Системи активного екранування зовнішнього магнітного поля вбудованих трансформаторних підстанцій

Abstract

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.

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 dissertation was performed at the State Institution “Institute Technical Problems Magnetism of the National Academy of Ukraine”, Kharkiv, and the Anatolii Pidhornyi Institute of Mechanical Engineering Problems of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kharkiv, and the National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Kharkiv. The dissertation will be defended at the National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Kharkiv, 2023. The object of the study is the external magnetic field urban transformer substation. The subject of the study is the active shielding system of external magnetic fields for built-in transformer substations. In the dissertation the scientific and practical task of the synthesis of an active shielding system of external magnetic field for built-in urban transformer substation power 100–1260 kVA in residential buildings is solved, to reduce they magnetic flux density to a level safe for the population in nearby residential premises. The research was performed based on the fundamental principles of the theoretical electrical engineering, on methods of mathematical and physical modelling of magnetic field sources, on analytical and numerical methods of analysis, and modern information technologies. The introduction substantiates the relevance of dissertation topics, research tasks were defined, showing the connection between work and scientific programs, plans, themes, and the data on scientific novelty, practical significance, approbation of results and publication are presented. The first chapter analyzes the results of studies of magnetic field of built-in substations 10/0.4 kV with a power of 600–1000 kVA performed in Europe. In the European standards the maximum level of magnetic flux density is fixed in the range 4–13 μT for residential premises above substations. This significantly exceeds the safe level for the population by the recommendations of the World Health Organization (0,2–0,3 μT), as well as the industrial frequency magnetic field permissible level adopted in Ukraine (0,5 μT). It requires the reduction by more than an order of magnitude. Analysis of modeling and calculation methods of the magnetic field, as well as the methods of the multi-dipole modeling that are developed for overhead power lines that have a good physical interpretation necessary to simplify the synthesis of the active shielding systems. The methods of reducing those magnetic fields acceptable for substations, such as active shielding, were analyzed. The relevance of external magnetic field research for urban substations 100–1260 kVA that are distributed in Ukraine, which are built into residential buildings, as well as the development of optimization methods for the synthesis of active shielding systems the substations magnetic field was substantiated. The areas of research are selected and the main tasks of the dissertation are stated. The second section presents the results of experimental research of the distribution of magnetic flux density with the frequency of 50 Hz for 110 typical urban transformer substations 10(6)/0.4 kV with the power of 100–1260 kVA, which can be built into residential buildings in Kharkiv. It is shown that the magnetic flux density can exceed the normative level when the substations are approached at a distance from 6 m (100 kVA) to 10 m (1260 kVA). It can reach from 2 to 8 μT, which requires the magnetic flux density reduction from 4 to 16 times. The individual sources contribution of its magnetic field to the general magnetic field of the substation was studied. It is shown that the main source of external magnetic field is their switchgear – a low-voltage current conductor, whose contribution to the general magnetic field at the distance of 2 m is more than 90%. It allows do not consider other sources of the magnetic field in further calculations (transformer, cables, high voltage current conductor). The multi-dipole mathematical model of the external magnetic field of a threephase current conductor has been improved and experimentally proved by its construction on a two-phase model of a three-phase electric circuit. The comparison its with the known multi-dipole model shows that this technique allowing to double bringing closer the calculation zone and carry out the calculations in all adjacent residential premises located at a distance of one meter from the substation without increasing the error. The calculation of the magnetic flux density in residential premises of buildings with built-in substations was accomplished and experimental verification of the result was implemented. The necessary shielding factor of magnetic field in adjacent residential premises is determined, which should be 4–16 units. In the third chapter, the implementation of active shielding systems of the magnetic field of built-in substations in an open loop control structure is substantiated and the method of its synthesis is developed. The method is based on an improved two-phase multi-dipole mathematical model of the magnetic field of three-phase current lines, on the Biot-Savart law, and on the optimization method of multiswarm particles from the Pareto set of optimal solutions considering binary preference relations, which allows synthesizing systems with the necessary efficiency. Synthesis of systems with one and two flat quadrangular active loops at different (1–2 m) distances from the residential premises for 6 types of built-in substations of different power was performed. According to the results of the synthesis, the structures and parameters of the shielding systems are proposed, which are available for physical implementation and have the shielding factor of 6–16 units. At the same time, the theoretical shielding factor of the magnetic field is about 8 units when one active loop is used and about 16 units when two active loops are used. In the latter case, the surface power density of the shielding system increases from 0.7 W/m2 of living space to 4.7 W/m2, which causes a corresponding increase in the cost price of the systems and their operation cost. The fourth chapter is devoted to the description of the created laboratory installation consists of substation 100 kVA low-voltage current conductor full-scale physical model and to the active shielding system full-scale physical model synthesized for it, on which the experimental studies of their magnetic field was performed, according as developed by the author's measurements method. The experimental verification of the proposed improved multi-dipole mathematical model of the external magnetic field of the three-phase current conductor was performed, with confirmed coincidence of the calculation and the experiment among the error less than 7% and the correctness of the proposed mathematical model. The experimental verification of theoretical propositions of the proposed method of synthesis of active shielding systems was performed, with confirmed coincidence of the calculation and the experiment among the error less than 10% and the correctness of the proposed synthesis methods. Practical recommendations for constructing of active shielding systems have been developed. They involve the formation of system control signals based on a microcontroller, periodic adjustment of the system under the control of the magnetic field, as well as implementation of the system power amplifier based on audio frequency amplifiers of class AB. The scientific results obtained in the dissertation: 1. The improved multi-dipole mathematical model of the external magnetic field of the three-phase current conductor is proposed and experimentally proved, which based on a two-phase dipole model of a three-phase electric circuit. The proposed model in comparison with the well-known three-phase multi-dipole model, allowing to double bring closer the calculation zone, without increasing the error, the provides calculation of the magnetic field of the built-in transformer substation for all spaces of the building close to it, which are located at a distance of 1 meter. 2. For the first time the method of synthesis of active magnetic field shielding systems of built-in transformer substations power 100-1260 kVA was developed and experimentally substantiated. It is based on the improved two-phase multi-dipole mathematical model of the magnetic field of the current conductor, on the Biot-Savart law for determining the magnetic field of the shielding system, as well as on the system elements optimization method of the multiswarm of particles from the Pareto set of optimal solutions considering binary preference relations, which allowing made it possible to synthesize systems with a shielding factor of 6–16 units, which reduce the magnetic field in nearby residential premises to the level of sanitary standards. 3. For the first time, it was proposed to carry out the synthesis of systems of active shielding of the potential magnetic field of built-in transformer substations with the determination of the magnetic field not in the entire volume of the residential premise, but on the control plane D, which is as close as possible to the substation, and located in the living room parallel to the floor (wall), allowing you to significantly reduce the amount of the calculations with a guaranteed reduction of the potential magnetic field in the entire volume of the living room along the plane D. 4. The methods of calculating the external magnetic field of active structural elements of a transformer substation was further developed. The methods are implemented on the multi-dipole model of the magnetic field of current conductors, on cylindrical spatial harmonics of the magnetic field of cables, and on the probabilistic-statistical method of predicting the transformer magnetic field, which allowed revealing and experimentally substantiating the low-voltage current conductor as the main source of the substation's magnetic field, whose contribution to the total magnetic field at the distance of 2 m is more than 90%, this allows in engineering calculations to ignore other sources of the magnetic field. The reliability of the theoretical results obtained in the dissertation was confirmed by experimental verification of the improved mathematical model of the magnetic field 100 kVA substations and by constructing the active shielding system on laboratory installation with full-scale physical models of current conductor substations 100 kVA and synthesized active shielding system, the results of which showed the coincidence of the theoretical provisions obtained in the dissertation and the experiment with an error of less than 10%. The research results were used in the following planned topics: 1. «Rozvytok naukovykh zasad normalizatsii heomahnitnoho polia v prymishchenniakh suchasnykh zhytlovykh budynkiv [Development of scientific principles of normalization of the geomagnetic field in the premises of modern residential buildings]» (code «BIOMAH 2», № DR 0116U005462, 2017 – 2021), where the researcher was the responsible executor Researcher; 2. « Rozvytok metodiv ta zasobiv normalizatsii mahnitnoho polia promyslovoi chastoty u prymishchenniakh zhytlovykh budynkiv, shcho stvoriuietsia vbudovanymy transformatornymy pidstantsiiamy ta pobutovym elektroobladnanniam [Development of methods and means of normalization of the magnetic field of industrial frequency in the premises of residential buildings, which is created by built-in transformer substations and household electrical equipment]» (code «EKOM», № DR 0122U001772, 2022 – 2026), where the researcher is the executor of certain sections. The results of dissertation research are submitted for implementation of TOV «KievPromElectroProject» for the development of normative documents from the design of urban transformer substations from an environmentally safe level of the power frequency electromagnetic fields for the population.