of bachelors and masters in the speciality 141 – Electrical Engineering, Power Engineering and Electromechanics specialization 141.04 Electrical insulation, cable and optical fiber technology.
Підвищення достовірності розпізнавання типу дефектів в обладнанні електричних систем за результатами аналізу розчинених в маслі газів
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2023) Кулик, Олексій Сергійович
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії зі спеціальністю 141 – Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка (14 – електрична інженерія). – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Харків, 2023. Мета роботи – покращення експлуатаційної надійності високовольтного маслонаповненого обладнання електричних систем та мереж за рахунок підвищення достовірності розпізнавання типу дефектів за результатами аналізу розчинених у маслі газів. Об’єкт дослідження – процеси розвитку дефектів у маслонаповненому обладнанні електричних систем та мереж. Предмет досліджень – значення відношень газів, відсоткового вмісту газів і відношень газів до газу з максимальним вмістом у маслонаповненому обладнанні електричних систем та мереж з дефектами різного типу. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, визначені задачі дослідження, показано зв’язок роботи з науковими темами, наведено дані про наукову новизну, практичне значення, апробацію результатів та публікації. У першому розділі виконано аналіз експлуатаційної надійності високовольтного маслонаповненого обладнання (в першу чергу силових трансформаторів) електричних систем та мереж. Проаналізовані основні причини та найбільш часті ушкодження високовольтних силових трансформаторів. Визначені основні дефекти, що виявляються у маслонаповненому обладнанні електричних систем та мереж за допомогою інтерпретації результатів аналізу розчинених у маслі газів. Проаналізовані методи та критерії, що використовуються для визначення типу дефектів високовольтного маслонаповненого обладнання за вмістом розчинених в маслі газів. Проаналізовані сучасні тенденції щодо удосконалення методів інтерпретації результатів аналізу розчинених у маслі газів. Проаналізовані основні проблеми, що виникають при оцінювання стану високовольтного маслонаповненого обладнання за результатами аналізу розчинених у маслі газів. У другому розділі проаналізовані значення діагностичних критерії у 3449 одиницях маслонаповненого обладнання електричних систем та мереж з дефектами різного типу, встановлено діапазони значень відношень характерних газів, відсоткового вмісту газів і відношень газів до газу з максимальним вмістом, побудовано 109 графічних областей (номограм дефектів), проведено порівняльний аналіз достовірності розпізнавання цих дефектів. За результатами виконаного порівняльного аналізу достовірності розпізнавання дефектів різного типу встановлено, що достовірність розпізнавання кожного з методів не є постійною, а варіюється залежно від типу дефекту, що не дає змоги розглядати той чи інший метод як універсальний для розпізнавання дефектів різного типу. У третьому розділі наведено опис розроблених нових методів розпізнавання типу дефектів у маслонаповненому обладнанні електричних систем та мереж за значеннями відношень газів, відсоткового вмісту газів та комплексом діагностичних критеріїв, проведено порівняльний аналіз достовірності розпізнавання типу дефектів з використанням розроблених методів та уже наявних стандартів і методів з інтерпретації результатів аналізу розчинених у маслі газів. У четвертому розділі описана програмна реалізація розроблених методів розпізнавання типу дефектів в маслонаповненому обладнанні електричних систем та мереж за значеннями відношень газів, відсоткового вмісту газів та комплексом діагностичних критеріїв у складі інформаційно-аналітичної системи «СИРЕНА». У висновках наведено основні результати роботи щодо вирішення поставлених задач дослідження. За результатами дослідження отримано наступні наукові результати: 1. Отримав подальший розвиток метод номограм, який відрізняється від наявного новими 95 графічними областями, характерними для дефектів різного типу та їх комбінацій, і дає змогу у 7 разів підвищити кількість дефектів, які розпізнаються з використанням методу номограм. 2. Вперше розроблено графічний метод розпізнавання типу дефекту по значенням трьох відношень газів, який, на відміну від наявних аналогів, дозволяє розпізнавати не тільки електричні розряди і термічні дефекти, а й їх комбінації з оцінкою енергії розрядів та температури гарячої точки, що дозволяє підвищити кількість правильних діагнозів, поставлених з використанням запропонованого методу, до 86,67 % тоді як наявні методи дозволяють поставити правильний діагноз у 83,6 %. 3. Вперше запропоновано метод для розпізнавання типу дефекту маслонаповненого обладнання електричних мереж за комплексом діагностичних критеріїв, який відрізняється від наявних тим, що розпізнавання типу дефекту проводиться на основі порівняльного аналізу співпадіння результатів аналізу розчинених у маслі газів із діагностованого обладнання з результатам аналізу розчинених у маслі газів обладнання з чітко встановленим діагнозом, що дозволяє розпізнавати 32 різні типи дефектів тоді як відомі стандарти та методи дозволяють розпізнати 4–13 типів дефектів. 4. Науково обґрунтовано діапазони значень відношень характерних газів, відсоткового вмісту газів і відношень газів до газу з максимальним вмістом для 32 типів дефектів та їх комбінацій. Практичне значення отриманих результатів для електроенергетичної галузі: 1. Запропоновано методику класифікації стану маслонаповненого обладнання електричних мереж в багатомірному діагностичному просторі, яка використовується в науковій діяльності кафедри передачі електричної енергії Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут» при дослідженні процесів старіння ізоляції високовольтного маслонаповненого обладнання електричних систем та мереж. 2. Отримані діапазони значень відношень характерних газів, відсоткового вмісту газів і номограми дефектів використовуються як додаткові критерії для визначення типу дефектів за результатами аналізу розчинених у маслі газів у службі ізоляції та грозозахисту АТ «Харківобленерго». 3. Алгоритмічно розроблені та програмно реалізовані окремі модулі інформаційно-аналітичної системи «СИРЕНА», яка на даний час розробляється на кафедрі «Передача електричної енергії» Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут», що реалізують розроблені методи розпізнавання типу дефектів маслонаповненого обладнання за результатами аналізу розчинених у маслі газів. Результати досліджень використовувались при виконанні наукових досліджень в рамках ініціативної науково-дослідної роботи «Удосконалення методів діагностики стану маслонаповненого високовольтного обладнання електричних мереж» (№ ДР 0121U109404, 2021–2022 рр.), де здобувач був відповідальним виконавцем, та застосовуються у держбюджетній науково- дослідній роботі за планом МОН України «Забезпечення стійкого, надійного та ефективного енергопостачання районів міст постраждалих внаслідок бойових дій» (№ ДР 0123U100244, 2023–2025 рр.), де здобувач є виконавцем окремих розділів. Результати дисертаційної роботи застосовуються при інтерпретації результатів аналізу розчинених у маслі газів високовольтного маслонаповненого обладнання у службі ізоляції та грозозахисту АТ «Харківобленерго» та у навчальному процесі на кафедрі передачі електричної енергії в освітніх компонентах «Техніка високих напруг» і «Математичні основи технічної діагностики» за освітньою програмою «Електроенергетика», освітньою-науковими програмами «Електроенергетика» та «Комп’ютерні інформаційні технології цифрової трансформації енергетики» Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут» (підтверджено актами впровадження). Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in specialty 141 “Electrical Engineering, Power Engineering and Electromechanics” (14 – Electrical engineering). – National Technical University “Kharkiv Polytechnic Institute”, Kharkiv, 2023. The aim of the study is to improve the operational reliability of high-voltage oilfilled equipment of electrical systems and networks by increasing the reliability of fault type recognition based on the results of dissolved gas analysis. The object of research is the processes of fault development in oil-filled equipment of electrical systems and networks. The subject of research are the values of the gas ratios, the percentage of gases and the gas-to-gas ratios with the maximum content in oil-filled equipment of electrical systems and networks with various types of faults. The introduction substantiates the relevance of the dissertation topic, defines the research objectives, shows the connection of the work with scientific topics, provides information on scientific novelty, practical significance, approbation of results and publications. The first chapter analyses the operational reliability of high-voltage oil-filled equipment (primarily power transformers) of electrical systems and networks. The main causes and most frequent damages of high-voltage power transformers are analysed. The main faults detected in the oil-filled equipment of electrical systems and networks are identified by interpreting the results of the dissolved gas analysis. The methods and criteria used to determine the type of faults in high-voltage oil-filled equipment by the dissolved gas content are analysed. Modern trends in improving the methods of interpreting the results of the dissolved gas analysis are analysed. The main problems that arise when assessing the condition of high-voltage oil-filled equipment based on the results of the dissolved gas analysis are analysed. The second chapter analyses the values of diagnostic criteria in 3449 units of oilfilled equipment of electrical systems and networks with various types of faults, establishes the ranges of the ratios of characteristic gases, percentage of gases and gasto- gas ratios with maximum content, plots 109 graphical areas (nomograms of faults), and conducts a comparative analysis of the recognition accuracy of these faults. Based on the results of the comparative analysis of the recognition accuracy of different types of faults, it was found that the recognition accuracy of each method is not constant but varies depending on the type of fault, which does not provide an opportunity to consider a particular method as universal for the recognition of different types of faults. The third chapter describes the developed new methods for recognising the type of faults in oil-filled equipment of electrical systems and networks by the values of gas ratios, percentage of gases and a set of diagnostic criteria, and conducts a comparative analysis of the accuracy of recognising the type of faults using the developed methods and existing standards and methods for interpreting the results of dissolved gas analysis. Chapter 4 describes the software implementation of the developed methods for recognising the type of faults in oil-filled equipment of electrical systems and networks by the values of gas ratios, percentage of gases and a set of diagnostic criteria as part of the information and analytical system “SYRENA”. The conclusions present the main results of the research aimed at solving the research objectives. The following scientific results were obtained from the study: 1. The nomogram method was further developed, which differs from the existing one by new 95 graphic areas characteristic of various types of faults and their combinations, and allows to increase the number of faults that can be recognised using the nomogram method by 7 times. 2. For the first time, a graphical method for recognising the type of fault by the values of three gas ratios has been developed, which, unlike existing analogues, allows recognising not only electrical discharges and thermal faults, but also their combinations with an assessment of the discharge energy and hot spot temperature, which will increase the number of correct diagnoses made using the proposed method to 86.67 %, while existing methods allowed making the correct diagnosis in 83.6 %. 3. For the first time, a method for recognising the type of fault in oil-filled equipment of electrical networks by a set of diagnostic criteria is proposed, which differs from the existing ones in that the recognition of the fault type is based on a comparative analysis of the coincidence of the results of dissolved gases analysis from the diagnosed equipment with the results of dissolved gases analysis of equipment with a clearly established diagnosis, which allows recognising 32 different types of fault, while the known standards and methods allow recognising 4–13 types. 4. Scientifically substantiated ranges of characteristic gas ratios, percentage of gases and gas-to-gas ratios with maximum content for 32 types of faults and their combinations. Practical implications of the results for the electric power industry: 1. A methodology for classifying the state of oil-filled equipment of electrical networks in a multidimensional diagnostic space is proposed, which is used in the scientific activity of the Department of Electric Power Transmission of the National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" in the study of the aging processes of insulation of high-voltage oil-filled equipment of electrical systems and networks. 2. The obtained ranges of characteristic gas ratios, percentage of gases and nomograms of faults are used as additional criteria for determining the type of faults based on the results of dissolved gas analysis in oil in the insulation and lightning protection service of JSC Kharkivoblenergo. 3. Algorithmically designed and software implemented individual modules of the information and analytical system “SYRENA”, which is currently being developed at the Department of Electric Power Transmission of the National Technical University “Kharkiv Polytechnic Institute”, implementing the developed methods of recognising the type of faults in oil-filled equipment based on the results of dissolved gas analysis. The results of the research were used in the implementation of scientific research as part of the initiative research work “Improving methods for diagnosing the condition of oil-filled high-voltage equipment of electrical networks” (State Registration No. 0121U109404, 2021–2022), where the applicant was one of the responsible executors, and are used in the state budget research work under the plan of the Ministry of Education and Science of Ukraine “Ensuring sustainable, reliable and efficient energy supply to the areas of cities affected by hostilities” (State Registration No. 0123U100244, 2023–2025), where the applicant is the executor of certain sections. The results of the dissertation are used in the interpretation of the results of the dissolved gas analysis of high-voltage oil-filled equipment in the insulation and lightning protection service of JSC Kharkivoblenergo and in the educational process at the Department of Electric Power Transmission in the educational components “High Voltage Equipment” and “Mathematical Basics of Technical Diagnostics” of the National Technical University “Kharkiv Polytechnic Institute”.
Удосконалення методів діагностики стану трансформаторних масел в обладнанні 110–330 кВ з урахуванням впливу режимів та умов експлуатації
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2023) Пономаренко, Сергій Григорович
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії зі спеціальністю 141 – Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка (14 – електрична інженерія). – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Харків, 2023. Мета роботи полягає у вирішенні завдання по удосконаленню методів та критеріїв, що використовуються для оцінки стану трансформаторних масел, з урахуванням тривалості та режимів експлуатації трансформаторів напругою 110 кВ та автотрансформаторів напругою 330 кВ. Об’єкт дослідження – процеси старіння трансформаторних масел у баках трансформаторів та автотрансформаторів 110-330 кВ з урахуванням режимів та тривалості експлуатації. Предмет досліджень – параметри масел, що характеризують його стан, в баках трансформаторів та автотрансформаторів 110-330 кВ, що експлуатуються в різних режимах. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, визначено мету і завдання дослідження, показано зв'язок роботи з науковими темами, наведено відомості про наукову новизну, практичне значення, апробацію результатів та публікації. У першому розділі виконано аналіз експлуатаційної надійності високовольтних силових трансформаторів і автотрансформаторів, що експлуатуються в електричних мережах України. Розглянуто основні причини ушкодження трансформаторів та автотрансформаторів, та проаналізовано вплив трансформаторних масел на надійність цього обладнання.. Проаналізовано методи та критерії, що використовуються для оцінки технічного стану трансформаторних масел як в Україні так і за її межами. високовольтного обладнання електричних мереж. Проаналізовано основні напрямки удосконалення методів оцінки технічного стану обладнання, що застосовуються закордонними дослідниками. За результатами аналізу сформовано основні напрямки досліджень. У другому розділі розроблено методи для коригування граничних значень показників трансформаторних масел. Виконано дослідження законів розподілу показників трансформаторних масел для силових трансформаторів і автотрансформаторів напругою 110 кВ та 330 кВ. Встановлено, що як для масел придатних так й не придатних до подальшої експлуатації значення показників мають розподіл Вейбула. Подальший аналіз показав, що щільності розподілу показників для масел з різним станом перетинаються, що свідчить про те що корегування граничних значень показників масел можливо тільки з використанням методів статистичних рішень. За результатами порівняльного аналізу ймовірностей вірних та хибних рішень, а також значень ризиків, що супроводжують використання граничних значень отриманих методом інтегральних функцій (виживання), методом мінімальної кількості хибних рішень, методом мінімального ризику та методом Неймана Пірсона встановлено, що найбільш оптимальним методом корегування є метод мінімального ризику. Визначені граничні значення показників масел для одномірних розподілів з урахуванням режимів та тривалості експлуатації. Встановлено що використання цих значень дозволяє знизити можливі ризики 1,05 - 4974419,5 разів порівняно з ризиками, що супроводжують використання граничних значень регламентованих в діючому в Україні нормативному документі. Для урахування фізичних особливостей старіння масел запропоновано корегувати граничні значення показників масел одночасно для декількох діагностичних ознак. Для цього проаналізовано стохастичний зв'язок між показниками масел. Розроблено функцію середнього ризику для двомірних та трьохмірних розподілів, показників що мають значущий стохастичний зв'язок. Мінімізація розроблених функцій методом Нелдера- Міда дозволило отримати граничні значення використання яких призведе до зниження ризиків в 1,7-84,4 разів порівняно з ризиками, що супроводжують використання граничних значень регламентованих в діючому в Україні нормативному документі. У третьому розділі розроблено метод для ранньої діагностики стану трансформаторних масел, що базується на використанні варіативних граничних значень показників. За результатами коваріаційного аналізу показників масел та тривалості експлуатації встановлено наявність значущої систематичної складової в часових залежностях показників. При цьому швидкість дрейфу одного й того ж показника в різних автотрансформаторах суттєво відрізняється, в залежності від режимів та умов експлуатації, а також якості масел. Для врахування відмінностей в інтенсивності старіння масел, розроблено процедуру для формування еталонних масивів показників масел, в умовах обмеженої апріорної інформації. Результати двофакторного дисперсійного аналізу показників масел з сформованих еталонних масивів, свідчать щодо наявності значущого впливу режимів та тривалості експлуатації на значення показників масел. За результатами дисперсійного аналізу на відхилення від лінійності часових залежностей показників трансформаторних масел встановлено що зміна значень показників в часі відбувається з різною швидкістю, тобто залежності є нелінійними. Для ранньої діагностики стану трансформаторних масел з урахуванням впливу режимів та тривалості експлуатації, а також нелінійного характеру зміни показників масел в часі розроблено метод варіативних граничних значень показників. У четвертому розділі розроблено метод для ранньої діагностики стану трансформаторних масел, за комплексом діагностичних ознак. Запропоновано модель множинної регресії в якої тривалість експлуатації є функцією значень показників трансформаторних масел. Розроблено процедуру навчання регрес іонної моделі, для ранньої діагностики стану трансформаторних масел, за комплексом діагностичних ознак. Сформовано вирішальне правило згідно з яким приймається рішення щодо стану трансформаторних масел. Для урахування впливу режимів експлуатації, а також сорту та якості трансформаторних масел на інтенсивність процесів старіння, запропоновано використовувати групу моделей навчених по значенням показників автотрансформаторів що експлуатуються в різних умовах. Виконано навчання та доведено адекватність 4 моделей для автотрансформаторів напругою 330 кВ за результатами аналізу встановлено похибка що виникає при діагностиці стану масел знаходиться в межах 0,327-0,407 року. За результатами наукового дослідження отримано наступні результати: 1. Вперше встановлено та науково обґрунтовано що значення параметрів трансформаторних масел, як придатних так і не придатних до подальшої експлуатації, розподілені згідно з законом Вейбулу, при цьому встановлено значущий вплив режимів та умов експлуатації обладнання на значення цих параметрів, що обумовлює необхідність їх урахування при корегуванні граничних значень показників масел; 2. Вперше науково обґрунтовано використання граничних значень показників трансформаторних масел, які визначаються мінімізацією функції середнього ризику для одномірних розподілів, з урахуванням режимів експлуатації трансформаторів та автотрансформаторів напругою 110-330 кВ, що дозволило для трансформаторів 110 кВ знизити ризики в 1,05-37,2 рази, а для автотрансформаторів 330 кВ в 1,8-4974419,5 разів порівняно з ризиками, що супроводжують використання граничних значень регламентованих в діючому в Україні нормативному документі; 3. Вперше запропоновано метод для корегування граничних значень показників трансформаторних масел за комплексом діагностичних ознак з урахуванням особливостей процесу старіння трансформаторних масел, а також режимів та умов експлуатації трансформаторів 110 кВ, та автотрансформаторів 330 кВ, який відрізняється від існуючих тим, що граничні значення показників масел визначаються за рахунок мінімізації функції середнього ризику для багатомірних розподілів показників, що мають значущій стохастичний зв'язок, що дозволить знизити ризики в 1,7-35,7 рази для трансформаторів 110 кВ, а для автотрансформаторів 330 кВ в 8-84,4 разів порівняно з ризиками, що супроводжують використання граничних значень регламентованих в діючому в Україні нормативному документі; 4. Отримав подальший розвиток метод визначення характеру залежностей показників трансформаторних масел, який відрізняється урахуванням тривалості експлуатації, що дозволило встановити, що в автотрансформаторах 330 кВ, значення показників у часі змінюються нелінійно, а характер залежностей окремих показників співпадає з кінетичними кривими окислювання; 5. Вперше розроблено модель множинної регресії для ранньої діагностики стану трансформаторних масел, за комплексом діагностичних ознак, з урахуванням умов та режимів експлуатації обладнання, що на відміну від існуючих дозволяє виявляти обладнання з прискореним старінням масел, ще в той момент часу коли значення показників знаходяться в області що відповідають нормальному стану. Встановлено що похибка оцінки навчених моделей знаходиться в межах 0,327-0,407 року Практичне значення отриманих результатів для електроенергетики: 1) Отримані та науково обґрунтовані варіативні граничні значення показників масел, які змінюються в залежності від тривалості та режимів експлуатації трансформаторів, використовуються в якості додаткових критеріїв при оцінки стану трансформаторних масел в рамках проведення періодичних випробувань службою ізоляції та грозозахисту АТ «Харківобленерго»; 2) Розроблена методика для формування еталонних траєкторій показників ізоляції в умовах обмеженої апріорної інформації використовується в науковій діяльності кафедри передачі електроенергії НТУ «ХПІ» при дослідженні процесів старіння ізоляції високовольтного обладнання електричних мереж; 3) Розроблені методи діагностики стану трансформаторних масел, програмно реалізовані в вигляді окремих модулів інформаційно-аналітичної системи «СИРЕНА», яка на даний час розробляється на кафедрі «Передача електричної енергії» НТУ «ХПІ»; 4) Отримані в роботі результати використовуються у навчальному процесі на кафедрі «Передача електричної енергії» в освітніх компонентах: «Техніка високих напруг», «Математичні основи технічної діагностики» та «Математичні задачі енергетики» Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут». Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in specialty 141 “Electrical Engineering, Power Engineering and Electromechanics” (14 – Electrical engineering). – National Technical University “Kharkiv Polytechnic Institute”, Kharkiv, 2023. The aim of the study is to solve the problem of improving the methods and criteria used to assess the condition of transformer oils, taking into account the duration and operating modes of 110 kV transformers and 330 kV autotransformers. The object of study is the aging processes of transformer oils in the tanks of 110-330 kV transformers and autotransformers, taking into account the operating modes and duration of operation. The subject of research is the parameters of oils that characterise its condition in the tanks of 110-330 kV transformers and autotransformers operated in different modes. The introduction substantiates the relevance of the dissertation topic, defines the research objectives, shows the connection of the work with scientific topics, provides information on scientific novelty, practical significance, approbation of results and publications. The first chapter analyses the operational reliability of high-voltage power transformers and autotransformers operated in the Ukrainian electrical networks. The main causes of damage to transformers and autotransformers are considered, and the influence of transformer oils on the reliability of this equipment is analysed. The methods and criteria used to assess the technical condition of transformer oils in Ukraine and abroad are analysed. The main directions of improving the methods of assessing the technical condition of equipment used by foreign researchers are analysed. The main directions of research are formed. In the second chapter, the methods for adjusting the limit values of transformer oil indicators are developed. The laws of distribution of transformer oils for 110 kV and 330 kV power transformers and autotransformers were studied. It is established that both for oils suitable and not suitable for further operation, the values of the indicators have a Weibull distribution. Further analysis has shown that the densities of the distribution of indicators for oils with different conditions overlap, which indicates that the adjustment of the limit values of oil indicators is possible only using statistical decision methods. Based on a comparative analysis of the probabilities of correct and incorrect decisions, as well as the risk values associated with the use of limit values obtained by the method of integral functions (survival), the method of the minimum number of incorrect decisions, the method of minimum risk and the Neumann Pearson method, it was found that the most optimal method of correction is the method of minimum risk. The limit values of oil indicators for univariate distributions are determined, taking into account the modes and duration of operation. It is established that the use of these values allows reducing the possible risks by 1.05 - 4974419.5 times compared to the risks associated with the use of the limit values regulated in the current regulatory document in Ukraine. To account for the physical characteristics of oil aging, it is proposed to adjust the limit values of oil indicators for several diagnostic features simultaneously. For this purpose, the stochastic relationship between the oil indicators is analysed. An average risk function was developed for two- and three-dimensional distributions of indicators with a significant stochastic relationship. Minimisation of the developed functions by the Nelder-Mead method allowed obtaining limit values, the use of which will lead to a reduction in risks by 1.7-84.4 times compared to the risks associated with the use of limit values regulated in the current regulatory document in Ukraine. The third chapter develops a method for early diagnostics of the state of transformer oils based on the use of variable limit values of indicators. The results of the covariance analysis of oil indicators and the duration of operation revealed the presence of a significant systematic component in the time dependencies of the indicators. At the same time, the drift rate of the same indicator in different autotransformers differs significantly, depending on the operating modes and conditions, as well as the quality of oils. To account for differences in the intensity of oil aging, a procedure was developed to form reference arrays of oil indicators under conditions of limited a priori information. The results of the two-factor analysis of variance of oil indicators from the formed reference arrays indicate the presence of a significant influence of operating conditions and duration of operation on the values of oil indicators. The results of the analysis of variance for deviations from the linearity of the time dependencies of transformer oils' indicators show that the change in the values of indicators in time occurs at different rates, meaning that the dependencies are nonlinear. For early diagnostics of the state of transformer oils, considering the influence of operating modes and duration of operation, as well as the nonlinear nature of changes in oil indicators over time, a method of variable limit values of indicators has been developed. The fourth chapter presents a method for early diagnostics of transformer oils by a set of diagnostic features. A multiple regression model is proposed in which the duration of operation is a function of the values of transformer oil indicators. A procedure for training a regression model for early diagnosis of the state of transformer oils by a set of diagnostic features has been developed. A decisive rule has been formed to determine the state of transformer oils. To account for the influence of operating modes, as well as the grade and quality of transformer oils on the intensity of aging processes, it is proposed to use a group of models trained on the values of indicators of autotransformers operated under different conditions. Training has been performed and the adequacy of 4 models for 330 kV autotransformers has been proved; according to the results of the analysis, the error arising from the diagnosis of the oil condition is within 0.327-0. 407 years. The following scientific results were obtained from the study: 1. The values of parameters of transformer oils, both suitable and unsuitable for further operation, are distributed according to the Weibull law for the first time, and a significant influence of modes and conditions of equipment operation on the values of these parameters is established, which necessitates their consideration when adjusting the limit values of oil indicators. 2. The use of limit values of transformer oil indicators determined by minimising the average risk function for one-dimensional distributions, considering the operating modes of transformers and autotransformers with voltage of 110-330 kV, was scientifically substantiated for the first time, which allowed to reduce the risks for 110 kV transformers by 1.05-37.2 times, and for 330 kV autotransformers by 1.8-4974419.5 times compared to the risks associated with the use of limit values regulated in the current Ukrainian regulatory document. 3. A method for adjusting the limit values of transformer oil indicators by a set of diagnostic features, considering the peculiarities of the aging process of transformer oils, as well as the modes and operating conditions of 110 kV transformers and 330 kV autotransformers, is proposed for the first time, which differs from the existing ones because the limit values of oil indicators are determined by minimizing the average risk function for multivariate distributions of indicators with a significant stochastic relationship, which will reduce the risks by 1.7-35.7 times for transformer oils. 4. The method of determining the nature of the dependencies of transformer oil indicators was further developed, which differs in consideration of the duration of operation, which made it possible to establish that in 330 kV autotransformers, the values of indicators change nonlinearly over time, and the nature of the dependencies of individual indicators coincides with the kinetic curves of oxidation. 5. A multiple regression model for early diagnostics of transformer oils, based on a set of diagnostic features, is developed for the first time, considering the conditions and modes of equipment operation, which, unlike existing ones, allows to identify equipment with accelerated oil aging, even when the values of indicators correspond to the normal state. It was found that the error of the trained models estimation is in the range of 0.327-0.407. Practical implications of the results for the electric power industry: 1) The obtained and scientifically substantiated variable limit values of oil indicators, which vary depending on the duration and operating modes of transformers, are used as additional criteria for assessing the condition of transformer oils as part of periodic tests by the Insulation and Lightning Protection Service of JSC Kharkivoblenergo. 2) The developed methodology for the formation of reference trajectories of insulation indicators under conditions of limited a priori information is used in the scientific activities of the Department of Electric Power Transmission of National Technical University “Kharkiv Polytechnic Institute” in the study of the aging processes of insulation of high-voltage equipment of electrical networks. 3) Methods for diagnosing the condition of transformer oils have been developed and implemented as separate modules of the informational and analytical system "SYRENA", which is currently being developed at the Department of Electric Power Transmission of National Technical University “Kharkiv Polytechnic Institute”. 4) The results of the dissertation are used in the educational process at the Department of Electric Power Transmission in the educational components “High Voltage Equipment”, “Mathematical Basics of Technical Diagnostics” and "Mathematical Problems of Energy" of the National Technical University “Kharkiv Polytechnic Institute”.
Удосконалення захисних характеристик та схемотехнічних рішень однофазних реле контролю напруги побутових споживачів
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2023) Зорін, Євгеній Юрійович
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії (PhD) за спеціальністю 141 – Електротехніка, електроенергетика та електромеханіка (14 – Електрична інженерія). – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Харків, 2023. Метою дисертаційної роботи є удосконалення захисних характеристик спрацьовування та схемотехнічних рішень однофазних реле контролю напруги (РКН) побутових споживачів для зменшення споживаної РКН електроенергії, які на відміну від існуючих матимуть можливість вибору стандарту якості електричної енергії і згідно з ними номінальної напруги; разом з тим можливість вибору типу захисних характеристик спрацьовування згідно IEC 60255-127:2010 (залежна та незалежна характеристики часу) та можливості розширення їх функціоналу. Об’єкт дослідження – аварійні режими роботи в трифазних електричних мережах низької напруги з глухоуземленою нейтраллю, що пов’язані з появою недопустимих відхилень напруги в однофазних споживачів (появи перенапруг або недостатніх напруг). Предмет дослідження – захисні характеристики часу спрацьовування РКН, схемотехніка мікропроцесорних РКН, алгоритми роботи РКН. У вступі обґрунтовано актуальність захисту однофазних побутових споживачів від недопустимих відхилень напруги в трифазних мережах живлення з глухоуземленою нейтраллю та системою уземлення TN-C, представлено зв’язок роботи з науковими програмами, планами і темами, наведено наукову новизну, представлено практичне значення отриманих результатів, апробацію результатів та публікації, надано інформацію щодо особистого внеску здобувача. У першому розділі проведено аналіз проблематики захисту однофазних побутових споживачів від недопустимих відхилень напруги живлення. Розглянуті і проаналізовані аварійні ситуації в трифазних електричних мережах з глухоуземленою нейтраллю, що призводять до появи недопустимих відхилень 3 напруги у однофазних споживачів. Оцінено чутливість електропобутової техніки до недопустимих відхилень напруги; проведено огляд та аналіз засобів, що використовуються для захисту від недопустимих відхилень напруги у однофазних споживачів. Обґрунтована актуальність і доцільність застосування саме однофазних РКН побутових споживачів напротивагу іншим електричним апаратам. Проведений огляд однофазних РКН і, на основі вивчення особливостей розглянутих реле, зроблено класифікацію реле за рядом ознак. Проаналізовані конструктивні, схемотехнічні та функціональні особливості однофазних РКН. Розглянуті вимоги стандартів якості електричної енергії в області недопустимих відхилень напруг у однофазних побутових споживачів. Обрано напрями досліджень, поставлені основні задачі дисертаційної роботи. У другому розділі запропоновані концепція та функціональна схема удосконаленого однофазного РКН, в якому передбачений вибір номінального значення напруги 220 або 230 В згідно одночасно діючих в Україні стандартів якості електричної енергії ГОСТ 13109-97 або ДСТУ EN 50160:2014 відповідно, а також можливість вибору залежної або незалежної захисних характеристик спрацьовування згідно стандарту IEC 60255-127:2010. Запропонований алгоритм вимірювання напруги, що полягає в оцифруванні вхідної напруги з датчика і подальшої фільтрації сигналу за допомогою синтезованого з використанням з перетворенням Фур'є фільтра, що дозволяє позбутись постійних, перехідних та високочастотних складових мережевої напруги, які можуть призвести до хибних спрацьовувань реле. Розраховані коефіцієнти цифрового фільтру. У третьому розділі розроблено імітаційну Simulink-модель трифазної електричної мережі низької напруги з глухоуземленою нейтраллю та системою уземлення TN-C для симуляції аварійних режимів, що пов’язані з появою недопустимих відхилень напруги в електричній мережі живлення кінцевого однофазного споживача. Розроблено імітаційну Simulink-модель РКН із залежними та незалежними захисними характеристиками спрацьовування. Проаналізовані результати імітаційного моделювання. 4 Розроблено схемотехніку удосконаленого РКН зі зниженим споживанням електричної енергії, розраховані параметри елементів електричної удосконаленої схеми та здійснено їх вибір. У четвертому розділі зроблено опис розробленого макетного зразка РКН, опис структури програми "прошивки" реле, структури меню налаштувань реле. Розроблено стенд для дослідження часу спрацювання РКН. Проведено аналіз результатів експериментальних досліджень часу спрацьовування макетного зразка РКН. Розроблені рекомендації щодо практичного впровадження, технічної реалізації та розширення функціоналу удосконаленого РКН. У висновках наведено основні результати наукової роботи щодо вирішення поставлених наукових задач дослідження. За результатами дослідження отримано такі наукові результати: 1. Вперше запропоновано концепцію однофазних РКН побутових споживачів, які дозволяють встановлювати тип захисних характеристик спрацьовування (залежну або незалежну у часі при недопустимому відхиленні напруги за встановлені порогові значення в РКН), що відповідають сучасному міжнародному стандарту IEC 60255-127:2010, при цьому дані характеристики приведено згідно стандартів якості електричної енергії ГОСТ 13109-97 і ДСТУ EN 50160:2014, які діють в Україні одночасно, згідно яких значення номінальних напруг є 220 або 230 В відповідно. 2. Удосконалено імітаційну Simulink-модель трифазної електричної мережі низької напруги з глухоуземленою нейтраллю для імітації аварійних режимів, пов’язаних із появою недопустимих відхилень напруги у однофазних споживачів, у частині врахування впливу параметрів кабельних ліній (активний опір та індуктивний опір), потужності сусідніх однофазних споживачів на значення напруги споживача, у якого проводиться дослідження. Встановлено максимально і мінімально можливі значення напруги у однофазних споживачів в трифазній електричній мережі (при Un = 220 В, у споживачів, що розташовані близько до трансформаторної підстанції, максимальна напруга може бути U = 380 В +10%, при Un = 230 В – U = 400 В +10% відповідно) в аварійних ситуаціях, які пов’язані з появою недопустимих 5 відхилень напруги при типових мінімальній і максимальній потужності навантаження споживача, що дозволяє підбирати налаштування порогів спрацьовування однофазних РКН по напрузі відповідно до потужності споживача; 3. Вперше створено імітаційну Simulink-модель однофазного РКН побутових споживачів із залежними та незалежними у часі захисними характеристиками спрацьовування згідно з [1], що дозволяє встановлювати параметри спрацьовування РКН, такі як порогові значення максимальної і мінімальної напруг, час автоматичного повторного включення (АПВ), визначати час спрацьовування РКН в залежності від напруги. Дана модель містить блоки аналогового інтерфейсу на який поступає напруга електричної мережі. Сигнал оцифровується блоком аналогово-цифрового перетворювача і фільтрується синтезованим фільтром, рівняння і коефіцієнти якого в моделі задаються в спеціалізованому файлі редактора Matlab. На виході цього фільтру отримуємо сигнал, що поступає в блоки, які включають у себе логічні елементи та оператори порівння і затримки сигналу, що визначають умови для спрацювання реле та здійснення АПВ у випадку повернення напруги у межі допустимих значень. 4. Удосконалено алгоритм вимірювання напруги для однофазного РКН побутових споживачів, в якому на відміну від традиційного розрахунку середньоквадратичного значення напруги, здійснюється дискретизація й фільтрація вхідного сигналу напруги за допомогою синтезованого фільтру, що дозволяє позбавитись постійних і перехідних складових, які спотворюють сигнал і можуть призвести до хибного спрацьовування РКН. Удосконалений алгоритм дозволяє одразу визначити амплітуду обробленого сигналу, застосувавши коефіцієнти фільтру. Визначено раціональний крок по напрузі в масиві даних для апроксимації залежної захисної характеристики, який складає від 2 до 4 В, при цьому відносна похибка буде не більше 1%. Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному: – розроблено схемотехніку удосконаленого РКН зі зниженим споживанням електричної енергії за рахунок використання мікроконтролера з ядром Cortex M0+, що є одним із найменших за площею кристалу 32-розрядних мікроконтролерних ядер та має декілька режимів енергозберігання. Також 6 реалізовані можливості управління IPS-дисплеєм РКН, такі як: автоматичне вмикання дисплею при налаштуванні і при спрацюванні РКН на деякий час, що задається в параметрах меню користувачем; є можливість плавного регулювання і встановлення яскравості дисплею для адаптації під освітлення навколишнього середовища; – реалізовано макетний зразок конструкції удосконаленого однофазного цифрового РКН із кольоровим IPS-дисплеєм, а також неполяризованим бістабільним силовим реле з двома обмотками, що дозволило реалізувати розгалужене й зручне для читання меню РКН, на відміну від існуючих реле з семисегментним індикатором, а також шляхом застосування двообмоткового силового реле спростити схему його керування й виключити споживання електричної енергії котушкою; – проведено експериментальні дослідження макетного зразка РКН. Встановлено відхилення значення виміряної напруги макетним зразком удосконаленого РКН, яке складає (0.21…0.69)%, за допомогою еталонного вольтметра з класом точності 0.5. Вказане відхилення є меншим за відхилення вимірювань напруги типових РКН відомих виробників – (1…2)%. Встановлено, що час спрацьовування макетного зразка РКН відповідає розрахунковим значенням з похибкою (2.33…3.14)%, що є прийнятним. Перевірено достовірність розрахованих захисних характеристик спрацьовування. Дослідження, результати яких викладені в дисертаційній роботі, виконані відповідно до плану науково-дослідних робіт кафедри електричних апаратів НТУ «ХПІ» в рамках ініціативної науково-дослідної роботи на тему: "Удосконалення апаратного захисту електричних приладів побутового і аналогічного призначення" (ДР №0123U103223), де здобувач був відповідальним виконавцем. Результати дисертаційної роботи впроваджено на підприємстві ТОВ "АВМ АМПЕР". Розроблені імітаційні математичні моделі електричної мережі та однофазного реле контролю напруги використовуються в наукових дослідженнях підприємства при розробці релейного захисту, алгоритми та 7 схемотехнічні рішення використовуються при розробці нових конструкцій апаратів релейного захисту. Матеріали дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі на кафедрі електричних апаратів НТУ "ХПІ" при викладанні дисципліни "Електричні апарати", курсовому і дипломному проєктуванні, та науково-дослідних роботах для студентів спеціальності "141 – електроенергетика, електротехніка та електромеханіка", освітньої програми "Електромеханіка" (спеціалізації 141.07 "Електричні апарати" та 141.08 "Електропобутова техніка"). Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in specialty 141 "Electrical Engineering, Power Engineering and Electromechanics" (14 – Electrical engineering). – National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Kharkiv, 2023. The purpose of the dissertation is to improve the protective characteristics of operation and circuit design solutions of single-phase voltage control relays (VCR) for household consumers to reduce the consumed electricity by VCR, unlike the existing ones, will have the opportunity to choose the standard of the electric energy quality and, according to them, the nominal voltage; at the same time, the possibility of choosing the type of protection characteristics of operation according to IEC 60255-127:2010 (time dependent and time independent characteristics) and the possibility of expanding their functionality. The object of the study is operation fault modes in the three-phase low-voltage electrical power grids with a solidly earthed neutral, which are associated with the appearance of unacceptable voltage deviations in single-phase consumers (the appearance of overvoltages or undervoltages). The subject of the study is the protective characteristics of the VCR tripping time, the circuitry of microprocessor VCRs, the VCR’s operation algorithms. The introduction substantiates the relevance of protecting single-phase household consumers from unacceptable voltage deviations in three-phase power networks with a dead-grounded neutral and the TN-C grounding system, presents the connection of the work with scientific programs, plans and topics, presents scientific novelty, presents the practical significance of the obtained results, approbation results and publication, information is provided regarding the personal contribution of the applicant. In the first chapter, the problem of protection of single-phase household consumers from unacceptable deviations of the supply voltage is analyzed. Considered and analyzed fault cases in three-phase electrical networks with the solidly earthed neutral, which lead to the appearance of unacceptable voltage deviations in single-phase consumers. The sensitivity of electrical household appliances to unacceptable voltage 3 deviations was evaluated; a review and analysis of the means used to protect against unacceptable voltage deviations in single-phase consumers was carried out. The relevance and expediency of the use of single-phase VCR household consumers against other electrical devices is well-founded. An overview of single-phase VCRs was carried out and, based on the study of the features of the considered relays, a classification of relays was made according to a number of features. The structural, circuit-technical and functional features of single-phase VCRs are analyzed. Considered requirements of electrical energy quality standards in the area of unacceptable voltage deviations in single-phase household consumers. The scientific objectives of the dissertation research are formulated. In the second chapter, the concept and functional scheme of the improved singlephase VCR are proposed, in which the choice of the nominal voltage value of 220 or 230 V is provided in accordance with the simultaneously valid in Ukraine electricity quality standards GOST 13109-97 or DSTU EN 50160:2014, respectively, as well as the possibility of choosing a dependent or independent protective characteristics of operation according to standard IEC 60255-127:2010. The voltage measurement algorithm is proposed, which consists in digitalizing the input voltage from the sensor and subsequent filtering of the signal using a filter synthesized using the Fourier transform, which allows to obtain rid of constant, transient and high-frequency components of the network voltage, which can lead to false tripping of the relay. The digital filter coefficients have been calculated. In the third chapter, an imitation Simulink model of a low-voltage three-phase electrical power grid with a solidly earthed neutral and a TN-C grounding system is developed for the simulation of emergency modes associated with the appearance of unacceptable voltage deviations in the electrical power supply network of the final single-phase consumer. The imitation Simulink model of VCR with time dependent and time independent protection characteristics of tripping has been developed. The results of simulation modeling have been analyzed. The circuit design of the improved VCR with reduced consumption of electrical energy was developed, the parameters of the elements of the electrical of improved circuit were calculated and their selection was carried out. 4 In the fourth chapter, a description of the developed mock-up sample of the VCR, a description of the structure of the relay "firmware" program, and the structure of the relay settings menu are made. A stand has been developed for the study of the operation time of the RCN. The analysis of the results of experimental studies of the activation time of the mock-up sample of the VCR was carried out. Recommendations for practical implementation, technical implementation and expansion of the functionality of the improved VCR have been developed. In the conclusions, the main results of the scientific work regarding the solution of the set scientific problems of the research are given. Scientific novelty of the results 1. For the first time, the concept of single-phase VCRs for household consumers was proposed, which allow to set the type of protective characteristics of tripping (time dependent or time independent in case of unacceptable voltage deviation beyond the set threshold values in the VCRs), which correspond to the modern international standard IEC 60255-127:2010, at the same time, these characteristics are given in accordance with the electricity quality standards GOST 13109-97 and DSTU EN 50160:2014, which are in effect in Ukraine at the same time, according to which the nominal voltage values are 220 or 230 V, respectively; 2. The imitation Simulink model of a three-phase low-voltage electrical power grid with a solidly earthed neutral has been improved for simulating of faultoperations associated with the appearance of unacceptable voltage deviations in single-phase consumers, in terms of taking into account the influence of cable line parameters (resistance and inductive reactance), the power of neighboring single-phase consumers on the value of the voltage of the consumer in which the study is conducted. The maximum and minimum possible voltage values for single-phase consumers in a three-phase electrical network are set (at Un = 220 V, at consumers located close to the transformer substation, the maximum voltage can be U = 380 V +10%, at Un = 230 V – U = 400 V +10%, respectively) in emergency situations, which are associated with the appearance of unacceptable voltage deviations at the typical minimum and maximum power of the consumer's load, which allows you to select the settings of the 5 thresholds of the activation of single-phase VCRs according to the voltage according to the power of the consumer. 3. For the first time, an imitation Simulink model of a single-phase VCR for household consumers with time dependent and time independent protective characteristics of operation was created according to [1], which allows setting parameters of VCR tripping, such as threshold values of maximum and minimum voltages, automatic reclosing time, determine the tripping time of the VCR depending on the voltage. This model contains blocks of an analog interface to which the voltage of the electrical network is supplied. The signal is digitalized by an analog-to-digital converter block and filtered by a synthesized filter, the equations and coefficients of which in the model are specified in a specialized file of the Matlab editor. At the output of this filter, we receive a signal that enters the blocks, which include logic elements and signal comparison and delay operators, which determine the conditions for the relay to operate and the recloser in case the voltage returns to the limits of permissible values. 4. The voltage measurement algorithm for a single-phase VCR of household consumers has been improved, in which, in contrast to the traditional calculation of the rms value of the voltage, the input voltage signal is discretized and filtered using a synthesized filter, which allows you to get rid of constant and transient components that distort the signal and can lead to false triggering of the VCR. The improved algorithm allows you to immediately determine the amplitude of the processed signal by applying the filter coefficients. A rational voltage step in the data array for approximating the dependent protective characteristic has been determined, which is from 2 to 4 V, while the relative error will be no more than 1%. The practical significance of the obtained results: – the circuitry of an improved VCR with reduced electrical energy consumption due to the use of microcontroller with the Cortex M0+ core, which is one of the smallest in terms of crystal area of 32-bit microcontroller cores and has several power saving modes, has been developed. Also implemented are the possibilities of controlling the IPS display of the VCR, such as: automatically turning on the display when setting up and when the VCR is activated for a certain time, which is set by the 6 user in the menu parameters; it is possible to smoothly adjust and set the brightness of the display to adapt to the ambient lighting; – a mock-up design of an improved single-phase digital VCR with a color IPS display was implemented, as well as a non-polarized bistable power relay with two windings, which made it possible to implement a branched and easy-to-read menu of the VCR, unlike existing relays with a seven-segment indicator, and also by using a two-winding of the power relay to simplify its control scheme and eliminate the consumption of electrical energy by the coil; – experimental studies of the VCR mock-up sample were carried out. The deviation of the value of the voltage measured by the mock-up sample of the improved RKN was established, which is (0.21...0.69)%, using a reference voltmeter with an accuracy class of 0.5. The specified deviation is smaller than the deviation of voltage measurements of typical VCR of well-known manufacturers – (1...2)%. It was established that the activation time of the mock-up sample of the VCR corresponds to the calculated values with an error of (2.33...3.14)%, which is acceptable. The reliability of the calculated protective operation characteristics was checked. The research results which are presented in the thesis, have been completed in accordance with the plan of research works of the Department of Electrical Apparatus of NTU "KhPI" as part of the initiative research work on the topic: "Improvement of hardware protection of for the household and similar purpose electrical devices" (DR №0123U103223), where the applicant was the responsible executor. The results of the dissertation thesis were implemented at the company "AVM AMPER" LLC. The developed simulation mathematical models of the electrical power grid and single-phase voltage control relay are used in scientific research of the company in the development of relay protection, algorithms and circuit design solutions are used in the development of new designs of relay protection devices. The materials of the dissertation thesis are used in the educational process at the Department of Electrical Apparatus of NTU "KhPI" as the "Electrical Apparatus" lecture course and providing of diploma projects, and students research works of the program subject area "141 – Electrical Energetics, Electrical Engineering and 7 Electromechanics", the educational program "Electromechanics " (specializations 141.07 "Electrical apparatus" and 141.08 "Electric household appliances").
Системи активного екранування зовнішнього магнітного поля вбудованих трансформаторних підстанцій
(2023) Кундіус, Катерина Дмитрівна
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії зі спеціальності 141 – Електротехніка, електроенергетика та електромеханіка (14 – Електрична інженерія). – Національний технічний ніверситет «Харківський політехнічний інститут», Харків, 2023. Об’єктом дослідження є зовнішнє магнітне поле міських трансформаторних підстанцій. Предметом досліджень є системи активного екранування зовнішнього магнітного поля вбудованих трансформаторних підстанцій. В дисертаційній роботі вирішена науково-практична задача синтезу систем активного екранування зовнішнього магнітного поля вбудованих у житлові будинки міських трансформаторних підстанцій потужністю 100 – 1260 кВА для зменшення індукції їх магнітного поля до безпечного для населення рівня в прилеглих житлових приміщеннях. Дослідження виконано на основі фундаментальних положень теоретичної електротехніки, методах математичного та фізичного моделювання джерел магнітного поля, аналітичних та чисельних методів аналізу та сучасних інформаційних технологіях. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, визначені задачі дослідження, показано зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами, наведено дані про наукову новизну, практичне значення, апробацію результатів та публікації. У першому розділі проведено аналіз результатів виконаних в Європі досліджень магнітного поля вбудованих підстанцій 10/0,4 кВ потужністю 600 – 1000 кВА, де максимальний рівень індукції магнітного поля фіксується у житлових приміщеннях над підстанціями і лежить в діапазоні 4–13 мкТл. Це істотно перевищує безпечний для населення рівень згідно із рекомендаціям Всесвітньої організації охорони здоров’я (0,2–0,3 мкТл), а також допустимий рівень магнітного поля промислової частоти, прийнятий в Україні (0,5 мкТл), що потребує його зменшення більш ніж на порядок. Проведено аналіз методів моделювання і розрахунку магнітного поля, а також розроблених для повітряних ліній електропередачі методів мультидипольного моделювання, які мають хорошу фізичну інтерпретацію, бажану для спрощення синтезу систем активного екранування. Проаналізовані такі прийнятні для підстанцій методи зменшення їх магнітного поля, як активне екранування. Обґрунтована актуальність досліджень зовнішнього магнітного поля розповсюджених в Україні міських підстанцій 100–1260 кВА, які вбудовуються у житлові будинки, а також розвитку оптимізаційних методів синтезу систем активного екранування магнітного поля підстанцій. Обрано напрями досліджень, поставлені основні задачі дисертаційної роботи. У другому розділі наведено результати експериментальних досліджень розподілу індукції магнітного поля частотою 50 Гц для 110 типових міських трансформаторних підстанцій 10(6)/0,4 кВ потужності 100–1260 кВА м. Харкова, які можуть вбудовуватися у житлові будинки. Показано, що індукція магнітного поля може перевищувати нормативний рівень за умови наближення до підстанцій на відстань від 6 м (100 кВА) до 10 м (1260 кВА) і досягає від 2 до 8 мкТл, і це потребує її зменшення від 4 до 16 разів. Досліджено вклад в загальне магнітне поле підстанції окремих джерел їх магнітного поля, та показано, що основним джерелом зовнішнього магнітного є їх розподільчий пристрій – низьковольтний струмопровід, вклад якого на відстані 2 м складає більше 90%, що дозволяє в подальших розрахунках не враховувати інші джерела магнітного поля (трансформатор, кабелі, високовольтний струмопровід). Удосконалено та експериментально обґрунтовано мультидипольну математичну модель зовнішнього магнітного поля трифазних струмопроводів підстанцій шляхом її побудови на основі двофазної моделі трифазного електричного кола, яка в порівнянні із відомою мультидипольною моделлю дозволяє без збільшення похибки, вдвічі наблизити розрахункову область і здійснювати розрахунок у всіх прилеглих житлових приміщеннях, які розташовані на відстані від одного метра до підстанції. Виконано розрахунокіндукції магнітного поля в житлових приміщеннях будинків з вбудованими підстанціями та здійснено експериментальну перевірку результату. Визначена необхідна ефективність екранування магнітного поля у прилеглих житлових приміщеннях, яка повинна складати 4–16 одиниць. У третьому розділі обґрунтовано виконання систем активного екранування магнітного поля вбудованих підстанцій в розімкненій структурі управління та розроблено методику їх синтезу. Вона ґрунтується на удосконаленій двофазній мультидипольній математичній моделі магнітного поля трифазних струмопроводів, законі Біо-Савара, та методі оптимізації мультироєм частинок з множини Парето-оптимальних рішень з урахуванням бінарних відносин переваги, що дозволяє синтезувати системи із необхідною ефективністю. Виконано синтез систем із однією та двома плоскими чотирикутними компенсаційними обмотками при різних (1–2 м) відстанях до житлових приміщень для 6 типів вбудованих підстанцій різної потужності. За результатами синтезу запропоновані структури та параметри систем екранування, які доступні для фізичної реалізації і мають ефективність 6–16 одиниць. При цьому теоретична ефективність екранування магнітного поля складає біля 8 од. при використанні однієї компенсаційної обмотки і біля 16 од. при використанні двох компенсаційних обмоток. В останньому випадку питома потужність системи екранування зростає із 0,7 Вт/м2 житлової площі до 4,7 Вт/м2, що обумовлює відповідне збільшення собівартості систем та вартості їх експлуатації. У четвертому розділі приведено опис створеної лабораторної установки із повномасштабним фізичним макетом низьковольтного струмопроводу підстанції 100 кВА та повномасштабним фізичним макетом синтезованої для нього системи активного екранування, на яких здійснено експериментальні дослідження їх магнітного поля за розробленою здобувачем методикою вимірювань. Виконано експериментальну перевірку запропонованої удосконаленої двофазної мультидипольної математичної моделі магнітного поля трифазного струмопроводу, яка підтвердила співпадіння результатів розрахунку і експерименту з розкидом менше 7% та коректність запропонованої математичної моделі. Також виконано експериментальну перевірку теоретичних положень запропонованої методики синтезу систем активного екранування, яка підтвердила співпадіння результатів розрахунку і експерименту з розкидом менше 10% та коректність запропонованої методики синтезу. Розроблені практичні рекомендації з побудови систем активного екранування, що передбачають формування сигналів управління системи на основі мікроконтролера, періодичне настроювання системи під контролем магнітного поля, а також виконання підсилювача потужності системи на основі підсилювачів звукової частоти класу АВ. В дисертації отримані наступні наукові результати: 1. Запропонована та експериментально обґрунтована удосконалена мультидипольна математична модель зовнішнього магнітного поля трифазного струмопроводу, яка ґрунтується на двофазній дипольній моделі трифазного електричного кола. Запропонована модель в порівнянні із відомою трифазною мультидипольною моделлю дозволяє без збільшення похибки вдвічі наблизити розрахункову область, та забезпечує розрахунок магнітного поля від вбудованої трансформаторної підстанції для всіх наближених до неї житлових приміщень будинку, які розташовані на відстані від одного метра. 2. Вперше розроблена та експериментально обґрунтована методика синтезу систем активного екранування магнітного поля вбудованих трансформаторних підстанцій потужністю 100–1260 кВА. Методика ґрунтується на удосконаленій двофазній мультидипольній математичній моделі магнітного поля струмопроводу, законі Біо-Савара для визначення магнітного поля системи екранування, а також методі оптимізації елементів системи мультироєм частинок з множини Парето-оптимальних рішень з урахуванням бінарних відносин переваги і дозволяє синтезувати системи із теоретичною ефективністю 6–16 одиниць, які зменшують магнітне поле в наближених житлових приміщеннях до рівня санітарних норм. 3. Вперше запропоновано здійснювати синтез систем активного екранування потенційного магнітного поля вбудованих трансформаторних підстанцій із визначенням магнітного поля не у всьому об’ємі житлового приміщення, а на контрольній площині D, яка максимально наближена до підстанції, і розташовується у приміщенні паралельно підлозі (стіни), і це дозволяє істотно зменшити обсяг обчислень при гарантованому зменшенні потенційного магнітного поля у всьому об’ємі приміщення за площиною D. 4. Набули подальшого розвитку методи розрахунку зовнішнього магнітного поля активних конструктивних елементів трансформаторної підстанції. Методи реалізовані на основі удосконаленої мультидипольної моделі магнітного поля струмопроводів, циліндричних просторових гармонік магнітного поля кабелів, та ймовірнісно-статистичного методу прогнозування магнітного поля трансформатора, що дозволило виявити та експериментально обґрунтувати основне джерело магнітного поля підстанції – її низьковольтний струмопровід, вклад якого в загальний рівень магнітного поля на відстані 2 м складає більше 90%, що дозволяє в інженерних розрахунках не враховувати інші джерела магнітного поля. Достовірність теоретичних результатів, отриманих у дисертації, підтверджено експериментальною перевіркою удосконаленої математичної моделі магнітного поля підстанції ТП 100 кВА та синтезованої для неї системи активного екранування на лабораторній установці із повномасштабними фізичними макетами струмопроводу підстанції 100 кВА та синтезованої системи активного екранування, результати якого показали співпадіння отриманих в дисертації теоретичних положень та експерименту із похибкою менше 10%. Результати досліджень використано при виконанні наукових досліджень за наступними плановими темами: 1. «Розвиток наукових засад нормалізації геомагнітного поля в приміщеннях сучасних житлових будинків» (шифр «БІОМАГ 2», № ДР 0116U005462, 2017 – 2021 рр.), де здобувач була відповідальним виконавцем; 2. «Розвиток методів та засобів нормалізації магнітного поля промислової частоти у приміщеннях житлових будинків, що створюється вбудованими трансформаторними підстанціями та побутовим електрообладнанням» (шифр «ЕКОМ», № ДР 0122U001772, 2022 – 2026 рр.), де здобувач є виконавцем окремих розділів. Результати дисертаційних досліджень передані до впровадження ТОВ «КиївПромЕлектроПроект» для розробки нормативних документів з проектування міських трансформаторних підстанцій із екологічно безпечним для населення рівнем електромагнітного поля промислової частоти.
Методи обробки рідин за допомогою високовольтних розрядів і сильних імпульсних електричних полів
(Національний технічний інститут "Харківський політехнічний інститут", 2021) Макогон, Артем Віталійович
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 141– Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка (14 – Електрична інженерія). – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України, Харків, 2021. Об’єктом дослідження є процеси при обробці рідин сильними імпульсними електричними полями і високовольтними розрядами. Предметом дослідження є процеси розвитку розрядів у газових бульках при знезаражувальній обробці і очищенні води такими розрядами і процеси формування сильних імпульсних електричних полів в робочих камерах при знезаражувальній обробці молока, молочної сироватки, води. Дослідження виконано за допомогою фундаментальних положень техніки сильних електричних та магнітних полів, техніки високих напруг, теоретичної електротехніки, математичної фізики, чисельних методів аналізу, сучасних інформаційних технологій та методів вимірювання швидкоплинних процесів. В дисертаційній роботі вирішена науково-практична задача обробки рідин за допомогою високовольтних розрядів у газових бульках у воді і сильних імпульсних електричних полів. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, визначені задачі дослідження, показано зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами, наведено дані про наукову новизну, практичне значення, апробацію результатів та публікації. У першому розділі проведено огляд використання імпульсних, в тому числі розрядних, технологій для обробки рідин. Наведено механізми очистки води від різноманітних домішок і інактивації мікроорганізмів, в тому числі кишкової палички Escherichia coli під впливом коронних розрядів, іскрового і дугового розряду, бар’єрного розряду, озонування, вдосконалених процесів окислення у реакторах з розрядами біля поверхні води, усередині води та у газових бульках у воді. Розглянута обробка води і текучих продуктів за допомогою сильних імпульсних електричних полів. Основний принцип технології обробки імпульсними електричними полями (ІЕП) полягає в застосуванні коротких імпульсів сильних електричних полів тривалістю від нано- до мілісекунд і напруженостей порядку 10-80 кВ/см. Технологія ІЕП представлена, як така, що має переваги в порівнянні, наприклад, з термообробкою, тому що вона ефективніше інактивує мікроорганізми і краще підтримує первісний колір, смак, текстуру і поживну цінність соків, вин, молочних продуктів. Обрано напрями досліджень, поставлені основні задачі дисертаційної роботи. У другому розділі показано яким чином експериментально досліджено і проведено знезаражувальну обробку текучих харчових продуктів (молока, молочної сироватки, води), засіяних показовими бактеріями – Escherichia coli, за допомогою комплексу високовольтних імпульсних дій (КВІД). Виконано експериментальну перевірку роботи генератора імпульсних напруг Аркадьєва-Маркса в режимі покаскадного загострення фронту імпульсів на навантаження не більше 50 Ом у вигляді трьох робочих камер з оброблюваною водою, включених паралельно. Експериментально отримані розряди в газових бульках з характерним розміром 1-4 см в воді. Частота проходження розрядів досягала 10000 імп/с при амплітуді імпульсів напруги на реакторі 8 кВ і струмах в розрядному контурі приблизно 0,2 А. Попередні дослідження щодо очищення води, використовуваної при виробництві коксу, а також води поверхневих водойм показали, що за допомогою розрядів в газових бульках в ній вода ефективно очищається від фенолів (зменшення на 60,3%), роданидов (зменшення на 94%). Річкова вода освітлюється і робиться більш прозорою, усуваються небажані запахи, зменшується біохімічне споживання кисню нею. Створено експериментальний стенд для очищення води за допомогою наносекундних розрядів в газових бульках. З його допомогою отримано розряди наносекундної тривалості в газових бульках усередині води. Частота проходження розрядів досягала 2500 імп/с при амплітуді імпульсів напруги на реакторі 30 кВ і амплітуді імпульсів струму в розрядному контурі до 35 А. Показана можливість очищення води, що містить нітрат амонію NH₄NO₃, від аміаку. Досягнуто зменшення концентрації аміаку (NH₃) на 37%. Продемонстровано повна інактивація бактерій при обробці 3 л водопровідної води, з бактеріями E. coli при початковій концентрації 10⁶ КУО/см³ (КУО ‒ колоніє утворюючі одиниці), за допомогою наносекундних імпульсів в газових бульках протягом 7 хвилин обробки, за даними лабораторії КП «Санепідсервіс» (м. Харків). У третьому розділі здійснено комп’ютерне моделювання за допомогою методу скінченних елементів утворення і розвитку у часі імпульсного електричного розряду у газовій бульці усередині води з урахуванням розподілу електричного поля у двофазному середовищі газ (плазма) – вода з неоднорідними включеннями і плазмохімічних реакцій з утворенням активних мікрочастинок, в тому числі радикалів ОН, які забезпечують високий ступінь знезараження і очищення води у сукупності з широкосмуговим випромінюванням від розрядів у газових бульках у воді. Спочатку відбувається наростання напруженості електричного поля тільки поблизу вістря. До 4 нс електричне поле у вістря (стрижня) набагато більше, ніж у воді і досягає значень 15 кВ/см. Зі збільшенням потенціалу на високовольтному електроді, утворенням нових електронів та іонів відбувається зростання провідності в газовій бульці. Приблизно з 16-18 нс напруженість електричного поля у воді досягає значень 30 кВ/см. Також розрахована оціночна величина питомих енерговитрат в проточному режимі при КВІД обробці продуктів. Вона становить Еsp≈6 кВт∙год/м³, що приблизно в 4 рази менше, ніж при традиційній тепловій обробці ‒ пастеризації. У четвертому розділі описані експериментальні зразки дослідно-промислових установок. Запропонований спосіб обробки рідин і текучих продуктів (на який одержано патент на винахід) є енергозберігаючим і може використовуватися в різних галузях промисловості, у тому числі харчовій промисловості, при виробництві соків, вин, напоїв, обробці та переробці молока, при виробництві молочних продуктів, у фармакології. Створена і успішно випробувана експериментальна високовольтна імпульсна установка з номінальною імпульсною потужністю 3 МВт, в якій знезараження води в потоці здійснюється за допомогою наносекундних розрядів в газових бульках. Результати досліджень дозволили отримати низку нових наукових результатів: 1. Експериментально одержано надійний багатоканальний режим роботи вихідного багатоканального розрядника ГІНПЗ на низькоомне навантаження у вигляді трьох робочих камер, включених у паралель і заповнених водопровідною водою, сумарний опір яких менше 50 Ом. 2. Експериментально отримані синхронні наносекундні розряди у газових бульках у воді у трьох розрядних вузлах експериментальної установки, включених в паралель, з імпульсною потужністю на навантаженні установки до 3 МВт, сумарною амплітудою струму до 100 А при амплітуді напруги на розрядних вузлах до 30 кВ і частоті проходження імпульсів більше 2000 імп/с при роботі в паралель трьох багатозазорних багатоканальних потужнострумових повітряних іскрових розрядників при атмосферному тиску з часом комутації менше 10 нс і ресурсом більше 10 мільярдів імпульсів. 3. Експериментально показана висока знезаражувальна дія на воду наносекундних розрядів в газових бульках усередині води в проточному режимі зі швидкістю до 120 л/год, яка (дія) на показових мікроорганізмах E. coli, при їх початковій концентрації у воді 1 мільйон колонієутворюючих одиниць у кубічному сантиметрі, сягає 100% і є необоротною при питомих енерговитратах не більше 1 кВт∙год/м³. 4. Здійснено моделювання утворення і розвитку у часі імпульсного електричного розряду у газовій бульці у середині води з урахуванням розподілу електричного поля у двофазному середовищі газ (плазма) – вода з неоднорідними включеннями і плазмохімічних реакцій з утворенням активних мікрочастинок, в тому числі радикалів ОН, які забезпечують високий ступінь знезараження і очищення води у сукупності з широкосмуговим випромінюванням від розрядів у газових бульках у воді.
Вдосконалення підходів визначення параметрів тролейних шинопроводів систем цехового електропостачання з нелінійними навантаженнями
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Безверхня, Юлія Сергіївна
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 141 – Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка – Національний університет "Запорізька політехніка", Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Запоріжжя, 2021. Об'єкт дослідження – електромагнітні процеси в тролейних шинопроводах систем цехового електропостачання в умовах впливу гармонійних складових струму навантаження. Предмет дослідження – електромагнітні параметри тролейних шинопроводів систем цехового електропостачання при нелінійному навантаженні. Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуального науково-прикладного завдання, спрямованого на вдосконалення підходів моделювання електромагнітних процесів і підвищення точності визначення параметрів тролейного шинопровода з врахуванням впливу гармонійних складових струму навантаження. У вступі обґрунтовано актуальність задач дослідження, показано зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами, наведена наукова новизна та сформульоване практичне значення отриманих результатів. В першому розділі встановлено, що існуючі методики розрахунку активного та реактивного опорів та електромагнітних параметрів тролейних шинопроводів, що основані на польовому моделюванні не забезпечують високу точність та ефективність, так як не враховують наявність гармонійних складових струму. Інші методики розрахунку параметрів тролейних шинопроводів, що основані на емпіричних залежностях та застосовуються на інженерній практиці мають припущення щодо відсутності впливу скін-ефектів, ефектів близькості, поверхневих та інших крайових ефектів, не враховують електрофізичні та нелінійні властивості матеріалів провідників. Відсутні дослідження щодо порівняльного аналізу активного та реактивного опорів й електромагнітних параметрів існуючих профілів тролеїв. Недостатня вивченість електромагнітних процесів при наявності вищих гармонік струму в провідниках шинопровода, не встановлені співвідношення падіння напруги та активних втрат для різних форм тролеїв шинопровода від спектрів частот і амплітуд k -х гармонік струму та коефіцієнту гармонійних спотворень. В другому розділі удосконалено метод польового розрахунку, на основі якого запропоновано математичну двовимірну польову модель електромагнітних процесів в елементах конструкції тролейного шинопровода у частотній постановці задачі, яка у порівнянні з просторовою часовою моделлю електромагнітного поля, дозволяє з високою точністю (1,88%÷2,06%) та ефективністю чисельної реалізації для кожної відповідної амплітуди і частоти k - ї гармоніки струму навантаження визначати активний та реактивний опори та електромагнітні параметри тролейного шинопровода з врахуванням їх конструктивних особливостей, нелінійності магнітних та електрофізичних властивостей матеріалів, скін-ефекту, ефекту близькості, поверхневих та інших крайових ефектів. За результатами польового розрахунку встановлено співвідношення падіння напруги та активних втрат для різних форм тролеїв шинопровода від спектрів частот і амплітуд k -х гармонік струму і коефіцієнту гармонійних спотворень, що дозволяє виявити ступінь і характер впливу на асиметрію падіння напруги і параметрів тролеїв шинопровода. Проведено дослідження та порівняльний аналіз активних і реактивних опорів L, W, I, U, X- форм тролеїв шинопровода з врахуванням впливу скін-ефекту, ефекту близькості, поверхневих та інших крайових ефектів. Встановлено, що найбільш оптимальною формою сталевих і мідних тролеїв шинопровода є куткова форма тролеїв (L-форма), для якої забезпечується найменше значення активного і реактивного опорів, активних втрат і втрат напруги, а також найменший рівень несиметрії між фазами шинопровода, як при основній, так і при вищих гармоніках струму. Встановлено, що при наявності вищих гармонік струму, параметри (активний і реактивний опори) тролеїв шинопровода не залежать від амплітуди k -х гармонік струму, а залежать лише від їх частоти. Значення падіння напруги при визначених параметрах тролеїв шинопровода з врахуванням впливу скін-ефекту, ефекту близькості, поверхневих, та інших крайових ефектів має прямо пропорційну залежність від амплітуди k -х гармонік струму. Рівень несиметрії падіння напруги для всіх форм фазних тролеїв шинопровода викликано несиметрією їх параметрів. Запропоновано алгоритм, який дозволяє на основі даних польового моделювання, з врахуванням особливості конструкції тролейного шинопровода (форми тролеїв, їх розташування, при та без наявності екрануючих елементів) та скін-ефекту, ефекту близькості, поверхневих, та інших крайових ефектів встановити функціональну залежність падіння напруги від частоти та амплітуди вищих гармонік струму, яка представлена у вигляді бікубічного полінома, і дозволяє для діючих спектрів і амплітуд вищих гармонік струму, підібрати необхідні значення коефіцієнтів полінома без витрат часу на польове моделювання. В третьому розділі удосконалено підхід щодо визначення активного та реактивного опорів й електромагнітних параметрів тролейного шинопровода з врахуванням гармонійних складових струму навантаження, конструктивних особливостей тролеїв, нелінійності магнітних та електрофізичних властивостей матеріалів, скін-ефекту, ефекту близькості, поверхневих та інших крайових ефектів. На основі даного підходу запропоновано нову методику, яка з високою точністю та ефективністю без витрат часу на польове моделювання, для кожної k -ї гармоніки струму дозволяє визначити значення активного, реактивного опорів і падіння напруги з врахуванням і без врахування дії зовнішнього магнітного поля, незалежно від форми і розташування тролеїв, відстані між ними і кількості фаз шинопровода. Вдосконалено математичну модель щодо визначення втрат напруги в тролеях шинопровода в залежності від коефіцієнту потужності мережі, яка відрізняється від відомої тим, що дозволяє для кожного спектру частоти вищих гармонік струму врахувати кут зсуву за фазою падіння напруги, викликаного дією зовнішнього магнітного поля від струмів в сусідніх тролеях шинопровода, який дорівнює arctg(Xk/Rk). Нев’язка втрати напруги за вдосконаленою математичною моделлю та результатами польового розрахунку при основній гармоніці струму складає |δΔU1| ≤ 0,02%, при врахуванні вищих гармоніках струму – |δΔUрез| ≤ 0,14%. Засобами експериментального дослідження доведено адекватність та високу точність (3,03÷8,57% в залежності від cosϕ) запропонованого підходу щодо визначення активного та реактивного опорів й електромагнітних параметрів тролейного шинопровода. В четвертому розділі запропонована імітаційна модель взаємопов’язаних електромагнітних процесів між електроприводом механізму переміщення та струмопровідними елементами мостового крана, яка відрізняється тим, що дозволяє за даними розрахунку польової моделі використовувати інтегровані параметри тролеїв шинопровода та визначити їх електромагнітні параметри в залежності від відстані розташування мостового крана до точки живлення тролеїв шинопровода. На прикладі роботи механізму переміщення існуючого мостового крана 32т механічного цеху ТОВ "ЗЛМЗ" м. Запоріжжя проведено дослідження взаємопов’язаних електромагнітних процесів між електроприводами механізму переміщення мостового крану та тролеями шинопровода. Встановлені закономірності моменту асинхронного електроприводу від втрат напруги в тролеях шинопровода, що дозволяють, як при основній так і при вищих гармоніках струму, визначити максимальну допустиму відстань переміщення мостового крану до точки підживлення секції тролеїв шинопровода, при якій забезпечується безаварійна робота електроприводу мостового крану, а також визначити кількість точок підживлення секцій тролеїв шинопровода та відстані між ними, що забезпечить однаковий рівень втрат напруги та активних втрат в тролеях шинопровода при основній гармоніці і з врахуванням вищих гармонік струму навантаження. На основі теоретичного дослідження були розроблені рекомендації щодо зниження втрат напруги та активних втрат в тролеях шинопровода при роботі частотно-регульованого електроприводу механізмів мостового крану. Результати дисертаційних досліджень впроваджені та використані на ТОВ "Запорізький ливарно-механічний завод" м. Запоріжжя (гірничо-металургійної групи ТОВ "Метінвест Холдинг"), що забезпечило збереження проектних показників втрат напруги та активних втрат в тролеях шинопровода живлення мостового крану після модернізації на частотно-регульований електропривод.