close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

2005

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ÈÇÄÀÅÒÑß Ñ ÈÞËß 1880 ÃÎÄÀ
1
ßÍÂÀÐÜ
2011
ÅÆÅÌÅÑß×ÍÛÉ ÒÅÎÐÅÒÈ×ÅÑÊÈÉ È ÍÀÓ×ÍÎ-ÏÐÀÊÒÈ×ÅÑÊÈÉ
ÆÓÐÍÀË
Ó×ÐÅÄÈÒÅËÈ: ÐÎÑÑÈÉÑÊÀß ÀÊÀÄÅÌÈß ÍÀÓÊ (Îòäåëåíèå ýíåðãåòèêè, ìàøèíîñòðîåíèÿ,
ìåõàíèêè
è ïðîöåññîâ óïðàâëåíèÿ),
ÐÎÑÑÈÉÑÊÎÅ ÍÀÓ×ÍÎ-ÒÅÕÍÈ×ÅÑÊÎÅ ÎÁÙÅÑÒÂÎ ÝÍÅÐÃÅÒÈÊΠÈ
ÝËÅÊÒÐÎÒÅÕÍÈÊÎÂ
СОДЕРЖАНИЕ
Бутырин П.А. Социокультурные пространства ин
новационного развития электротехники России
Будовский В.П. Оценка балансовой надежности
электроэнергетических систем методами теории
рисков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Маруда И.Ф. Релейная защита двойной селектив
ности. Логические защиты электрических объ
ектов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Бабаев С.С. Способ внутрипериодного измерения
комплекса параметров трехфазной сети . . . . .
Чернышев В.А., Зенова Е.В., Григорян В.Р. Опреде
ление состояния и остаточного ресурса силового
электроэнергетического оборудования . . . . .
Баранов М.И., Носенко М.А. Приближенный ме
тод расчета максимальной температуры нагрева
металлического проводника импульсным током
Никитин А.И., Бычков В.Л., Величко А.М., Ники(
тина Т.Ф., Щелкунов Г.П. Анализ результатов
воздействия шаровой молнии на оконное стекло
СООБЩЕНИЯ
Морозов В.А. Свойства точек экстремума на зави
симости электрического сопротивления провод
ника от толщины покрытия на высокой частоте
Курбасов А.С., Курбасов М.Б. Энергетическая ус
тановка электромобиля. . . . . . . . . . . . . .
ПО МАТЕРИАЛАМ СИГРЭ
Лоханин А.К. Вопросы трансформаторостроения
на 43й сессии СИГРЭ . . . . . . . . . . . . . .
ЗАМЕТКИ И ПИСЬМА
Шакирзянов Ф.Н. Графен и фоторезистивный эффект .
ИЗ ИСТОРИИ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
Памяти Г.Р. Герценберга . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ХРОНИКА
Оскар Давидович Гольдберг
(К 85летию со дня рождения) . . . . . . . . . . . . .
2
Александр Борисович Кувалдин
(К 75летию со дня рождения) . . . . . . . . . . . . .
Вячеслав Хусаинович Ишкин
(Некролог) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
70
CONTENTS
11
17
26
32
36
45
51
55
58
65
67
68
P.A.Butyrin. The Sociocultural Spaces Accociated with
Innovate Development of Electrical Engineering in
Russia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
V.P. Budovskii, Estimating Balance Reliability of
Electric Power Systems Using the Risk Theory
Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
I.F. Maruda, A Relay Protection with Double
Selectivity. Logical Protections at Electric Plants .
S.S. Babayev, A Method for Measuring a Set of
Parameters of a ThreePhase Network Inside the
Period . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
V.A. Chernyshev, E.V. Zenova and V.R. Grigoryan,
Determining the State and Residual Service Life of
Power Equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Baranov M.I., Nosenko M.A. Approxomate Method of
Calculation of Maximum Temperature of Metallic
Conductor Heating by Pulse Current . . . . . . . .
A.I. Nikitin, V.L. Bychkov, A.M. Velichko, T.F.
Nikitina and G.P. Shchelkunov, An Analysis of the
Consequences Caused by the Effect of Ball
Lightning on a Window Glass. . . . . . . . . . . .
V.A.Morozov, The Properties of Extreme Points of the
Dependence of a Conductor's Electrical Resistance
on the Thickness of Coating at High Frequency . .
A.S. Kurbasov and M.B. Kurbasov, An Electric
Venicle,s Power Installation . . . . . . . . . . . .
2
11
17
26
32
36
45
51
55
CIGRE MATERIALS
A.K. Lokhanin, Problems of Transformer Industry at
rd
43 SIGRE Session. . . . . . . . . . . . . . . . .
58
NOTES and LETTERS
F.N. Shakirzyanov, Grafen and Photoresistive Effect . . . .
65
FROM
THE
HISTIRY
INGINEERING
OF
ELECTRICAL
In memory of G.R. Gertsenberg . . . . . . . . . . . . . . .
© «Электричество», 2011
69
CHRONICLE
67
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Oskar Davidovich Gol’dberg
(to Mark the 85th Anniversary). . . . . . . . . . . . . . .
Aleksandr Borisovich Kuvaldin
(to Mark the 75th Anniversary) . . . . . . . . . . . . .
Vyacheslav Khusainivich Ishkin
(Obituary) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
68
69
70
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Социокультурные пространства инновационного развития
электротехники России1
БУТЫРИН П.А.
Рассматривается электротехнический социум,
его ментальность и воспроизводство, социокультур
ная динамика электротехники в контексте перспек
тив ее инновационного развития. Оцениваются пер
спективы и направления такого развития электро
техники.
К л ю ч е в ы е с л о в а : электротехника, инно
вационное развитие, электротехнический социум
The electrical engineering socium, its mentality, and
reproduction, and sociocultural dynamics of electrical
engineering are considered in the context of prospects for
its innovative development. Prospects and lines of such
development of electrical engineering are estimated.
K e y w o r d s : electrical engineering, innovative
development, electrical engineering socium
Введение. 12 ноября 2009 г. Президент РФ
Д.А. Медведев назвал главной задачей страны осу
ществление модернизации общества и создание
высокотехнологической экономики. Формой мо
дернизации передовых отраслей техносферы, к ко
торым относится и электротехника, выбрано инно
вационное развитие.
Развитие, в том числе модернизационное, об
щества и электротехники происходит в их глубокой
взаимосвязи [1]. Так, Т. Хьюз в классической рабо
те по социотехническим системам [2], сравнивая
национальные стратегии электрификации в стра
нах западного общества в 1880 – 1930 гг., показал,
что при сходстве проблем, которые немцам, анг
личанам, американцам приходилось решать в ходе
ее осуществления, результаты – топология сетей,
характер управления, мощностной ряд генераторов
и т.д. – оказались не просто различными, а адек
ватными социокультурным и политическим реали
ям этих стран. Интересно, что
еще ранее, в
1922 г., применительно к проектам создания таких
систем в журнале «Электричество» отмечалось, что
многие проекты, родившиеся в военное время и
отличающиеся чисто государственной широтой и
смелостью, после прекращения войны, с восста
новлением частной инициативы подвергались зна
чительным сокращениям и изменениям (проект
V.S. Murrey «Superpower Systems») [3].
Заметим, что тезис Т. Хьюза верен и для «вос
точного общества» – устройство ЕЭС СССР с пре
дельной централизацией ее управления явилось
своеобразным аналогом административной систе
мы советской эпохи. Произошедшие в дальнейшем
в результате перестройки социальнополитические
изменения, утвердившие в России на первых порах
механизмы управления, напоминавшие таковые в
бизнескорпорациях торгового профиля, повлекли
за собой реструктуризацию ЕЭС с потерей качества
управления как ее режимами, так и эксплуатацией
и развитием. Последующее упрочение вертикали
власти также сопровождается некоторым упорядо
чением в ЕЭС [1, 4].
Однако разные постоянные времени общест
веннополитических и технических процессов
(включая утерю технической культуры) при втяги
вании в отмеченную Т. Хьюзом связь приводят к
взрывным техногенным явлениям – системным
авариям в Москве (2005 г.), С.Петербурге (2010 г.)
и катастрофе на СаяноШушенской ГЭС (2008 г.)
Заметим, что еще в 1992 г. академик К.С. Демир
чян обращал внимание на чрезвычайный инерци
онный механизм накопления в энергетической
сфере знаний и навыков, не позволяющий быстро
менять управление этой отраслью, и отмечал, что
при введении в электроэнергетику рыночных отно
шений интеллектуальнотрудовой потенциал от
расли начнет снижаться, а деградация профессио
нального социума будет связана с тяжелыми поте
рями как для отрасли, так и для страны в це
лом [5].
Обусловленность развития электроэнергетики и
электротехники ситуацией в обществе в [1] предо
пределяет необходимость учета динамики социо
культурных процессов при формировании долго
срочных электротехнических планов или прогнози
ровании развития этих отраслей. Традиционно ко
личественные показатели таких планов или про
гнозов представляются монотонными функциями и
изображаются в виде возрастающих либо убываю
щих кривых. Вместе с тем, социокультурная дина
мика носит циклический волнообразный характер.
Оценим, как это обстоятельство сказалось на реа
лизации планов известных электротехнических
проектов:
1 Статья написана в рамках Федеральной целевой программы
«Научные и научнопедагогические кадры инновационной
России». Государственный контракт № НК582П60.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
Социокультурные пространства электротехники России
планы электрификации России (ГОЭЛРО) и за
тем создания ЕЭС СССР оказались вполне реали
стичными вследствие совпадения фаз подъема со
циокультурных процессов новой общественнопо
литической формации с планируемым подъемом
электроэнергетики;
всевозможные большие планы середины 80х –
начала 2000х годов, включая «ГОЭЛРО2», оказа
лись нереалистичными изза нескоррелированно
сти планируемого технического роста и турбулент
ных социокультурных процессов, характерных для
«времени перемен» и изменения фаз общественно
го развития.
В [1] обращено внимание на то, что многие
электротехнические процессы, как и социокультур
ные, имеют колебательную динамику, что также
необходимо учитывать. Это относится, например, к
электропотреблению (вначале было преимущест
венно коммунальное, затем производственное, сей
час снова коммунальное) или характеру организа
ции электроснабжения (вначале децентрализован
ное, далее централизованное, а сейчас с тенденци
ей к децентрализации).
Не менее интересно и влияние развития элек
тротехники, в том числе инновационного, на раз
витие общества. Так, инновационное решение
П.Н. Яблочковым проблемы городского освещения
с успешной демонстрацией в 1877 г. в России,
Франции, Великобритании освещения улиц «рус
ским светом» не просто оправдало надежды обще
ства на социальную полезность электротехники, но
и стало катализатором ее развития, приведшего к
изменению быта, производства, облика городов и
т.д. и, в конечном итоге, к появлению социумов ее
пользователей, создателей, обслуживающего персо
нала. Другой пример – инновационное решение
Е.Н. Патона проводить электросварку под флюсом
(1940 г.) революционизировало процесс производ
ства военной техники, прежде всего танков, оправ
дало надежды общества на могущество отечествен
ной науки и техники и внесло весомый вклад в
Победу нашего народа. Однако надежды политиче
ского класса на то, что инновационные электро
технические решения являются чудом для развития
общества, не всегда оправдывались. Яркий пример
тому – неудача в 1921 г. революционизировать
сельскохозяйственное производство и изменить
быт крестьян с помощью электроплуга. Суть неуда
чи этой инновации в том, что она продвигалась
властью на основе иррациональных мотивов без
учета мнения электротехнического социума.
Таким образом, для оценки перспектив иннова
ционного развития электротехники и ее влияния
на социальные процессы необходим анализ состоя
ния общественного развития. Что касается пер
3
спективы модернизации всего российского обще
ства, то его анализ сразу же после постановки
Президентом РФ модернизационной задачи был
выполнен Институтом социологии РАН в сотруд
ничестве с представительством Фонда им. Фридри
ха Эберта в Российской Федерации и дал несколь
ко противоречивые результаты [6]. В этих условиях
становится важным рассмотреть более частную за
дачу анализа социокультурных пространств, в ко
торых непосредственно может происходить инно
вационное развитие электротехники, хотя и со
стояние всего общества для такого развития ис
ключительно важно (так инновационные разработ
ки для электроники лауреаты Нобелевской премии
по физике 2010 г. А. Гейм и К. Новоселов выпол
нили в Великобритании, общество которой оказа
лось более благосклонным к ученым, чем отечест
венное).
Социокультурные пространства электротехники.
Среду, в которой осуществляется развитие электро
техники, а также освоение и использование его ре
зультатов с последующей постановкой перед нау
кой и инженерной мыслью новых технических и
социотехнических задач, назовем, следуя [4], элек
тротехническим социумом. Ядро этого социума –
профессиональное сообщество ученых, инженеров,
техников, высококвалифицированных рабочих,
промышленников и отраслевых управленцев. Од
нако границы интересующей нас социальной сре
ды значительно шире. В частности, сюда же надо
включить всех тех, кто содействует формированию
социального запроса на электротехнику, адаптиру
ет ее развитие к социальным потребностям и чая
ниям, участвует в выработке соответствующих нор
мативнозаконодательных условий, и, наконец,
тех, кто распространяет в обществе знания об
электричестве и его техническом применении. Это
популяризаторы науки, оказывающие воздействие
на общественное сознание, прожектеры и утопи
сты, журналисты, некоторые категории политиче
ских функционеров и чиновников, издатели, учи
теля школ и преподаватели профессиональных
училищ, покровительствующие изобретателям и
талантливой молодежи меценаты. Более того, в ка
комто смысле речь в этой связи должна идти о
всем обществе, рассматриваемом с точки зрения
его способности создавать условия для развития и
эффективного использования электротехники (что
объясняет причину, по которой мы предложили
использовать в данном контексте слово «соци
ум») [4].
Сложная структура и иерархия социума, нали
чие в нем многих социальных групп и нелинейный
характер развития обуславливают интерес к усло
виям его существования и ценностным установкам.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4
Социокультурные пространства электротехники России
Уже при возникновении электротехнического со
циума вопросы его социального и профессиональ
ного воспроизводства, моральноэтического кли
мата в профессиональной среде, взаимоотношений
ее с внешним миром были вполне отчетливо осоз
наны как важнейшие условия его полноценного
существования и развития. Эти вопросы находи
лись в центре внимания органов электротехниче
ского сообщества, как общественных, так и печат
ных, контролировались и по мере возможностей
разрешались ими.
Высокие моральноэтические нормы сформиро
вались в электротехнической среде во многом бла
годаря связанным с этой средой выдающимся лич
ностям, таким как социальный мечтатель и основа
тель первых коммун электротехникизобретатель
А.Н. Лодыгин;
великий изобретатель, директор
Электротехнического
института
и
гуманист
А.С. Попов; реформатор русского театра К.С. Ста
ниславский, в 1894–1917 гг. занимавший пост
председателя правления золотоискательной фабри
ки, преобразованной вскоре в кабельный завод; ре
волюционер
и
государственный
деятель
Г.М. Кржижановский; религиозный философ, по
мощник директора Государственного эксперимен
тального электротехнического института П.А. Фло
ренский; один из почитаемых русской православ
ной церковью старцев, а до принятия сана профес
сор кафедры ТОЭ МЭИ В.Е. Боголюбов; писатель
Д.А. Гранин и т.д. Но прежде всего высокие
ценностные установки, консолидирующие среду,
сформировались на основе самоуважения, смысла и
перспективы профессиональной деятельности, ко
торые, как и высокая национальная миссия элек
тротехников, стали вполне четко осознаваться на
чиная с первых лет реализации плана ГОЭЛРО [4].
В качестве примера рассмотрим участие завода
«Электросила» в начале 20х годов в строительстве
Волховской, а затем в начале 30х годов и в строи
тельстве Днепровской ГЭС. Первоначально плани
ровалось, что все оборудование для Волховской
ГЭС поставит известная шведская фирма АСЕА.
Инженеры «Электросилы», преодолевая сопротив
ление и скептическое отношение вышестоящей ор
ганизации «Эльмаштрест», разработали отечествен
ные гидрогенераторы, КПД которых был выше,
чем у шведских. В результате, если первые четыре
генератора поставлялись ещё шведской фирмой,
то последующие четыре – уже «Электросилой».
Ситуация повторилась, когда для Днепрогэса пер
вые пять генераторов поставила американская
ДЖИИ, а остальные – опять же «Электросила»
[7]. Отечественные электротехники смысл и пер
спективу своей работы на долгие годы стали свя
зывать с её общественной пользой, социаль
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
нопреобразующей ролью, а себя обоснованно
оценивать как ответственных профессионалов
самого высокого класса.
Высокая культура электротехнической среды,
сам феномен электротехники как двигателя науч
нотехнического прогресса и модернизации обще
ства долгие годы были предметом интереса деяте
лей культуры и запечатлены, в частности, в произ
ведениях А. Толстого, А. Платонова, Н. Погодина,
Д. Гранина. Особенно ярко и глубоко этот интерес
проявился в произведениях писателей с электро
техническим образованием: диапазон умонастрое
ний – от пессимизма осознания подчинения чело
века технике (К. Маркс называл такого человека
«частичным человеком») в пьесе А. Платонова
«Высокое напряжение» до радостей инженерного
творчества и восторженности покорения человеком
сил природы в романах Д. Гранина «Искатели» и
«Иду на грозу». Современная электротехника, ее
среда и роль в жизни общества потеряли свою при
тягательность для деятелей культуры, хотя высокая
культурная планка электротехнического социума
как необходимое условие возможности его инно
вационного развития еще сохраняется и поддержи
вается (например, бардклуб «У Борисовича», под
держиваемый работниками кабельной промышлен
ности России, в котором регулярно выступают ве
дущие барды страны).
Анализ процессов в современном электротехни
ческом социуме начнем с обращения к социотех
нической Единой электроэнергетической системе
страны [1, 4]. Особенностью социотехнических
систем является неразрывная связь технического и
социального. Поэтому итогом реструктуризации
технической части ЕЭС явилась дезынтеграция ра
нее единого электротехнического социума на от
дельные микросоциумы компаний с весьма эгои
стичным поведением при общей подавленности
электротехнического социума вследствие отчужде
ния от него ЕЭС как коллективной ценности.
Другой социальный итог проведения этой реформы
и последующей политики в области энергетики
состоит в том, что в 2010 г. тариф на электроэнер
гию превысил среднеамериканский (хотя цена на
первичное топливо станций в России ниже) при
несопоставимых уровнях доходов и социальной
дифференциации населения этих стран. Такой
итог сказывается уже на всем российском общест
ве в смысле негативного восприятия им энергети
ки, и поэтому возникает вопрос: быть может, век
социальнопреобразующей роли электротехники и
электрификации уже позади и в наше время ее пе
рехватили биомедицина, конструирование нано
объектов, информатика, когнитивная наука? На
званные четыре области относят к технонауке, от
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
Социокультурные пространства электротехники России
личительной чертой которой являются сращивание
с производством на основе инновационных техно
логий, бизнесом и стимуляция развития других на
учных и социальных практик. Обращение к безус
ловно инновационной американской программе
«Сеть–2030» [8] доказывает обратное: этот, бес
спорно, масштабный и интегрирующий множество
областей (нано и информационные технологии,
разработки по сверхпроводимости, управлению и
т.д.) проект, помимо консолидации множества уче
ных, специалистов, предпринимателей, социально
ориентирован и призван консолидировать все аме
риканское общество [4, 8], т.е. является по сути
проектом технонауки. Сравнение программ «Сеть
–2030» с отечественными «разработками» типа
«ГОЭЛРО2» сразу объясняет неуспешность по
следних. Они не основаны на инновационных тех
нологиях, не стимулируют научные практики и
бизнес, социально не мотивированы, не учитывают
ситуацию с электротехническим социумом (в част
ности, предстоящую резкую деградацию кадров не
которых его социальных групп), инженерно ему не
интересны и потому его «не зажигают».
Согласно идеям австрийскоамериканского эко
номиста и социолога Иозефа Штумпетера прогресс
в инновациях определяет конкурентоспособность
экономики. Обратимся к современному состоянию
электротехнического социума с точки зрения его
инновационного потенциала. Несмотря на то, что
в российском обществе непреходящей ценностью
является позитивное отношение к науке и образо
ванию, причем более значимое, чем в современных
западных обществах (в Германии, в частности) [6],
налицо деградация как в целом сферы науки и об
разования и профессорскопреподавательской сре
ды, так и отечественной электротехнической науки
и ее научной и образовательной среды, в частности
[1, 4, 9, 10]. Препятствуя энтропийным процессам
деградации традиционных институтов, наиболее
квалифицированная часть ученых и промышленни
ков стала искать новые формы организации. Так
появилась, например, Академия электротехниче
ских наук РФ. Передовые электротехнические
предприятия начинают сами культивировать заво
дскую электротехническую науку (очень интерес
ный опыт в этом отношении имеет московский
«Электрозавод», создавший НИИ электротехники),
появляются институты повышения квалификации
и переподготовки специалистовэлектротехников.
Таким образом создается некая основа для инно
вационной деятельности, что, по И. Штумпетеру,
может прямо влиять на ее содержание и структуру.
В целом позитивными являются и процессы в
электротехнической печати. Напомним, что пер
вый электротехнический журнал «Электричество»
5
был образован в 1880 г., до 1917 г. появилось еще
15 журналов этого профиля, а до 1930 г. – еще 16
журналов. Но подлинный расцвет журнального
дела наступил в 1930 г., когда в течение года обра
зовалось сразу 11 журналов [11], что, безусловно,
способствовало подготовке инновационного разви
тия электротехники, связанного с идеей ЕЭС. Сей
час наблюдается схожая ситуация – ренессанс жур
нального дела. Резко выросло число журналов, а
также искусство их оформления, скорость распро
странения (через интернет). В электротехническое
журнальное дело пришли молодые энергичные
кадры с интересом к работе с общественностью, к
пиаракциям и аналитике. Публикация огромного
числа аналитических обзоров по электротехниче
ской промышленности, рынкам, международным
связям, свобода обсуждения этих тем – новая важ
ная почва для возникновения электротехнических
инноваций. И здесь важно, чтобы отмеченная сво
бода обсуждения этих тем не закончилась как в
1917 или в 1930 гг. [12, 13], а рост журнальной
группы был не только количественным, но и про
фессиональным.
В современном электротехническом социуме
наряду с его истончением, обусловленным деграда
цией электротехнического образования, промыш
ленности и науки, наблюдается появление новых
быстроразвивающихся организаций, связанных с
развитием бизнеса и рынка в электротехнике.
Своеобразие ситуации в том, что при снижении
инновационного потенциала тех социальных
групп, которые существовали и при плановой эко
номике, потенциал социальных групп рыночной
экономики не растет достаточно быстро вследствие
одной структурной диспропорции новой среды –
практического отсутствия в ней социума консал
тинговых компаний как основного посредника ме
жду наукой и производством для проведения инно
ваций. К позитивным социокультурным процес
сам в электротехнической среде можно отнести ус
тановление обширных прямых международных
связей, прежде всего между учеными, а также про
мышленниками.
Ментальность
электротехнического
социума.
Влияние развития электротехники на менталь
ность общества впервые отметил в 1918 г. амери
канский ученый и общественный деятель Генри
Адамс, который писал: «Динамомашина в обще
ственном сознании заменила крест как первичную
силу цивилизации. Сдвиг веры произошел от вели
ких принципов христианства к принципам пользы
и науки. В конце XIX в. прогресс приобрел харак
тер религиозного учения…». В Cоветской России
подобная вера разделялась руководством страны и
по сути становилась государственной. План ГОЭЛ
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6
Социокультурные пространства электротехники России
РО был фактически её проводником, что вполне
осознавалось современниками и даже отобража
лось ими в художественных образах. Так, в трило
гии Алексея Толстого «Хождение по мукам» сцена
доклада Г.М. Кржижановского делегатам VIII съез
да Советов по плану ГОЭЛРО подана по сути как
сцена религиозного обращения. А вот зарисовка
Андреем Платоновым деревенской жизни 1921 г.
из рассказа «Родина электричества»: «Английский
двухцилиндровый мотоцикл фирмы «Индиан» был
врыт в землю на полколеса и с ревущей силой вра
щал ремнем небольшую динамомашину… на теле
гах сидели крестьяне, с удовольствием наблюдав
шие за действием быстроходной машины, некото
рые из них выражали открытую радость, они под
ходили к механизму и гладили его, как милое су
щество…». Эту сценку можно считать художествен
ной иллюстрацией высказывания Н.А. Бердяева в
работе «Истоки и смысл русского коммунизма»:
«Русские крестьяне поклоняются машине, как то
тему». Успешная реализация плана ГОЭЛРО поми
мо социокультурных результатов существенно уве
личила число адептов веры в научнотехнический
прогресс и его общественную пользу. Именно в
среде этих адептов зародилась влиятельная инже
нерная технократия, взгляды которой во многом
определяли направления модернизации страны [4].
Остановимся подробнее на роли технократии в
решении задачи модернизации электротехники и
ее влиянии на ментальность общества. Реализация
плана ГОЭЛРО, создание передовой для своего
времени электротехнической промышленности,
электро и энергомашиностроения, ЕЭС, иннова
ционного электромагнитного оружия, безусловно,
направлялись инженерной технократией. С уходом
из властных структур ее ярких фигур А.Н. Косы
гина в 1980 г. и Н.И. Рыжкова в 1990 г. влияние
инженерных технократов на умонастроения обще
ства стало снижаться, затем их роль стала посте
пенно отходить к экономической технократии.
При сходстве системнологического характера
мышления у этих двух групп технократов оно раз
нится оперируемыми объектами: техническими у
инженерной технократии и экономическими – у
экономической, а также личностным отношением
к техносфере. Если для инженерной технократии,
как и для электротехников страны, ЕЭС – это
предмет гордости за коллективно выпестованное
дело, то для властной экономической технократии
и пришедших к руководству ЕЭС экономистов эта
система имела лишь операционнофинансовую
ценность, и именно потому они с такой легкостью
приняли решение о ее реструктуризации. Налицо
несбалансированность влияния на властные струк
туры и на электротехнический социум экономиче
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
ской и инженерной технократии. Заметим, что в
тех странах, где эти две группы технократов имеют
равновеликое влияние на общество и власть (Япо
ния, Ю. Корея, Сингапур), модернизация общества
и инновационное развитие техники происходят
системно и динамично.
Таким образом, для модернизации, а тем более
инновационного развития электротехники, необхо
димо не только восстановить влияние на власть и
общественное умонастроение инженерной техно
кратии, но и наладить ее отношения с технокра
тией экономической с целью совместной и сис
темной подготовки почвы, в том числе и менталь
ной, для организации этого развития. Заметим,
что кавалерийские наскоки на ментальную сферу,
такие как предпринятая в свое время реформатора
ми ЕЭС лукавая попытка ребрендинга пользующе
гося всеобщим уважением «бренда» ГОЭЛРО в це
лях продвижения непонятного плана «ГОЭЛ
РО2», заранее обречены на провал.
При реализации электротехнических проектов,
инновационных в частности, важно учитывать и
соответствие их содержания ментальности и куль
турноинженерным традициям социума. Покажем
это на проблеме массового внедрения ветроэлек
тростанций (ВЭС), которые в нашей стране могли
бы решить социальную проблему обеспечения
электроэнергией жителей удаленных и труднодос
тупных районов и способствовали бы снижению
экологической нагрузки и экономии традиционных
топлив в более обжитых районах. Этой проблеме
посвящено множество современных публикаций,
например обстоятельная статья [14]. Однако, срав
нивая ее с вышедшей еще в начале 30х годов
статьей [15] по этой тематике, нельзя не поразить
ся сходству их сюжетов: вначале рисуются большие
достижения и перспективы ветроустановок в мире,
затем констатируется плачевное состояние ветро
энергетики в России и далее следует призыв к ее
развитию. Следует обратить внимание на то об
стоятельство, что страны с большой установленной
мощностью ВЭС (Германия, Испания, США, Ки
тай) относятся к странам, в которых культура ис
пользования энергии ветра (ветряные мельницы,
ветряные насосы) насчитывает столетия; хорошо
известен даже литературный образ печального ис
панского рыцаря – борца с такой «энергетикой». В
России подобная культура была не столь развита
(мельницы у нас были в основном водяные), по
этому после успешной стимуляции развития ВЭС в
1930х и 1950х годах ситуация вернулась на круги
своя [4].
Оценим современную ситуацию в ментальной
области и ее влияние на инновационное развитие
электротехники. Естественный уход больших групп
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
Социокультурные пространства электротехники России
ученых, специалистов, квалифицированных рабо
чих старшего поколения, приверженцев коллектив
ных ценностей, и приход новых социальных групп
предпринимателей, собственников, специалистов
по продажам, рекламе и т.д. с превалирующими
ценностями индивидуализма, комфорта, самореали
зации меняет ментальность нашего социума в це
лом. И поскольку в западном обществе подобные
ценности уже давно являются главенствующими, в
том числе и в электротехнической среде, то имеет
смысл обратить внимание и на обусловленный по
добными ценностями характер изменений в разви
тии электротехники на Западе, а именно, быстрое
развитие «зеленых» технологий, например для не
традиционных источников электроэнергии для
электромобилей и автомобилей двойного питания.
При социальном заказе и новой ментальности са
мого электротехнического социума актуализация
подобного направления электротехники вполне
прогнозируема, причем именно в нем возможны
и инновационные решения. Дальнейшая трансфор
мация ценностей «индивидуальногуманистическо
го» направления заведомо породит и интерес к
развитию антропных («человечных») электротех
нических устройств и систем, т.е. таких, эксплуата
ция и использование которых максимально ком
фортны (автоуправляемые подстанции, сети и т.д.).
Другой аспект трансформации ценностей от обще
ственногосударственных к личностным: крупные
системные инновационные электротехнические
проекты уходящей эпохи – ГОЭЛРО, ЕЭС – ви
димо, уступят место несистемным инновационным
проектам.
Воспроизводство электротехнического социума:
электротехническое образование как институцио'
нальная основа инновационного развития электротех'
ники. Высшему электротехническому образованию
в России 125 лет [16]. Вопросы его развития регу
лярно рассматривались в электротехническом от
деле Императорского русского технического обще
ства и в учрежденном в 1908 г. Обществе электро
техников в Москве. Результаты этих обсуждений
доводились до электротехнической общественно
сти через журнал «Электричество». Круг обсуждае
мых тем весьма широк, часто связан с мораль
ноэтическими и социальными проблемами. Так,
8 декабря 1908 г. А.Н. Лодыгин сделал доклад на
заседании Общества, в котором проанализировал
особенности подготовки инженеров в США с ак
центом на моральную сторону подготовки, социа
лизацию инженеров и формирование корпоратив
ной этики. В 1908–1909 гг. в комиссии по электро
техническому образованию обсуждался вопрос
«Чем должен быть инженерэлектрик?» и разра
батывалось Положение о среднем электротехниче
7
ском образовании, а в комиссии по вопросу о ко
дексе профессиональной этики для русских элек
тротехников рассматривались складывающиеся в
электротехническом социуме отношения с обслужи
вающим персоналом, рабочими, техниками и т.д.
Сейчас интерес к моральным аспектам жизни
проявляют разве что сами студенты. Так, результа
ты социологического опроса фокусгрупп студен
тов Московского энергетического института, про
веденного в 2009 г. Лабораторией социологических
исследований МЭИ, показали, что 80% опрошен
ных, вопервых, беспокоит моральная деградация
общества и, вовторых, проявляет интерес к рели
гии. Таким образом, на подходе поколение с более
традиционными ценностями, хотя проводимая ре
форма образования может поменять и эту тенден
цию. Ранее подобный интерес, а также интерес к
качеству образования, формированию его направ
лений, социализации выпускников всегда возникал
в преддверии инновационномодернизационных
этапов его развития. Так было в годы «николаев
ского», а затем «сталинского» подъема промыш
ленности, сейчас, в период модернизации страны
и инновационного развития электротехники, эти
вопросы совершенно выпали из сферы внимания
общественности.
Рассмотрим два компонента технического обра
зования – гуманитарный и инвестиционный – в
годы «николаевского» и «сталинского» подъема и
сравним их с таковыми в наши дни с точки зрения
подготовки кадров для будущего инновационного
развития России.
1. В период «николаевских» реформ финанси
рование образования выросло с 1,8% расходной
части бюджета страны в 1900 г. до 4,3% – в 1913 г.
Главным в гуманитарном компоненте образования
был закон Божий (или богословие) и христианские
ценности. Эффект – рост числа студентов в 4 раза,
и гуманитарный аспект: несмотря на революцию
1917 г. и послереволюционные трудности профес
сора и преподаватели вузов, в том числе недавние
их выпускники, в основном остались в России. Все
это обеспечило как преемственность системы, в
частности электротехнического образования, так в
конечном итоге и сохранность кадров для успеш
ной реализации инновационного плана ГОЭЛРО.
Заметим, что в ценностной установке старшекласс
ников до 1917 г. на первом месте стояла профессия
учителя.
2. В Советской России ассигнования на образо
вание в 1926–1932 гг. выросли в 9,3(!) раза, а гла
венствующим в гуманитарном компоненте стало
марксистсколенинское учение с квазихристиан
скими ценностями. Эффект – число вузов вырос
ло в 1930–1931 гг. в 3 раза (подробнее об электро
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
8
Социокультурные пространства электротехники России
технических вузах в [17] ), число студентов – в
2,2 раза. В результате был подготовлен инженер
ный корпус, успешно решивший задачи не только
инновационного плана создания ЕЭС, но и инже
нерного обеспечения оборонной промышленности
в годы Великой Отечественной войны. Заметим,
что главной в ценностной установке старшекласс
ников после 1920 г. стала профессия инженера.
3. В современной России ассигнования на обра
зование в процентах от ВВП находятся на самом
низком уровне среди развитых стран [4, 16]. Глав
ным в гуманитарном компоненте образования ста
новится развитие
предпринимательского по
тенциала личности, который в принципе может
повысить инновационный потенциал среды, осо
бенно по продвижению чужих разработок. При
этом в Храм технического образования через вы
нужденное оказание преподавателями коммерче
ских услуг (репетиторство, выполнение за студен
тов курсовых и дипломных работ и т.д.) начинают
проникать и приживаться ценности торговцев
(интересное окончание схожей коллизии описано
в Евангелии от Иоанна [2:15], от Марка [11:15], от
Луки [19:45], см. : изгнание торговцев из Храма).
Заметим, что в проекте доклада Общественной
палаты РФ «Готова ли Россия инвестировать в свое
будущее» (2007 г.) отмечается необходимость дове
сти среднюю зарплату преподавателей не менее
чем до 75 тыс. руб. в месяц в 2010 г. и не менее чем
до 150 тыс. руб. – к 2015 г. Реальная зарплата пре
подавателей вузов за основную деятельность в
2010 г. лежит в диапазоне 6 тыс. руб. (ассистент) –
19 тыс. руб. (профессор, заведующий кафедрой),
находящемся ниже минимального уровня матери
альных притязаний выпускников столичных инже
нерных вузов. Эффект от подобного состояния дел
– качественная деградация профессорскопрепо
давательского состава вузов (подробнее см. в [1, 4,
16]), которая идет все убыстряющимися темпами и
приведет в самые ближайшие годы к резкому сни
жению инженерной квалификации выпускников
вузов электротехнических специальностей и, сле
довательно, заставит усомниться в перспективах
успешного инновационного развития электротех
ники. Само унижение учителей – преподавателей
вузов, которое наблюдают сегодняшние студенты,
негативным образом скажется на формировании у
них ценностей установок. Заметим, что ценност
ные установки старшеклассников достаточно дале
ки от профессий учителя и инженера.
Помимо
инвестиционной и мировоззренче
ской, отметим еще несколько проблем современ
ного российского электротехнического образова
ния, обуславливающих постепенную утрату им пе
редовых позиций. Вопервых, слабое информаци
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
оннотехнологическое обеспечение: во время то
тального недофинансирования образования качест
венные компьютерные курсы лекций, практиче
ские и лабораторные занятия могли бы частично
решить
проблему
нехватки
преподавателей.
Вовторых, эклектичность общей образовательной
стратегии, в которой элементы доктрины европей
ского образования через научные исследования со
четаются с понижающими интеллектуальную план
ку образования положениями, зафиксированными
в некачественных Федеральных государственных
образовательных стандартах Высшего профессио
нального образования (ФГОС ВПО) «Электроэнер
гетика и электротехника». Критика проектов этих
стандартов [16] по сути не была учтена их разра
ботчиками. Особенно тягостное впечатление остав
ляет магистрский стандарт, который при мини
мальном предметном наполнении перенасыщен
различными предпринимательскоуправленчески
ми «компетенциями»: способностями и готовно
стями. Каким образом сформировать в вузе эти
психологофизиологические характеристики лич
ности, как затем инструментально проверить их
наличие у выпускников и почему им уделяется
большее внимание, чем профессиональнопредмет
ному содержанию (разве магистр это управленец?),
совершенно непонятно. Главным недостатком этих
стандартов, предметное наполнение которых соот
ветствует уровню 80х годов прошлого века, явля
ется неадекватность современным запросам элек
тротехнической науки и производства. Схожая уд
ручающая картина наблюдается со средним [9] и
начальным профессиональным электротехниче
ским образованием.
Обратим внимание и на культурнопрофессио
нальный уровень среднего электротехнического об
разования на следующем примере. Традиционно
обучающийся встречался с именами великих уче
ных, в честь которых назывались законы (Кирхгоф,
Ом), уравнения (Максвелл), правила (Ленц). Те
перь студент в учебнике «Теоретические основы
электротехники» и учебном пособии «Расчет элек
трических и магнитных цепей и полей» Е.А. Лоте
рейчука, изданных многотысячными тиражами с
соответствующими грифами Министерства образо
вания РФ, знакомится еще и с именем Лотерейчу
ка и тремя его правилами (все три правила автором
в 2004 г. запатентованы!). Приведем без коммента
риев самое короткое из них: «Третье правило Лоте
рейчука. Расстановка знаков в уравнениях, состав
ленных по второму закону Кирхгофа SE = SIR. Вы
бирается произвольно направление обхода контура
электрической цепи (по или против часовой стрел
ки). Тогда ЭДС источников Е (с одной стороны
знака равенства) и падения напряжений IR (с дру
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
Социокультурные пространства электротехники России
гой стороны знака равенства), совпадающие по на
правлению с выбранным направлением обхода
замкнутого контура, в алгебраической сумме берут
ся со знаком «+», а не совпадающие – со знаком
«–». Ясно, что появление учебной литературы с по
добными правилами является следствием утраты
социумом
профессионализма,
корпоративной
культуры и этических норм.
Падение передового уровня высшего и пониже
ние достаточно высокой планки среднего и началь
ного образования негативно скажутся на будущем
электротехническом социуме и его способности к
инновациям. При этом массовый выпуск бакалав
ровмагистров с низкой образовательной подготов
кой, но с акцентированными предпринимательски
ми качествами будет способствовать распростране
нию в России разрекламированных в основном за
рубежных разработок.
Заключение. Инновационное развитие электро
техники может происходить по инициативе как
«снизу», так и «сверху». В первом случае социум
должен «созреть» до принятия инноваций, а в на
учноинженерной среде должны появиться энер
гичные их проводники. Во втором случае, когда
инновации продвигаются государством или круп
ными корпорациями, должно осуществляться со
циотехническое проектирование инноваций –
формирование институционной основы и инфра
структуры инновационного развития и создание
социальной среды, благоприятствующей иннова
ционной деятельности [4].
Рассмотрим особенности реализаций этих двух
путей инновационного развития на примере элек
трического освещения. Сама идея искусственного
освещения возникла очень давно и вначале обще
ством воспринималась отрицательно. Так в статье,
напечатанной в 1819 г. в «Kolnische Zeitung», недо
пустимость такого освещения улиц и площадей
весьма убедительно доказывалась сразу с теологи
ческой, медицинской, нравственной и народной
точек зрения [17]. Потребовалось полвека «созре
вания» социума и появление энергичного П.Н. Яб
лочкова, чтобы идея стала быстро воплощаться бу
квально во всем мире.
Теперь об инновации «сверху». В 2009 г. Рос
сия вслед за Австралией, Францией и другими
странами объявила о световом перевооружении –
постепенном отказе от ламп накаливания и пере
ходе на компактные люминисцентные лампы и
светодиоды. Однако неразвитость производств та
ких устройств, особенно светодиодов, и неподго
товленность социума (электротехнического в част
ности) к продвижению этого перевооружения при
вели к тому, что постепенный отказ от производст
ва ламп накаливания, осуществляемого в основном
9
на отечественных предприятиях, компенсируется
импортом зарубежных источников света. Ясно, что
на первых порах такое перевооружение идет в
убыток отечественной электротехнической про
мышленности, хотя и стимулирует ее к инноваци
онному развитию, например внедрению нанотех
нологий в производство светодиодов. Но какой ре
зультат мы получим в результате выполнения про
граммы светового перевооружения? В области эко
номии электроэнергии – относительно незначи
тельный. Значительный эффект дала бы реализа
ция иных предложений от специалистовэлектро
техников – внедрение частотнорегулируемых
электроприводов, современных компенсаторов ре
активной мощности и т.д. В области улучшения
здоровья населения – вопрос спорный: новые ис
точники света не улучшают психофизиологическое
состояние человека, и в этом отношении для на
шей северной страны в отличие от Австралии,
Франции, Китая перспективной была бы разработ
ка ламп солнечного света. Только в политикопро
светительской области получен «яркий» результат.
Главные проблемы инновационного развития
электротехники России носят системный социотех
нический характер. Разрушение системы «электро
техническое образование – промышленность –
наука», частичная деградация связанных с этими
институтами социокультурных пространств, прак
тическое отсутствие при рыночной экономике кон
салтинговых фирм как проводников инноваций от
науки к промышленности и групп лоббистов инте
ресов электротехнической промышленности и нау
ки, утрата профессиональным социумом интел
лектуального уровня при усталости от всяческих
новаций всероссийского социума – вот факторы,
препятствующие проведению инноваций в элек
тротехнике как «сверху», так и «снизу».
Вместе с тем в России есть и способствующие
такому развитию факторы: наличие модернизиро
ванных, с новейшим оборудованием и технология
ми заводов по производству кабелей, трансфор
маторов, высоковольтных вводов, электроаппаратов;
успешных с учетом мирового уровня научноиссле
довательских институтов – ВНИИКП, ВНИИЭМ,
НИИАС, ВЭИ и т.д.; социальных групп, которые
могут стать субъектами инновационного развития,
к которым помимо группы промышленников, со
вершившей модернизацию перечисленных заводов,
и сотрудников НИИ следует отнести научные шко
лы вузов, а также социумы электротехнической
журналистики. Факторами, способствующими ин
новационному развитию, являются динамизм рас
пространения в электротехнической среде инфор
мационных технологий, обеспечивающих доступ к
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
10
Социокультурные пространства электротехники России
мировой аналитике и профессиональной информа
ции, и, конечно, высокая культура этой среды.
В заключение остановимся на возможных на
правлениях инновационного развития электротех
ники России. Проведенный анализ институцион
ных начал и социокультурных пространств, вклю
чая анализ изменения ментальности электротехни
ческой среды, свидетельствует о том, что проведе
ние системных масштабных инновационных разра
боток уровня ГОЭЛРО, ЕЭС, американской
«Сети–2030» сегодня в России вряд ли возможно.
Скорее всего, направления инновационного разви
тия будут заимствоваться у других стран, в которых
хорошо развита институционная система их прове
дения, а воспроизводство электротехнического со
циума ведется в соответствии с доктриной эконо
мики знаний; этому же будет способствовать и на
чавшаяся реализация программы приглашения за
рубежных ученых на роль руководителей научных
лабораторий в вузы. При квалифицированном и
ответственном отборе и внедрении таких меро
приятий страна может преуспеть в догоняющем (и
не только) развитии, о чем свидетельствует, напри
мер, опыт Японии.
Следует сказать и об одном резерве, забытом
изза переживаемого властными структурами кри
зиса идентичности, – недооцененных отечествен
ных инновационных разработках. Так, в связи с
нобелевской оценкой достижения А. Гейма и
К. Новоселова можно вспомнить, что еще в 1974 г.
в МЭИ экспериментально было доказано свойство
увеличения и управляемости проводимости пленок
из графита и целого ряда металлов при воздейст
вии на них электромагнитного поля (подробнее об
этом см. статью автора этой разработки проф.
Ф.Н. Шакирзянова в данном номере журнала).
Автор
выражает
признательность
д.ф.н.
А.Л. Андрееву и зам. главного редактора журнала
«Электричество» Б.Н. Евсееву за предоставленные
материалы и консультации по теме статьи.
________________СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ _______________
1. Бутырин П.А. Электротехника и общество: взаимосвязное
развитие. – Изв. РАН. Энергетика, 2008, №6.
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
2. Hughes T.P. Networks of Power. Electrication in Western Society,
1880–1930. – Baltimore: John Hopkins University Press, 1983.
3. Горева'Моисеенко'Великая Е.Н. Современное течение в
области электрификации. – Электричество, 1922, №3.
4. Андреев А.Л., Бутырин П.А., Горохов В.Г. Социология
техники: Учебное пос. – М.: АльфаМ: ИНФРАМ, 2009.
5. Демирчян К.С. Развитие ТЭК страны. Проблемы приня
тия решений. – Изв. РАН. Энергетика, 1992, №1.
6. Готово ли Российское общество к модернизации. Анали
тический доклад. – М.: Институт социологии РАН совместно с
Представительством Фонда имени Фридриха Эберта в РФ,
2010.
7. Электросила. Научнотехнический сборник. – Л.: Гос
энергоиздат, 1959, вып. 16.
8. Трансформирование сети для революционного измене
ния электроэнергетики в Северной Америке «Сеть–2030». На
циональный взгляд(видение) на второе столетие электроэнерге
тики. Департамент энергетики США. – М.: Информацион
номаркетинговый центр Всероссийского электротехнического
института, 2003.
9. Бутырин П.А., Пешков И.Б. Роль социальных ожиданий,
образования, науки в реализации проектов реформирования
электроэнергетики. – Изв. Академии электротехнических наук
РФ, 2008. №1.
10. Бутырин П.А. Есть ли будущее у электротехнического
образования и науки России? – Энергоэксперт, 2008, №3.
11. Дроздовская И.С. Русская электротехническая периоди
ка. – Электричество, 1951, №9.
12. Больше общественной проверки в работе электроэнерге
тических организаций Советского Союза. – Электричество,
1930, №21.
13. Бутырин П.А. Об одной публикации журнала «Электри
чество». – Электричество, 2009, № 4.
14. Ветроэнергетика: современное состояние. – Академия
энергетики, 2007, №4.
15. Красовский Н.В. Ресурсы ветровой энергетики и про
блема ее использования. – Электричество, 1931, №22.
16. Бутырин П.А. Развитие высшего электротехнического
образования в России. – Электричество, 2009, №8.
17. Авенариус А.М. Развитие техники электрического осве
щения. – Электричество, 1911, №3.
[18.10.10]
А в т о р : Бутырин Павел Анфимович окончил
энергетический факультет Челябинского политехни
ческого института в 1974 г. В 1994 г. защитил док
торскую диссертацию «Разработка аналитических и
численноаналитических методов решения уравнений
состояния электрических цепей» в Московском энер
гетическом
институте
(МЭИ).
Заведующий
кафедрой теоретических основ электротехники
МЭИ, членкорр. РАН.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Оценка балансовой надежности электроэнергетических систем
методами теории рисков
БУДОВСКИЙ В.П.
Рассмотрена методика оценки балансовой надеж
ности электроэнергетической системы с использова
нием понятия «ожидаемого дефицита» мощности.
К л ю ч е в ы е с л о в а : энергосистема, дефи
цит мощности, балансовая надежность, риск
A procedure for estimating the balance reliability of an
electric power system using the notion of expected shortage
of power capacity is considered.
K e y w o r d s : power system, shortage of power
capacity, balance reliability, risk
Надежность ЭЭС зависит от многих факторов,
главными из которых являются [1 – 5]:
схемы выдачи и передачи мощности;
запасы энергоресурсов (топливо для ТЭС и вода
для ГЭС);
характеристики оборудования;
уровни резервов;
планирование и организация ремонтов;
диспетчерское управление;
системы автоматического режимного и проти$
воаварийного управления.
Универсальных методов решения проблемы
анализа надежности ЭЭС во всей совокупности пе$
речисленных факторов не существует. Проблема
надежности интуитивно понятна всем, однако ее
формальное описание и решение представляют
очень сложную задачу.
Рассмотрим балансовую надежность, под кото$
рой понимается способность энергосистемы обес$
печивать совокупную потребность в электрической
мощности и энергии потребителей с учетом огра$
ничений в виде плановых и неплановых отключе$
ний элементов энергосистемы, ограничений на по$
ставку энергоресурсов [6].
Данная задача приобретает в последнее время
все большую актуальность, так как связана с опре$
деленными гарантиями выполнения диспетчерско$
го графика нагрузки, сформированного АТС в ре$
зультате торгов на спотовом рынке и передаваемо$
го для реализации Системному оператору (СО).
Вместе с тем, деятельность СО связана с посто$
янным выбором того или иного решения в услови$
ях риска, поскольку:
не существует абсолютной надежности исполь$
зуемого в электроэнергетике оборудования; всегда
имеется, несмотря на все принятые меры и затра$
ченные средства, отличная от нуля вероятность
возникновения отказа оборудования, способного
привести к негативным последствиям в энергосис$
теме, нарушению баланса активной мощности и
возникновению ее дефицита;
электроэнергетическая система, представляю$
щая кибернетическую человеко$машинную боль$
шую систему с чрезвычайно сложным комплексом
различных взаимосвязанных процессов, имеет оп$
ределенный порог чувствительности к определен$
ным видам воздействия (отказы генерирующего
оборудования, отключения линий электропереда$
чи, ложные действия устройств релейной защиты и
автоматики, ошибки диспетчерского персонала и
др.), т.е. существует некоторая граница воздейст$
вий, за которой нарушается нормальное функцио$
нирование энергосистемы, и возникает дефицит
активной мощности.
При анализе риска предпринимаются попытки
ответить на три основных вопроса [7]: что может
выйти из строя; с какой вероятностью это может
произойти; каковы последствия этого события.
Впервые понятие риска было сформулировано
для экономических задач в известной работе [8].
Риск – это деятельность, связанная с преодолени$
ем неопределенности в ситуации неизбежного вы$
бора, в процессе которой имеется возможность ко$
личественно и качественно оценить вероятность
достижения предполагаемого результата, неудачи и
отклонения от цели.
Сопоставление приведенных определения ба$
лансовой надежности и понятия риска позволяет
сделать вывод о возможности проводить оценку ба$
лансовой надежности по значению риска возник$
новения дефицита активной мощности в энерго$
системе. Чем выше риск возникновения дефицита
активной мощности, тем ниже балансовая надеж$
ность энергосистемы.
Введем общую математическую модель приня$
тия решений при неопределенности. Рассмотрим
некоторое множество состояний природы или сце$
нариев развития событий:
S = {S 0 , S1 ,..., S j ,..., S m }.
(1)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
12
Оценка балансовой надежности электроэнергетических систем
Один, и только один, из этих возможных сцена$
риев в будущем реализуется.
В теории выбора на основе субъективных веро$
ятностей лицо, принимающее решение (ЛПР),
приписывает каждому сценарию S j субъективную
вероятность реализации – число q j Î[0,1]. Таким
образом ЛПР оценивает степень возможности от$
дельных сценариев и делает выбор на основе своей
оценки.
В ряде случаев отдельным сценариям приписы$
ваются не субъективные вероятности, а некоторые
обобщенные веса p j . Этот подход не требует оцен$
ки вероятностей, ЛПР прямо приписывает сцена$
риям веса в соответствии с представлением об их
значимости. В ряде ситуаций такой подход кажется
разумным, так как позволяет избавиться от ограни$
чений вероятностной интерпретации. Например, в
некоторых системах экспертных оценок основой
для построения весов является не возможность (ве$
роятность) сценариев, а степень уверенности груп$
пы экспертов в том, что какой$то параметр примет
значение в определенном интервале. Как частный
случай, веса могут быть равны вероятностям — ста$
тистическим или субъективным.
Полезно для дальнейшего установить классифи$
кацию понятий по степени их все большей обоб$
щенности.
Физические (статистические) вероятности по$
нимаются как реальные вероятности событий. Они
могут быть определены статистическим методом,
т.е. путем оценивания частот или путем расчета
шансов в случайном эксперименте.
Субъективные (интуитивные) вероятности опре$
деляются как оценки субъектом вероятностей буду$
щих событий. Они могут быть определены даже то$
гда, когда физические вероятности неопределимы.
Будем считать, что если ЛПР известны физические
вероятности, то субъективные вероятности будут
равны им.
Субъективные веса не имеют смысла вероятно$
стей. Они имеют обобщенный смысл показателей
значимости отдельных сценариев. Если ЛПР из$
вестны физические вероятности, веса не обязатель$
но равны им.
Возможные варианты принятых решений опи$
сываются функциями f1 , f 2 ,... на множестве сцена$
риев S. Эти функции принимают значения в неко$
тором множестве результатов, которое, в принци$
пе, может быть очень сложным, многокритериаль$
ным. Будем считать для простоты, что речь идет об
агрегированных показателях; тогда результаты вы$
бора решения f описываются числовыми значе$
ниями f (S1 ), f (S 2 ) (для диспетчерского управления
можно их рассматривать как требуемый резерв
мощности). При реализации состояния природы
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
(сценария) S i выбранный вариант решения приво$
дит к результату f (S i ).
Пусть случайный сценарий (состояние приро$
ды) S i генерируется с вероятностью qi . Тогда ре$
зультаты принятых решений f (S i ) тоже окажутся
случайными и имеющими вероятности qi .
Оценка выбранного решения может быть вы$
полнена с использованием «модели взвешивания»
результатов по весам сценариев [9]:
V ( f ) = å v( f (S i ))q i ,
(2)
i
где v – некоторая функция оценки последствий
результатов.
Если в качестве f (S i ) принять дефицит актив$
ной мощности в энергосистеме Pдефi при реализа$
ции сценария S i , вероятность которого qi , то дан$
ное выражение можно использовать для определе$
ния значения риска в зависимости от выбранного
диспетчером решения и интерпретировать как
«ожидаемый дефицит» мощности:
V ( f ) = å vP дефi q i .
(3)
i
При использовании выражения для «ожидаемо$
го дефицита» мощности можно учесть тот факт,
что стоимость дефицита увеличивается по мере его
роста, так как при ликвидации дефицита вначале
отключатся менее ответственные потребители, а по
мере роста дефицита все более ответственные.
В качестве примера можно установить следую$
щую шкалу оценки последствий:
Дефицит Рдеф,
МВт
до 200
200–400
400–600
600–1200
Оценка послед$
ствий v, за МВт
$1
$2
$4
$8
В существующей в настоящее время практике
используют гораздо более простые модели учета
неопределенности – в детерминированные (неслу$
чайные) параметры моделей вводят поправки на
риск. В понятиях сценариев это означает использо$
вание только одного сценария, «поправленного на
риск». Эти поправки учитывают возможные откло$
нения параметров модели в неблагоприятную сто$
рону.
В настоящее время такой подход широко при$
меняется в электроэнергетике, когда возможные
отклонения расчетных параметров в неблагоприят$
ную сторону учитываются соответствующим коэф$
фициентом запаса (поправкой на риск). В качестве
примера можно привести выбор:
уставок релейной защиты;
предела передаваемой мощности по условиям
устойчивости;
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
Оценка балансовой надежности электроэнергетических систем
максимально допустимого тока линии электро$
передачи по условию нагрева проводов;
резерва мощности и т.д.
Однако в условиях бурного роста сложности
электроэнергетических систем последствия аварий$
ных событий становятся все более значительными
[10], что требует разработки более точных и на$
дежных методов оценки риска принимаемых дис$
петчером решений.
В проблематике анализа балансовой надежно$
сти можно выделить ряд задач, значительно разли$
чающихся сложностью и представляющих само$
стоятельный интерес. К ним относятся задачи ана$
лиза надежности только генерирующей подсисте$
мы; в зарубежной практике эта задача обозначается
как задача первого иерархического уровня — HL1
[2], генерирующей и передающей подсистем HL2 и
генерирующей, передающей и распределительной
подсистем одновременно HL3. Следует заметить,
что последняя задача в настоящее время практиче$
ски не разработана.
С другой стороны, задачи анализа надежности
различаются способами представления нагрузки
[11–13]. Последняя может варьироваться от про$
стейшей модели, когда предполагается, что нагруз$
ка равна своему ожидаемому максимуму на протя$
жении исследуемого интервала, до наиболее под$
робной, т.е. хронологической почасовой модели
нагрузки с учетом случайных колебаний, вызван$
ных неточностями прогноза. Первое предположе$
ние, конечно, грубое, однако получаемые в этом
случае «абсолютные значения» показателей надеж$
ности вполне могут оказаться полезными, посколь$
ку позволяют сравнивать различные альтернативы
не только качественно, но и количественно.
В большинстве реальных энергосистем вся на$
грузка не может быть сведена к одному узлу, а ис$
пользование генерирующей мощности в различных
узлах системы ограничено пропускной способно$
стью сети.
В нашей стране и за рубежом разработан ряд
математических моделей [11–16], которые позволя$
ют определять показатели надежности ЭЭС (веро$
ятности перерыва электроснабжения, недоотпуск
электроэнергии, ущерб, различные индексы надеж$
ности) при заданной структуре системы, резервах,
пропускной способности межсистемных связей и
т.д. Однако использование этих моделей для оцен$
ки балансовой надежности в оперативном цикле
управления энергосистемой связано с большим
объемом вычислений, что требует разработки спе$
циальных методов оперативного анализа балансо$
вой надежности.
В статье рассмотрен метод определения риска
возникновения дефицита активной мощности для
13
модели энергосистемы с постоянной нагрузкой и
учетом ограничений на пропускную способность
линий электропередачи.
Рассмотрим обобщенную модель рассредото$
ченной энергосистемы:
система имеет n концентрированных узлов;
в каждом узле имеется набор
генераторов
NPi m ={Pi ,1 , Pi , 2 ,..., Pi , j ,..., Pi , m } с показателями на$
дежности
в
виде
коэффициентов
готовности
NH im ={hi ,1 ,hi , 2 ,...,hi , j ,...,hi , m };
нагрузка узла в рассматриваемый момент време$
ни Pi н ;
балансовый переток мощности Pij между узлами
i и j;
вероятности отказов линий электропередачи qij ;
предел передаваемой мощности линий электро$
передачи Pijn .
Исходно все узлы сбалансированы по мощно$
сти, т.е. суммарная мощность станций узла вместе
с поступающим балансовым потоком из других уз$
лов равна нагрузке узла в рассматриваемый момент
времени.
Каждый узел i рассматривается как самостоя$
тельная концентрированная система, генерирую$
щая мощность которой складывается из мощности
m
собственных генераторов å Pi , j и мощности ба$
j =1
n
лансовых перетоков
å Pij , поступающих из
j =1,i ¹ j
смежных узлов. Потоки мощности из соседних
энергосистем будем эквивалентировать узлами без
нагрузки и генераторами бесконечной мощности.
Построение функции распределения дефицита
мощности требует проведения серии расчетов ре$
жима электрической сети энергосистемы. Для этой
цели воспользуемся «моделью постоянного тока»,
которая используется для оценочного расчета уста$
новившегося режима электрической сети, для срав$
нения вариантов этой сети при отключении линий
и блоков [17]. Математическая модель для расчета
дефицита мощности в неоднородной распределен$
ной энергосистеме будет иметь вид:
n
n
i =1
i =1
Pдеф = åPi н = max åPi ;
(5)
m
bii d i - å bij d j = å Pi ,k - Pi ;
(6)
Pij - bij (d i - d j ) = 0;
(7)
i¹ j
k =1
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
14
Оценка балансовой надежности электроэнергетических систем
- Pijn £ Pij £ Pijn ,
(8)
где bij — элементы матрицы узловых проводимо$
стей.
Решение задачи по расчету дефицита мощности
возможно в рамках линейного программирования;
данная модель позволяет получить это значение де$
фицита при различных сочетаниях отключенного
генерирующего оборудования и линий электропе$
редачи, а вероятность данного режима определится
с использованием методики [18].
На рис. 1 приведена схема простейшей распре$
деленной неоднородной энергосистемы: узел 1
имеет три генератора по 500 МВт с коэффициен$
том готовности h = 0,007, нагрузка 300 МВт; узел 2
– один генератор 500 МВт с h = 0,007, нагрузка 400
МВт; узел 3 – балансирующий; предельный пере$
ток по линиям: P31 = 200 МВт (h = 0,02), P32 = 600
МВт (h = 0,02), P21 = 400 МВт (h = 0,01); проводи$
мости ветвей: b12 = 100, b13 = 150, b23 = 450.
Распределение вероятностей дефицита в энер$
госистеме, приведенной на рис. 1, при указанных
исходных параметрах примет вид рис. 2,а. Риск де$
фицита электрической мощности, определенный
по методу (2) «ожидаемого дефицита», с учетом
шкалы оценки последствий, приведенной ранее,
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
что в 20 раз превышает оценку риска нормальной
схемы, следовательно, при выводе в ремонт линии
21 требуется ввод в работу резервных генераторов
в узле 1 для снижения риска дефицита мощности
до приемлемых значений.
Необходимо иметь в виду, что отключение ли$
нии и генераторов при их повреждении происходит
не «самостоятельно», а с помощью устройств ре$
лейной защиты (УРЗ), которые могут работать не$
правильно. При этом следует учитывать, что УРЗ
подвержены отказам трех типов:
отказ в работе (нарушение работоспособности
УРЗ, при котором она не сможет отключить повре$
жденный элемент энергосистемы при КЗ в зоне за$
щиты);
неселективное срабатывание защиты (имеет ме$
сто при КЗ вне зоны защиты при условии, что от$
клонение параметров настройки защиты превыша$
ет допустимые пределы);
ложное срабатывание защиты, обусловленное
внутренним повреждением УРЗ.
0,0009
0,0008
0,0007
0,0006
V ( f0 ) = åP деф0i q 0i vi = -0,157.
(9)
0,0005
Видно, что при работе всех линий риск дефици$
та достаточно низок, а следовательно, надежность
исходной схемы высокая за счет взаимного резер$
вирования источников электроэнергии в сети.
Вывод в ремонт или аварийное отключение ли$
нии 21 приводит к изменению функции распреде$
ления дефицита мощности в сети (см. рис. 3,а).
При этом риск дефицита будет
0,0004
0,0003
0,0002
0,0001
0
50
150
250
350
450
50
150
V ( f 21 ) = åP деф21i q 21i vi = -3,337,
(10)
250
350
450 МВт
б)
а)
Рис. 2. Распределение вероятностей дефицита мощности в
простейшей энергосистеме: а – без учета надежности УРЗ; б —
с учетом надежности УРЗ
0,03
0,025
3
0,02
P31
0,015
P32
0,01
P1
P2
P21
1
0,005
0
2
50
150
250
350
а)
P1н
P2н
Рис. 1. Схема простейшей распределенной энергосистемы
450
50
150
250
350
450 МВт
б)
Рис. 3. Распределение вероятностей дефицита мощности в
простейшей энергосистеме при выводе в ремонт линии 21: а —
без учета надежности УРЗ; б – с учетом надежности УРЗ
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
Оценка балансовой надежности электроэнергетических систем
Перечисленные виды отказов являются отказа$
ми 1, 2 и 3$го рода соответственно.
Влияние надежности УРЗ на вероятность от$
ключения линий и генераторов энергосистемы
можно оценить с использованием логико$вероят$
ностных методов [19], математическая сущность
которых заключается в использовании функций ал$
гебры логики (ФАЛ) для аналитической записи ус$
ловий работоспособности системы и разработке
строгих способов перехода от ФАЛ к вероятност$
ным функциям (ВФ), объективно выражающим
безотказность этой системы.
Вероятностная функция определяет вероятность
истинности ФАЛ. Те ФАЛ, которые допускают не$
посредственный переход к ВФ заменой логических
переменных вероятностными, а логических опера$
ций — соответствующими арифметическими опе$
рациями, являются формами перехода к замеще$
нию (ФПЗ).
В настоящее время известно несколько форм
перехода к полному замещению. Так, ФАЛ, запи$
сываемые в совершенной дизъюнктивной нормаль$
ной форме (СДНФ), ортогональной ДНФ (ОДНФ)
или в форме бесповторной ФАЛ в базисе «конъ$
юнкция – отрицание», являются ФПЗ [19].
С ростом сложности систем логико$вероятност$
ный метод становится единственным аналитиче$
ским методом, позволяющим решить указанные
задачи.
Отражающая условие отключения ВЛ ФАЛ име$
ет вид:
X вл = ( x вл Ç x рз ) È ( x вл Ç x лож ),
(11)
где x вл — работоспособное состояние ВЛ; x вл —
отказ ВЛ; x рз — работоспособное состояние УРЗ;
x лож — ложная работа УРЗ (имеются в виду отказы
всей совокупности устройств управления выключа$
телями, приводящие к ложному отключению ли$
ний).
Отражающая условия отключения двух смеж$
ных линий ФАЛ имеет вид:
2
X вл
= ( x вл1 Ç x вл2 Ç x рз ) È ( x вл1 Ç x вл2 Ç x изл1 ) È
È( x вл2 Ç x вл1 Ç x изл2 ) È ( x вл1 Ç x вл2 Ç x отк2 ) È
È( x вл2 Ç x вл1 Ç x отк1 ),
(12)
где x отк1 — отказ работы УРЗ основной ВЛ (име$
ются в виду отказы всей совокупности устройств
управления выключателями и самих выключателей,
15
приводящие к отказам отключения линий); x изл1
— излишняя работа УРЗ основной ВЛ.
Поскольку приведенные выражения являются
ФПЗ, выражение для вероятности отключения ВЛ
с учетом надежности УРЗ будет иметь вид:
Qвл = (q вл p рз ) + ( p вл q лож ),
(13)
где q вл — вероятность отказа ВЛ; p вл — вероят$
ность исправного состояния ВЛ; q лож — вероят$
ность ложной работы УРЗ; p рз — вероятность пра$
вильного функционирования УРЗ.
А вероятность отключения двух смежных ВЛ с
учетом надежности УРЗ
2
Qвл
= (q вл1q вл2 p рз )+( p вл1q вл2 q изл1 )+( p вл2 q вл1q изл2 )+
+( p вл1q вл2 q отк2 ) + ( p вл2 q вл1q отк1 ),
(14)
где q изл1 — вероятность излишней работы УРЗ на
смежной ВЛ; q отк1 — вероятность отказа в работе
УРЗ на основной ВЛ.
Следует учитывать, что p рз =1 - q изл - q лож - q отк .
С учетом изложенных соображений функции
распределения дефицита в простейшей энергосис$
теме (рис. 1) будут иметь вид рис. 2,б и 3,б. Риск
дефицита мощности с учетом надежности УРЗ:
в нормальной схеме
V рз ( f0 ) = åP деф0i Q0i vi = -0,290;
(15)
при выводе в ремонт линии 21
V рз ( f 21 ) = åP деф1i Q1i vi = -4,863.
(16)
При проведении расчетов принято q изл =0,02;
q лож =0,01; q отк =0,002 [13].
Видно, что реальная надежность УРЗ, аппарату$
ры управления выключателями и самих выключа$
телей приводит к увеличению риска дефицита
мощности в нормальной схеме в 2 раза, а при вы$
воде в ремонт линии 21 — приблизительно в 1,5
раза.
Выводы. 1. Высокая цена неправильно приня$
того диспетчерского решения требует разработки
точных и надежных методов оценки риска прини$
маемых диспетчером решений. Значение риска в
зависимости от выбранного диспетчером решения
может оцениваться «ожидаемым дефицитом» ак$
тивной мощности в энергосистеме.
2. Использование метода «ожидаемого дефици$
та» мощности позволяет оценить риск в различ$
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
16
Оценка балансовой надежности электроэнергетических систем
11. Руденко Ю.Н., Чельцов М.Б. Надежность и резервиро$
вание в электроэнергетических системах. Методы исследова$
ния. – Новосибирск: Наука, 1974.
12. Розанов М.Н. Надежность электроэнергетических сис$
тем. – М.: Энергия, 1974.
13. Непомнящий В.А. Учет надежности при проектировании
энергосистем (надежность и качество). — М.: Энергия, 1978.
14. Doby Y.C. A probabilistic model for an overall study of
power transmission network supply reliability. – Proc. оf PSCC,
1972.
15. Billinton R., Singh C. Static generating capacity reliability
evaluation. – Proc. of PSCC, 1972.
16. Hall J.D., Ringlee R.J., Wood A.J. Freguency and duration
methods for power system reliability calculation. Рart 1. Generation,
system model. – IEEE Trans. on Power Apparatus and Systems,
1968, vol. PAS$87, №9.
17. Липес А.В., Окуловский С.К. Расчеты установившихся ре$
жимов электрических систем на ЦВМ. — Свердловск: УПИ, 1986.
18. Будовский В.П. Риск дефицита мощности энергосисте$
мы. – Электричество, 2009, №8.
19. Рябинин И.А., Черкесов Г.Н.
Логико$вероятностные
методы исследования надежности структурно$сложных систем.
— М.: Радио и связь, 1981.
ных состояниях сети энергосистемы, а следова$
тельно, и ее балансовую надежность.
________________СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ _______________
1. Баринов В.А., Волков Г.А., Маневич А.С. Проблемы обес$
печения надежности ЕЭС России в условиях развития конку$
рентных отношений в электроэнергетике. – Электрические
станции, 2005, №8.
2. Кучеров Ю.Н., Кучерова О.М., Капойи Л., Руденко Ю.Н.
Надежность и эффективность функционирования больших
транснациональных ЭЭС. Методы анализа: Европейское изме$
рение. – Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма
ФАН, 1996.
3. Китушин В.Г. Надежность энергетических систем. – М.:
Высшая школа, 1984.
4. Арзамасцев Д.А., Обоскалов В.П. Расчет показателей
структурной надежности энергосистем. – Свердловск: УПИ им.
С.М.Кирова, 1986.
5. Обоскалов В.П. Надежность обеспечения баланса мощ$
ности электроэнергетических систем. – Екатеринбург:
УГТУ—УПИ, 2002.
6. СТО 17330282.27.010.001—2008. Электроэнергетика. Тер$
мины и определения. – Стандарт РАО «ЕЭС России»,
17.06.2008.
7. ГОСТ Р 51901—2002. Управление надежностью. Анализ
риска технологических систем. – Принят и введен в действие
Постановлением Госстандарта России от 7 июня 2002 г. №
236$ст.
8. Knight F. Risk, Uncertainty and Profit. – Boston: Houghton
Mifflin, 1921.
9. Ларичев О.И. Теория и методы принятия решений. 2$е
изд. — М.: Логос, 2002.
10. Алексеев Б.А. Системные аварии и меры по их преду$
преждению. – Электрические станции, 2005, №4.
*
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
[26.07.10]
А в т о р : Будовский Валерий Павлович окончил
факультет автоматики и телемеханики Куйбышев
ского политехнического института в 1975 г. В
1987 г. защитил кандидатскую диссертацию в
Уральском политехническом институте, кафедра
автоматизированных электроэнергетических сис
тем. Руководитель центра тренажерной подготовки
персонала ОАО «Системный оператор единой энерге
тической системы».
*
*
Вниманию предприятий, организаций,
НИИ, вузов России
и зарубежных фирм!
Журнал «Электричество» предоставляет свои страницы для
l РЕКЛАМЫ ИЗДЕЛИЙ отечественных предприятий и зарубежных фирм
в области энергетики, электротехники, электроники, автоматики
l ПУБЛИКАЦИИ ОБЪЯВЛЕНИЙ о научных симпозиумах, конференциях,
совещаниях, семинарах
l ДРУГОЙ ИНФОРМАЦИИ, соответствующей тематике журнала
Сообщаем, что журнал поступает к зарубежным подписчикам во многих странах мира.
Напоминаем наш адрес: 101000 Москва, Главпочтамт, а/я 648.
Тел./факс (7$495)362$7485
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Релейная защита двойной селективности.
Логические защиты электрических объектов
МАРУДА И.Ф.
Предложен способ защиты электрических объек
тов от коротких замыканий (КЗ), при котором ре
лейная защита без выдержки времени отключает КЗ
на объекте и с выдержкой времени при КЗ в смежной
сети.
К л ю ч е в ы е с л о в а : электрический объект,
короткое замыкание, релейная защита, селектив
ность
A method for protecting electric plants from
shortcircuit faults is proposed. According to the proposed
method, the relay protection clears shortcircuit faults in
the plant without time delay and faults in the adjacent
network with time delay.
K e y w o r d s : electric plant, shortcircuit fault,
relay protection, selectivity
Микропроцессорные дифференциальные защи
ты в сравнении с аналогичными защитами прежне
го поколения значительно усовершенствованы. В
них используют иной алгоритм построения уст
ройств защиты, а именно – торможение тока неба
ланса дифференциальной цепи тормозным током,
особым образом образованным из токов плеч за
щиты. Эти устройства позволили решить актуаль
ные проблемы дифференциальных защит: значи
тельно повысить чувствительность, быстродействие
и надежность.
Так, в дифференциальных защитах трансформа
торов распределительных сетей 110–220 кВ ток
срабатывания защиты снижен до 0,3–0,5 значения
номинального тока против (1,1–1,5) Iн в защитах
прежнего поколения (реле серий РНТ560,
ДЗТ10), в генераторах – снижен до 0,1–0,15 про
тив 0,6 значения номинального тока.
Такие уставки срабатывания трансформаторов
имеют повышенную чувствительность к витковым
замыканиям в переплетенных обмотках и к межка
тушечным замыканиям в любых обмотках [1].
Уставку срабатывания меньше номинального
тока трансформатора (0,35–0,7) Iн имеют микро
электронные реле типов ДЗТ21, ДЗТ23, исполь
зующие времяимпульсный принцип блокирования
защиты при появлении в кривой дифференциаль
ного тока пауз длительностью, превышающей за
данную, в сочетании с торможением от второй гар
моники. Эти реле, выпускавшиеся около 20 лет на
зад, широко использовались в основном для ответ
ственных блочных трансформаторов электростан
ций, автотрансформаторов подстанций. В настоя
щее время назрела необходимость их модерниза
ции и обновления.
В части резервных защит так сложилось, что на
автотрансформаторах 220 кВ отсутствуют защиты,
резервирующие в полной мере ее основную диффе
ренциальную защиту. Дистанционные защиты па
нелей ПЭ2105 (ПЗ5), используемые в качестве
резервных защит автотрансформаторов, позволяют
выполнить резервные дистанционные защиты од
ноступенчатыми с включением одной ступени на
сторону высшего напряжения (ВН), другую – на
сторону среднего (СН) и в соответствии с [2] не
используются для резервирования основной защи
ты автотрансформатора: их назначение – резерви
рование защит элементов смежной сети. При от
ключении дифференциальной защиты, например
изза неисправности, автотрансформатор лишается
всех защит, кроме газовой.
Видимо учитывая эти обстоятельства, действую
щими нормативнотехническими документами
РАО «ЕЭС России» (2008 г.) повышена роль основ
ных защит автотрансформаторов 110–220 кВ: на
автотрансформаторах мощностью 63 МВ·А и выше
для повышения надежности отключения коротких
замыканий (КЗ) в автотрансформаторах предусмат
ривается устанавливать два комплекта дифферен
циальных защит [3]. В общемто, это дорогостоя
щее решение, так как микропроцессорные терми
налы релейной защиты имеют высокую стоимость.
Ниже предлагаются пути совершенствования
принципов построения резервных защит электри
ческих сосредоточенных объектов: трансформато
ров, автотрансформаторов, генераторов, трансфор
маторов блоков электростанций, токоограничиваю
щих реакторов и др. Основной недостаток резерв
ных защит этих объектов заключается в том, что
КЗ на защищаемом объекте отключаются ими с
выдержкой времени.
Для повышения быстродействия резервных за
щит и резервирования в полной мере основных
дифференциальных защит предлагается выполнять
резервные защиты, обладающие двойной селектив
ностью: защитой с абсолютной селективностью,
действующей без выдержки времени при КЗ на за
щищаемом объекте, и защитой с относительной се
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
18
Релейная защита двойной селективности
лективностью, действующей с выдержкой времени
при КЗ во внешней сети.
Примером такой защиты является максималь
ная токовая защита с временной селективностью
на вводе низшего напряжения трансформатора
подстанции после дополнения ее сигналами блоки
ровки от релейной защиты отходящих от шин ли
ний и цепями работы защиты без выдержки време
ни, дополнительно образовав таким образом логи
ческую защиту шин как защиту с абсолютной се
лективностью, действующую без выдержки време
ни [4]. Логическая защита шин позволяет повысить
быстродействие защиты при КЗ на системе шин
подстанции.
Для «создания» релейной защиты двойной се
лективности приведенных сосредоточенных объек
тов предлагается использовать их резервные защи
ты с временной селективностью, дополнив их ло
гической защитой, в которой на входе объекта ис
пользуют первые измерительные органы, а на вы
ходе объекта дополнительно используют вторые
измерительные органы и оперативные цепи работы
защиты без выдержки времени. Логическая защита
работает без выдержки времени, чем повышается
быстродействие резервной защиты при КЗ на за
щищаемом объекте.
Уставки срабатывания измерительных органов
на входе объекта рассчитывают по значениям пара
метров КЗ в защищаемом объекте, на выходе объ
екта – по значениям параметров КЗ на участках
внешней сети и сниженными по согласованию с
уставками срабатывания измерительных органов на
входе объекта.
Большей чувствительностью измерительных ор
ганов на выходе объекта исключаются случаи несе
лективной работы логической защиты, когда при
КЗ во внешней сети срабатывают измерительные
органы на входе объекта и не срабатывают на вы
ходе объекта, что приводит к неселективной работе
логической защиты.
Коэффициент отстройки (согласования) может
быть принят Котс = 1,1.
Измерительные органы на выходе объекта вы
полняют функцию определения места КЗ: на объ
екте или на участке внешней сети. При КЗ на за
щищаемом объекте они разрешают работу логиче
ской защиты, при внешнем КЗ выводят из работы
цепи логической защиты, и она работает как ре
зервная с выдержкой времени, определяемой ее
временной селективностью.
Релейная защита двойной селективности элек
трических объектов характеризуется двумя зонами
срабатывания:
зоной абсолютной селективности, расположен
ной между трансформаторами тока на входе и вы
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
ходе объекта, в которой она работает без выдержки
времени;
зоной относительной селективности при работе
с выдержкой времени в качестве резервной к защи
там элементов смежной сети.
Резервная защита трансформатора работает сле
дующим образом (рис. 1). Цепь последовательно
соединенных размыкающих контактов измеритель
ных органов КА4, КА5 на выходе объекта включе
на в схему оперативных цепей защиты в цепи рабо
ты ее без выдержки времени – цепи логической за
щиты трансформатора.
Рис. 1. Принципиальная схема максимальной токовой защиты
двойной селективности трансформатора: Т1 – трансформатор;
ТА1 – трансформаторы тока на стороне высшего напряжения
трансформатора – на входе защищаемого объекта; ТА2 – то же
низшего напряжения – на выходе защищаемого объекта; Q1,
Q2 – выключатели трансформатора; G1 – источник питания;
КА1–КА3 – измерительные органы защиты – реле тока на вхо
де объекта; КА4, КА5 – то же на выходе; КL1, КL2 – реле про
межуточное; КТ – реле времени; КН1 – указатель срабатыва
ния защиты без выдержки времени (указатель срабатывания
логической защиты); КН2 – то же с выдержкой времени
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
Релейная защита двойной селективности
При отсутствии КЗ измерительные органы за
щиты на входе и выходе объекта не задействованы,
контакты реле КА4, КА5 в цепи работы защиты без
выдержки времени замкнуты и защита по этим це
пям введена в работу. По цепям работы с выдерж
кой времени защита также готова к срабатыванию.
В режимах КЗ защита работает следующим об
разом. При КЗ в Т1 в зоне логической защиты
(точка К1) трансформаторы тока ТА1 обтекаются
током КЗ и срабатывают реле КА1 – КА3; в схеме
оперативных цепей защиты их срабатывание при
водит к срабатыванию реле KL1 и замыканию кон
такта KL1.1 в цепях защиты без выдержки време
ни.
Трансформаторы тока ТА2 на выходе трансфор
матора не обтекаются током КЗ, реле КА4 и КА5
не задействованы, цепь их размыкающих контак
тов КА4–КА5 замкнута и защита срабатывает без
выдержки времени и выходным промежуточным
реле KL2 по цепи контакта KL2.1 отключает Q1.
Срабатывание логической защиты фиксируется
КН1.
При КЗ на участке внешней сети (точка К2)
трансформаторы тока ТА2 обтекаются током КЗ,
что приводит к срабатыванию реле КА4 и КА5,
размыканию их размыкающих контактов в цепи
работы защиты без выдержки времени КА4–КА5 и
выводу из работы логической защиты.
Резервная максимальная токовая защита сраба
тывает с выдержкой времени. Срабатывание защи
ты фиксируется указателем КН2. В виде функций
она может быть представлена [5]:
F (I )D = F (I )D0 + F (I )Dt ,
(1)
где F (I )D – функция максимальной токовой защи
ты; F (I )D0 – функция логической защиты; F (I )Dt
– функция работы защиты с выдержкой времени;
D – оператор выдержки времени.
Алгоритм функционирования логической защи
ты, отражающий срабатывание измерительных ор
ганов на входе объекта при несрабатывании изме
рительных органов на выходе объекта или срабаты
вание измерительных органов на входе объекта при
разрешающем сигнале к срабатыванию измери
тельных органов на выходе объекта, может быть
представлен в виде:
F (I )D0 = F (I ) вх F (I ) вых ,
(2)
где F (I ) вх – функция срабатывания измеритель
ных органов на входе объекта; F (I ) вых – функция
несрабатывания измерительных органов на выходе
объекта, функция разрешающего сигнала к сраба
тыванию логической защиты.
19
Учитывая работу логической защиты без вы
держки времени, измерительные органы на входе
могут иметь отстройку от бросков токов намагни
чивания.
Использование в защите измерительных орга
нов максимальной токовой защиты на стороне
низшего напряжения трансформатора в качестве
измерительных органов на выходе объекта упроща
ет выполнение защиты.
Аналогичным образом может быть выполнена
максимальная токовая защита двойной селектив
ности токоограничивающего реактора.
Принципиальная схема максимальной токовой
защиты двойной селективности генератора приве
дена на рис. 2.
Учитывая, что защищаемый объект имеет двух
стороннее питание, измерительные органы на вы
ходе объекта выполняются направленными: в про
стейшем виде – с реле направления мощности
прямой последовательности.
Релейная защита генератора работает следую
щим образом. Цепь последовательно соединенных
размыкающих контактов измерительных органов –
реле тока и параллельно включенные ей цепи по
следовательно соединенных замыкающих контак
тов реле тока и реле направления мощности, обра
зующие цепи измерительных органов КА – KW на
выходе объекта, включают в схему оперативных це
пей защиты без выдержки времени –цепи логиче
ской защиты генератора.
В режиме без КЗ измерительные органы защи
ты на входе и выходе объекта не работают, размы
кающие контакты измерительных органов – реле
КА4–КА6 – замкнуты в цепи работы защиты без
выдержки времени КА–KW и защита по этим це
пям введена в работу. По цепям работы с выдерж
кой времени защита также готова к срабатыванию.
При КЗ в генераторе в зоне логической защиты
(точка К1) трансформаторы тока ТА1 обтекаются
током КЗ и в защите срабатывают реле КА1– КА3;
в схеме оперативных цепей защиты их срабатыва
ние приводит к срабатыванию реле KL1 и замыка
нию контакта KL1.1 в цепях работы защиты без
выдержки времени.
Трансформаторы тока TA2 на выходе генерато
ра обтекаются током КЗ от G2, реле КА4–КА6 мо
гут сработать, их размыкающие контакты в цепях
работы защиты без выдержки времени разомкнуты,
но при этом замыкается цепь, образованная замы
кающими контактами реле КА4–КА6 и реле KW1–
KW3, для которых КЗ в генераторе является КЗ в
зоне, и защита срабатывает без выдержки времени:
реле KL2 по цепи контакта KL2.1 отключает вы
ключатель. Срабатывание логической защиты фик
сируется указателем КН1.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
20
Релейная защита двойной селективности
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
ставлена выражением (1), алгоритм функ
ционирования логической защиты – выра
жением (2). Учитывая работу логической за
щиты без выдержки времени, измеритель
ные органы на входе могут иметь отстройку
от бросков токов намагничивания.
Защита эффективна на генераторах,
снабженных тиристорной системой самовоз
буждения. Максимальная токовая защита на
a
таких генераторах изза большой выдержки
b
времени в большинстве случаев не работает
c
при КЗ в генераторе изза снижения тока КЗ
и возврату реле тока. Защита не выполняет
функции резервирования основной защиты
генератора. Это ее недостаток.
Выполнение на генераторе логической
защиты исключает этот недостаток. Логиче
ская защита срабатывает до снижения тока
КЗ в генераторе.
Релейная защита автотрансформатора. В
терминалах микропроцессорных защит для
резервирования защит автотрансформаторов
используют на каждой стороне по две ступе
ни дистанционных защит и токовых защит
нулевой последовательности [6]: первые сту
пени – дистанционной и токовой – как от
сечки, вторые – как защиты с выдержками
времени.
В техническом описании шкафа резерв
ных защит ШЭ 2607. 071 ООО НПП «ЭКРА»
при расчетах уставок срабатывания исполь
Рис. 2. Принципиальная схема максимальной токовой защиты двойной зуются положения, согласно которым устав
селективности генератора:G1 – генератор; Q1 – выключатель; G2 – дру
гие источники питания; TA1 – трансформаторы тока на входе защищае ки сопротивления срабатывания второй сту
мого объекта – на стороне нулевых выводов генератора; TA2 – то же на пени дистанционной защиты принимаются
выходе – на стороне выводов генератора; TV – трансформатор напряже
ния; KA1–KA3 – измерительные органы – реле тока защиты на входе за из условия отстройки от КЗ на стороне низ
щищаемого объекта; КА4–КА6 – то же на выходе; KW1–KW3 – измери шего напряжения автотрансформатора. Ясно,
тельные органы – реле направления мощности защиты на выходе защи
что с такими уставками она не осуществляет
щаемого объекта; KL1, KL2; KT; КН1, КН2 – то же, что на рис. 1
защиту автотрансформатора и резервирование
его основной дифференциальной защиты.
На генераторе, не включенном в сеть, при КЗ в
Для повышения быстродействия защит от КЗ в
нем логическая защита срабатывает по цепи после
автотрансформаторе и обеспечения полного резер
довательно соединенных размыкающих контактов
вирования основной его защиты предлагается вы
реле КА4–КА6.
полнять дистанционную защиту двойной селектив
При трехфазных КЗ в «мертвой зоне» реле на
ности. В ней в качестве измерительных органов на
правления мощности микропроцессорных защит
входе используются вторые ступени дистанцион
срабатывают по контуру памяти.
При КЗ на участке внешней сети (точка К2)
ных защит на сторонах высшего и среднего напря
током КЗ от генератора обтекаются трансформато
жений. В схеме оперативных цепей защиты дис
ры тока ТА2 и реле КА4–КА6, что приводит к их
танционные органы включаются последовательно
срабатыванию, размыканию размыкающих контак
(рис. 3).
Учитывая, что защищаемый объект имеет мно
тов в цепи работы защиты без выдержки времени
гостороннее питание, измерительные органы на
КА–KW и выводу из работы защиты по цепям без
выходе объекта выполняются направленными: в
выдержки времени. Защита срабатывает с выдерж
простейшем виде – с реле направления мощности
кой времени; ее срабатывание фиксируется указа
прямой последовательности.
телем КН2. Функционально она может быть пред
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
Релейная защита двойной селективности
21
Защита работает следующим
образом. Цепь последовательно
соединенных размыкающих кон
тактов измерительных органов –
реле тока и параллельно включен
ные ей цепи последовательно со
единенных замыкающих контак
a b c 0
тов реле тока и реле направления
мощности, образующие цепи из
мерительных органов КА – KW на
выходе объекта, включают в схему
логической защиты автотрансфор
матора.
При отсутствии КЗ измери
a b c 0
тельные органы защиты на входе и
выходе автотрансформатора не ра
ботают, размыкающие контакты
реле КА1–КА3 в цепи работы за
щиты без выдержки времени замк
нуты и защита по этим цепям вве
дена в работу. По цепям работы с
a b c
выдержкой времени защита также
готова к срабатыванию.
При КЗ в автотрансформаторе
в зоне логической защиты (точка
К1) ТА1 и ТА2 обтекаются током
КЗ от Q1 и Q2, в защите срабаты
вают
дистанционные
органы
AKZ1 и AKZ2, в схеме опера
тивных цепей защиты их срабатыва
ние приводит к срабатыванию про
межуточного реле KL1 и замыканию
контакта KL1.1 в цепях работы за
щиты без выдержки времени.
Трансформаторы тока TA3 на
выходе автотрансформатора обте
каются током КЗ от G3, реле КА1
–КА3 могут сработать, их размы
кающие контакты в цепях работы
защиты без выдержки времени ра
Рис. 3. Принципиальная схема дистанционной защиты двойной селективности авто
зомкнуты, но при этом замыкает трансформатора: Т1 – автотрансформатор (АТ); G1, G2, G3 – источники питания; Q1,
ся цепь, образованная замыкаю Q2, Q3 – выключатели на сторонах АТ; ТА1 – трансформаторы тока защиты на сторо
щими контактами реле КА1–КА3 не ВН АТ; ТА2 – то же на стороне СН АТ; ТА3 – то же на стороне НН АТ; TV1, TV2,
– трансформаторы напряжения; AKZ1, AKZ2 – измерительные органы дистанци
и реле направления мощности TV3
онной защиты на входе объекта – дистанционные органы второй ступени стороны ВН
KW1–KW3, направленными в ав и стороны СН соответственно; КА1–КА3 – измерительные органы – реле тока на вы
тотрансформатор, для которых КЗ ходе объекта; KW1–KW3 – измерительные органы – реле направления мощности на
в автотрансформаторе является КЗ выходе объекта
теризуется как защита с абсолютной селективно
в зоне и защита срабатывает без выдержки време
стью.
ни. Выходное промежуточное реле KL2 по цепи
При КЗ на участке смежной сети (точка К2)
контактов KL2.1, KL2.2, KL2.3 отключает выклю
обтекаются
током КЗ и срабатывают реле KA1 –
чатели. Срабатывание защиты фиксируется указа
КА3 защиты на выходе объекта, размыкают размы
телем КН1.
кающие контакты в цепях работы защиты без вы
При трехфазных КЗ в «мертвой зоне» реле на
держки времени и по этим цепям выводится защи
правления мощности микропроцессорных защит
та
из работы. Реле KW1–KW3 остаются несрабо
срабатывают по контуру памяти.
танными. Защита по цепям контакта KL1.2 и реле
Работа защиты без выдержки времени в пре
времени KT1 срабатывает с выдержкой времени.
делах защищаемого автотрансформатора харак
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
22
Релейная защита двойной селективности
Срабатывание защиты фиксируется указателем
КН2.
Функционально защита может быть представле
на в виде:
F (Z )D = F (Z )D0 + F (Z )Dt ,
(3)
где F (Z )D – функции защиты; F (Z )D0 – функция
работы логической защиты; F (Z )Dt – функция ра
боты защиты с выдержкой времени; D – оператор
выдержки времени.
Алгоритм функционирования логической защи
ты, отражающий срабатывание измерительных ор
ганов на входе объекта при разрешающем к сраба
тыванию сигнале измерительных органов на выхо
де объекта, может быть представлен в виде:
F (Z )D0 = F (Z ) вх F (I ) вых ,
(4)
где F (Z ) вх – функция срабатывания измеритель
ных органов на входе объекта; F (I ) вых – функция
разрешающего сигнала к срабатыванию измери
тельных органов на выходе объекта.
В режиме одностороннего питания автотранс
форматора со стороны высшего напряжения с от
ключенным выключателем среднего напряжения
Q2 в оперативных цепях защиты выводятся из ра
боты измерительные органы защиты стороны сред
него напряжения переключателем SX2: при его
включении шунтируются их контакты в цепи рабо
ты промежуточного реле KL1. Аналогичным обра
зом – включением переключателя SX1 – выводят
из работы измерительные органы защиты стороны
высшего напряжения при одностороннем питании
автотрансформатора со стороны среднего напряже
ния.
В дополнение к переключателям может выпол
няться автоматическое исключение указанных це
пей в зависимости от положения выключателей. В
обоих случаях защита остается в работе.
В защите автотрансформатора без источника
питания на стороне низшего напряжения исключа
ются измерительные органы – реле направления
мощности.
В защите проводится согласование, как отмече
но ранее, уставок срабатывания дистанционных
измерительных органов на входе и токовых – на
выходе объекта.
Уставка срабатывания измерительных органов
на выходе объекта Iбл рассчитывается при условии
согласования с уставкой сопротивления срабатыва
ния защиты:
на стороне ВН АТ при отключенной стороне
СН АТ:
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
I с.з.бл =
E экв
(Z с + Z вн + Z с.з.вн )k отс
;
на стороне СН АТ при отключенной стороне ВН
АТ:
¢
I с.з.бл
=
¢
E экв
¢ + Z с.з.вн
¢
(Z с¢ + Z вн
)k отс
,
¢
где – I с.з.бл , I с.з.бл
– уставка тока срабатывания
блокирующих измерительных органов на выходе
объекта для защиты стороны ВН и приведенной
¢
– эквивалент
защиты стороны СН АТ; E экв , E экв
ная ЭДС стороны ВН и приведенной стороны СН
АТ; Z с , Z с¢ – сопротивление питающей системы на
стороне ВН и приведенное на стороне СН АТ
(принимаются значения максимального режима
¢ – сопротивление сто
питающих систем); Z вн , Z сн
роны ВН и приведенное сопротивление стороны
¢
– уставка сопротивления
СН АТ; Z с.з.вн , Z с.з.сн
срабатывания дистанционных органов защиты сто
роны ВН и приведенная дистанционных органов
стороны СН АТ (все значения электрических вели
чин стороны СН приведены к значениям парамет
ров стороны ВН АТ).
Использование в качестве измерительных орга
нов на выходе объекта измерительных органов за
щиты на стороне низшего напряжения автотранс
форматора упрощает выполнение защиты.
Высокая стоимость современных цифровых тер
миналов релейной защиты обусловливает поиск
альтернативных вариантов. На автотрансформато
рах небольшой мощности, например 63 МВ·А, вме
сто установки второго дорогостоящего комплекта
дифференциальной защиты может выполняться
дистанционная защита с логической защитой при
КЗ в автотрансформаторе, обладающей таким же
быстродействием, но более простой и дешевой в
исполнении.
Наличие трансреакторов в дистанционных реле,
воздушными промежутками которых поглощается
апериодическая составляющая броска тока намаг
ничивания автотрансформатора, позволяет обхо
диться в логической защите без специальных мер
по отстройке ее от броска тока намагничивания ав
тотрансформатора.
Релейная защита трансформатора блока элек
тростанции. На рис. 4 приведена схема многооб
моточного трансформатора электростанции с пи
тающими генераторами и системой. На всех сторо
нах он имеет защиты, в которых каждая сторона
трансформатора представлена как входная, осталь
ные стороны по отношению к ней – выходными.
Схемы измерительных органов показаны на
рис. 5.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
Релейная защита двойной селективности
23
Релейная защита трансфор
матора работает следующим об
разом. Так как защищаемый
объект имеет многостороннее
питание, измерительные органы
на выходе объекта в каждой за
a bc 0
щите выполняются направлен
3U0
ными: в простейшем виде – с
реле направления мощности
прямой последовательности. Для
многообмоточного трансформа
тора электростанции приведена
работа защиты одной стороны
a bc 0
(например Т1.1). На остальных
сторонах поведение их защит
аналогичное.
Цепь последовательно соеди
ненных размыкающих контактов
измерительных органов – реле
a bc 0
тока и параллельно включенные
ей цепи последовательно соеди
ненных замыкающих контактов
реле тока и реле направления
мощности, образующих цепи из
мерительных органов КА – KW
на выходе объекта, включают в
схему логической защиты транс
форматора с использованием
реле повторителей KL3, KL6,
KL9.
При отсутствии КЗ измери
тельные органы защиты на входе
и выходе автотрансформатора не
задействованы,
размыкающие
контакты измерительных орга
нов – реле тока КА8–КА10 – в
цепи работы защиты без вы
Рис. 4. Принципиальная схема максимальных токовых защит двойной селективности
держки времени замкнуты и за трансформатора блока электростанции: Т1 – трансформатор; Т1.1, Т1.2, Т1.3 – обмотки
щита по этим цепям введена в трансформатора сторон ВН и НН; G1, G2 – генераторы; G3 – источник питания сторо
ны ВН трансформатора; Q1 – Q3 – выключатели; ТА1, ТА2 – трансформаторы тока на
работу. По цепям работы с вы сторонах НН трансформатора; ТА3 –то же на стороне ВН; TV1, TV2 – трансформаторы
держкой времени защита также напряжения на сторонах НН трансформатора; TV3 – то же на стороне ВН; YAT1–YAT3
– электромагниты отключения выключателей
готова к срабатыванию.
При КЗ в трансформаторе в
вает без выдержки времени. Срабатывание защиты
зоне логической защиты (точка К1) трансформа
фиксируется указателем КН4.
торы тока ТА1 обтекаются током КЗ от Q1, в защи
При трехфазных КЗ в «мертвой зоне» реле на
те срабатывают токовые органы КА8–КА10, в схе
правления мощности микропроцессорных защит
ме оперативных цепей защиты их срабатывание
срабатывают по контуру памяти.
приводит к срабатыванию промежуточного реле
Учитывая, что рассматриваемый трансформатор
KL4 и замыканию контакта KL4.1 в цепях работы
является трехсторонним и имеет защиты на каждой
логической защиты. В цепях измерительных орга
стороне, то при КЗ в трансформаторе срабатывают
нов на выходе объекта КА–KW сторон Т1.3 и Т1.2
защиты всех его сторон.
срабатывают
токовые
органы
КА4–КА6,
При внешнем КЗ (точка К3) обтекаются током
КА17–КА19 и органы направления мощности
КЗ и срабатывают измерительные органы KA17–
KW1–KW3, KW8–KW10, для которых КЗ в транс
КА19 защиты на выходе стороны Т1.2 объекта, раз
мыкают размыкающие контакты в цепях работы
форматоре является КЗ в зоне, и защита срабаты
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
24
Релейная защита двойной селективности
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
(KL7)
(KA14)
(KA15)
(KA16)
(KÍ6)
(KL7.1)
(KL3.2)
(KL8)
(KL6.1)
(KÍ7)
(KT2)
(KT3)
(KL7.2)
(KW8)
(KA18)
(KA19)
(KA14) (KA15)
(KL9)
(KW9)
(KW10)
(KA16)
б)
а)
в)
Рис. 5. Схемы измерительных органов защит: а – на стороне Т1.3 обмотки ВН; б – на стороне Т1.1 (Т1.2) обмотки НН (в
скобках указаны обозначения измерительных органов (реле) для стороны Т1.2 обмотки НН; схемы соединений одинако
вы); в – цепи отключения: КА1–КА3, КА8–КА10, КА14–КА16 – измерительные органы на входе объекта; КА4–КА6,
КА11–КА13, КА17–КА19 – то же на выходе объекта; KW1–KW3, KW5–KW10 – измерительные органы направления
мощности на выходе объекта; КА7, KW4 – реле тока и направления мощности токовой защиты нулевой последователь
ности; KL1, KL4, KL7 – промежуточные реле в схемах защит; KL2, KL5, KL8 – выходные промежуточные реле защит;
KT1–KT3 – органы выдержки времени защит; KL3, KL6, KL9 – релеповторители измерительных органов на выходе
объекта; КН1, КН4, КН6 – указатели срабатывания логических защит трансформатора; КН2 – то же токовой защиты ну
левой последовательности; КН3, КН5, КН7 – то же защит с выдержкой времени; KA–KW – цепи измерительных орга
нов на выходе объекта в схемах защит
защиты без выдержки времени и выводят по этим
цепям защиту из работы. Реле направления мощ
ности KW8–KW10 не работают. Защита по цепям
контакта KL4.2 и реле времени KT2 срабатывает с
выдержкой времени. Срабатывание защиты фикси
руется указателем КН5. Поведение защиты при
внешнем КЗ в точке К4 аналогичное.
Функционально защита каждой стороны может
быть представлена выражением (1).
Алгоритм функционирования логической защи
ты многообмоточного трансформатора (k сторон),
отражающий срабатывание измерительного органа
одной iй стороны на входе объекта при разрешаю
щем к срабатыванию сигнале измерительных орга
нов на выходе остальных k сторон объекта, может
быть представлен в виде:
k
F (I )D0 = F (I ) вх åF (I ) вых ,
(5)
i =1
где F (I ) вх – функция срабатывания измеритель
ных органов на входе объекта; F (I ) вых – функция
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
Релейная защита двойной селективности
несрабатывания измерительных органов на выходе
объекта или функция разрешающего к срабатыва
нию сигнала измерительных органов на выходе
объекта.
При несимметричных КЗ на землю на стороне
ВН трансформатора срабатывает токовая защита ну
левой последовательности без выдержки времени.
Учитывая работу логических защит сторон
трансформатора и токовой защиты нулевой после
довательности без выдержки времени, измеритель
ные органы на входах объектов и токовой защиты
нулевой последовательности могут иметь отстройку
от бросков токов намагничивания.
Логические защиты на ряде трансформаторов
блоков могут рассматриваться как вторые (к диф
ференциальным) быстродействующие защиты, и на
них можно отказаться от установки вторых дорого
стоящих комплектов дифференциальных защит.
Выражение (5) справедливо также для логиче
ской защиты шин многостороннего питания.
Выводы. 1. Релейная защита электрического
объекта с измерительными органами на входе и
оперативными цепями работы защиты с выдерж
кой времени, дополненная измерительными орга
нами на выходе объекта и цепями работы защиты
без выдержки времени, образует релейную защиту
с двумя зонами селективности: зоной абсолютной
селективности, расположенной между трансформа
торами тока на входе и выходе объекта, в которой
она работает без выдержки времени, и зоной отно
сительной селективности при работе с выдержкой
времени в качестве резервной к защитам элементов
смежной сети.
2. Защита двойной селективности повышает бы
стродействие резервных защит: в зоне абсолютной
селективности логическая защита работает без вы
держки времени, что особенно важно для отключе
ния коротких замыканий на защищаемом объекте.
3. Логическая защита объекта в ряде случаев по
зволяет отказаться от установки на объекте дорого
стоящего второго комплекта дифференциальной
защиты.
*
25
4. Использование, например, на трансформато
ре, автотрансформаторе, реакторе измерительных
органов максимальной токовой защиты стороны
низшего напряжении в качестве измерительных
органов на выходе объекта упрощает и удешевляет
выполнение защиты двойной селективности.
5. Шкафы максимальных токовых микропро
цессорных защит трансформаторов, многоступен
чатых дистанционных защит резервных защит ав
тотрансформаторов могут быть дополнены логиче
скими защитами, что позволит повысить быстро
действие, надежность резервных защит трансфор
маторов и автотрансформаторов.
________________СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ _______________
1. Засыпкин А.С. Релейная защита трансформаторов. – М.:
Энергоатомиздат, 1989.
2. Руководящие указания по РЗ: Релейная защита понижаю
щих трансформаторов и автотрансформаторов 110–500 кВ.
Вып. 13Б. Расчеты. – М.: Энергоатомиздат, 1985.
3. Общие требования к системам противоаварийной и ре
жимной автоматики, релейной защиты и автоматики, телемет
рической информации, технологической связи в ЕЭС России.
– Приложение № 1 к приказу ОАО РАО «ЕЭС России» от
11.02.2008 № 57.
4. Логическая защита шин. – Новости электротехники,
2006, № 4 (40).
5. Поляков В.Е., Жуков С.Ф., Проскурин С.М. и др. Теоре
тические основы построения логической части релейной защи
ты и автоматики/Под ред. В.Е. Полякова.–М.: Энергия, 1979.
6. Руководство по эксплуатации. ЭКРА 656453.028 РЭ.
Шкаф релейной защиты автотрансформатора 110–220 кВ и ав
томатики управления выключателями типа ШЭ 2607.071. (НПП
«ЭКРА»).
[12.07.10]
А в т о р : Маруда Иван Федорович окончил энер
гетический факультет Новочеркасского политехни
ческого института (ныне ЮжноРоссийский госу
дарственный технический университет – ЮРГТУ
(НПИ)) в 1960 г. В 2003 г. защитил диссертацию
«Повышение эффективности релейной защиты элек
трических распределительных сетей 110–220 кВ при
несимметричных режимах в ЮРГТУ (НПИ). Веду
щий специалист филиала ОАО «СО ЕЭС «Волгоград
ское РДУ».
*
*
Уважаемые читатели!
Номера журнала «ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» за 2009–2010 гг.,
а также ксерокопии статей начиная с 1917 г. можно приобрести
в редакции журнала (Москва, Красноказарменная ул., 14, комн. 3111,
тел. (495) 3627485)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Способ внутрипериодного измерения комплекса параметров
трехфазной сети
БАБАЕВ С.С.
Предлагается способ внутрипериодного измере
ния комплекса параметров электрических сигналов
трехфазной сети, отмечена возможность измерения
параметров несинусоидальных электрических сигна
лов при искажениях напряжения сети, описывается
алгоритм измерения и микропроцессорное устройство
реализации способа.
К л ю ч е в ы е с л о в а : электрическая сеть,
частота, напряжение, ток, мощность, синусоидаль
ный сигнал, цифровое преобразование
A method for measuring a set of parameters
characterizing the electric signals of a threephase
network inside the period is proposed. The possibility of
measuring the parameters of nonsinusoidal electric signals
caused by distortions of the network voltage waveform is
pointed out. The measurement algorithm and the
microprocessor device used for implementing the proposed
method are described.
K e y w o r d s : electric network, frequency, voltage,
current, power, sinusoidal signal, digital conversion
Динамичное развитие экономики неразрывно
связано с интенсивным развитием инфраструкту
ры и, как следствие, с возрастанием потребления
энергетических ресурсов. При этом задача электро
энергетики как одной из базовых отраслей эконо
мики заключается в обеспечении стабильной рабо
ты электроэнергетических объектов (ЭЭО), надеж
ности и эффективности функционирования ЭЭО,
определяющих устойчивость и «живучесть» всей
электроэнергетической системы в целом.
Успешное решение этих задач на основе АСУ
ТП определяется полнотой, достоверностью и опе
ративностью формирования базы данных о режим
ных параметрах функционирования ЭЭО, что воз
можно только на основе быстродействующих ме
тодов измерения этих параметров. При низком бы
стродействии традиционных методов измерения
электрических величин (ввиду их интегрирования
и усреднения, как правило, за несколько периодов)
задача повышения быстродействия измерения на
основе методов и средств внутрипериодного изме
рения (МСВИ) является весьма актуальной [1].
Созданию и перспективам развития МСВИ раз
личного назначения, реализуемым в них алгорит
мам измерений и принципам построения, а также
исследованиям погрешностей МСВИ посвящены
работы [2, 3]. Показано, что МСВИ основаны на
косвенных измерениях, например, мгновенных
значений напряжения (и тока) с последующим вы
числением параметров электрических сигналов пу
тем математической обработки результатов проме
жуточных измерений. Такая обработка наиболее
эффективна на базе микропроцессоров и возмож
на при априорном знании формы сигнала. Иссле
дования показали, что простота алгоритма вычис
лений, высокое быстродействие и приемлемая точ
ность измерения обеспечиваются при синусои
дальных сигналах. Поэтому МСВИ и ориентиро
ваны, в основном, на их исследование. Однако не
линейные искажения сигналов ЭЭО приводят к
значительным погрешностям МСВИ, что ограни
чивает область их применения исследованием
лишь синусоидальных сигналов.
Для расширения области применения МСВИ в
[4] предложены способ и устройство преобразова
ния искаженного сигнала в синусоидальный с со
хранением неизменным наиболее информативного
– действующего значения сигнала путем выделе
ния основной гармоники и ее адаптивного усиле
ния. Теоретические и экспериментальные исследо
вания показали высокую эффективность подавле
ния гармоник, точность преобразования и стабиль
ность передаточной характеристики устройства для
входных сигналов различного вида, состава гармо
ник и их интенсивности. Предложенный способ
позволил применить МСВИ для измерения пара
метров электрических сигналов при искажениях
напряжения сети.
Постановка задачи. Систематизация МСВИ по
различным критериям [1–3] позволила в качестве
основных классификационных признаков выбрать
целевое назначение МСВИ и число измеряемых
параметров и разделить их на МСВИ временных
параметров, параметров интенсивности и ком
плексные МСВИ. Последние позволяют прово
дить комплексную оценку состояния ЭЭО на ос
нове многомерных МСВИ и сократить номенкла
туру средств измерения. По указанным группам
МСВИ предложен ряд новых решений
[5–11].
Разработанные МСВИ временных параметров
электрических сигналов ЭЭО рассмотрены в [12],
а МСВИ параметров интенсивности – в [13]. В
статье рассмотрены вопросы построения много
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
Способ внутрипериодного измерения параметров сети
мерных МСВИ для комплексного измерения пара
метров синусоидальных сигналов с возможностью
их использования при искаженных сигналах на
основе способа [4].
Методы решения. Базирование МСВИ на кос
венных методах измерения мгновенных значений
сигнала позволяет использовать их для вычисле
ния и анализа комплекса параметров режимов
функционирования ЭЭО,
распределительных
электрических сетей, показателей качества элек
троэнергии [14, 15]. При этом цифровая обработка
по «выборочным» мгновенным значениям [16] свя
зана с формированием моментов дискретизации и
требует предварительного определения частоты в
сети, а необходимость проведения последователь
ных измерений по трем фазам снижает быстродей
ствие. Кроме того, не представляется возможным
измерение активной (реактивной) мощности изза
отсутствия фиксации временного положения сиг
налов относительно друг друга и фазового сдвига
между напряжениями и токами фаз.
Указанные недостатки исключены в способе из
мерения комплекса параметров синусоидальных
сигналов трехфазной сети [11]. На рис. 1 представ
лена временная диаграмма, поясняющая сущность
способа.
Пусть в моменты перехода через нуль одного из
напряжений U A (t ), U B (t ) и U C (t ) фаз А, В и С изме
ряются мгновенные значения двух других, не рав
ных нулю фазных напряжений, и пусть измерения
последовательно проводятся в моменты t0 , t1 и t 2
(см. рис. 1), причем в момент t0 напряжение u A (t )
переходит через «0» (от «минуса» к «плюсу»). Тогда
справедлива система уравнений:
u0 = U mС sin(p - wt1 ) = U mC sin wt1 ;
ü
ï
u0¢ = U mB sin(2 p - wt 2 ) = -U mB sin wt 2 ;
ï
ïï
u1 = U mA sin wt1 ;
ý
u1¢ = U mB sin[2 p - w(t 2 - t1 ) = -U mB sin w(t 2 - t1 );ï
ï
u 2 = U mA sin wt 2 ;
ï
u 2¢ = U mC sin[p + w(t 2 - t1 ) = -U mC sin w(t 2 - t1 ), ïþ
(1)
27
где u0 , u0¢ , u1 , u1¢ , u 2 , u ¢2 – мгновенные значения со
ответствующих напряжений фаз, определяемых в
последовательные моменты t0 , t1 , t 2 их перехода
через нуль; U mA , U mB , U mC – амплитудные значе
ния напряжений фаз u A (t ), u B (t ), uC (t ); w – угловая
частота.
Разделив первое уравнение на третье, второе на
пятое и четвертое на шестое, получим
u0
u1
u0¢
u2
u1¢
u 2¢
U
ü
= mC ; ï
U mA
ï
U mB ïï
=;ý
U mA ï
ï
U
= mB ï
U mC ïþ
(2)
и представим эту систему в виде:
u0U mA - u1U mC = 0; ü
ï
u0¢ U mA + u 2U mB = 0;ý
u 2¢ U mB - u1¢U mC = 0.ïþ
(3)
Перепишем (3) с учетом последовательности
напряжений фаз А, В и С в виде:
u0U mA - 0 ×U mB - u1U mC = 0; ü
ï
u0¢ U mA + u 2U mB + 0 ×U mC = 0;ý
0 ×U mA + u 2¢ U mB - u1¢U mC = 0. ïþ
(4)
Получим систему трех линейных однородных
уравнений (равны нулю и все частные определите
ли) с тремя неизвестными. Поскольку определи
тель системы (4) D ¹ 0, что следует из
u0
D = u0¢
0
0
u2
u 2¢
-u1
0 = -u0u1¢ u 2 - u0¢ u1u 2¢ ,
-u1¢
(5)
то для нетривиального решения системы (4) необ
ходимо, чтобы D =0, т.е.
u0u1¢ u 2 = -u0¢ u1u 2¢ .
(6)
Ранг матрицы (5) равен 2, так как угловой верх
ний левый минор – определитель 2го порядка:
u
D2 = 0
u0¢
0
u2
¹ 0,
и переставлять уравнения и неизвестные в них не
требуется.
Решаем систему (4), полагая один из членов
уравнения равным 1, например третий член перво
го уравнения u1U mC =1, т.е.
U mC =1 / u1 ,
Рис. 1. Временная диаграмма, поясняющая суть способа
(7)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
28
Способ внутрипериодного измерения параметров сети
тогда из первого уравнения получим
U mA =1 / u0 .
(8)
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
Возведя в квадрат обе части второго уравнения
системы (14) и заменив (sin z) 2 на 1 -(cos z) 2 , полу
чим
2
Подставляя (8) во второе уравнение системы
(4), имеем
U mB = -
u0¢
u0u 2
.
(9)
æ u ¢u
ö
cos z = 1 - ç 1 2 sin y ÷ ,
ç u¢ u
÷
è 0 1
ø
так как cosz >0 (на практике меньше 90°).
Обозначим
Таким образом, при выполнении условия (6) и
с учетом (7)–(9) можно утверждать, что любой век
тор (U mA , U mB , U mC ) вида
u ¢u
D= 1 2
u0¢ u1
u¢
æ 1
1 ö
l ç ;- 0 ; ÷"l
çu
÷
è 0 u0u 2 u1 ø
и подставим выражение для cosz и sin z второго
уравнения в первое системы (14), тогда
(10)
является линейно независимым фундаментальным
решением (3).
Если существуют l и w такие, при которых пер
вое, второе и четвертое уравнения системы (1) пре
вратятся в тождество, то полностью удовлетворены
уравнения системы (1). Подставляя найденные зна
чения (10) в первое, второе и четвертое уравнения
системы (1), получим:
ü
ï
l sin wt1 = u0u1 ;
ï
ï
l sin wt 2 = u0u 2 ;
ý
u0u1¢ u 2 ï
l sin w(t 2 - t1 ) =
.ï
u0¢
ïþ
u ¢u
u1 sin w(t 2 - t1 ) = 1 2
u0¢
Обозначив
ü
ï
ý
sin wt1 .ï
þ
y = wt1 ; z = w(t 2 - t1 ),
перепишем
sin y 1 - (D sin y ) 2 + D sin y cos y = D sin y
или, так как sin y ¹ 0, то
1 - (D sin y ) 2 + D cos y = D.
(11)
Перенесем D cos y в правую часть и возведем
обе части уравнения (16) в квадрат:
или
1 = D 2 (sin 2 y + cos 2 y ) - 2D 2 cos y + D 2 ,
откуда
(12)
cos y = (2D 2 - 1) / 2D 2 .
(17)
Проверим, действительно ли решение (17) удов
летворяет (16). Заменим в (16) sin 2 y =1 - cos 2 y и
подставим cos y из (17):
2
é æ
2
2
ö ù
D
2
1
÷ ú = D - D 2D - 1;
1-D 1-ç
ê ç 2D 2 ÷ ú
2D 2
ø úû
êë è
2ê
(13)
1-D 2
(12) в виде:
(2D 2 ) 2 - (2D 2 - 1) 2
(2D 2 ) 2
u1 sin(y + z) = u 2 sin y ;
u ¢u
u1 sin z = 1 2 sin y .
u0¢
Применяя формулу синуса суммы, получим при
u1¢ = u0¢ :
u ¢u
ü
u1 (sin y cos z + sin z cos y ) = 1 2 sin y ;ï
u0¢
ï
ý
u1¢ u 2
ï
sin z =
sin y .
ïþ
u0¢ u1
(16)
1 - (D cos y ) 2 = D 2 - 2D 2 cos y + D 2 cos 2 y
Исходя из предположения, что система (11) со
вместна, т.е. имеет решение, преобразуем ее и ре
шим. Разделив первое уравнение на второе и
третье на первое, запишем систему (11) в виде:
u1 sin wt 2 = u 2 sin wt1 ;
(15)
1-
4D 2 - 1
4D
2
1
=D
2D
2
;
1
4D
2
æ 2D 2 - 1 ö
÷;
= Dç 1 ç
2 ÷
2D
è
ø
=
1
,
2D
откуда следует, что при D ³0 найденное решение
действительно удовлетворяет (16).
Подставляя (13) и (15) в (17), получим
(14)
cos wt =
откуда
2(u1¢ u 2 ) 2 - (u0¢ u1 ) 2
,
2(u1¢ u 2 ) 2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
Способ внутрипериодного измерения параметров сети
2
w=
2
2(u ¢ u ) - (u0¢ u1 )
1
.
arccos 1 2
t1
2(u ¢ u ) 2
(18)
1 2
Подставляя в первое уравнение системы (11)
найденное значение w, находим l:
l=
u0u1
é
2(u ¢ u ) 2 - (u0¢ u1 ) 2
sin êarccos 1 2
êë
2(u1¢ u 2 ) 2
Так
как
ù
ú
úû
.
круговая
функция
2
arccos x = arcsin 1 - x , то в рассматриваемом слу
чае sin(arccos x) = sin(arcsin 1 - x 2 ) = 1 - x 2 и выра
жение для l можно представить как
u0u1
l=
(19)
æ 2(u ¢ u ) 2 - (u ¢ u ) 2
0 1
1-ç 1 2
ç
2
2(u1¢ u 2 )
è
ö
÷
÷
ø
или после преобразования
2u0u1 (u1¢ u 2 ) 2
l=
æ u ¢u
(u0¢ u1 ) 2 4ç 1 2
ç u¢ u
è 0 1
.
(20)
2
ö
÷ -1
÷
ø
Так как удовлетворяются (2) и 1, 2 и 4е уравне
ния системы (1), то удовлетворяются уравнения
(3), (5) и (6), т.е. уравнения всей системы (1). Под
ставим значение (20) в (10):
U mA =
U mB =
1
l=
u0
u0¢
u0u 2
2u1 (u1¢ u 2 ) 2
æ u ¢u
(u0¢ u1 ) 2 4ç 1 2
ç u¢ u
è 0 1
l =-
1
U mC = l =
u1
;
ö
÷ -1
÷
ø
2u1 (u1¢ ) 2 u 2
æ u ¢u
u0¢ (u1 ) 2 4ç 1 2
ç u¢ u
è 0 1
;
(22)
2
ö
÷ -1
÷
ø
2u0 (u1¢ u 2 ) 2
æ u ¢u
(u0¢ u1 ) 2 4ç 1 2
ç u¢ u
è 0 1
(21)
2
.
(23)
2
ö
÷ -1
÷
ø
В общем случае выражения (20)–(23) для ам
плитудных (и действующих) значений одноимен
ных сигналов напряжения (и тока) и выражения
(18) для частоты сети могут быть представлены в
виде:
29
ü
ï
ï
a0¢
1
1 ï
AmA = l ; AmB = l ; AmC = l ;ï
a0
a0a2
a1 ï
2
ï
2a0a1 (a1¢ a2 )
ï
l=
;
ý (24)
2
ï
æ a¢ a ö
ï
(a0¢ a1 ) 2 4ç 1 2 ÷ - 1
ç a¢ a ÷
ï
è 01 ø
ï
2
é
æ a0¢ a1 ö ù
1
1
ï
÷ ú.
f=
arccos ê1 - ç
ï
2 pt1
ê 2 çè a1¢ a2 ÷ø ú
ïþ
ë
û
Здесь a0 , a0¢ , a1 , a1¢ , a 2 , a 2¢ – мгновенные значения
соответствующих сигналов напряжения (тока), оп
ределяемые в последовательные моменты времени
t0 , t1 , t 2 (t0¢ , t1¢ , t 2¢ ) перехода через нуль сигнала со
ответствующей фазы (см. рис. 1).
Сигналы фаз А, В, С в устройстве измерения
(см. рис. 2) поступают на входы преобразователей
напряжения и тока ПрН и ПрТ, имеющих идентич
ные структуры (рис. 3) и алгоритмы работы. В ПрН
фазные напряжения U A (t ), U B (t ), U C (t ) поступают
через входные устройства Bx1 - Bx 2 на входы
коммутатора К и усилителейформирователей УФ1–УФ3.
(см. рис. 3). Последние формируют высокий по
тенциал в положительный и низкий – в отрица
тельный полупериоды фазного напряжения, посту
пающего на схему управления СУ.
Измерение начинается в момент перехода лю
бого из фазных напряжений через нуль, т.е. по пе
реднему или заднему фронту любого из сигналов
УФ1–УФ3. Анализируя эти сигналы, СУ подключа
ет к АЦП (+) и АЦП (–) через коммутатор К два
фазных напряжения соответственно положитель
ной или отрицательной полярностей, т.е. в момент
t0 - uC (t ) и u B (t ); t1 - u A (t ) и u B (t ); t 2 - u A (t ) и uC (t )
соответственно (рис. 1).
Пусть измерение начинается в момент t0 по пе
реднему фронту сигнала УФ1 фазы А (см. рис. 3).
По нему СУ посылает на АЦП (+) и АЦП (–)
стробсигналы, по которым значения uC (t ) и u B (t )
преобразуются АЦП (+) и АЦП (–)в цифровой код
Вых 1
UA
UB
UC
IA
IB
IC
Вых 2
Вых 2
Вых 1
Рис. 2. Структурная схема устройства измерения и контроля
комплекса параметров синусоидальных сигналов
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
30
Способ внутрипериодного измерения параметров сети
UA
Вх 1
UB
UC
Вх 2
Вых 1
Вх 3
Вых 2
Рис. 3. Структурная схема преобразователя напряжения (тока)
ПрН (ПрТ)
u0 и u0¢ соответственно. Далее СУ подает на управ
ляющий вход вычислителя Вч сигнал о преобразо
вании фаз С и В, по которому Вч считывает инфор
мацию с обоих АЦП и заносит ее в память. Одно
временно СУ сбрасывает счетчик Сч и формирует
на его входе «временные ворота» для подсчета им
пульсов с генератора ГИ. В момент t1 алгоритм из
мерения по заднему фронту сигнала с УФ3 фазы С
идентичен описанному.
В момент t 2 по переднему фронту сигнала с
УФ2 фазы В происходит преобразование u A (t ) и
uC (t ) (см. рис. 1) посредством АЦП(+) и АЦП (–) в
цифровые коды u 2 и u 2¢ . Считывание Вч информа
ции с обоих АЦП и со Сч означает окончание изме
рения. В момент t 2 в Вч каждого из преобразовате
лей ПрН и ПрТ будут накоплены коды, соответст
вующие шести мгновенным значениям (a0 , a0¢ , a1 ,
a1¢ , a 2 , a ¢2 ) синусоидальных сигналов фаз (А, В, С),
а также двум интервалам времени [t0 ,t1 ] и [t1 ,t 2 ] ме
жду переходами через «0» этих сигналов. По этим
кодам в соответствии с формулами (24) определя
ются амплитудные (действующие) значения фаз
ных напряжений (токов) и частота сети.
В устройстве измерения (рис. 2) в момент t0 СУ
формирует на Вых2 преобразователя ПрН (см. рис.
3) сигнал (пусть в сети напряжение опережает ток),
по которому в преобразователе интервала в код (Пр
ИК) начинается преобразование интервала запаз
дывания между напряжением U A и током I A фазы
А. В момент t0¢ перехода через нуль I A на Вых2 пре
образователя ПpТ появится сигнал, по которому Пp
ИК прекращает оцифрование интервала [t0 ,t0¢ ] и
выдает на устройство обработки УО информацию о
запаздывании I A относительно U A .
Таким образом, преобразователи ПрН и ПрТ пе
редают посредством шин Вых1 и Вых2 от Вч на УО
информацию об амплитудных (действующих) зна
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
чениях фазных напряжений и токов, частоте сети и
углах сдвига фаз между напряжениями (токами).
Например, из рис. 1 видно, что угол сдвига фаз В и
С относительно фазы А будет: y B = 2 pf (Dt1 + Dt 2 ),
y C = p(1 - 2 fDt1 ), где Dt1 =[t0 ,t1 ], Dt 2 =[t1 ,t 2 ]. По этим
данным и по информации с преобразователя Пр
ИК о времени запаздывания между U и I устрой
ство УО определяет сдвиг j между u и i соот
ветствующих фаз, а следовательно, cosj для каждой
фазы, активные и реактивные мощности, полную
мощность, а также преобразует информацию для
блока индикации и регистрации БИР (см. рис. 2).
Предложенный способ [11] обеспечивает измерение
комплекса параметров синусоидальных сигналов
трехфазной сети за время не более трети их периода.
Выводы. 1. Разработанные многомерные МСВИ,
включая усовершенствованные варианты МСВИ
временных параметров [5, 8], параметров интен
сивности [6, 7] и комплекса режимных параметров
сигнала [11], имеют ограниченный диапазон изме
рений (по интенсивности или частоте), а МСВИ
[5, 6, 8, 11] могут использоваться только для изме
рения номинальных величин с допустимыми от
клонениями. Кроме того, исследуемые сигналы не
должны иметь в своем составе гармонической или
постоянной составляющих, кроме устройства [7].
2. Разработанные МСВИ имеют более высокое
быстродействие измерения по сравнению с МСВИ
временных параметров и параметров интенсивно
сти (время измерения t изм £ T / 2 [7], t изм £ T / 3
[11], t изм £ T / 4) [5, 6, 8]).
3. По технической реализации многомерные
МСВИ являются цифровыми, имеют вычислители
на микропроцессорах (кроме усовершенствованно
го варианта), что расширяет их функциональные
возможности за счет совмещения функций измере
ния и первичной обработки информации. При
этом децентрализация обработки информации в
условиях АСУ ТП позволяет разгрузить дорогое
звено ИИС – каналы связи.
4. По совокупности характеристик наиболее
перспективно микропроцессорное устройство из
мерения, в котором широкие функциональные воз
можности (измерение амплитудного (и действую
щего) значения напряжения (и тока) трех фаз, час
тоты сети, суммарной и фазной активной и реак
тивной мощностей, полной мощности) сочетаются
с относительно несложным алгоритмом обработки
и высоким быстродействием измерения t изм £ T / 3.
К тому же, в нем не проводится характерное для
других МСВИ кондиционирование сигнала (опера
ции сдвига, усиления, нормирования и др.) и тем
самым исключаются погрешности от указанных
функциональных преобразований.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
Способ внутрипериодного измерения параметров сети
10. А.c. № 1677649 (СССР). Устройство для измерения си
нусоидального напряжения/ С.С. Бабаев, Г.И. Болдырев, М.С.
Касимзаде, Е.И. Хайкин. – БИ, 1991, № 34.
11. А.c. № 1679398 (СССР). Способ измерения комплекса
параметров синусоидальных сигналов трехфазной сети / С.С.
Бабаев, Л.Р. Мишне, Е.И. Хайкин. – БИ, 1991, № 35.
12. Бабаев С.С. Методы и средства внутрипериодного изме
рения временных параметров электрических сигналов. – Изв.
НАН Азербайджана (серия физ.тех. и мат. наук). Т. ХХХ (ин
форматика и проблемы управления), 2010, №3.
13. Бабаев С.С. Быстродействующие способы и средства из
мерения параметров интенсивности электрических сигналов
энергообъектов. – Проблемы энергетики, 2010, №1.
14. Карташев И.И., Пономаренко И.С., Ярославский В.Н.
Требования к средствам измерения показателей качества элек
троэнергии. – Электричество, 2000, № 4.
15. Пономаренко И.С. Функциональные требования к при
борам для комплексного анализа параметров режимов распре
делительных электрических сетей. – Электрические станции,
2003, № 8.
16. Горлач А.А., Минц М.Я., Чинков В.Н. Цифровая обра
ботка сигналов в измерительной технике. – Киев: Техника,
1985.
5. В целом, перенесение «центра тяжести» на
алгоритмические методы измерения с микропро
цессорной обработкой данных позволяет расши
рить функциональные возможности реализации
способа без значительных аппаратурных затрат, по
лучить экономический эффект за счет сокращения
номенклатуры средств измерений.
________________СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ _______________
1. Бабаев С.С. Вопросы повышения быстродействия изме
рения электрических величин. – Приборы, 2002, № 4.
2. Babayev S., Mirsalimov R. Inperiod measurement of electrical
values (condition and prospects of development). – Proc. of the
Third World Conf. on Intelligent Systems for Industrial Automation
(WCIS–2004), Tashkent (Uzbekistan), Оctober 2004.
3. Бабаев С.С., Болдырев Г.И., Касимзаде М.С., Хайкин Е.И.
Методы и средства внутрипериодного измерения параметров
электрических сигналов энергообъектов. Обзорная информа
ция. Серия: Средства и системы управления в энергетике. – М.:
Информэнерго, 1988, вып. 6.
4. Бабаев С.С. Способ коррекции электрических сигналов
при искажениях напряжения сети. – Электричество, 2009, №3.
5. А.с. № 1190286 (СССР). Низкочастотный частото
мер/С.С. Бабаев, М.С. Касимзаде, Г.И. Болдырев, Е.И. Хай
кин. – БИ, 1985, № 41.
6. А.c. № 1269041 (СССР). Способ измерения амплитудного
значения переменного напряжения/С.С. Бабаев, М.С. Касим
заде, Г.И. Болдырев, Е.И. Хайкин.–БИ, 1986, № 41.
7. А.c. № 1272270 (СССР). Устройство измерения парамет
ров электрического сигнала/С.С. Бабаев, Г.И. Болдырев, М.С.
Касимзаде и др. – БИ, 1986, № 43.
8. А.c. № 1287030 (СССР). Устройство для измерения час
тоты синусоидальных сигналов/ М.С. Касимзаде, С.С. Бабаев,
Г.И. Болдырев и др. – БИ, 1987, № 4.
9. А.c. № 1485137 (СССР). Способ измерения действующего
значения переменного напряжения/С.С. Бабаев, Г.И. Болды
рев, Е.И. Хайкин – БИ, 1989, № 21.
*
31
[07.09.10]
А в т о р: Бабаев Сабухи Салех оглы окончил фа
культет автоматики и вычислительной техники
Московского энергетического института в 1966 г. В
2009 г. защитил докторскую диссертацию «Основы
построения ИИС контроля, учета и анализа пара
метров функционирования электроэнергетических
объектов (методы, средства, алгоритмы)» в Инсти
туте кибернетики НАН Азербайджана. Начальник
отдела информационных технологий и инноваций
Азербайджанского научноисследовательского и про
ектноизыскательского института энергетики.
*
*
ЧИТАТЕЛЯМ, ПОДПИСЧИКАМ, РЕКЛАМОДАТЕЛЯМ
ЖУРНАЛА «ЭЛЕКТРИЧЕСТВО»
Подписка в России и странах СНГ принимается в отделениях связи.
Зарубежные читатели могут подписаться на «Электричество»
во всех крупных международных подписных агентствах.
Для желающих представить в журнал статью сообщаем, что правила подготовки рукописей пуб
ликуются в №№ 6 и 12 каждого года.
Реклама в чернобелом изображении может быть размещена на страницах журнала и на его об
ложке, а также в виде вкладки.
Возможно размещение рекламы в цветном изображении (стоимость по договоренности).
При повторении той же рекламы в следующем номере – скидка 10%. При публикации той же
рекламы в третьем и последующих номерах – скидка 20%. Стоимость оплаты рекламных статей – по
договоренности. Последний срок представления рекламного материала – за 1,5 месяца до выхода
номера из печати (обычно номер выходит в середине каждого месяца).
Адрес для переписки: 101000 Москва, Главпочтамт, а/я 648
тел./факс: (7495)3627485
Email: l.s.kudinova@rambler.ru
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Опредeление состояния и остаточного ресурса силового
электроэнергетического оборудования
ЧЕРНЫШЕВ В.А., ЗЕНОВА Е.В., ГРИГОРЯН В.Р.
Дан анализ существующих способов контроля со
стояния изоляционных материалов электрооборудо
вания и предложен новый метод оценки состояния,
основанный на измерении степени деформации графи
ка зависимости e¢¢(t ) в процессе старения работаю
щих в промежутке изоляционных материалов.
Ключевые слова: силовые трансформаторы, изоля
ционная система, параметр контроля, индекс поля
ризации, изоляционный промежуток, абсорбционный
ток
Existing methods for monitoring the state of insulation
materials used in electrical equipment are analyzed, and
a new method of state estimation is proposed, which is
based on measuring the extent to which the graph of (t) is
distorted due to ageing of insulating materials operating in
a gap.
K e y w o r d s : power transformers, state of
insulation system, monitored parameter, generalized
polarization index, insulation gap, absorption current
Достоверность современных методов оценки
технического состояния электроэнергетического
оборудования (ЭЭО) несмотря на усилия исследо
вателей и инженеровпрактиков все еще не достиг
ла желаемого уровня. Для достижения требуемого
уровня достоверности оценок состояния техниче
ски сложного электрооборудования приходится
прибегать к комплексному его обследованию или
разрабатывать более совершенные методы контро
ля. В первом случае имеется в виду совместное од
новременное использование принципиально раз
личных по своей физической природе методов
контроля (например хроматографический анализ
растворенных газов в масле и вибрационное обсле
дование корпуса трансформатора [1]). Во втором –
использование более эффективных способов полу
чения информации о состоянии объекта контро
ля [2].
В известных на сегодня способах оценки со
стояния ЭЭО пытаются использовать параметры
контроля, такие как измеренные значения танген
са угла диэлектрических потерь tgd, значения со
противления изоляционного промежутка, максиму
ма возвратного напряжения (RVM), плотности аб
сорбционного тока и др. [3]. Используя коррелиро
ванность этих величин с прочностными параметра
ми или структурой изоляционных материалов, по
эмпирическим соотношениям определяют значе
ние прочности изоляционной конструкции в кон
тролируемый момент времени, что в конечном
итоге позволяет оценить состояние и оставшийся
ресурс времени. Характерным примером может
служить способ определения остаточного ресурса
времени кабеля с полиэтиленовой изоляцией [4],
представленный в [5]. Параметром контроля в этом
методе является положение релаксационного мак
симума тангенса угла диэлектрических потерь
(tgd max ) на частотной или температурной зависи
мости. Значение смещения этого максимума (Df m )
в процессе эксплуатации корреляционно связано с
одной из характеристик прочности (значением
температуры растрескивания полиэтилена Тх) [5]:
T x = 154 - 0,13Df m .
(1)
Однако информация о степени изношенности
работающего изоляционного промежутка опреде
ляется значением деформации всей контролируе
мой зависимостью tgd в выбранной области темпе
ратур или частот, а не только смещением одной ее
точки (например tgd max ). Иными словами, смеще
ния любой точки зависимости tgd( f ) или tgd(T ) в
процессе старения материалов изоляционных про
межутков характеризуют изменение подвижности
если не основных, то довольно близких к ним ре
лаксирующих молекулярных групп и также явля
ются эффективными носителями своей части ин
формации о состоянии изоляционного промежутка
и всего ЭЭО в целом.
В представленном способе контроля состояния
ЭЭО [6] сделана попытка исключить потерю зна
чительного объема информации при оценке со
стояния состаренного оборудования путем измере
ния степени деформации всей графической зависи
мости коэффициента диэлектрических потерь в за
данном временном интервале, а не в отдельной ее
части.
При изучении спектров поляризационных то
ков, протекающих в объеме контролируемого изо
ляционного промежутка, было установлено, что
наличие разнородных по своим электрическим
свойствам материалов в нем приводит к появлению
ярко выраженной структурной поляризации деба
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
Опредeление состояния силового электроэнергетического оборудования
евского типа. В таком случае на зависимости
e¢¢(t ) = ti абс (t ) наблюдается один четко выраженный
максимум (рис. 1,а). В начальной стадии старения
такой изоляционной конструкции наблюдается за
метное изменение параметров материалов проме
жутка, что приводит к изменению не только значе
ния, но и положения релаксационного максимума
на графике. Однако это изменение не имеет четко
выраженной тенденции и не может быть положено
в основу оценки состояния. Напротив, при значи
тельном старении изоляционной системы в ее
твердой компоненте появляются микротрещины,
микрополости, разрывы целостности структуры,
которые проявляют себя как дополнительные эле
менты структурной поляризации, что выражается в
появлении дополнительного максимума на зависи
мости e¢¢(t ) (рис. 1,б). И если концентрация таких
вновь образованных элементов структурной поля
ризации становится значительной, то размеры и
положение второго максимума становятся домини
рующими (рис. 1,в,г), свидетельствуя о том, что со
33
стояние изоляционного промежутка является угро
жающе опасным и требуются срочная разработка и
реализация корректирующих мероприятий вплоть
до вывода из работы такого ЭЭО.
Выявленные физические закономерности по
зволили предложить новый способ определения со
стояния и ресурса эксплуатируемой изоляционной
конструкции. Суть его заключается в том, что экс
периментально измеренный спектр поляризацион
ного тока, представленный зависимостью e¢¢(t ), со
поставляется с некоторым семейством реперных
кривых, каждая из которых получена опытным пу
тем и отражает определенное состояние контроли
руемого промежутка и значение его ресурса (рис.
1,а—г).
Количественно оцененная степень близости
анализируемой зависимости к каждой из реперных
позволяет сформировать представление о состоя
нии контролируемого оборудования и значении его
остаточного ресурса. Семейство реперных кривых,
предварительно установленное экспериментально,
Приведенные значения i(t)
15
10
5
0
Приведенные
значения i(t)
15
10
5
0
100
200
300
Приведенные
значения i(t)
400 t, c
0
а)
400 t, c
200
б)
0,8
t, c
500
Приведенные
значения i(t)
15
10
5
200
400
Приведенные
значения i(t)
15
15
10
10
5
5
0
200
в)
400
t, c
Cоотношение параметров вектора Атр
0,803
0,791
0,757
0,697
0,7
0,6
1, а
1,г
1,в
1,б
Номера параметров вектора Атр
Рис. 1. Схема идентификации состояния и ресурса изоляции
0
200
г)
400
t, c
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
34
Опредeление состояния силового электроэнергетического оборудования
в данном случае играет роль системы отсчета (гра
дуировочная кривая), представленной в виде неко
торой шкалы баллов.
Описываемый способ оценки состояния изоля
ционного промежутка как последовательность тех
нологических операций реализуется следующим
образом.
1. Изоляционный промежуток, подлежащий
контролю, предварительно разряжается в течение
10 мин.
2. Измеряется зависимость сопротивления про
межутка от времени воздействия приложенного на
пряжения Rиз (t ) (рис. 2).
3. Полученная зависимость Rиз (t ) c помощью
соотношения
i абс (t ) =
R из max
R из (t )
-1
(2)
преобразуется в зависимость e¢¢(t ) = ti абс (t ) (рис. 3).
4. Устанавливается степень близости получен
ной зависимости e¢¢(t ) с каждой из реперных с
целью идентификации состояния изоляционного
промежутка.
Рассмотренная последовательность операций
реализуется с помощью приведенной ниже схемы
измерения (рис. 4). Для проведения идентифика
ции в блоке обработки каждая кривая из совокуп
ности реперных e¢¢(t ) реп задается 12 точками, оп
ределяющими ее положение в плоскости выбран
ных координат. Каждой точке в соответствии с ее
положением в данной плоскости координат при
сваивается коэффициент весомости ai , j . Массив
коэффициентов весомости точек, принадлежащих
совокупности реперных кривых, формируется в
виде матрицы весовых коэффициентов Mai , j :
a1,1 , a1, 2 ,
a2,1 , a2, 2 ,
Mai , j = a3,1 , a3, 2 ,
...,
...,
... ..., a1,n
... ..., a2,n
... ..., a3,n
... ..., ...,
ak,1 , ak, 2 , ... ..., ak,n
Измеренная зависимость e¢¢(t ) = ti абс (t ) для кон
тролируемого изоляционного промежутка пред
ставляется в виде вектора X (t ), который определяет
положение каждой точки e¢¢(t ) в плоскости тех же
самых координат. В результате вектор A j , пред
ставляющий собой произведение A j = Mai , j X (t ),
позволяет соотнести кривую X ( j) с каждой кривой
из семейства эталонных и тем самым идентифици
ровать состояние изоляционной системы контро
лируемого ЭЭО. Для экспериментальных результа
тов, приведенных на рис. 2 и 3, вектор A j опреде
ляется матрицей следующего вида:
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
Значение сопротивления, МОм
30000
20000
10000
0
1000
2000
3000
Время приложения напряжения, с
Рис. 2. Зависимость сопротивления участка изоляции от време
ни приложения напряжения
Значения tI(t), усл. ед.
10000
8000
6000
4000
2000
0
2
8
4
6
Время приложения напряжения, ln t
Рис. 3. Зависимость tI ( t ) от lnt для трансформатора
A1
Aтр =
A2
A3
A4
0,697
0,757
.
=
0,803
0,791
В рассматриваемом случае значение A1 отожде
ствляется с новой изоляционной системой; A2 — с
системой, бывшей в эксплуатации, но сохра
нившей свои эксплуатационные свойства; A3 — с
состаренной системой; A4 – с системой, находя
щейся в критическом состоянии. Соотношение па
раметров вектора A j в графическом виде представ
лено на рис. 5. Так как значения A3 и A4 близки,
то данная изоляционная система является не толь
ко состаренной, но и по своему состоянию при
ближается к критическому.
При реализации способа повышение достовер
ности оценки состояния и ресурса изоляционного
промежутка достигается благодаря тому, что на
опыте контролируется не только смещение релак
сационного максимума, но и уровень деформации
всего спектра диэлектрического поглощения, в со
ставе которого при определенном уровне старения
может появиться дополнительный релаксационный
максимум, значение которого при дальнейшем ста
рении начинает играть доминирующую роль в пол
ном спектре поглощения, представленного зависи
мостью e¢¢(t ) = tI (t ). Именно поэтому значение де
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
Опредeление состояния силового электроэнергетического оборудования
S1
Изоляционный
промежуток
S2
R(t)
V
Блок выбора рабочего
напряжения
35
Блок сравнения
с эталонным
сопротивлением R 0
Блок
регистрации
Блок обработки
результатов
Рис. 4. Принципиальная схема измерения
Атр
0,8
0,80
0,79
0,75
0,7
0,6
0
________________СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ _______________
0,69
1
2
щее время экспертной оценки состояния, основан
ной на опыте и интуиции эксперта.
4
3
Номера параметров вектора
Рис. 5. Соотношение параметров вектора Атр
формации всего спектра диэлектрического погло
щения, обусловленного протеканием поляризаци
онных токов в объеме контролируемого промежут
ка, действительно является интегральной характе
ристикой и не зависит от того, явилось ли старение
изоляции следствием ее нагрева при неизменной
нагрузке или следствием разовых или систематиче
ских перегревов.
Необходимо также отметить, что наиболее су
щественным моментом данного способа оценки
состояния является метод формирования семанти
ческой шкалы баллов (новая, бывшая в употребле
нии и т.д.).
Сформированная в статье шкала позволяет про
водить количественную оценку наших представле
ний о состоянии контролируемого объекта (выра
женная в числовом виде степень близости реаль
ной зависимости e¢¢(t ) к каждой реперной кривой).
Этим самым семантической шкале баллов удается
придать четыре шкалы отрезков или даже шкалы
отношений, обладающих не только свойствами ад
дитивности, но и мультипликативности. В резуль
тате «состояние» объекта можно рассматривать как
некоторую «физическую» величину, поддающуюся
надежному измерению, вместо имеющей в настоя
1. Degtyаrev S.A., Dolin A.P., Pershina N.F., Smekalov V.V.
Basic concepts of complex diagnostic inspection of transformers. –
Electra, 2003, №2.
2. Аксенов Ю.П., Голубев А.В., Джикидзе В.В., Пронин В.В.
Результаты диагностики трансформаторов тока ТФРН 330—750
кВ. Материалы VII симпозиума «Электротехника 2010» — М.:
Изд. ВЭИ, 2003.
3. Чернышев В.А., Зенова Е.В. Контроль качества изоляци
онных промежутков электротехнического оборудования при
эксплуатации. – Электричество, 2009, №6.
4. Роспатент №2044326. Способ определения состояния и
ресурса электрической установки/А.И. Таджибаев, В.А. Кани
скин, Б.И. Сажин и др. Опубликован 20.09.95.
5. Канискин В.А., Таджибаев А.И. Определение остаточного
ресурса силовых кабелей. – Новости электротехники, 2003, 2(20).
6. Пат. РФ № 2373456. Способ определения состояния и
ресурса изоляции/Е.В. Зенова, В.А. Чернышев, В.А. Чернов.
Опубликован 20.11.2009.
[24.05.10]
А в т о р ы : Чернышев Валентин Александрович
окончил в 1962 г. электромеханический факультет
Томского политехнического института. В 1989 г.
защитил докторскую диссертацию «Теоретические
основы работы и проектирования a ионизационных
преобразователей параметров газообразных сред» в
Московском энергетическом институте (МЭИ). Ве
дущий научный сотрудник Института нанотехноло
гий микроэлектроники РАН (ИНМЭ РАН). Профессор
кафедры электроэнергетических систем МЭИ (ТУ).
Зенова Елена Валентиновна окончила в 1989 г.
МЭИ. В 1996 г. в МЭИ защитила кандидатскую дис
сертацию «Основы разработки, конструирования и
расчета a ионизационного преобразователя давле
ния, работающего в области пониженных давлений».
Ведущий научный сотрудник ИНМЭ РАН. Доцент
кафедры полупроводниковой электроники МЭИ (ТУ).
Григорян Виктор Размикович окончил Высшее
специальное учебное заведение. Директор по науке
ЗАО Научнопроизводственное объединение «Серния»,
Москва.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Приближенный метод расчета максимальной температуры нагрева
металлического проводника импульсным током
БАРАНОВ М.И., НОСЕНКО М.А.
Используя термин переходное электрическое со
противление металлического проводника, изложен
аналитический метод приближенного расчета в неус
тановившемся режиме максимальной температуры
адиабатического нагрева изотропного материала
проводника произвольного поперечного сечения им
пульсным электрическим током с заданными ампли
тудновременными параметрами. Данный метод в
условиях отсутствия теплообмена между проводни
ком и окружающей средой и его горячими и холодны
ми слоями учитывает проявление в поперечном сече
нии проводника нестационарного линейного поверхно
стного эффекта. Метод позволяет оценивать теп
ловое состояние поверхностей проводника для различ
ных соотношений толщины термического или элек
трического скинслоев в нем и его поперечных разме
ров. Рекомендовано при выборе кратковременно на
греваемого объема проводника пользоваться толщи
ной электрического скинслоя и обусловленным ею по
перечным сечением проводника.
К л ю ч е в ы е с л о в а : металлический провод
ник, импульсный электрический ток, переходное
электрическое сопротивление, температура нагрева
В электротехнике и электроэнергетике [1], ра
диотехнике [2], технике и электрофизике высоких
напряжений [3], технике сильных импульсных
электрических (магнитных) полей и больших им
пульсных токов [4, 5], а также в силовой электро
нике и импульсной энергетике [6] при создании
общепромышленных электроэнергетических и ис
следовательских электроустановок электротехноло
гического и научного назначения широкое приме
нение нашли металлические проводники разнооб
разной конструкции (как с изоляцией, так и без
нее) и различного поперечного сечения, по кото
рым в аварийном (случаи КЗ и пробоя изоляции)
или штатном режимах работы кратковременно
протекают импульсные токи с различными ампли
тудновременными параметрами (АВП). Одной из
основных задач классического электротеплотехни
ческого подхода при расчете неустановившейся те
кущей или максимальной температуры джоулева
нагрева q пр (t ) по поперечному сечению как неод
нородного, так и однородного материала указан
ных проводников импульсными токами с извест
ными АВП является нахождение нестационарного
распределения плотности электрического тока
An analytical method for approximately determining
the maximal temperature to which the isotropic material
of a metal conductor with an arbitrary cross section is
heated by an impulse electric current with specified
amplitudeandtiming
parameters
under
unsteady
operating conditions is described using the term “transient
electrical impedance of a metal conductor”. The proposed
method takes into account the unsteady linear skin effect
under the conditions when there is no heat transfer
between the conductor and its surrounding medium, as
well as between its hot and cold layers. The use of the
method makes it possible to estimate the thermal state of
conductor surfaces for different ratios between the
thicknesses of thermal or electrical skin layers in it and its
transverse dimensions. It is recommended to use the
thickness of the electrical skin layer and the conductor’s
cross section stemming from this thickness in selecting the
conductor’s volume subjected to shortterm heating.
K e y w o r d s : metal conductor, impulse electric
current, transient electrical impedance, heating
temperature
d пр (t ) по их сечениям и далее удельной мощности
тепловых потерь в их материале [5, 7, 8]. Аналити
ческое или численное решение подобных полевых
прямых задач электродинамики, особенно для мас
сивных проводников сложной конфигурации (на
пример, плоской коллекторной ошиновки различ
ной формы, цилиндрических коаксиальных и оди
ночных токопроводов [8–10]), работающих в усло
виях резкого проявления в них нестационарного
поверхностного эффекта (ПЭ), на практике часто
встречает серьезные физикоматематические за
труднения.
Пренебрежение импульсным характером воз
действия тока проводимости на нестационарный
нагрев данных проводников приводит в переход
ном режиме, особенно на начальных участках тока,
к значительным погрешностям при определении их
максимальной температуры [8, 11, 12]. В [13, 14]
при анализе переходных электромагнитных про
цессов в электрических цепях с массивными метал
лическими токопроводами и импульсными токами
различных АВП в теорию электричества было вве
дено новое понятие переходного электрического
сопротивления Z пр (t ) металлического проводника.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
Приближенный метод расчета нагрева проводника
Величина Z пр (t ) учитывает особенности распреде
ления в неустановившемся режиме импульсного
электрического тока по поперечному сечению про
водника. А раз так, то величина Z пр (t ) определен
ным образом может быть использована при нахож
дении в переходном режиме максимальной темпе
ратуры нагрева q пр (t ) материала проводника с про
извольными размерами его поперечного сечения
при протекании по нему импульсного тока с задан
ными АВП. Поэтому в вышеуказанных областях
слабо и сильноточной техники актуальными оста
ются электро и теплофизические задачи, направ
ленные на облегчение усилий пользователя при
выполнении им расчетов, связанных с определени
ем в неустановившемся режиме как текущей, так и
максимальной температуры нагрева металлических
проводников различной геометрической формы и
поперечных сечений при протекании по ним им
пульсных токов с произвольными АВП.
Постановка задачи нагрева металлического про%
водника импульсным током. Рассмотрим размещен
ный в воздушном пространстве при нормальных
атмосферных условиях (давление воздуха составля
ет 1,013×105 Па, а его температура q0 = 0 °C [15]) не
магнитный изотропный прямолинейный металли
ческий проводник без изоляции длиной l пр с про
извольной формой одинакового вдоль длины попе
речного сечения S пр различного значения. При
мем, что по данному неподвижному проводнику
полным объемом V пр в продольном направлении
протекает импульсный ток проводимости i пр (t )
произвольных АВП, временная функция которого
удовлетворяет условию аналитичности Дирихле
[16] и начальному условию вида i пр (0) = 0. Считаем,
что достигаемая в рассматриваемом проводнике за
счет джоулева нагрева максимальная температура
q пр (t ) такова, что ее влиянием на электро и тепло
физические характеристики его материала и про
странственновременное распределение в нем
плотности тока d пр (t ) в рассматриваемом здесь
приближении можно пренебречь [4, 5].
Полагаем, что кратковременный нагрев мате
риала проводника импульсным электрическим то
ком i пр (t ) происходит в адиабатическом режиме,
при котором теплоотдачу в окружающую воздуш
ную среду и влияние теплопроводности материала
проводника на импульсный нагрев его наружных и
внутренних слоев можно не учитывать. Требуется с
учетом принятых допущений и использования по
нятия переходного электрического сопротивления
Z пр (t ) металлического проводника получить при
ближенное аналитическое решение электротепло
вой задачи для неустановившегося температурного
поля в материале исследуемого проводника, нагре
ваемого в условиях проявления в нем нестационар
37
ного линейного ПЭ импульсным электрическим
током i пр (t ) с заданными АВП и максимальной
температурой q пр (t ) его проводящих поверхностей.
Основные расчетные соотношения предлагаемого
электротеплотехнического подхода. Переходное элек
трическое сопротивление металлического проводни
ка. В соответствии с [13, 14] и известными положе
ниями теории линейных электрических цепей из
области теоретической электротехники [1] понятие
переходного электрического сопротивления Z пр (t )
металлического проводника определяется следую
щим соотношением:
Z пр (t ) =
U 1пр (t )
1i (t )
,
(1)
где U 1пр (t ) - падение электрического напряжения на
металлическом проводнике, испытывающем между
его противоположными краями воздействие еди
ничного ступенчатого импульса (ЕСИ) аксиального
тока вида 1i (t ) (единичной функции Хевисайда) [16,
17].
Заметим, что для указанного ЕСИ аксиального
тока выполняются следующие классические крае
вые условия [1, 16]:
ì0 для - ¥< t < 0,
1i (t ) = í
î1 для 0 £ t < ¥.
(2)
Из (1) и (2) следует, что переходное электриче
ское сопротивление Z пр (t ) металлического провод
ника численно равно падению импульсного элек
трического напряжения на нем при воздействии на
рассматриваемый проводник ЕСИ аксиального
тока 1i (t ). Приведем ниже аналитические соотно
шения для расчетного определения значения Z пр (t )
применительно к основным каноническим геомет
рическим конфигурациям металлических провод
ников, используемым в указанных выше областях
слабо и сильноточной импульсной техники.
Плоские прямоугольные проводники
д в у х п р о в о д н о й с и с т е м ы . Поперечное сечение
данной двухпроводной системы плоских проводни
ков, содержащей две идентичные изолированные и
параллельно размещенные на расстоянии d ш друг
от друга прямую 1 и обратную 2 токопроводящие
шины прямоугольного поперечного сечения S пр ,
имеющие толщину h ш , ширину bш и длину l пр с
равными и противоположно направленными им
пульсными продольными токами i пр (t ) произволь
ных АВП, приведено на рис. 1,а. Точками и кре
стиками на рис. 1,а показаны направления и зоны
протекания прямого и обратного одинаковых им
пульсных токов i пр (t ) в плоских проводниках пря
моугольного поперечного сечения. В [13, 14] было
показано, что в соответствии с (1) выражение для
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
38
Приближенный метод расчета нагрева проводника
1
hш
dш
2
bш
а)
1
2
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
ских проводников длиной l пр , состоящей из изоли
рованных друг от друга трубчатых внутреннего 1 и
наружного 2 прямолинейных проводников с соот
ветствующими внутренними a и d, а также внеш
ними b и c радиусами. Как и на рис. 1,а, точками и
крестиками на рис. 1,б показаны направления и
места встречного протекания в указанных коакси
альных проводниках двухпроводной системы иден
тичных импульсных аксиальных токов i пр (t ) произ
вольных АВП. С учетом результатов исследований
[13, 14] для переходного электрического сопротив
ления Z 2пр (t ) сплошного круглого уединенного или
внутреннего цилиндрического проводника иссле
дуемой коаксиальной системы (при a =0) можно
записать следующее расчетное соотношение:
b
a
Z 2пр (t ) =
c
d
б)
Рис. 1. Поперечные сечения двухпроводных конструкций про
водников: а – плоских прямоугольных (1, 2 – прямой и обрат
ный токопроводы) и б – коаксиальных круглых цилиндриче
ских (1, 2 – внутренний и наружный токопроводы)
переходного электрического сопротивления Z1пр (t )
каждого плоского прямоугольного проводника рас
сматриваемой двухпроводной системы имеет сле
дующий вид:
Z1пр (t ) =
l пр
hш bш g 1
´
é
æ p 2 k 2 t öù
¥
÷ú,
(3)
´ ê1 + 2 å (-1) k cos(pk)expç ç
÷ú
2
ê
m
g
h
k =1
0 1 ш øû
è
ë
где g1 – удельная электропроводность материала
плоского прямоугольного проводника; m 0 = 4p ×10 -7
Гн/м – магнитная постоянная [15]; k =1, 2, 3,...,¥ –
целочисленный ряд.
Из (3) видно, что в установившемся электро
магнитном режиме (t ® ¥) значение Z1пр (t ) для ка
ждой из токопроводящих шин согласно (3) стано
вится равным значению активного сопротивления
плоского прямоугольного проводника постоянному
аксиальному току проводимости.
Цилиндрические коаксиальные про
в о д н и к и д в у х п р о в о д н о й с и с т е м ы . На рис.
1,б приведено поперечное сечение двухпроводной
коаксиальной конструкции круглых цилиндриче
é ¥
æ
y 2t
k
ê1 + å expç ç
2
ê
ç m0g 2 b 2
pb g 2
k =1
êë
è
l пр
öù
÷ú
÷ú,
÷
øúû
(4)
где g 2 - удельная электропроводность материала
сплошного внутреннего цилиндрического провод
ника; y k - корни уравнения вида J1 ( y) = 0 [16]; J1 ( y)
– функция Бесселя первого рода первого порядка
[18].
Из (4) следует, что в предельном случае при
t ® ¥ (установившийся электромагнитный режим)
lim Z 2пр (t ) = l пр / pb 2 g 2 , т.е. переходное электри
t® ¥
ческое сопротивление Z 2пр (t ) указанного цилинд
рического проводника при t ® ¥ становится рав
ным активному сопротивлению сплошного цилин
дрического токопровода постоянному аксиальному
электрическому току.
Что касается трубчатого внутреннего круглого
цилиндрического проводника рассматриваемой ко
аксиальной двухпроводной системы токопроводов,
то для него переходное электрическое сопротивле
ние Z 3пр (t ) при g 3 = g 2 имеет следующий аналити
ческий вид [13, 14]:
Z 3пр (t ) =
где
a 2 l пр
pb 2 (a 2 -1)g 2
´
é
æ a 2l2 t ö L ù
¥
ç
-1
k ÷ k ú,
ê
(5)
´ 1 + S (a ) å expç ÷
1
ê
ç m 0 g 2 b 2 ÷ Pk ú
k =1
úû
êë
è
ø
a =b / a;
S1 (a) = a / (a 2 -1);
Lk = J1 (l k )N 0 (al k ) - J 0 (al k )N1 (l k );
lk Pk = J 0 (l k )N1 (al k ) - J1 (al k )N 0 (l k ) + aLk ;
корни уравнения вида J1 (l)N1 (al) - J1 (al)N1 (l) = 0
[19]; J 0 , N 0 , N1 - соответственно функции Бесселя
первого рода нулевого порядка, второго рода нуле
вого и первого порядков [18].
Из (4) и (5) явствует, что при a ® ¥ (случай
сплошного внутреннего цилиндрического провод
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
ника) lim Z 3пр (t ) = Z 2пр (t ), а
t® ¥
Приближенный метод расчета нагрева проводника
для предельного пе
рехода при t ® ¥ (случай установившегося электро
магнитного режима) переходное электрическое со
противление Z 3пр (t ) становится равным активному
сопротивлению внутреннего трубчатого цилиндри
ческого проводника постоянному аксиальному
электрическому току.
Для переходного электрического сопротивления
Z 4пр (t ) трубчатого наружного круглого цилиндри
ческого проводника указанной коаксиальной двух
проводной системы токопроводов будет справедли
во следующее расчетное выражение [13, 14]:
l пр
Z 4пр (t ) =
´
pd 2 (b 2 -1)g 4
é
æ
x 2 t ö÷ M ù
¥
ç
-1
k
k ú,
ê
(6)
´ 1 + S (b) å expç 2
2 ÷÷ T ú
ê
ç
m0g 4d
k =1
k
êë
è
ø
ûú
где g 4 - удельная электропроводность материала
трубчатого наружного цилиндрического проводни
ка;
b = c / d;
S 2 (b) =1 / (1 - b 2 );
M k = J 0 ( x k )N1 (b x k ) - J1 (b x k )N 0 ( x k );
Tk = b[J1 ( x k )N 0 (b x k ) - J 0 (b x k )N1 ( x k )] + M k ;
xk корни уравнения вида J1 ( x)N1 (b x) - J1 (b x)N1 ( x) = 0
[19].
Аналогично (5) переходное электрическое со
противление Z 4пр (t ) согласно (6) в установившемся
электромагнитном режиме (в предельном случае
при t ® ¥) равно значению активного сопротивле
ния трубчатого наружного круглого цилиндриче
ского токопровода двухпроводной коаксиальной
системы постоянному аксиальному электрическому
току.
Расчет максимальной температуры нагрева ме
таллического проводника импульсным током. Дан
ный расчет построим на определении максималь
ной величины тепловой энергии W пр , выделяю
щейся в металлическом проводнике на произволь
ном временном отрезке [0,t0 ] в условиях проявле
ния в его поперечном сечении нестационарного
ПЭ при продольном протекании по его однородно
му материалу импульсного электрического тока
i пр (t ) с заданными АВП. Величина t0 на временном
отрезке [0,t0 ] будет соответствовать длительности
электротеплового процесса, в течение которого
осуществляется импульсный джоулев нагрев мате
риала исследуемого проводника. С этой целью на
основе интеграла Дюамеля [1,16] первоначально
запишем выражение, определяющее максимальную
величину импульсного электрического напряжения
U пр (t ) на металлическом проводнике с переходным
электрическим сопротивлением Z пр (t ) и аксиаль
39
ным импульсным электрическим током i пр (t ), в
следующем виде:
t
di пр (t)
0
dt
U пр (t ) = i пр (0)Z пр (t ) + ò Z пр (t - t)
dt. (7)
Учитывая, что для воздействующего на метал
лический проводник импульсного тока выполняет
ся начальное условие i пр (0) = 0, с учетом (7) для вы
деляющейся в неустановившемся режиме на вре
менном отрезке [0, t0 ] в материале рассматриваемого
проводника максимальной величины тепловой
энергии W пр (t ) получаем:
t0
di пр (t) ù
ét
dt údt . (8)
W пр (t ) = ò i пр (t )êò Z пр (t - t)
dt
úû
êë0
0
Зная при известных значениях импульсного
тока i пр (t ) и переходного электрического сопротив
ления Z пр (t ) проводника по (8) максимальное зна
чение выделяемой в нем на временном отрезке
[0, t0 ] тепловой энергии W пр (t ), при принятых допу
щениях для максимальной температуры q пр (t )
кратковременного нагрева в воздухе рассматривае
мого металлического проводника с некоторым объ
*
емом V пр
его материала, через который протекает
соответствующим образом пространственно рас
пределенный в нем в нестационарном электромаг
нитном режиме импульсный ток i пр (t ), на его по
верхности с наибольшей плотностью тока находим:
* -1
q пр (t ) = (c0V пр
) ´
t0
di пр (t) ù
ét
(9)
dt údt + q 0 ,
´ ò i пр (t )êò Z пр (t - t)
dt
úû
êë0
0
где c0 - удельная теплоемкость, отнесенная к еди
нице объема материала проводника [5, 14].
При практическом применении формулы (9)
необходимо помнить, что, с одной стороны, для
массивного проводника с импульсным током i пр (t )
в переходном режиме определенная часть темпера
турного поля проводника локализуется в зоне его
поверхностного термического скинслоя толщиной
DT , которая может быть значительно меньшей по
перечных размеров проводника. Для импульсного
затухающего (незатухающего) гармонического тока
i пр (t ) толщина данного скинслоя может быть най
дена из следующего приближенного соотношения
[5, 8]: DT =(2 l0 / c0 w)1/ 2 , где l0 - коэффициент те
плопроводности материала проводника [15]; w –
круговая частота электрического тока в проводни
ке. С другой стороны, в металлическом проводнике
с удельной электропроводностью g 0 его материала
импульсный ток i пр (t ) главным образом протекает
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
40
Приближенный метод расчета нагрева проводника
по толщине D э электрического скинслоя, прибли
женно определяемой классическим соотношением
1/ 2
[1, 5]. В этой связи DT и D э бу
дут определять размеры кратковременно нагревае
мых импульсным током i пр (t ) участков поперечно
го сечения S пр массивного проводника длиной l пр
*
и соответственно значение объема V пр
из (9) его
D э =(2 / wm 0 g 0 )
материала, в которых может происходить основной
процесс импульсного джоулева тепловыделения.
На практике для инженера при оценке теплово
го действия на проводник импульсного тока i пр (t )
важно знать те расчетные выражения, которые сле
дует использовать в (9) при нахождении величины
*
кратковременно нагреваемого объема V пр
провод
ника. При этом ему приходится находить в нем по
перечные сечения импульсного тепловыделения,
определяемые
как
толщиной
термического
скинслоя DT , так и толщиной электрического
скинслоя D э и его полным сечением S пр . Поста
раемся ниже дать однозначные рекомендации по
выбору в рассматриваемом случае и при предлагае
мом для него расчете температуры q пр (t ) величины
*
нагреваемого объема V пр
проводника. Из (9) следу
ет, что для определения максимальной температу
ры q пр (t ) нагрева металлического проводника с за
данными электро и теплофизическими характери
стиками его материала и параметрами его геомет
*
рии (величинами c0 , l0 , g 0 , DT , D э , l пр , S пр и V пр
)
и известными АВП воздействующего на него им
пульсного тока i пр (t ) необходимо иметь лишь соот
ветствующие расчетные формулы для переходного
электрического сопротивления Z пр (t ) этого про
водника. В этой связи приведенные выше формулы
(3)–(6) для величины Z пр (t ) применительно к пло
ским и цилиндрическим проводникам оказываются
необходимыми для приближенной расчетной оцен
ки по (9) значений q пр (t ) в токоведущих частях с
плоской и кабельной двухпроводной ошиновкой
ряда мощных электрофизических установок с им
пульсными токами различных АВП [4, 5, 10, 14].
Пример расчета максимальной температуры на%
грева круглого цилиндрического проводника импульс%
ным аксиальным синусоидальным током. Рассмот
рим ниже простейший случай, характеризующийся
воздействием на немагнитный изотропный сплош
ной круглый прямолинейный без изоляции цилин
дрический проводник длиной l пр и наружным ра
диусом b импульсного аксиального незатухающего
гармонического тока i пр (t ), изменяющегося во вре
мени t по синусоидальному закону с круговой час
тотой w [1, 8]:
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
i пр (t ) = I m sin(wt ),
(10)
где I m - амплитуда импульсного электрического
тока в проводнике.
Проведем с учетом (10) на основе (9) расчетную
оценку значений температуры q пр (t ) рассматривае
мого проводника для двух вариантов определения
величины его кратковременно нагреваемого им
*
пульсным синусоидальным током объемом V пр
: а)
для тонкого проводника (DT ³ b и D э ³b) с нагре
ваемым сплошным цилиндрическим объемом, рав
ным pb 2 l пр ; б) для массивного проводника (DT << b
и D э <<b) с нагреваемым трубчатым цилиндриче
ским объемом, равным pb 2 [1 - (1 - DT / b) 2 ]l пр или
pb 2 [1 - (1 - D э / b) 2 ]l пр . Для первого варианта расче
та искомой температуры q пр (t ) после подстановки
(4) и (10) в (9) и выполнения элементарных преоб
разований для максимальной температуры нагрева
материала немагнитного тонкого (в электромагнит
ном смысле) круглого сплошного цилиндрического
проводника с импульсным аксиальным синусои
дальным током вида (10) в безразмерном виде по
лучаем:
t*
*
* 0
*
q пр1 (t ) = 8w ò sin(w* t * ) ´
0
ét *
ù
é ¥
ê
2 *
* ù
* *
*ú *
´ ò ê1 + å exp[- y (t - t )]ú cos(w t )dt dt + q 0* ,
ê
ú
k
û
úû
êë 0 ë k =1
(11)
где
q*пр1 (t * ) = q
(t * ) / q b ;
q*0 = q0 / q b ;
пр1
2
/ (8p 2 c0b 2 ) – базисная температура;
q b =m 0 I m
t * = t / t b ; t0* = t0 / t b ; t* = t / t b ; w* = wt b ; t b =m 0 g 2 b 2 –
базисное время.
Для второго варианта расчета максимальной
температуры q пр (t ) нагрева проводника с учетом
влияния на нее конечных толщины DT и D э его
скинслоев аналогично (11) для указанной темпе
ратуры нагрева в неустановившихся электромаг
нитном и электротепловом режимах немагнитного
массивного круглого сплошного цилиндрического
проводника импульсным аксиальным синусоидаль
ным током i пр (t ) по (10) в безразмерном виде соот
ветственно запишем:
q *пр2 (t * ) =
8w*
t 0*
* *
ò sin(w t ) ´
1 - (1 - D*T ) 2 0
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
Приближенный метод расчета нагрева проводника
ét *
ù
é ¥
ê
2 *
* ù
* *
*ú *
´ ò ê1+ å exp[- y (t - t )]ú cos(w t )dt dt + q 0* ,
ê
ú
k
û
úû
êë 0 ë k =1
(12)
q *пр3 (t * ) =
8w*
t 0*
* *
ò sin(w t ) ´
[1 - (1 - D*э ) 2 ] 0
ét *
ù
é ¥
ê
2 *
* ù
* *
*ú *
´ ò ê1 + å exp[- y (t - t )]ú cos(w t )dt dt + q *0 ,
ê
ú
k
û
úû
êë 0 ë k =1
(13)
где q*пр2 (t * ) = q
(t * ) / q b ; q*пр3 (t * ) = q
(t * ) / q b ;
пр2
пр3
D*T = D
T
/ b; D*э = D э / b.
Из (11)–(13) следует, что при D*T =1 или D*э =1
соотношения (12) и (13) для круглого проводника
переходят в (11), и в этом случае импульсное теп
ловыделение будет происходить по его всему попе
речному сечению S пр . Отметим, что расчетные
формулы (11)–(13) соответствуют электротеплотех
ническому подходу, характеризующемуся в отличие
от известных результатов расчета максимальной
температуры q пр (t ) нагрева наружной металличе
ской поверхности массивного немагнитного одно
родного проводника по формуле (10.85) из [4] (так
же при постоянстве удельной электропроводности
g 0 материала проводника и отсутствии теплообме
на между проводником и воздушной средой и его
горячими и холодными слоями) неустановившимся
характером температуры джоулева нагрева иссле
дуемого тонкого (D*T ³1 и D*э ³1) или массивного
(D*T <<1 и D*э <<1) проводника и учетом влияния на
нее степени проявления в проводнике нестацио
нарного линейного ПЭ. Из (12) и (13) видно, что
при одинаковых значениях b, g 0 = g 2 , c0 , l0 и I m ,
но разных w* (для разной степени проявления пе
реходного ПЭ в проводнике) и характерного для
массивных металлических проводников соотноше
ния D*T <<1 или D*э <<1, с увеличением круговой
частоты w импульсного синусоидального тока i пр (t )
согласно (10) и соответственно с уменьшением
толщины термического DT или электрического D э
скинслоев проводника по сравнению с тонким
цилиндрическим проводником, максимальная тем
пература нагрева которого q пр1 (t * ) описывается
расчетным соотношением (11), в рассматриваемом
приближении следует ожидать значительного воз
растания значений максимальных температур
41
q пр2 (t * ) и q пр3 (t * ) нестационарного нагрева наруж
ной металлической поверхности массивного круг
лого цилиндрического проводника.
Проведенный с помощью выражений (11)–(13)
и ПЭВМ численный эксперимент показал, что при
числе членов в их рядах, равном k =100, погреш
ность расчета q*пр1 (t * ), q*пр2 (t * ) и q*пр3 (t * ) сущест
венно меньше 1%. При k =10 данная погрешность
для принятого закона изменения импульсного тока
i пр (t ) и использования в силовых электрических
цепях массивных металлических проводников со
ставляет около 5%. На рис. 2,а приведена графиче
ская зависимость (кривая 2), иллюстрирующая в
неустановившемся режиме согласно (12) измене
ние во времени t * безразмерной максимальной
температуры q*пр2 (t * ) для наружной поверхности
массивного сплошного круглого медного провода,
эквивалентного круглой медной жиле крупногаба
ритного радиочастотного кабеля марки РК 753315
[5,20] (g 2 = 5,81×10 7 См/м; c0 = 3,92 ×106 Дж/(м3×°С);
l0 = 400 Дж/(м×с×°С); b = 2,5 ×10 3 м; t b = 456,31×10 -6 с;
D*T =0,01; k =100), по которому в соответствии с (10)
и кривой 1 протекает безразмерный высокочастот
ный импульсный аксиальный синусоидальный ток
*
(t * ) = i пр (t * ) / I m частотой 50 кГц (I m =100 ×10 3
i пр
А; w= 314 ×10 3 с–1; w* =143,3; q b = 6,496 °С). На рис.
2,б представлена временная зависимость макси
мальной температуры q*пр2 (t * ) для той же медной
жилы (кривая 2), испытывающей воздействие низ
кочастотного импульсного синусоидального тока
*
частотой 50 Гц аналогичной амплитуды (
i пр
I m =100 ×10 3 А; w=314 с–1; w* =0,1433; q b = 6,496 °С;
t b = 456,31×10 -6 с; D*T =0,322; k =100).
Из рис. 2,а видно, что в переходном режиме
джоулев нагрев высокочастотным синусоидальным
током медной жилы кабеля имеет нарастающий во
времени t * (от предыдущей полуволны к последую
щей полуволне тока) ступенчатый характер. К кон
цу первой полуволны (t * =0,022) принятого высоко
частотного импульсного тока i пр (t * ) безразмерная
температура наружной поверхности медной жилы
при q0 = 0 °С достигает q*пр2 (t * ) =16,0, что соответст
вует 103,9 °С (кривая 2 на рис. 2,а). Для того же
значения t * =0,022 (t =10 мкс) такая температура
этой жилы при протекании по ней в неустановив
шемся режиме указанного низкочастотного тока не
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
42
Приближенный метод расчета нагрева проводника
2
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
2
1
2
2
1
t
t
а)
2 x
x10 5
а)
2
x
x10 4
2
1
2
t
1
б)
Рис. 3. Временные зависимости температуры q*пр3 ( t* ) по фор
t
б)
Рис. 2. Временные зависимости температуры q*пр2( t* ) по фор
муле (12) для медной жилы кабеля РК 753315, нагреваемой в
переходном режиме высокочастотным (а) и низкочастотным
(б) импульсным синусоидальным током i*пр ( t* ) (1 – ток i*пр ; 2
– температура q*пр2)
превышает малого значения, составляющего
0,38×10–4 °С (кривая 2 на рис. 2,б).
На рис. 3,а кривой 2 представлен график изме
нения во времени t * в соответствии с формулой
(13) при k =100 безразмерной максимальной темпе
ратуры q*пр3 (t * ) для наружной поверхности массив
ной сплошной круглой медной жилы рассматри
ваемого кабеля, испытывающего в импульсном ре
жиме воздействие высокочастотного синусоидаль
ного тока (кривая 1) с использованными выше его
АВП (I m =100 кА; w= 314 ×10 3 с–1; w* =143,3;
q b = 6,496 °С; t b = 456,31×10 -6 с; D*э =0,118). В этом
случае температура нагрева медной жилы оказыва
ется практически на порядок меньше ее температу
ры, найденной по формуле (12). Точкой на рис. 3,а
муле (13) для медной жилы кабеля РК 753315, нагреваемой в
переходном режиме высокочастотным (а) и низкочастотным
(б) импульсным синусоидальным током i*пр ( t* ) (1 – ток i*пр ; 2
– температура q*пр3 )
отмечена температура q*пр3 (p / w* ) = p в установив
шемся режиме, найденная по известной формуле
(10.85) из [4] и достигаемая цилиндрической по
верхностью массивного медного проводника после
протекания по нему первой полуволны указанного
тока. Из рис. 3,а следует, что в переходном режиме
протекания по металлическому проводнику сину
соидального тока по сравнению с установившимся
режимом температура джоулева нагрева его прово
дящего материала на участке первой токовой полу
волны характеризуется существенно меньшими
значениями (при t * =0,022 это расхождение соглас
но формуле (13) и кривой 2 на рис. 3,а в 2 раза
больше). Такой результат для величины q*пр3 (p / w* )
хорошо коррелирует с результатами численного
расчета в нестационарном режиме максимальной
температуры нагрева массивных проводников
большими импульсными токами, получаемыми при
разряде мощных емкостных накопителей энергии
[8, 21].
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
Приближенный метод расчета нагрева проводника
При использовании (13) и протекании по ис
следуемой
медной
жиле
(b = 2,5 ×10 -3
м;
S пр =19,63 ×10 -6 м2) низкочастотного синусоидаль
ного тока i пр (t * ) частотой 50 Гц (I m =100 кА; w=314
с1;
w* =0,1433;
q b = 6,496°С;
t b = 456,31×10 -6 с;
D*э =1,0; k =100) значение температуры q*пр3 (t * ) ее
импульсного нагрева, как и в случае применения
расчетной формулы (12), согласно данным рис. 3,б
для t * =0,022 (t =10 мкс) незначительно: около
0,28×10–4 °С (кривая 2). К концу первой полуволны
такого аварийного переменного тока (при t * =21,93
или t =10 мс) в соответствии с (13) температура
(t * ) для рассматриваемой круглой медной
q
пр3
жилы при q0 = 0 °С достигает
примерно равного 570 °С (при
большого значения,
q*пр3 (p / w* ) =87,71).
На рис. 4 кривая 2 характеризует временную за
висимость в неустановившемся режиме безразмер
ной максимальной температуры q*пр1 (t * ) круглой
медной жилы радиочастотного кабеля марки
РК 753315, рассчитанную по (11) при k =100 и
импульсном воздействии на нее высокочастотного
синусоидального тока частотой 50 кГц (кривая 1) с
ранее упомянутыми АВП. Из этого рисунка видно,
что искомая температура q
пр1
(t * ) рассматриваемо
го токопровода, при расчете которой, а также зна
*
было учтено пол
чения нагреваемого объема V пр
ное поперечное сечение жилы S пр = pb 2 =19,63 мм2,
более чем в 4 раза меньшее значения аналогичной
2
1
температуры q
пр3
43
(t * ), найденного по (13) при ис
пользовании ее нагреваемого импульсным током
поперечного сечения, определенного на базе тол
щины D э электрического скинслоя (кривая 2 на
рис. 3,а). Так, к концу протекания в импульсном
режиме по данной круглой медной жиле первой
полуволны высокочастотного синусоидального
тока (I m =100 кА; w= 314 ×10 3 с–1; w* =143,3;
q b = 6,496 °С; t b = 456,31×10 -6 с; D*T =0,01; D*э =0,118)
ее безразмерная температура q*пр1 (t * ) при t * =0,022
(t =10 мкс) и q0 = 0 °С характеризуется незначитель
ным численным значением, составляющим около
0,34 (q
пр1
(p / w* ) = 2,2 °С).
Характер изменения для случая применения
расчетной формулы (11) безразмерной температуры
q*пр1 (t * ) = q*пр3 (t * ) в поперечном сечении S пр рас
сматриваемой медной жилы на начальном участке
первой четверти периода воздействующего на нее
низкочастотного синусоидального тока i пр (t * ) час
тотой 50 Гц (I m =100 кА; w=314 с–1; w* =0,1433;
q b = 6,496 °С; t b = 456,31×10 -6 с; D*э =1,0) иллюстриру
ет кривая 2 на рис. 3,б.
Из анализа представленных кривых на рис. 2–4
следует, что использование в предлагаемом соотно
шении (9) нагреваемого импульсным током i пр (t ) с
*
металлического про
различными АВП объема V пр
водника, выбираемого на основе площади его по
перечного сечения, определяемой толщиной DT
термического скинслоя (например по формуле
(12) для его цилиндрической формы), приводит к
существенно завышенным расчетным значениям
максимальной температуры нагрева q пр (t ) провод
ника в неустановившемся режиме. Выбор в (9) зна
*
чения нагреваемого объема V пр
, учитывающий
2
t
полную площадь поперечного сечения S пр провод
ника и проиллюстрированный формулой (11) для
его круглой конфигурации, обуславливает получе
ние существенно заниженных в импульсном режи
ме его нагрева расчетных данных для температуры
q пр (t ). Использование толщины D э электрического
скинслоя проводника при выборе значения его
*
импульсного джоулева тепловыделения,
объема V пр
Рис. 4. Временная зависимость температуры q*пр1( t* ) по форму
ле (11) для медной жилы кабеля РК 753315, нагреваемой в пе
реходном режиме высокочастотным импульсным синусоидаль
ным током i*пр ( t* ) (1—ток i*пр ; 2 – температура q*пр1)
характеризуемое с помощью формулы (13), являет
ся для предлагаемого метода расчета максимальной
температуры q пр (t ) нагрева проводника наиболее
целесообразным.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
44
Приближенный метод расчета нагрева проводника
Выводы. 1. Предложен приближенный метод
аналитического определения в неустановившемся
режиме максимальной температуры q пр (t ) адиаба
тического нагрева немагнитного однородного ме
таллического проводника произвольного попереч
ного сечения S пр импульсным электрическим то
ком i пр (t ) с заданными АВП, базирующийся на по
нятии переходного электрического сопротивления
Z пр (t ) проводника и учитывающий проявление не
стационарного линейного скинэффекта в провод
нике и импульсное джоулево тепловыделение как в
термическом или электрическом скинслое его ма
териала, так и в полном поперечном сечении про
водника.
2. Полученное для максимальной температуры
q пр (t ) указанного проводника расчетное соотноше
ние (9) позволяет в принятом приближении осуще
ствлять оперативную оценку теплового состояния
его металлических поверхностей на любом вре
менном участке протекания по нему импульсного
электрического тока i пр (t ) с произвольными АВП
как для случая тонкого проводника (толщина тер
или электрического D э скинслоя
больше его поперечных размеров), так и для случая
мического D
T
массивного
проводника
(толщина
D
T
и
Dэ
скинслоев меньше его поперечных размеров).
3. При приближенном расчете в нестационар
ном режиме максимальной температуры q пр (t )
кратковременного джоулева нагрева рассматривае
мого проводника с различными значениями его
поперечного сечения S пр по предлагаемому соот
ношению (9) для выбора в материале проводника
*
значения объема V пр
импульсного джоулева тепло
выделения от протекания по нему заданного им
пульсного электрического тока i пр (t ) рекомендует
ся использовать толщину D э его электрического
скинслоя и обусловленное ею значение кратко
временно нагреваемого поперечного сечения про
водника.
________________СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ _______________
1. Нейман Л.Р., Демирчян К.С. Теоретические основы элек
тротехники: Учебник для вузов. Т. 1.– Л.: Энергоиздат, 1981.
2. Мельник Ю.А., Стогов Г.В. Основы радиотехники и ра
диотехнические устройства.– М.: Советское радио, 1973.
3. Техника высоких напряжений/Под общей ред. Г.С. Ку
чинского.– СанктПетербург: Издво ПЭИПК, 1998.
4. Техника больших импульсных токов и магнитных по
лей/Под ред. В.С. Комелькова.– М.: Атомиздат, 1970.
5. Кнопфель Г. Сверхсильные импульсные магнитные
поля.– М.: Мир, 1972.
6. Месяц Г.А. Импульсная энергетика и электроника.– М.:
Наука, 2004.
7. Михайлов В.М. Импульсные электромагнитные поля.–
Харьков: Вища школа, 1979.
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
8. Баранов М.И. Избранные вопросы электрофизики: Мо
нография. Т. 2, кн. 2: Теория электрофизических эффектов и
задач.– Харьков: Издво НТУ «ХПИ», 2010.
9. Чальян К.М. Методы расчёта электромагнитных парамет
ров токопроводов.– М.: Энергоатомиздат, 1990.
10. Шнеерсон Г.А. Поля и переходные процессы в аппарату
ре сверхсильных токов.– Л.: Энергоиздат, 1981.
11. Михайлов В.М. Электромагнитные и тепловые процес
сы в проводниках при получении сильных импульсных магнит
ных полей. – Электричество, 1977, №5.
12. Баранов М.И., Бондина Н.Н. Нестационарные электро
магнитные и тепловые процессы в цилиндрических проводни
ках при воздействии на них тока молнии. – Электричество,
1992, №10.
13. Баранов М.И., Бондина Н.Н. Переходное сопротивление
массивных токопроводов высоковольтных электрофизических
установок для получения больших импульсных токов. — Елек
тротехніка і електромеханіка (Харьков), 2002, №1.
14. Баранов М.И. Избранные вопросы электрофизики: Мо
нография. Т. 2, кн. 1: Теория электрофизических эффектов и
задач.– Харьков: Издво НТУ «ХПИ», 2009.
15. Кухлинг Х. Справочник по физике/Пер. с нем. под ред.
Е.М. Лейкина.– М: Мир, 1982.
16. Анго А. Математика для электро и радиоинженеров/
Пер. с франц. под общ. ред. К.С. Шифрина.– М.: Наука, 1965.
17. Баранов М.И. Избранные вопросы электрофизики: Мо
нография. Т. 1: Электрофизика и выдающиеся физики мира.–
Харьков: Издво НТУ «ХПИ», 2008.
18. Янке Е., Эмде Ф., Леш Ф. Специальные функции/Пер. с
нем. под ред. Л.И. Седова. – М.: Наука, 1977.
19. Баранов М.И., Бондина Н.Н. О применении и числен
ном решении некоторых типов специальных уравнений в тео
рии расчета электротехнических устройств с импульсными
электромагнитными полями. — Теоретическая электротехника
(Львов), 1988, №44.
20. Белоруссов Н.И., Саакян А.Е., Яковлева А.И. Электри
ческие кабели, провода и шнуры: Справочник/Под ред. Н.И.
Белоруссова.– М.: Энергоатомиздат, 1988.
21. Баранов М.И., Бондина Н.Н., Бочаров В.А. Моделирова
ние нелинейной электротепловой задачи для цилиндрических
изотропных токопроводов электрофизических установок при
получении больших импульсных токов. — Технічна електроди
наміка (Киев), 1998, №4.
[16.09.10]
А в т о р ы : Баранов Михаил Иванович окончил в
1972 г. инженернофизический факультет Харьков
ского политехнического института (ныне НТУ
«ХПИ») по специальности «Инженерная электрофи
зика». В 1999 г. в НТУ «ХПИ» защитил докторскую
диссертацию «Переходные процессы при воздействии
больших импульсных токов и сильных импульсных
магнитных полей на проводящие объекты». Заведую
щий отделом электромагнитных испытаний Науч
ноисследовательского и проектноконструкторско
го института (НИПКИ) «Молния» НТУ «ХПИ»,
старший научный сотрудник, профессор НТУ «ХПИ».
Носенко Марина Александровна окончила в 1997 г.
физикотехнический факультет НТУ «ХПИ» по спе
циальности «Инженерная электрофизика» и в даль
нейшем аспирантуру при этом университете по спе
циальности «Техника сильных электрических и маг
нитных полей». Научный сотрудник отдела электро
магнитных испытаний НИПКИ «Молния» НТУ
«ХПИ».
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Анализ результатов воздействия шаровой молнии
на оконное стекло
НИКИТИН А.И., БЫЧКОВ В.Л., ВЕЛИЧКО А.М., НИКИТИНА Т.Ф., ЩЕЛКУНОВ Г.П.
Приведены результаты исследования стекла, в
котором образовалось отверстие в результате де
йствия шаровой молнии. Характер повреждений
стекла и выпавшего из отверстия диска может
быть объяснён тем, что они могли появиться из
за
быстрого нагрева стекла со стороны, противополож
ной той, где находилась молния, за которым последо
вало быстрое охлаждение стекла. В стёклах не обна
ружено признаков радиоактивности. С помощью рен
тгеновского спектрометра был исследован элемен
тный состав различных участков поверхности стек
ла. Содержание основных элементов, входящих в со
став стекла, – кислорода, кремния, натрия, магния,
калия и кальция – для контрольного образца и для
обеих сторон диска оказалось одинаковым. Однако
анализ кромки диска, на которой напряжение дос
тигло предела прочности стекла, показал, что в
этом месте поверхность стекла в 2 раза меньше со
держит кремния и в 1,4 раза больше кислорода.
К л ю ч е в ы е с л о в а : шаровая молния, отвер
стие в стекле, изменение элементного состава стек
ла
The results from a study of a glass in which a hole
appeared due to the effect of ball lightning are presented.
The nature of damage inflicted to the glass and to the disk
that fell out from the hole can be explained as follows.
These damages could occur as a result of rapid heating of
the glass on the side opposite to that on which the
lightning was, followed by rapid cooling of the glass. No
signs of radioactivity were found in the glasses. The
elemental composition of different parts of the glass
surface was studied using an X
ray spectrometer. The
content of oxygen, silicon, sodium, magnesium, potassium,
and calcium, which are the main elements used in the
glass composition, was found to be the same for the check
sample and for both sides of the disk. However, an
analysis of the disk edge the stress on which reached the
glass strength limit showed that the glass surface in this
location contained a factor of 2 less silicon and a factor of
1.4 more oxygen.
K e y w o r d s : ball lightning, hole in a glass,
change in the elemental composition of glass
Изза кратковременности существования шаро
вых молний и непредсказуемости времени и места
их появления единственным источником сведений
о их характеристиках являются описания свидете
лей события, редкие фотографии и следы воздейст
вия шаровой молнии (ШМ) на различные объекты.
Среди последних большую ценность представляют
результаты взаимодействия шаровых молний с
оконными стёклами. Как правило, ШМ при кон
такте со стеклом «вырезает» в нём круглое отвер
стие диаметром 5–8 см, однако имеются многочис
ленные сообщения и о том, что шаровая молния
проходила через стекло, не повреждая его. Многи
ми исследователями проводились попытки смоде
лировать действие ШМ, нагревая небольшой уча
сток стекла. Эти опыты позволили определить, что
для создания отверстия ШМ должна затратить на
нагрев стекла энергию не меньше нескольких ки
лоджоулей. Однако полной идентичности результа
тов указанного воздействия и результатов действия
ШМ так и не было достигнуто. Так же недостаточ
но понятым остаётся механизм «выбивания» из
стекла диска, как правило, имеющего острую
кромку. В настоящей статье сделан ещё один шаг в
исследовании свойств стекла, контактировавшего с
ШМ: впервые проведён элементный анализ его по
верхности. Обнаружено, что состав стекла заметно
изменился: на краю диска оно оказалось
обеднённым кремнием и обогащённым кислоро
дом. Полученный результат может помочь продви
нуться в понимании природы ШМ.
Описание события. 13 апреля 1994 г. в г. Щёлко
во Московской области (Россия) была солнечная
безветренная погода. Около 17 ч хозяйка одной из
квартир увидела боковым зрением яркую вспышку
в окне, после которой через 1,5–2 секунды она ус
лышала звон падающего стекла [1]. Она обнаружи
ла, что в стекле наружной рамы толщиной 3 мм
появилось круглое отверстие размерами около
8,2´7,6 см, а под ним между наружным и внутрен
ним стеклом лежал круглый диск, выпавший из от
верстия (см. рис. 1). Центр отверстия был распо
ложен в нижней части оконного стекла размерами
97´49 см на расстоянии 42 см от его нижнего края
и в 17 см от правого края. При этом внутреннее
стекло рамы осталось неповреждённым.
Следы воздействия ШМ на стекло. Характеристи
ки отверстия. Отверстие в стекле с внутренней
стороны окна (со стороны помещения) представля
ет собой овал, большая ось которого наклонена к
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
46
Анализ результатов воздействия шаровой молнии на оконное стекло
Рис. 1. Отверстие в стекле (справа) и диск, выпавший из отвер
стия (слева); размеры осей диска и отверстия 8,2 и 7,6 см
горизонту под углом 24°. Размер отверстия вдоль
этой оси 82,0 мм, размер в направлении, перпенди
кулярном большой оси, – 76,7 мм. На противопо
ложных краях отверстия, лежащих на большой оси
овала, имеются два трапециевидных скола длиной
10 мм и глубиной около 200 мкм. Размер основа
ния трапеции 10 мм, размер верхней части 6 мм.
На краях сколов (около оснований трапеций) име
ются концентрические дуги, центр которых распо
ложен примерно на краю отверстия. Левую часть
отверстия окаймляет серповидный ободок с макси
мальной шириной в центре 6 мм, представляющий
собой след отколотого тонкого слоя стекла, остав
шегося на краю выпавшего диска. Край отверстия
с внутренней стороны стекла скруглён, а стенка от
верстия по всей длине имеет гладкую зеркальную
поверхность. Это является свидетельством того,
что эта часть стекла испытала нагрев до температу
ры размягчения (около 600 °С). В противополож
ность этому край отверстия с наружной стороны
стекла (со стороны улицы) остался острым. Кроме
двух больших сколов (площадью около 1 см2) на
внутренней поверхности стекла имеется ещё 4–5
неглубоких сколов размером 3´3 мм, примыкаю
щих к краю отверстия. На наружной стороне стек
ла таких сколов нет. Здесь размеры отверстия
вдоль большой и малой осей овала равны, соответ
ственно, 80,5 и 74,7 мм. Это означает, что отвер
стие имеет форму усечённого конуса с основанием,
обращённым внутрь помещения. Угол при основа
нии конуса на большой оси равен 76°, а на перпен
дикулярной к ней оси – 72°.
Характеристики диска. Диск может быть хоро
шо вставлен в отверстие. Он представляет собой
усечённый конус с расширением со стороны внут
ренней поверхности стекла. Размеры осей основа
ния диска равны 82,0 и 76,7 мм, а размеры вдоль
осей его верхней грани равны, соответственно, 80,5
и 75,4 мм. Угол при основании конуса на большой
оси, как и у отверстия, равен 76°, а на малой оси
он увеличен до 78°, т.е. угол на малой оси больше
угла конусного отверстия. Это можно объяснить
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
тем, что размер внутренней части отверстия мог
увеличиться изза действия сил поверхностного на
тяжения на расплавленное стекло. Ребро диска
имеет гладкую зеркальную поверхность. К полови
не окружности внутренней поверхности диска при
мыкает острая клиновидная кромка толщиной око
ло 50 мкм и высотой от 2 до 6 мм, оторванная от
внутренней поверхности стекла рамы. На внешней
поверхности диска расположены круглые сколы
глубиной около 100 мкм, отстоящие от края диска
на 0,5–1 мм. Как отмечено выше, на наружной
стороне стекла с отверстием таких сколов нет. В
месте, где острая кромка имеет наибольшую высо
ту, на краю диска имеется большой скол примерно
круглой формы диаметром около 20 мм, на кото
ром зеркальную поверхность, ограниченную дугой
радиусом 10 мм, окаймляют волнистые дуги радиу
сом от 12 до 24 мм. Дуги имеют общий центр, на
ходящийся на краю диска. Скол расположен на
большой оси овала, наклонённой к горизонту под
углом 24°. Он соприкасается с описанным выше
сколом площадью около 1 см2, находящимся на
внутренней стороне стекла с отверстием. Центр дуг
скола на поверхности диска совпадает с центром
дуг на сколе стекла с отверстием. Через этот центр
также проходит окружность, на которой в диске
расположены две неразвившиеся трещины длиной
около 15 мм.
Анализ результатов воздействия шаровой молнии
на стекло. Общий анализ события. Хотя свидетель
ница события не видела процесса образования от
верстия в стекле, нет сомнений в том, что это от
верстие появилось именно изза воздействия на
стекло ШМ. Середина апреля в Европейской части
России – начало грозовой деятельности, а случаи
появления ШМ при ясной погоде – не такое уж
редкое явление [2–6]. Рассматриваемый случай
уникален тем, что в распоряжении исследователей
оказались как диск, так и стекло с отверстием, что
бывает довольно редко. Необычность изученных
образцов состоит в том, что как в стекле с отвер
стием, так и в выпавшем диске отсутствуют трещи
ны, идущие перпендикулярно контуру основной
кольцевой трещины. Такие трещины имелись в
большинстве образцов стёкол, подвергшихся воз
действию ШМ [7, 8], они также обычно возникают
при относительно медленном локальном нагреве
поверхности стекла или при ударе по нему твёрдо
го предмета [9–12]. Наличие гладкого края углово
го контура отверстия на внутренней стороне стекла
указывает на то, что стекло было нагрето до темпе
ратуры выше 600 °С. Заметим, что этот нагрев про
изошёл на стороне, противоположной той, которой
касалась ШМ. На наружной стороне стекла, где
находилась ШМ, нагрев стекла был менее значи
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
Анализ результатов воздействия шаровой молнии на оконное стекло
тельным (по крайней мере, температура была не
выше 600 °С).
При наличии на одной из сторон стекла источ
ника тепла, нагретого до температуры Т, скорость
изменения температуры на другой стороне стекла
толщиной Dх можно оценить по формуле:
DT l D æ DT ö
=
ç
÷.
Dt cr Dx è Dx ø
(1)
Здесь l – удельная теплопроводность материала; с
– его теплоёмкость; r – его плотность; DT – раз
ность температур на противоположных поверхнос
тях стекла.
Подставляя в формулу (1) значения l, c и r для
стекла: l =1,36 Вт/м×К, c =0,67×103 Дж/кг×К, r = 2,4×103
кг/м3 и DT = 700 К, получаем DT / Dt = 65,8 К/c.
К сожалению, для рассматриваемого случая нет
сведений о том, когда и как долго шёл нагрев стек
ла: или в течение какогото времени до момента
«вспышки» света или в течение двух секунд, про
шедших от момента вспышки до падения диска. В
аналогичном рассматриваемому случае, описанном
в [9], нагрев стекла ШМ происходил в течение 5 с,
после чего она ярко вспыхнула и исчезла. Поэтому
в качестве средней оценки примем, что ШМ нагре
вала стекло в течение 3 с (этот процесс женщиной
остался незамеченным), после чего она взорвалась,
образовав зародыш кольцевой трещины. Через 2 с
изза остывания стекла завершилось формирование
трещины и диск выпал из отверстия. За 3 с темпе
ратура наружной поверхности стекла не могла уве
личиться более чем на 200 К, т.е. она могла под
няться только до 210 °С. При наличии теплоотвода
от поверхности стекла (например оболочкой ШМ)
подъём температуры мог оказаться меньше 200 К.
Оценка по формуле (1) показывает, что за те же
3 с слой стекла, отстоящий от нагреваемой поверх
ности на 1,5 мм, мог успеть прогреться до темпера
туры плавления стекла. Найдём энергию, необхо
димую для этого нагрева. Для определения мини
мального значения этой энергии будем считать, что
происходит нагрев только кольцевой зоны стекла
размерами d 2 =1,5 ´ 1,5 мм2, лежащей на контуре от
верстия радиусом R =40 мм. Объём этого кольца
, ×10 -6 м3, а масса mc = 2,7 ×10 -3 кг.
V c = 2 pRd 2 =113
Умножив mc на удельную теплоёмкость стекла
c = 0,67 ×10 3 Дж/кг×К и на DT =600 K, находим
Q min = mc cDT =1085 Дж. Отсюда минимальная мощ
ность нагрева Pmin = Q min / 3c = 360 Вт. Если при
нять, что до температуры плавления на глубину
d =1,5 мм прогрелся весь поверхностный слой диска
радиусом 40 мм, получаем другую оценку значения
поглощённого тепла: Q max = pR 2 drcDT = 7,3 кДж и
47
Pmax =2,4 кВт. Полученные оценки согласуются с
результатами, полученными в опытах по локально
му нагреву стекла [9–11].
Коэффициент линейного расширения оконного
стекла равен a = 9 ×10 -6 К1 [13]. При нагреве внут
ренней поверхности стекла на DT =600 K диаметр
диска D =80 мм должен увеличиться по сравнению
с непрогретой частью диска (на наружной стороне
стекла) на величину Dl = aDDT = 0,43 мм. Примерно
такая же разница в размерах должна быть и в ко
ническом отверстии. Однако измеренное различие
диаметров отверстия с обеих сторон стекла оказа
лось несколько больше – 0,8–1 мм. Как уже гово
рилось выше, это могло произойти изза размягче
ния нагретого участка стекла и увеличения диамет
ра края отверстия изза действия сил поверхност
ного натяжения. Повидимому, это в какойто
мере способствовало снятию напряжений в стекле
и предотвращению развития радиальных трещин.
Изложенная выше схема процессов, происходя
щих при нагреве стекла, однако, не даёт ответов на
вопросы о механизме образования кольцевой тре
щины и причинах появления силы, вытолкнувшей
диск внутрь помещения. На действие этой силы
указывают сколы, расположенные вблизи окруж
ности диска. Эта сила была распределена по ок
ружности неравномерно: основной удар пришёлся
на точки диска, лежащие на большой оси овала. Об
этом свидетельствуют большие поверхностные ско
лы, расположенные на наружной поверхности дис
ка и на внутренней поверхности стекла с отверсти
ем. Ориентация осей сколов указывает на то, что
сила была приложена под острым углом к поверх
ности стекла, а центр её приложения находился на
краю диска. Как уже говорилось, размер зеркаль
ной поверхности большого скола на диске равен 10
мм. Это позволяет предположить, что значение
разрушающего напряжения было не меньше
Pds =0,5 Н/см2 [12]. Умножив Pds на площадь диска
S =50 см2, находим силу, вытолкнувшую диск:
Fd =25 Н. Вполне возможно, что трещина могла
возникнуть в результате быстрого охлаждения
кольцевого участка стекла изза испарения вещест
ва оболочки ШМ, а сила, вытолкнувшая диск из
отверстия, появилась благодаря импульсу отдачи
струй испарённого вещества. При этом, однако,
остаётся непонятной причина отрыва острой кром
ки от поверхности внутренней части стекла.
Исследование свойств поверхности стекла. Стек
лянный диск был проверен на радиоактивность с
помощью бытового дозиметра «Белла», регистри
рующего gизлучение в области энергий 0,05–1,25
МэВ. При проведении измерений дозиметр лежал
на поверхности стекла. Средняя мощность дозы
излучения составила (0,098±0,024) мкЗв/ч, а мощ
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
48
Анализ результатов воздействия шаровой молнии на оконное стекло
ность дозы излучения фона оказалась равной
(0,109±0,021) мкЗв/ч. Таким образом, можно ут
верждать, что в исследованном диапазоне энергий
gрадиоактивность стекла отсутствует.
Поверхность диска, а также контрольного об
разца, отрезанного от угла стекла с отверстием (от
стоящего от центра отверстия на 61 см), была ис
следована с помощью сканирующего электронного
микроскопа FEI «Quanta 200 3D» и рентгеновского
энергодисперсионного
спектрометра
EDAX
«Genesis 2000». На изображениях поверхности, по
лученных при увеличении 200´, 400´ и 800´ были
видны царапины шириной 2–4 мкм, удалённые
друг от друга на расстояние 20–50 мкм. Число ца
рапин на единице площади контрольного образца,
а также внутренней и внешней поверхности диска
оказалось примерно одинаковым.
При исследовании элементного состава тех же
образцов стёкол они облучались пучком электро
нов с энергией 30 кэВ и регистрировалось рентге
новское излучение. В табл. 1 приведены значения
содержания элементов в приповерхностном слое
стекла толщиной 1 – 3 мкм для контрольного об
разца и центральных частей внешней и внутренней
поверхности диска. Можно видеть, что процентное
содержание атомов элементов во всех исследован
ных участках поверхности примерно одинаково, а
отношение атомных содержаний основных компо
нентов стекла – кислорода и кремния – [O]/[Si] =
1,72.
Таблица 1
Элемент Атомное содержание элементов в образцах стекла
(в числителе) и ошибка измерения
(в знаменателе), %
Контрольный
образец
Внешняя
сторона диска
Внутренняя
сторона диска
C
/
2,41/34,71
4,03/12,81
O
53,09/1,19
51,79/1,22
52,12/0,66
Na
8,36/1,69
8,63/1,67
8,87/0,91
Mg
2,55/2,97
2,42/3,14
2,29/1,78
Al
0,76/5,28
0,69/5,92
0,67/3,47
Si
31,67/0,50
30,50/0,52
28,83/0,29
S
0,16/18,13
0,25/12,88
0,11/14,23
Cl
0,13/18,23
0,13/18,78
0,08/15,81
K
0,23/8,62
0,21/9,71
0,20/5,48
Ca
3,05/1,40
2,97/1,44
2,73/0,82
Fe
/
0,07/12,04
Однако результаты исследования поверхности
края диска, особенно его острой кромки, оказались
неожиданными. Эта кромка, по всей вероятности,
испытала на себе удар ШМ и могла сохранить на
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
себе следы воздействия её вещества. На рис. 2 по
казана фотография кромки диска, примыкающей к
сколу на его крае (с увеличением 37´). В табл. 2
приведены значения содержания элементов в зоне
А, находящейся на расстоянии 0,3 мм от края стек
ла ( она отмечена крестом), и в зоне В, смещённой
вниз относительно зоны А на 2 мм (расположенной
на краю уступа).
Таблица 2
Рис. 2. Фотография края диска; увеличение 37´
Элемент
Атомное содержание (%) элементов в
поверхностном слое следующих зон стекла
(рис. 2—4)
A
B
C
D
E
O
68,66
71,25
61,50
54,84
59,51
F
0,92
1,07
0,19
0,26
0,37
Na
8,76
8,57
8,75
10,54
8,93
Mg
2,15
2,14
2,41
2,52
2,48
Al
0,67
0,53
0,52
0,71
0,57
Si
17,91
15,86
24,44
28,46
25,89
Cl
0,16
0,12
0,09
K
0,16
0,16
0,12
Ca
0,92
0,58
1,86
2,39
1,97
Fe
0,08
На рис. 3 показан участок зеркальной поверх
ности скола на диске, а в табл. 2 указан элемент
ный состав поверхности зоны С, смещённой к
центру диска на 1,5 мм относительно зоны В, и
зоны D, смещённой к центру диска относительно С
ещё на 3 мм.
И, наконец, на рис. 4 показан снимок (с увели
чением 39´) зоны Е скола с радиальными дугами, а
в последнем столбце табл. 2 приведены значения
процентного содержания элементов в этом участке
поверхности стекла.
Сравнивая данные табл. 1 и 2, можно заметить,
что по мере смещения области анализа от центра
диска к его краю (в направлении от Е к А) в стекле
практически не меняется содержание натрия (оно
сохраняется на уровне среднего значения около
9%), не меняется содержание магния (среднее зна
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
Анализ результатов воздействия шаровой молнии на оконное стекло
Рис. 3. Фотография зеркальной поверхности
скола; увеличение 37´
49
Рис. 4. Фотография области диска с концентри
ческими дугами; увеличение 39´
чение 2,4%) и алюминия (среднее 0,6%). Однако
при этом происходит заметное уменьшение про
центного содержания кальция (от 3 до 0,6%) и
кремния (от 30,5 до 15,9%), а содержание кислоро
да увеличивается от «нормы» 52 до 71%.
Наблюдаемые изменения элементного состава
исследованных участков поверхности стекла, кото
рые подверглись удару ШМ, не могут быть объяс
нены неточностью измерений, скорее всего, они
обязаны своим появлением какимто физикохи
мическим процессам. Как мы видим, в приповерх
ностном слое стекла наиболее сильно изменяются
концентрации кремния (он как бы «уходит» из
стекла) и кислорода (он как бы «имплантируется» в
состав стекла). Не исключена возможность, что это
могло произойти изза реакции окиси кремния с
водой на горячей поверхности стекла. В исходном
стекле (см. табл. 1) отношение концентраций ато
мов кислорода и кремния равно 1,73±0,05. Это
можно объяснить тем, что в нём находится смесь
модификаций Si2O3 ([O]/[Si] = 1,5) и SiO2 ([O]/[Si]
= 2). В изменённом стекле (см. табл. 2, зоны А и В)
отношение [O]/[Si] = 4,16±0,33, что можно опи
сать химической формулой SiO4. Схемы химиче
ских реакций, приводящих к образованию SiO4,
можно представить как
Si 2 O 3 + H 2 O ® SiH4 + SiO 4 ;
(2)
SiO 2 + H 2 O ® SiH4 + SiO 4 .
(3)
Появляющийся в этой реакции газообразный
силан SiH4 испаряется, а «переокислённый» крем
ний SiO4 остаётся внутри стекла. Вода, участвую
щая в реакции, может находиться в виде плёнки на
поверхности стекла либо содержаться в самой ша
ровой молнии. Вполне возможно, что в ходе реак
ций (2) и (3) образуются и другие соединения, в
состав которых входят атомы водорода и радикалы
гидроксила ОН. Не исключена возможность обра
зования SiO4 и в реакциях:
Si 2 O 3 ® SiO + SiO 4 ;
(4)
SiO 2 ® SiO + SiO 4 .
(5)
Образующаяся в этих реакциях газообразная
окись кремния удаляется из стекла. Однако упру
гость паров SiO достигает значений нескольких тор
лишь при температуре выше 1700 °С. Маловероят
но, что стекло было нагрето ШМ до таких высоких
температур.
Оптический спектр пропускания центральной
части диска в области длины волн от 400 до 1000 нм
не отличается от спектра пропускания контрольно
го образца стекла (при толщине обоих образцов 3
мм). Одинаковым для двух стёкол оказался и вид
рассеяния луча гелийнеонового лазера, что указы
вает на то, что контакт стекла с ШМ не привёл к
появлению в нём неоднородностей размером боль
ше 1 мкм.
Заключение. Анализ образцов стекла, находив
шихся в контакте с шаровой молнией, подтвердил
основные выводы, сделанные ранее на основе ана
лиза других стёкол [10, 11], а также позволил обна
ружить их новые свойства.
1. Образование кольцевой трещины в стекле
было вызвано быстрым (в течение нескольких се
кунд) нагревом участка поверхности стекла до тем
пературы размягчения, за которым последовало
быстрое охлаждение стекла со стороны, противо
положной той, на которой находился источник
тепла.
2. Минимальное значение энергии, необходи
мое для нагрева поверхностного слоя стекла до
температуры размягчения составляет от 1 до 7 кДж,
а мощность источника тепла должна быть не менее
0,4–2,4 кВт.
3. Нагрев стекла происходил на стороне, проти
воположной той, на которой находилась шаровая
молния. Это означает, что передача энергии от
ШМ к источнику тепла сквозь стекло происходила
практически без потерь. Вероятнее всего, энергия
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
50
Анализ результатов воздействия шаровой молнии на оконное стекло
передавалась в виде электромагнитного излучения
на длинах волн в «окнах» прозрачности стекла
(400–600 нм, 1–10 см) [14].
4. Наиболее вероятно, что источником нагрева
поверхности стекла служила плазма, возникающая
под действием высокочастотного разряда в воздухе
[10, 11]. Генератором, поддерживающим горение
разряда, не могли быть постоянный ток или высо
кочастотное излучение коронного разряда (изза
небольшой мощности). Источник высокочастотно
го радиоизлучения, скорее всего, находился внутри
шаровой молнии, а его мощность могла
значительно увеличиться во время её гибели.
5. Отсутствие следов радиоактивности в иссле
дованных образцах стекла указывает на то, что в
составе вещества шаровой молнии не могло быть
радиоактивных элементов с периодом полураспада
более 10 лет.
6. Наличие в кромке диска только элементов,
типичных для состава стекла, означает, что в со
став вещества шаровой молнии не могли входить
такие элементы как углерод, медь, цинк и железо.
7. Изменение содержания кремния и кислорода
в поверхностном слое скола диска может быть свя
зано с реакцией материала стекла с водой, которая
может входить в состав оболочки шаровой молнии.
Авторы благодарят за проведение элементного
анализа образцов стёкол А.Л. Васильева, С.Н. Хаха
нова, Н.В. Швындину и Н.А. Архарову.
________________СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ _______________
1. Щелкунов Г.П. Шаровая молния: наблюдение и анализ
следов. – Наука и жизнь, 2001, № 10.
2. Сингер С. Природа шаровой молнии. – М.: Мир, 1973.
3. Барри Дж. Шаровая молния и чёточная молния. – М.:
Мир, 1983.
4. Стаханов И.П. О физической природе шаровой молнии.
– М.: Энергоатомиздат, 1985.
5. Stenhoff M. Ball lightning. An unsolved problem in
atmospheric physics. – N.Y.: Kluwer/Plenum, 1999.
6. Григорьев А.И. Шаровая молния. – Ярославль: Издво
ЯрГУ, 2006.
7. Имянитов И., Тихий Д. За гранью законов науки. – М.:
Атомиздат, 1980.
8. Turner D.J. The interaction of ball lightning with glass
window panes. – J. Meteorol., 1997, vol. 22, № 216.
9. Колосовский О.А. Исследование следа шаровой молнии
на оконном стекле. – ЖТФ, 1981, т. 51, вып. 4.
10. Nikitin A.I., Bychkov V.L., Nikitina T.F., Velichko A.M.
Modeling of ball lightning interaction with window panes. – Proc.
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
8th Intern. Symp. on Ball Lightning (ISBL04), Chungli (Taiwan),
2004.
11. Никитин А.И., Бычков В.Л., Никитина Т.Ф., Величко
А.М. Моделирование взаимодействия шаровой молнии с окон
ными стёклами. – Хим. физика, 2006, т. 25, № 4.
12. Солнцев С.С., Морозов Е.М. Разрушение стекла. – М.:
Издво ЛКИ, 2008.
13. Физические величины. Справочник/Под ред. И.С. Гри
горьева, Е.З. Мейлихова. – М.: Энергоатомиздат, 1991.
14. Машкович М.Д. Электрические свойства неорганичес
ких диэлектриков в диапазоне СВЧ. – М.: Советское радио,
1969.
[21.06.10]
А в т о р ы : Никитин Анатолий Ильич окончил в
1961 г. физический факультет Московского госуда
рственного университета (МГУ). В 1989 г. защитил
докторскую диссертацию «Индуцированное излуче
ние и химические реакции при неравновесном колеба
тельном возбуждении молекул» в Научно
исследова
тельском физико
химическом институте им.
Л.Я. Карпова. Главный научный сотрудник Институ
та энергетических проблем химической физики РАН.
Бычков Владимир Львович окончил в 1973 г. фи
зико
математический факультет Российского уни
верситета дружбы народов. В 2000 г. защитил док
торскую диссертацию «Теплофизические процессы в
ионизированных газах, созданных электронными пуч
ками, и несамостоятельных газовых разрядах» в
Московском государственном областном универси
тете. Ведущий научный сотрудник физического
факультета МГУ.
Величко Александр Михайлович окончил в 1982 г.
Московский
физико
технический
институт
(МФТИ). В 1987 г. защитил кандидатскую диссер
тацию «Вторичные химические и фотохимические
процессы при лазерном разделении изотопов углерода»
в МФТИ. Старший научный сотрудник Института
энергетических проблем химической физики РАН.
Никитина Тамара Фёдоровна окончила в 1961 г.
физический факультет МГУ. В 1968 г. защитила
кандидатскую диссертацию «Исследование инжек
ционных полупроводниковых квантовых генераторов
из GaAs, работающих при комнатной температуре»
в Физическом институте АН СССР им. П.Н. Лебеде
ва. Старший научный сотрудник Института энерге
тических проблем химической физики РАН.
Щелкунов Геннадий Петрович окончил в 1957 г.
радиотехнический факультет МФТИ. Ведущий науч
ный сотрудник ЗАО «НПП «Гамма» в г. Фрязино Мос
ковской области.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сообщения
Свойства точек экстремума на зависимости электрического
сопротивления проводника от толщины покрытия на высокой
частоте
МОРОЗОВ В.А.
Рассмотрена зависимость активного электриче
ского сопротивления проводника от толщины покры
тия на высокой частоте, на которой выявлено не
сколько точек экстремума. Показано, что точки
экстремума соответствуют толщине покрытия,
кратной четверти длины электромагнитной волны в
материале покрытия, причем экстремумы с нечет
ными числами кратности являются минимумами, а с
четными – максимумами, если коэффициент отра
жения электрического поля от границы «покры
тие–проводник» положителен. Если коэффициент
отражения отрицателен, то экстремумы с нечетны
ми числами кратности являются максимумами, а с
четными – минимумами.
К л ю ч е в ы е с л о в а : скинэффект, провод
ник, покрытие, электрическое сопротивление, высо
кая частота, электромагнитная волна, точка экс
тремума
The dependence of a conductor’s electrical resistance
at high frequency on the thickness of its coating is
analyzed, which is found to have a few extreme points. It
is shown that the extreme points correspond to the
thickness of coating multiple of the quarter length of
electromagnetic wave in the coating material. The
extremes corresponding to odd multiple values are
minimums and those with even multiple values are
maximums if the electric field reflection ratio from the
coatingconductor boundary is positive. If the reflection
ratio is negative, the extremes with odd multiplicity
numbers are maximums and those with even numbers are
minimums.
K e y w o r d s : conductor, coating, electrical
resistance, skin effect, high frequency, electromagnetic
wave, extreme point
В [1] приведены результаты исследования ак
тивного электрического сопротивления проводни
ка (АЭСП) с покрытием на высокой частоте (ВЧ).
Было выявлено, что зависимость сопротивления
проводника от толщины покрытия имеет точку
экстремума при толщине покрытия z1ext » pd1 / 2,
где d1 – глубина скинслоя покрытия. Причем, яв
ляется ли экстремум максимумом или минимумом,
определяется электромагнитными свойствами ма
териалов проводника и покрытия. В этой же пуб
ликации приводятся графики зависимости АЭСП
на частоте 13,56 МГц от толщины покрытия для
проводника из меди, покрытого серебром, а также
проводника из серебра, покрытого медью, которые
имеют по две точки экстремума. В известной мо
нографии К. Шимони [2] также приведены графи
ки АЭСП от толщины покрытия, на которых име
ются две точки экстремума, причем они соответст
вуют толщине покрытия 1,5d1 и 3,0d1 . Обратим
внимание на то, что в [1, 2] не раскрыта физиче
ская сущность процессов, приводящих к появле
нию экстремумов. Цель настоящей статьи – устра
нение этого пробела.
Напомним, что в [1] предложена модель, опи
сывающая поглощение энергии покрытым провод
ником при равномерном распределении тока по
периметру его поперечного сечения (плоского, ши
рина которого много больше толщины, цилиндри
ческого и трубчатого, для которых соответственно
толщина, диаметр и толщина стенки много больше
глубины скинслоя материала проводника d 2 ). В
соответствии с моделью передача энергии произво
дится электромагнитным полем. Направление пе
редачи определяется проводниками, задающими
граничные условия по полю. Часть передаваемой
энергии проникает в покрытие проводника из ок
ружающего проводник пространства. В покрытии
распространяется затухающая электромагнитная
волна, представляющая собой суперпозицию па
дающей и отраженной от границы покрытие–про
водник волн, а в проводнике – затухающая волна,
прошедшая через эту границу. Отсюда можно
предположить, что экстремумы на зависимости
АЭСП от толщины покрытия z1 существуют вслед
ствие отражения электромагнитной волны от гра
ницы покрытие–проводник. Действительно, в [1]
получено выражение, описывающее удельное по
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
52
Свойства точек экстремума
верхностное сопротивление (УПС) проводника с
coat
покрытием на ВЧ Rss
, численный анализ которо
го показал следующее: практически всегда сущест
вует экстремальное значение z1ext для АЭСП при
изменении толщины покрытия. Причем минимум
отмечается при выполнении условия
r 2 m r 2 > r1m r1
(1)
r 2 m r 2 < r1m r1 ,
(2)
и максимум, если
и экстремума нет, если
r 2 m r 2 = r1m r1 ,
(3)
где r – удельное электрическое сопротивление ма
териала; m r – относительная магнитная проницае
мость материала; 1 и 2 – индексы, определяющие
отношение параметров к материалам покрытия и
проводника соответственно.
В этой же статье дано выражение для коэффи
циента отражения k r электрического поля от гра
ницы покрытие–проводник:
kr =
r 2 m r 2 - r1m r1
r 2 m r 2 + r1m r1
.
(4)
Обратим внимание, что с учетом формулы (4),
выражений (1)–(3) точка экстремума является ми
нимумом, если k r >1, максимумом, если k r <1, и
экстремума нет, если k r =0.
Исследуем АЭСП с покрытием на экстремум
учитывая, что его сопротивление зависит от z1
coat
только по параметру Rss
[1]. Выражение для
УПС проводника с покрытием выглядит так [3]:
coat
Rss
=
ìï
æ 2 z öö
æ 2 z öé æ
r1 í1 + expç - 1 ÷êkr2 ç1 - expç - 1 ÷ ÷ +
ç d ÷÷
ç d ÷ê ç
1 øë è
1 øø
è
è
îï
ìï
æ 2 z öù üï
æ 2 z öé
æ 2z ö
d1 í1 + expç - 1 ÷êkr2 expç - 1 ÷ - 2 kr cosç 1 ÷ú ý
ç d ÷
ç d ÷
ç d ÷
ïî
1 øêë
1 ø
è 1 øúû ïþ
è
è
æ 2 z ö r d (1 + kr )2 ù üï
-1ú ý
+2 kr sinç 1 ÷ + 1 2
ç d ÷
r2 d1
úû ï
è 1 ø
þ,
®
®
(5)
где
d=
2r
,
m 0m r w
(6)
m 0 – магнитная постоянная; w – угловая частота
колебаний электромагнитного поля.
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
На рис. 1 и 2 показаны рассчитанные по фор
мулам (4)–(6) на частоте 13,56 МГц1 зависимости
coat
coat
и dRss
/ dz1 от z1 . Материалы покрытия и
Rss
проводника – серебро (r =1,59 ×10 -2 Ом·мкм, m r =1
[4, 5]) и медь (r =1,67 ×10 -2 Ом·мкм, m r =1 [4, 5]). На
рис. 1 каждая из кривых 1 и 2 в рассматриваемом
интервале изменения z1 имеет по две точки экстре
мума. Для проводника из меди, покрытого сереб
ром (кривая 1), точки экстремума соответствуют
покрытию
толщиной
мкм
и
z1 min » 27,1
z1 max » 54,1 мкм, а для проводника из серебра, по
крытого медью (кривая 2), – z1 max » 27,7 мкм и
z1 min » 55,5 мкм. Как и следовало ожидать, эти же
значения толщины покрытия соответствуют равен
coat
ству нулю производной Rss
по z1 (рис. 2), а тол
щина покрытия, соответствующая точке экстрему
ма, кратна pd1 / 2. Это следует из того, что на час
тоте 13,56 МГц глубина скинслоя серебра, опреде
ленная по выражению (6), равна 17,23 мкм, а
pd1 / 2 » 27,1 мкм и pd1 » 54,1 мкм. Аналогичная за
висимость наблюдается и для меди (d1 » 17,66 мкм,
pd1 / 2 » 27,7 мкм и pd1 » 55,5 мкм). «…Заметим, что
coat
не является экс
точка z1 = 0 для зависимости Rss
тремальной, так как для нее не выполняется усло
вие существования экстремума» [6, с. 43].
Покажем, что точки экстремума на зависимости
АЭСП от толщины покрытия соответствуют тол
щине, кратной pd1 / 2 не только на частоте
13,56 МГц, но и на любой другой. Отметим, что
периодичность точек экстремума на кривой УПС
объясняется присутствием в формуле (5) функций
синуса и косинуса. Действительно, если для их ар
гумента выполняется условие 2z1 / d1 = np, где n –
æ 2z ö
положительное целое число, то sinç 1 ÷ = 0, а
ç d ÷
è 1 ø
æ 2z ö
cosç 1 ÷ =1. Отсюда следует, что экстремальная
ç d ÷
è 1 ø
толщина покрытия
z1ext = npd1 / 2.
(7)
Заметим, что функция cos(2 z1 / d1 ) для z1 = z1ext
имеет точки экстремума, поэтому в соответствии с
(5) неравенство k r cos(np) <0 определяет номера
экстремумов n (чисел кратности), являющихся точ
ками минимума, а k r cos(np) >0 – номера экстрему
мов, являющихся максимумами. Например, для
проводника из меди, покрытого серебром, значе
ние k r >0, поэтому все четные экстремумы на зави
1 Широко применяемая частота в промышленности, научных
исследованиях и медицине.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
Свойства точек экстремума
53
coat
Рис. 1. Расчетные зависимости удельного поверхностного сопротивления Rss
от тол
щины покрытия z1 на частоте 13,56 МГц: 1 – медный проводник, покрытие – сереб
ро; 2 – серебряный проводник, покрытие – медь
coat
симости Rss
от z1 – максимумы, а нечетные –
минимумы (см. кривую 1 на рис. 1).
Точек экстремума на кривой зависимости
АЭСП от z1 много. Однако с практической точки
зрения интересен первый экстремум, так как он
соответствует небольшой толщине покрытия, а
экстремумы более высокого порядка выражены
coat
d R ss
/d z1.106,
Ом/мкм
z1 max
2
z1 min
z1ext = nl 1 / 4.
1
2
0
1
-1
-2
слабо и быстро вырождаются изза уменьшения
доли энергии электромагнитной волны, перераспре
деляемой на границе покрытие–проводник с увели
чением толщины покрытия. Таким образом, с уве
личением значения z1 точки экстремума колеблются
около горизонтальной асимптоты, определяемой
УПС материала покрытия, приближаясь к ней.
Экстремальную толщину покрытия можно оп
ределить через длину электромагнитной волны в
покрытии. Длина волны в металле определяется по
формуле l =2 pd [7]. Таким образом, как следует из
(7), экстремальная толщина покрытия кратна одной
четвертой длины волны в материале покрытия, т.е.
z1 min
0
10
20
30
z1 max
40
50
60
z1, мкм
coat
Рис. 2. Расчетные зависимости dRss
/ dz1 от толщины покры
тия z1 на частоте 13,56 МГц: 1 – медный проводник, покрытие
– серебро; 2 – серебряный проводник, покрытие – медь
(8)
В соответствии с (7) и (8) экстремальная толщи
на покрытия зависит только от электромагнитных
свойств материала покрытия, частоты колебаний
электромагнитного поля и номера экстремума, но
не зависит от свойств материала проводника.
В то же время, подставляя в (5) вместо z1 значе
ние z1ext по (7), приходим к выражению, описы
вающему УПС проводника с покрытием в точках
экстремума,
ì
r1 í1 + exp(- np) ´
î
coat
®
R ss
ext =
d1 {1 + exp(- np) ´
é
r d (1 + k r ) 2 ù üï
´ êk r2 (1 - exp(- np)) + 1 2
- 1ú ý
r 2 d1
ê
úï
ë
ûþ
,
®
´[k r2 exp(- np) - 2 k r cos(np)]}
(9)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
54
Свойства точек экстремума
из которого вытекает, что экстремальные значения
УПС, а значит и АЭСП, определяются электромаг
нитными свойствами материалов покрытия и про
водника, частотой колебаний электромагнитного
поля и номером экстремума.
Представленный выше результат можно исполь
зовать для исследования удельного электрического
сопротивления металлов на ВЧ. Действительно,
если в уравнение (7) подставить (6) и решить полу
ченное выражение относительно r1 , то получим
r1 =
2
æz
ö
m 0m r1wç 1ext ÷ .
ç n ÷
p2
è
ø
2
Отсюда следует, что удельное электрическое со
противление материала покрытия можно опреде
лить по известной магнитной проницаемости m r1 ,
угловой частоте колебаний электромагнитного
поля w, экстремальной толщине покрытия z1ext и
номеру экстремума n.
Результаты этой работы применимы для опти
мизации покрытых проводников, используемых на
одной или нескольких частотах. Оптимизация про
водится как для улучшения, так и для ухудшения
АЭСП на ВЧ или СВЧ. Алгоритм оптимизации
следующий:
1. Составляется перечень материалов, предна
значенных для изготовления проводника.
2. Для каждого материала проводника подбира
ются покрытия, улучшающие (k r >0, n =1) или ухуд
шающие (k r <0, n =1) АЭСП с покрытием.
3. Для каждого возможного сочетания материа
лов проводника и покрытия по формулам (4), (6) и
(9) рассчитывается УПС в точках экстремума.
4. Выбирается сочетание материалов, для кото
рого УПС в точке экстремума имеет наименьшее
или наибольшее значение.
5. По выражению (7) определяется экстремаль
ная толщина покрытия.
6. Периметр поперечного сечения проводника
рассчитывается в соответствии с методикой, приве
денной в статье [3], с учетом экстремального зна
чения УПС.
Оптимизация покрытых проводников, исполь
зуемых на нескольких частотах, проводится по
наименьшей частоте. Оптимизация проводников,
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
используемых для одновременной передачи не
скольких гармонических сигналов или периодиче
ских негармонических сигналов, осуществляется
исследованием на экстремум функции, описываю
щей омические потери в покрытом проводнике по
z1 , и в настоящей статье не рассматривается.
Выводы. 1. Точки экстремума на зависимости
активного электрического сопротивления от толщи
ны покрытия на ВЧ существуют изза перераспреде
ления потерь энергии и тока между покрытием и
проводником вследствие отражения электромагнит
ной волны от границы покрытие–проводник.
2. Точки экстремума соответствуют покрытию,
толщина которого кратна одной четвертой длины
электромагнитной волны в материале покрытия.
3. Тип экстремума (минимум или максимум)
определяется знаком коэффициента отражения
электрического поля от границы покрытие–про
водник и номером экстремума.
________________СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ _______________
1. Морозов В.А., Михеев Г.М. Исследование активного со
противления проводника с покрытием на высокой частоте. –
Электротехника, 2004, № 3.
2. Шимони К. Теоретическая электротехника/Пер. с нем.
под ред. К.М. Поливанова. – М.: Мир, 1964.
3. Морозов В.А., Михеев Г.М. Простой расчет поперечного
сечения электрического провода на низких и высоких частотах.
– Электротехника, 2005, № 4.
4. Материалы в приборостроении и автоматике: Справоч
ник/Под ред. Ю.М. Пятина. – М.: Машиностроение, 1982.
5. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементар
ной физике. – М.: Наука, 1980.
6. Егерев В.К., Радунский Б.А., Тальский Д.А. Методика по
строения графиков функций. – М.: Высшая школа, 1970.
7. Пейн Г. Физика колебаний и волн/Пер. с англ. – М.:
Мир, 1979.
[24.06.10]
А в т о р : Морозов Виктор Александрович окончил
приборостроительный факультет Ижевского меха
нического института в 1979 г. В 2007 г. защитил
кандидатскую диссертацию «Высокочастотные на
грузочные системы для емкостного возбуждения
плазмы» в Удмуртском государственном университе
те. Начальник конструкторского бюро отдела «Ана
литические приборы и комплексы» ОАО «Ижевский
электромеханический завод «Купол».
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Энергетическая установка электромобиля
КУРБАСОВ А.С., КУРБАСОВ М.Б.
Обсуждается возможность создания электромо
биля, в котором в качестве энергетической установ
ки, питающей асинхронный тяговый двигатель, ис
пользуется магнитогидродинамический генератор,
работающий на природном газе.
К л ю ч е в ы е с л о в а : асинхронный двигатель,
электромобиль, магнитогидродинамический генера
тор, природный газ
The possibility of constructing an electric vehicle in
which a magnetohydrodynamic generator operating on
natural gas is used as an installation supplying power to
an induction traction motor is discussed.
K e y w o r d s : electric vehicle, magnetohydro
dynamic generator, natural gas
Известно, что главным загрязнителем атмосфе
ры крупных городов являются автомобили, несмот
ря на ужесточение требований к качеству бензина
и выхлопным устройствам. Принципиальное и ос
новное решение проблемы – использование элек
тромобилей, колеса которых приводятся во враще
ние асинхронным тяговым двигателем, питаемым
от аккумулятора. Однако громоздкая аккумулятор
ная батарея при сравнительно малой энергоемко
сти не обеспечивает длительной работы автомоби
ля, требует частых подзарядок или смены аккуму
лятора. Этим снижается практическая полезность
электромобиля: при высокой цене – низкая произ
водительность, неудобство для городского автохо
зяйства.
Трудности разработки электромобилей на базе
аккумуляторных батарей представлены в [1], где
как наиболее приемлемые названы никельжелез
ные аккумуляторы, имеющие удельную энергию
примерно 0,04 кВт×ч/кг. Для городского микроав
тобуса при средней мощности 40 кВт такая батарея
будет слишком тяжелой, не говоря о необходимо
сти частых подзарядок. В последние годы за рубе
жом начали применять литийионные батареи по
вышенной удельной энергоемкости, но изза их
дороговизны спрос на такие электромобили остает
ся малым.
Как альтернатива рассматривается промежуточ
ный вариант между электромобилем и автомоби
лем на базисном топливе. Это автомобили, рабо
тающие на природном газе, выхлопы которых со
держат значительно меньше вредных для окружаю
щей среды веществ. В США принята программа
стимулирования применения газа на автомобилях,
под которую выделено 15 млрд долл. [2].
Идея масштабного развития газомоторного пар
ка поддерживается и в России [3, 4], учитывая
большие запасы газа. Опытными исследованиями,
ведущимися на базе КАМАЗа, установлено, что
токсичные выбросы становятся значительно мень
ше норм Евро4 и это уменьшение по элементам
составляет: NMYC–1,9 раз, СН4 – 3,2 раза, СО –
200 раз, NOx – 1,6 раз [4]. Природный газ можно
использовать как в баллонах, сжатым до высоких
давлений, так и в сжиженном виде. Последний ва
риант предпочтительнее и широко используется, в
том числе в быту. У сжиженного природного газа,
накаченного в бытовой баллон при давлении 10–20
атм, энергосодержание составляет примерно
120000 кДж/кг. Баллон вмещает 25–30 кг сжижен
ного газа, такой энергии достаточно для суточной
работы микроавтобуса «Газель» или «Соболь». Пре
имущества таких машин по эксплуатационным по
казателям в сравнении с электромобилем на акку
муляторной батарее очевидны. Однако привод
электромобиля с асинхронным двигателем – реше
ние более современное, чем с двигателем внутрен
него сгорания.
Уместен вопрос: нельзя ли газобаллонное уст
ройство сочетать с электрическим приводом колес?
Такая принципиальная возможность появляется,
если газовый баллон как источник тепловой энер
гии совмещать с магнитогидродинамическим
(МГД) генератором, обеспечивающим питание
асинхронного двигателя для привода колес. Про
блема создания МГДгенераторов для силовой
энергетики 30–40 лет назад рассматривалась как
важнейшая государственная задача и у нас, и в
других странах. Однако пока не создано ни одного
промышленного МГДгенератора, хотя работы
продолжаются. Освещение исследований опытных
МГДгенераторов дано в [5], в которой, кстати,
академиками В.А. Кириллиным и А.И. Шейдли
ным отмечено, что несомненный интерес МГДге
нераторы будут представлять для транспортных
средств, что и вдохновило авторов настоящей ста
тьи на попытку подтвердить это мнение. Некото
рый опыт применения МГДгенераторов имеется в
виде импульсных источников для геологоразвед
ки [6].
Прежде всего отметим некоторые качественные
преимущества МГДгенератора в сравнении с дви
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
56
Энергетическая установка электромобиля
гателем внутреннего сгорания (ДВС). В обоих агре
гатах присутствуют камеры сгорания, где энергия
топлива преобразуется в механическую энергию
движения газа, сообщающего перемещение порш
ней в ДВС, или обеспечивающую создание ЭДС в
МГДгенераторе. Объем камер сгорания автомо
бильных ДВС составляет обычно 2–4 л при массе
двигателей 300–800 кг. Эффективность МГДгене
ратора и ДВС определяется такими параметрами
канала с газом, как температура, давление и ско
рость перемещения газа. Если принять температуру
и давление одинаковыми для обоих вариантов, то
скорость перемещения газа у МГДгенератора мо
жет быть в сотню раз выше, чем у ДВС. В этом су
щественное преимущество МГДгенераторов перед
ДВС, у которых значение указанной скорости, ог
раниченное инерционной массой поршневого ме
ханизма и связанных с ним узлов, составляет
6–10 м/с.
На рис. 1 дана блоксхема предлагаемой конст
рукции электромобиля: I – баллон с газом; II –
МГДгенератор; III – преобразователь постоянного
тока в переменный с изменяющимися напряжени
ем, частотой и амплитудой, необходимый для пи
тания асинхронного двигателя и как орган, задаю
щий режим работы электромобиля; IV – тяговый
двигатель.
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
создания магнитного потока. К стенкам каналов
прилегают элементы конструкции 3, которые могут
быть заполнены магнитопроводящим порошком.
Для защиты обмоток возбуждения от высокой тем
пературы ионизированного газа предусмотрены те
плоизолирующие перегородки 4. Магнитный поток
должен быть замкнутым, поэтому целесообразны
ферромагнитные накладки 5, обеспечивающие
снижение МДС для создания индукции В в кана
лах. Ионизированный газ при повышенных давле
нии и скорости поступает в узкое сечение каналов
через боковые отверстия, расположенные по оси
АА. При индукции В и движении газа со скоростью
V в проводнике – ионизированном газе – создает
ся ЭДС E = B ´ V .
Продвижению ионизированного газа от мень
4
5
II
N
B
V
A
A
V
B
1
B
IV
–
S
1
B
S
III
3
B
+
I
2
B
3
N
4
5
Рис. 1. Блоксхема энергетической установки электромобиля
2
В МГДгенераторах формирование электромаг
нитных сил Fк и ЭДС Ек определяется произведе
ниями пространственных векторов:
E = B ´ V ; F к = fi к ,
где В – индукция магнитного потока, создаваемого
полюсной системой; V – скорость движения иони
зированного газа; i к – ток канала в зоне магнитно
го поля.
Обычно МГДгенераторы имеют одноканаль
ную конструкцию. Однако в [7, 8] показано, что
эффективность МГДгенератора увеличивается,
если число каналов больше двух, что и принято в
настоящей статье.
Далее эскизно намечены элементы конструкции
МГДгенератора для электромобиля и пояснены
происходящие в нем процессы. Эскиз поперечного
разреза МГДгенератора дан на рис. 2. Имеются
два канала 1, выполненные в виде расширяющихся
сопел относительно оси АА. По обеим сторонам ка
налов расположены обмотки возбуждения 2 для
Рис. 2. Эскиз поперечного разреза МГДгенератора
шего сечения канала к большему препятствует сила
Fк = B ´ i. Электромагнитная мощность в МГДгене
раторе пропорциональна произведению Е и Fк .
Расчет МГДгенератора сложен, поскольку ка
нал выполнен в виде суживающегося сопла с не
равномерным распределением индукции, скорости
движения ионизирующего газа неодинаковы, кро
ме того, необходимо учесть ряд побочных явлений,
характерных для машин такого рода.
Выполним поверочный расчет машины. Наме
чая размеры ее элементов, исходим из заданной
мощности 40 кВт, средних значений индукции в
каналах и скорости перемещения по ним ионизи
рованного газа. При таких условиях вычислим
ЭДС и токи в каналах, предварительно задав его
размеры: высота 0,3 м, средняя ширина 0,08 м, по
перечная длина 0,6 м. Далее выполним расчет по
люсной системы и потерь в ней, затем определим
ЭДС и токи ионизированного газа, а также потери
в каналах.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
Энергетическая установка электромобиля
Расчет полюсной системы. МДС в воздушном
зазоре одного полюса Fd =0,8Bc d106 А. Примем
среднюю индукцию Bc =0,4 Тл, зазор 0,04 м, тогда
F d = 0,8 × 0,4 × 0,04 ×106 А.
Ввиду низкого значения индукции МДС ферро
магнитных участков можно не учитывать. Примем
ток полюсов 100 А, тогда число витков на полюс
12,8 ×10 3 / 100 =128.
Принимая плотность тока 5 А/мм2, получаем
сечение q =100 / 5 = 20 мм2. Длина одного витка
Lв = 2(0,3 + 0,6) =1,8 м (здесь 0,6 м – поперечная дли
на канала). Длина всех витков катушки
Lк =1,8 ×128 = 230,4 м. Сопротивление катушки
Rк = rLк / q =1 / 57 × 230 / 20 = 0,2 Ом. Потери в катуш
ке DPк = L2к Rк =100 2 × 0,2 = 2000 Вт = 2 кВт. Потери в
полюсной системе 2 × 4 = 8 кВт. При большом зазоре
потери значительны, но приемлемы.
Расчет ЭДС, токов и потерь в канале. ЭДС и
токи в канале направлены тангенциально по отноше
нию к оси АА, длина канала в этом направлении
Lк =0,6 м, тогда ЭДС составит E = Bc LкV к . Принимая
Bc =0,4 Тл и V к =1000 м/с, получаем 0,4 × 0,6 ×1000 = 240
В; каналы соединены последовательно, поэтому
2 E = 480 В. При мощности установки 40 кВт ток ка
нала 40000/480=83,3 А. Для расчета электрических
потерь необходимо знать омическое сопротивление
ионизированного газа. По данным [6], удельная
проводимость ионизированного газа составляет 45
Ом1×м1, тогда при длине канала 0,6 м получим
проводимость 45 × 0,6 = 27 Ом1 или сопротивление
канала rк =1 / 27 = 0,037 Ом. Электрические потери в
двух каналах составят I к2 rк = 83,3 2 × 0,037 = 257 Вт.
Столь малые омические потери объясняются
тем, что сечение канала значительно при его малой
длине и небольшом токе. КПД электрической час
ти
энергетической
установки
составит
h э = 40 / (40 + 8 + 0,26) = 0,828. Термический КПД теп
ловой машины зависит от разности температур ио
низированного газа на входе в канал и выходе из
него. Примем его значение равным 0,4, учитывая,
что по циклу Карно он не может быть больше 0,5,
тогда обобщенный КПД энергетической установки
электромобиля составит h c = h эh т = 0,828 × 0,4 = 0,33.
КПД электромобиля с аккумуляторной батареей
может быть выше, но незначительно, так как суще
ственно внутреннее сопротивление батареи, а тяго
воэксплуатационные показатели такой машины
несовершенны.
Вычислим продолжительность хода газового
электромобиля на одном баллоне сжиженной
смеси бутанметан. В баллон при давлении 16 атм
57
закачивается до 30 кг газа. Энергоемкость одного
килограмма такого газа составляет 120000 кДж/кг
[9],
тогда
энергоемкость
баллона
будет
120000×30=3,6×109 кДж. При мощности 40 кВт и 8 ч
непрерывной работы микроэлектромобиля суточ
ный расход энергии составит 40 × 8 = 320 кВт×ч или
1,15×109 Дж. С учетом полного КПД энергетической
установки расход газа должен увеличиться до зна
чения 1,15/0,33=3,49×109 кДж. Следовательно, од
ного баллона газа вполне достаточно для суточной
работы электромобиля.
Таким образом, по объему и массе генератор
ной установки газовый вариант электромобиля
предпочтительней установки на базе аккумулятора
и может найти применение не только на микроав
тобусах, но и на грузовых автомобилях, в том числе
большегрузных самосвалах, где электрический при
вод – единственно приемлемый.
В статье представлен на обсуждение эскизный ва
риант решения острой экологической проблемы, ко
торая нуждается в детальной тщательной переработке
с привлечением заинтересованных организаций.
________________СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ _______________
1. Электромобиль. Техника и экономика/Под ред. В.А. Ще
тина. – Л.: Машиностроение, 1987.
2. Балабаева И., Васильев В. Шире внедрять газобаллонную
технику на автомобильном транспорте. – Автомобильная про
мышленность, 2010, № 2.
3. Пронин Е. Развитие газомоторного рынка России. –
Транспорт РФ, 2006, № 4.
4. Балабаева И. Альтернативное топливо и системы приво
дов для легких грузовиков. – Автомобильная промышленность,
2009, № 9.
5. Магнитогидродинамический метод получения электро
энергии/Под ред. В.А. Кирилина, А.Е. Шейдлина. – М.: Энер
гия, 1971.
6. Велихов Е.П., Волков Ю.М. Перспективы развития
МГДэнергетики и ее применение в геологии и геофизике. –
М.: Мир, 1981.
7. Патент № 2346378 (РФ). Электрическая машина ради
ального движения/А.С. Курбасов.
8. Курбасов А.С. Электрические машины с радиальным пе
редвижением подвижной тяги. – Электричество, 2009, № 1.
9. Куликов В.Т., Покалюк А.И. Топливо и масла. – М.:
МИИТ, 1969.
[30.05.10]
Авторы: Курбасов Александр Севостьянович окон
чил в 1951 г. Московский электромеханический ин
ститут железнодорожного транспорта по специаль
ности электромеханик. Защитил докторскую дис
сертацию в 1967 г. Почетный профессор Московского
государственного университета путей сообщения
(МГУПС).
Курбасов Михаил Борисович окончил МГУПС в
2009 г. по специальности математикпрограммист.
Сотрудник фирмы ООО «Неткрекер».
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вопросы трансформаторостроения на 43й сессии
СИГРЭ
(22—27 августа 2010 г., Париж)
ЛОХАНИН А.К.
На церемонии открытия сессии с основным
докладом «Инициативы и перспективы развития
энергетики для обеспечения низкой эмиссии углеро
да/Initiatives and perspectives by the power industry
towards a low carbon emission society» выступил пред
седатель совета директоров компании «Kansai
Electric Power Electric Company Inc.» Шосуке Мори
(Shosuke Mori).
В докладе отмечалось, что для решения задачи
уменьшения эмиссии углерода на 25% по сравне
нию с уровнем 1990 г. (эту задачу ставит перед со
бой Япония) при увеличении объема потребляемой
энергии1 необходимо изменить концепцию разви
тия энергетики. При этом электроэнергетика здесь
играет фундаментальную роль.
В настоящее время в Японии принята концеп
ция развития энергетики «Три Е» – Energy security,
Economy and Environmental protection / Энергети
ческая безопасность, экономичность и защита ок
ружающей среды.
Для реализации этой концепции необходимо
расширить электрификацию во всех отраслях хо
зяйственной деятельности, увеличить долю эколо
гически чистых генерирующих станций, таких как
атомные станции и станции на возобновляемых
источниках энергии (солнечные, ветряные).
При этом необходимо будет повысить эффек
тивность атомных станций и теплостанций (в част
ности за счет применения котлов с ультрасупер
критическими параметрами пара), расширить при
менение газотурбинных установок и быстрорегу
лируемых источников энергии (аккумулирующие
электростанции, накопители).
К 2020 г. в Японии намечено установить сол
нечные батареи на суммарную мощность 28 ГВт,
что обеспечит 15% требуемой мощности. Однако
при отсутствии пиковых нагрузок возникает про
блема «избыточной мощности», поскольку атом
ные станции и речные гидростанции работают в
базисном режиме. Одно из решений – создание
быстро регулируемых гидроаккумулирующих сис
тем и накопителей энергии. Возможно также вве
сти ограничение (в определенные дни) на исполь
зование солнечной и ветряной энергии.
1 На период 2005–2030 гг. планируется удвоение потребления
электроэнергии в мире.
Все это приведёт к новой концепции создания
энергетической сети — так называемой «умной
сети» (smart grid).
«Умная сеть» включает в себя не только тради
ционное понимание обеспечения баланса генера
ции и потребления электроэнергии с помощью
системного оператора, но и новый подход к управ
лению возобновляемыми источниками энергии и
накопителями на базе современных информацион
ных и телекоммуникационных технологий.
Реализация программы «умная сеть» потребует
привлечения новых интеллектуальных сил. Для
подготовки необходимого числа инженеровэлек
троэнергетиков в 2008 г. в Японии и была основана
«Академия энергетики».
На заседании дискуссионной группы исследо
вательского комитета А2 «Трансформаторы» было
представлено 29 докладов по трем предпочтитель
ным темам:
нарушения работы трансформаторов при их
эксплуатации;
срок службы трансформаторов;
моделирование трансформаторов.
П о п е р в о й т е м е было представлено семь док
ладов. Большинство из них посвящены проблеме
пожаров в трансформаторах, мерам по повышению
прочности бака и средствам по снижению негатив
ных последствий пожара (загрязнение окружающей
среды, повреждение другого электрооборудования,
затраты на ликвидацию последствий пожара).
Доклад А2 101 (Австралия) «Вероятность пожа
ра в трансформаторе и стратегия ее уменьше
ния/The risk of transformer fires and strategies which can
be applied to reduse the risk». При общей повреждае
мости силовых трансформаторов 0,5–2,5% в год
(среднее ~1%)
вероятность пожара составляет
~10% общей повреждаемости, т.е. ~0,1%. Она рас
тет с увеличением мощности и класса напряжения
трансформатора.
При сроке службы трансформатора 40 лет веро
ятность пожара на этот срок составляет 4%. Опыт
эксплуатации трансформаторов в Австралии и Но
вой Зеландии показал, что основной причиной по
жара (31%) являются повреждения вводов с бу
мажномасляной изоляцией и кабельных муфт и
только 10% связаны с повреждением РПН. Пред
ставлено описание случаев пожара. Отмечается,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
Вопросы трансформаторостроения на 43й сессии СИГРЭ
что 54% случаев пожара были вызваны поврежде
нием бака или установки ввода.
Для уменьшения вероятности пожара рекомен
дуется использовать вводы с твердой изоляцией,
исключить применение кабельных муфт с воздуш
ной или маслонаполненной изоляцией, или преду
сматривать в них клапан для выноса дуги, повы
сить прочность и пластичность бака, применять
мониторинг анализа растворенных газов (особенно
для трансформаторов большой мощности).
Доклад А2 102 (Канада) «Предотвращение разры
ва бака в трансформаторе/Power transformer tank
rupture prevention». Приведена статистика пожаров
в трансформаторах и реакторах в системе Гидро
Квебек за 1985–1986 гг. в классах напряжения
120–735 кВ. Средняя вероятность пожара состави
ла 0,14%. Она растет с повышением класса напря
жения. Приведена градация по местам поврежде
ния и случаям разрыва бака. Оценивается энергия
дуги, приводящая к разрыву бака. Определяется
энергия, которую может выдержать обычная конст
рукция бака. Для трансформаторов 735 кВ она на
ходится в пределах 4–10 МДж. Даны рекоменда
ции по значениям энергии дуги, которую должен
выдержать бак, для различных классов напряже
ния.
Доклад А2 103 (Корея) «Технологии предотвра
щения разрыва бака в трансформаторах большой
мощности/Tank rupture prevention technology for a
large power transformer». Дан анализ распределения
давления внутри бака трансформатора во времени
в зависимости от места возникновения дуги. Для
предотвращения разрыва бака рекомендуется уста
навливать несколько клапанов давления, располо
жение которых определяется расчетом.
Доклад А2 104 (Польша) «Повреждения высоко
вольтных вводов в эксплуатации, диагностика и мо
делирование вводов/HV bushing failure in service,
diagnostic and modelling of oiltype bushings». Отмеча
ется увеличение повреждаемости вводов с бумаж
номасляной изоляцией, проработавших больше 30
лет. Анализируется механизм повреждения вводов.
Представлены
типичные случаи повреждений.
Анализируются методы диагностики изоляции вво
дов, которые показали недостаточную эффектив
ность стандартного метода измерения емкости и
тангенса дельта изоляции в части
определения
начальной стадии повреждения. Измерения час
тичных разрядов обеспечивают более высокую чув
ствительность к начальным повреждениям.
Доклад А2 105 (Австралия) «Стратегия уменьше
ния вероятности пожара и разлива масла на основа
нии опыта эксплуатации/Transformer fire mitigation
and oil spill containment – strategies development from
experience». Представлены практические меры
уменьшения вероятности пожаров, используемые в
59
энергосистеме Trans Grid (Австралия). Приведено
описание ряда случаев пожара в трансформаторах
на напряжение 132 и 330 кВ. Отмечается, что в
случае пожара в автотрансформаторе 357 МВ×А
330/132 кВ потребовалось удалить из подстанции
около 1000000 литров масла, воды и огнетушащих
жидкостей, 1000 т загрязненной почвы и 400 т за
грязненного гравия.
Для снижения затрат от последствий пожара в
энергосистеме создана система сброса масла из
трансформатора в специальные отдельно стоящие
маслоприемники и ввода воды непосредственно в
бак трансформатора для охлаждения магнитопро
вода и обмоток. В качестве кардинального решения
предлагается замена масляных трансформаторов на
элегазовые.
Доклад А2 106 (Россия) «Новый подход к конст
руированию пожаро и взрывобезопасных масляных
трансформаторов/A new approach to design of oilfilled
transformers with high fire and explosion safety». Пред
ложен новый метод испытания маслонаполненного
оборудования на взрывобезопасность путем ис
пользования управляемого устройства импульсного
давления. Энергия дугового разряда в одной экспе
риментальной модели достигала 100 кДж, в другой
– 400 кДж, при амплитуде тока до 50 кА и длитель
ности дуги 3—10 мс. Определено, что каждый ме
гаджоуль при разряде образует 110 л газа. Приве
дены результаты экспериментальных исследова
ний зависимости изменения объема газа от энер
гии дуги и времени. Предложен метод численного
расчета распределения давления при возникнове
нии дуги.
Доклад А2 107 (США) «Сравнительный анализ
трансформаторов мощностью 50 МВ×А, заполненных
натуральным эфиром и трансформаторным мас
лом/Detailed performance of a 50 MV×A transformer filled
with a natural ester fluid versus mineral oil». Приведены
результаты испытаний на нагрев трансформатора
50 МВ×А 141/13 кВ при заполнении его натураль
ным эфиром или минеральным маслом. Показано,
что изза более высокой вязкости натурального
эфира перегрев при заполнении трансформатора
натуральным эфиром выше, чем при минеральном
масле. Для наиболее нагретой точки обмотки эта
разница может достигать 20 °С и более.
Дискуссия. При обсуждении первой темы отме
чались случаи повреждения трансформатора вслед
ствие землетрясений, прямого попадания молнии и
резонансных перенапряжений в системе трансфор
матор – кабель. Сообщалось о шести случаях по
жара в автотрансформаторах 600 МВ×А 400/225 кВ,
произошедших за 30 лет эксплуатации, т.е. вероят
ность — 0,015% в год. Отмечалось, что баки обыч
ных трансформаторов выдерживают давление
1—2 бара и в районе фланцев до 3 бар, что в ряде
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
60
Вопросы трансформаторостроения на 43й сессии СИГРЭ
случаев недостаточно, чтобы исключить разрыв
бака.
Наиболее эффективной мерой по уменьшению
вероятности пожара является применение вводов с
твердой изоляцией, а также проведение монито
ринга переключателя и контроль влагосодержания
во вводе и переключателе.
Другой мерой является использование жидко
сти с более высокой точкой воспламенения (эфи
ры и кремнийорганические жидкости), а также до
бавление в масло газопоглощающих присадок.
Приведена информация о продолжении работ
по усилению механической прочности бака.
П о в т о р о й т е м е было представлено 12 док
ладов.
Проблема оценки остаточного ресурса транс
форматора – одна из ключевых, и значимость ее
все время возрастает. Несмотря на большой объем
информации, полученной как на основании ис
следований, так и на основе опыта эксплуатации,
до настоящего времени остается еще много неоп
ределенностей, затрудняющих оценку срока служ
бы. Представленные доклады отражают прогресс в
этом направлении с учетом применения новых ме
тодов анализа и новых критериев оценки.
Доклад А2 201 (Франция, Канада) «Диагностика
старения с помощью химического индикатора. Влия
ние конструкции – стержневой или броневой/Ageing
diagnosis by chemical markersinfluence of coretype and
shelltype technology». Приведены результаты оценки
старения бумажной изоляции на основе измерения
степени полимеризации, соотношения СО2/СО,
измерения содержания фуранов и метанола в мас
ле. Исследования проводились на трансформаторах
стержневого и броневого типа. Показано, что со
держание метанола дает наилучшую корреляцию со
степенью полимеризации. Его применение для
оценки старения изоляции рекомендуется наряду с
другими методами.
Доклад А2 202 (Швейцария, Канада) «Виброаку
стическая диагностика переключающего устройства
как метод повышения эксплуатационной надежно
сти
трансформатора/Vibroacoustic
diagnostic:
contributing to an optimized OnLoad Tap Changer
(OLTC) maintenance strategy». Отмечено, что 45% от
казов трансформатора связано с переключающим
устройством. Представлен анализ опыта эксплуа
тации переключающих устройств под нагрузкой
(~1200 единиц) в системе ГидроКвебек (Канада).
Указаны причины неполадок и вероятность их по
явления в зависимости от срока работы переклю
чателя. Отмечается, что приблизительно 12% непо
ладок возникает в период между сроками плановой
проверки (~1 раз в 6 лет). Приведен опыт оценки
состояния переключающего устройства с помощью
виброакустической диагностики. Показана эффек
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
тивность этого метода, который может быть ис
пользован как в системе мониторинга, так и при
периодических проверках.
Доклад А2 203 (Аргентина) «Новая методология
оценки остающегося срока службы масляных транс
форматоров/New methodology for remanent life
assessment of oilimmersed power transformers». Пред
ставлена методология оценки остаточного ресурса,
основанная на комплексном учете основных фак
торов, влияющих на старение бумажномасляной
изоляции. Каждый из влияющих факторов (воз
никновение токов КЗ, концентрация растворен
ных газов и ее изменение во времени, график на
грузки, срок эксплуатации) индексируется, и на
основе метода нечетной логики оценивается веро
ятностное состояние трансформатора с точки зре
ния остаточного ресурса. Приводятся примеры ус
пешного применения предлагаемого подхода.
Доклад А2 204 (Германия) «Значимость окислов
углерода и их соотношений для интерпретации ре
зультатов анализа растворенных газов в трансфор
маторах и переключателях/Relevance and importance
of the carbon oxide gases and their ratio for the
interpretation of dissolved gas analysis in transformers
and tap changers». Приведены результаты исследова
ний образования СО и СО2 и их соотношений в
различных изоляционных жидкостях при воздейст
вии высокой (~150 °С) температуры. Показано, что
образование СО и СО2 может быть обусловлено не
только разложением твердой изоляции, но и самой
жидкости. Приведены данные хроматографическо
го анализа растворенных газов, в том числе СО,
СО2 и их соотношений для ряда трансформаторов
(30–220 кВ) с различной системой защиты масла,
показывающие что в нормально работающих с
большой нагрузкой трансформаторах соотношение
СО2/СО находится в диапазоне от 0,5 до 5,0. В
связи с этим заключение о старении, основанное
на использовании соотношения СО2/СО (обычный
критерий СО2/СО<3), может быть некорректным.
Приведены результаты исследований образова
ния растворенных газов в различных типах пере
ключающих устройств в зависимости от числа опе
раций. Показано, что использование соотношения
СО2/СО повышает эффективность оценки состоя
ния переключателя.
Доклад А2 205 (Япония) «Эксплуатация соста
рившихся трансформаторов и новые методы диагно
стики на базе анализа растворенных газов в Япо
нии/Aged transformer maintenance and diagnostics using
new methods with dissolved gas analysis in Japan». При
веден опыт Японии по анализу растворенных в
масле газов. Дана градация состояния трансформа
тора (три уровня) в зависимости от числа характер
ных газов. Представлены основные этапы диагно
стики и критерии оценки. Приведены диагности
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
Вопросы трансформаторостроения на 43й сессии СИГРЭ
ческие нормы. В качестве нововведений даны урав
нения по оценке площади перегрева и общие урав
нения оценки состояния трансформатора, учиты
вающие вклад каждого газа с учетом эмпириче
ских, основанных на опыте, коэффициентов. От
мечается необходимость дальнейшего развития ра
бот по уточнению состояния трансформатора.
Доклад А2 206 (Мексика, Бразилия, Канада)
«Опыт с беспроводной системой мониторинга, уста
новленной производителем на трансформаторах в
энергосистеме Мексики/Experiences with wireless
transformer monitoring system installed by the
manufacturer and operated at strategically important
locations of the Mexican grid». Приведено описание
беспроводной системы мониторинга трансформа
тора, включающей мониторинг ввода, влагосодер
жания в масле, температуры обмоток и магнито
провода, частиц в масле, хроматографический ана
лиз семи растворенных газов, регистрацию частич
ных разрядов и мониторинг расширителя.
Доклад А2 207 (Новая Зеландия) «Опыт по зака
зу генераторного трансформатора мощностью
225 МВ×А на напряжение 220/16/16 кВ/Experiences
with procuring a 220/16/16 kV 225 MV×A generator
transformer». Рассмотрен пример заказа трех генера
торных трансформаторов для гидроэлектростанции
Белмор (Новая Зеландия) мощностью 232 МВ×А
220/16/16 кВ с расщепленными обмотками взамен
ранее установленных
шести двухобмоточных
трансформаторов мощностью 112,5 МВ А каждый.
Отмечается, что техническая брошюра СИГРЭ 156
«Руководство для проведения анализа конструкции
трансформаторов 100 МВ×А и более напряжением
123 кВ и выше» может быть положена в основу при
заказе трансформатора, однако требуется учет ряда
специфических факторов применительно к кон
кретному заказу. В частности, отмечаются различия
в оценке потерь и в плане качества, потребовавшего
более детального анализа условий эксплуатации.
Доклад А2 208 (Польша) «Прогресс в диагности
ке генераторных трансформаторов в Поль
ше/Advanced
diagnostics
of
generator
stepup
transformers in Polish practice». Отмечается ряд по
вреждений мощных (240 и 270 МВ×А) генераторных
трансформаторов за последние годы. Основные
причины: перенапряжения в сети 220 кВ, наличие
частиц в масле, повреждение вводов (в основном с
большим сроком службы), локальные перегревы,
дефекты в магнитопроводе. Приведены результаты
анализа ряда случаев повреждений. На основе опы
та эксплуатации были улучшены и расширены ме
тоды диагностики. Наряду с существующими ме
тодами введен метод частотного анализа (сущест
вующая база данных охватывает 68% трансформа
торов), измерения влагосодержания главной изо
ляции (в основном измерения tgd и емкости в диа
61
пазоне частот 1—1000 Гц), расширенный анализ
масла (в том числе определение активной серы,
индекса старения), расширена программа диагно
стики вводов (хроматография, влагосодержание,
tgd).
Доклад А2 209 (Испания) «Новый подход к обслу
живанию силовых трансформаторов и основного
вспомогательного оборудования. Испытания без под
ключения к сети и мониторинг/New approach of
maintenance of power transformers and main accessories:
offline test vs. Оnline monitoring systems». Представ
лен опыт по диагностике силовых трансформато
ров трех энергетических компаний
Испании
(Iberdrola Distribucion Electrica, Red Electrica de
Espana, Iberdrola Power Generatian). Диагностика
проводилась как на работающих трансформаторах,
так и на отключенных (без напряжения). Общий
вывод: диагностика без напряжения (по ней накоп
лен наибольший опыт) необходима и достаточно
эффективна. Основная задача – выбрать интервал
времени между измерениями, т.е. оптимизировать
отношение стоимость/польза.
Широкое применение мониторинга требует уве
ренности в надежности измерений и разработки
специальных алгоритмов, позволяющих правильно
оценить большой объем получаемой информации.
Доклад А2 210 (Швеция) «Новый метод для
оценки состояния партий шунтирующих реакто
ров/New tool for fleet screening of shunt reactors». Пред
ставлена процедура распространения метода ран
жирования, успешно применяющегося для сило
вых трансформаторов, на партию (20 штук) шунти
рующих реакторов. При этом учитывались особен
ности характеристик реакторов и режим их работы.
Ранжирование проводилось по трем основным ас
пектам: электрический, механический и тепловой.
Доклад А2 211 (Швейцария) «Опыт Швейцарии
по испытаниям высоким напряжением и диагностике
мощных силовых трансформаторов на месте уста
новки/The Swiss experience of onsite high voltage tests
and diagnostic measurements on large power
transformers». Представлен шестнадцатилетний опыт
Швейцарии по диагностике мощных (15–500 МВ×А)
силовых трансформаторов (вплоть до напряжения
525 кВ). Наиболее распространенные методы: из
мерение частичных разрядов, частотный анализ,
метод поляризации–деполяризации, хроматогра
фия. Наиболее подробно представлен анализ ре
зультатов измерений частичных разрядов. Были
испытаны 155 новых трансформаторов (из них 76
на подстанции) и 116 старых трансформаторов (из
них 112 на подстанции). Несколько трансформато
ров по результатам измерений были отбракованы
или выведены из эксплуатации. Испытания индук
тированным напряжением на месте установки про
водились от преобразователя, подключаемого к об
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
62
Вопросы трансформаторостроения на 43й сессии СИГРЭ
мотке низкого напряжения. Испытания приложен
ным напряжением – с помощью последователь
норезонансной схемы. Отмечена неэффективность
метода в части локации источника ЧР.
Доклад А2 212 (Великобритания) «Оценка срока
службы трансформатора на основе данных, получен
ных из трансформаторов, выведенных из эксплуата
ции и моделирования теплового поля/Transformer life
prediction using data from units removed from service and
thermal modelling». Дан анализ повреждаемости
трансформаторов в системе National Grid в зависи
мости от срока эксплуатации. Приведены данные
по степени полимеризации бумаги, полученные из
трансформаторов, выведенных из эксплуатации, в
зависимости от срока их службы. Результаты ана
лиза показали, что вероятность повреждения
трансформатора однозначно не связана с его сро
ком службы, а степень полимеризации имеет боль
шой разброс значений при различных
сроках
службы.
Опыт эксплуатации и исследования на моделях
показали, что старение трансформатора определя
ется главным образом термическими условиями.
Статистический анализ не является надежным при
оценке срока службы. Выход из строя трансфор
маторов изза старения, в основном, начинается
после 40 лет эксплуатации.
Дискуссия. При обсуждении отмечалось, что су
ществующие критерии при анализе растворенных
газов не учитывают различия между трансформато
ром со «свободным дыханием» и с пленочной за
щитой. Обращалось внимание на трудности диаг
ностирования при превышении предельных значе
ний газосодержания. Рекомендуется проводить ре
гулярные наблюдения уровня газосодержания.
Указывалось также на неоднозначность связи (в
ряде случаев) между степенью полимеризации и
содержанием фурановых соединений или химиче
ских индикаторов. Указывалось на необходимость
использования нескольких методов при оценке
срока службы. Отмечалось также, что скорость
старения в значительной степени зависит от влаго
содержания изоляции: при достаточно низком вла
госодержании срок службы трансформатора может
составлять 65–70 лет.
П о т р е т ь е й т е м е было представлено десять
докладов. Эти доклады затрагивали две основные
темы: переходные процессы и моделирование теп
ловых процессов, основанное на современной тех
нике анализа и сопоставлении с результатами экс
периментальных исследований. Значимость перво
го направления объясняется увеличением случаев
повреждений трансформаторов при коммутациях в
КРУЭ. Значимость второго объясняется тем, что
тепловые процессы являются определяющими при
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
старении трансформатора и оценке его нагрузоч
ной способности.
Доклад А2 301 (Германия) «Определение потоков
масла и распределения температуры в силовых
трансформаторах с помощью компьютерной моде
ли/Prediction of the oil flow and temperature distribution
in power transformers by CFD». Представлены резуль
таты исследований распределения температур в
трансформаторе
с
помощью
программы
ANSYSCFX и специально разработанной фирмой
Сименс программы UNIFLOW. Результаты расчета
сопоставлялись с результатами, полученными на
физической модели. Результаты сопоставления
удовлетворительны, что позволяет использовать
предложенный метод для оптимизации конструк
ции трансформатора.
Доклад А2 302 (Швеция) «Моделирование и изме
рение переходных процессов во вводе «трансформатор
– КРУЭ» при высокочастотных воздействи
ях/Modelling and measurements of VFT properties of a
transformer to GIS bushing». Представлены результаты
расчета и измерений перенапряжений во вводе
«трансформатор – КРУЭ» при высокочастотных
воздействиях. Ввод при моделировании представ
лялся многоэлементной схемой. Показано, что при
совпадении частоты воздействия с собственной
частотой ввода возникают значительные перена
пряжения во вводе, которые могут вызвать его по
вреждение. При испытании ввода на выдержива
ние таких воздействий путем приложения срезан
ного импульса частота высокочастотных колебаний
после среза зависит от месторасположения сре
зающего промежутка, что необходимо учитывать
при выборе схемы испытаний.
Доклад А2 303 (Испания, Франция) «Мощный
генераторный трансформатор с низкой температу
рой наиболее нагретой точки для АЭС компании
EDF/Large generator step up transformers with low
temperature hot spot for EDF nuclear power plants».
Представлены результаты исследований и испыта
ний трансформатора мощностью 570 МВ×А на
400 кВ для замены существующих трансформато
ров. Новые трансформаторы должны иметь более
низкую температуру наиболее нагретой точки (650
вместо 780 по МЭК) и более низкие потери.
Исследования проводились как на математиче
ской трехмерной модели, так и путем измере
ний с помощью оптоволоконной системы на ре
альном трансформаторе при тепловых испыта
ниях и в условиях эксплуатации. Различия меж
ду расчетами и измерениями находились в диа
пазоне –7 °С ¸+5 ° С, что считалось удовлетвори
тельным. Снижения потерь были обеспечены за
счет уменьшения значений циркулирующих токов
путем транспозиции и установкой магнитных шун
тов. Температура наиболее нагретой точки при ис
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
Вопросы трансформаторостроения на 43й сессии СИГРЭ
пытаниях на нагрев оказалась на несколько граду
сов ниже, чем заданная в спецификации.
Доклад А2 304 (Австралия) «Сопоставление раз
личных методов моделирования распределения темпе
ратур в трансформаторе с результатами измере
ний/Comparison of various approaches to transformer
thermal modelling with direct temperature measurements».
Дано сопоставление результатов моделирования
распределения температур в трансформаторе мощ
ностью 468 кВ А, 22 кВ на базе исследования тра
диционной модели по МЭК 60354 «Нагрузочная
способность масляных трансформаторов» и моде
ли, основанной на применении нейроннонеопре
деленной логики. Проведены также сопоставления
на трансформаторе 50 МВ×А, 132/11/11 кВ, запол
ненным растительным маслом. Показано, что ис
пользование новой модели устраняет ряд неопреде
ленностей и дает лучшее согласие с результатами
измерений.
Доклад А2 305 (Канада) «Оптимизация перегру
зок трансформатора с помощью модели распределе
ния температур/Optimization of transformer overload
using advanced thermal modelling». Приведено сопос
тавление распределения температур в трансформа
торе 66 МВ А, 225/26 кВ с помощью двух моделей
(Thermol Network Model – TNM и Computational
Fluid Dynamics – CFD) и их сравнение с результа
тами прямых измерений (используя оптоволокон
ную связь). Показано, что оба метода дают близкие
результаты в случае, если потери распределены
равномерно. При неравномерном распределении
потерь различие существенно. Результаты, полу
ченные с помощью метода CFD, лучше коррелиру
ются с результатами измерений.
Доклад А2 306 (Египет) «Явления, связанные с
коммутацией емкостных токов в КРУЭ и их влияние
на обмотку силового трансформатора, установлен
ного на мощной электростанции Египта/Phenomena
associated with switching capacitive currents in GIS
substations and its effect on the winding of power
transformer of a large power plant in Egypt». Сообщает
ся о нескольких случаях повреждения трансформа
тора 500 МВ×А 500/220/11 кВ, связанных с комму
тацией разъединителя в КРУЭ. Анализируются
воздействия на обмотку трансформатора при этих
коммутациях и делается вывод об их опасности.
Обсуждаются возможные меры по уменьшению
опасности воздействий (например, изменение оче
редности коммутаций).
Доклад А2 307 (Таиланд) «Нагрузочная способ
ность трансформатора, определенная на базе непо
средственных измерений температуры наиболее на
гретой точки и потерь с учетом тока нагруз
ки/Transformer loadability based on directly measured
hotspot temperature and loss and load current correction
exponents». Приведены результаты измерений рас
63
пределения температур на четырех трансформато
рах. Показано, что нет корреляции между локаль
ными потерями и локальной температурой, что
говорит о трудности определения наиболее нагре
той точки расчетом. Рекомендуется при испытани
ях устанавливать по крайней мере восемь датчиков
на основной обмотке мощного трансформатора,
шесть датчиков на трансформаторе средней мощ
ности и четыре – на малой мощности.
Доклад А2 308 (Франция) «Определение воздей
ствий при включении трансформатора: моделирова
ние
электрической
сети
и
трансформато
ра/Determination of the stresses when energizing
transformers: modelling of the electrical network and the
transformer». Представлена методика моделирования
трансформатора и связанной с ним сети для оцен
ки токовых воздействий на трансформатор при его
включении и, в частности, моделирования магнит
ной цепи трансформатора. Приведены результаты
расчета и измерений токов включения на транс
форматоре 250 МВ×А, 400 кВ. Обсуждаются меры
по ограничению токов включения (последователь
ные резисторы, синхронное включение, включение
полюса выключателя на фазу с наибольшей оста
точной индукцией).
Доклад А2 309 (Индия) «Расчет воздействий в
обмотках трансформатора при воздействии грозово
го импульса/An insight into transformer winding response
under the application of lightning impulse voltage». При
ведены результаты расчета распределения напряже
ния в обмотках трансформаторов при воздействии
грозового импульса (полного и срезанного) при
различных параметрах импульса (фронт, время сре
за и т.д.) для обмоток различного типа исполнения.
Доклад А2 310 (Корея) «Расчетный анализ и экс
периментальные исследования охлаждающего канала
в форме зигзага в обмотке силового трансформато
ра/CFD analyses and experiments of a winding with
zigzag cooling duct for power transformer». Приведены
результаты расчета теплового потока в охлаждаю
щем канале в форме зигзага при направленной и
естественной циркуляции масла с помощью про
граммы «Computational Fluid Dynamic». Результаты
расчета сопоставлены с результатами эксперимента
на модели. Согласование расчета и измерений на
ходится в пределах 10%.
Дискуссия. При обсуждении отмечалось, что для
моделирования процессов при высокочастотных
воздействиях требуется модель, воспроизводящая
достаточно широкий диапазон частот. При этом мо
дели должны включать параметры всех подсоеди
ненных к трансформатору элементов (линия, шина,
коммутационный аппарат и т.д.). Сообщалось о по
вреждении трех трансформаторов 150 МВ×А, 500 кВ в
Бразилии (CEPEL) изза воздействия высокочас
тотных перенапряжений (длительности фронта
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
64
Вопросы трансформаторостроения на 43й сессии СИГРЭ
оценивались десятками наносекунд, а максималь
ные значения до 2,5 Uф). В связи с этим компания
ввела испытания крутым импульсом 10—50 нс с
максимальным значением 2,0 Uф.
Указывалось на необходимость дальнейшего
изучения вопроса о перенапряжениях в системе
трансформатор – сеть. Компания EDF сообщила о
развитии работ по изучению токов включения и
мерах их ограничений.
В части термических процессов отмечалось ус
пешное широкое применение расчетных моделей.
Основным фактором здесь является скорость теп
лового потока. Предлагалось, в частности, устанав
ливать измеритель скорости в нижней части об
мотки (диапазон измерений — от нескольких до
100 см/с).
Стратегический план работ ИК А2. Согласно
стратегическому плану выделяется два стратегиче
ских направления, базирующихся на удовлетворе
нии потребностей и требований потребителей:
«Обслуживание покупателей» (Service to Customers)
и «Вопросы технологии» (Technology Issues).
В рамках первого стратегического направления
намечена работа по следующим вопросам.
Информация по надежности и наличию транс
форматоров и реакторов в эксплуатации по резуль
татам рассмотрения характеристик оборудования
на международном уровне с периодическим обнов
лением.
Влияние вспомогательного оборудования на на
дежность трансформаторов (вводы, переключаю
щие устройства и системы охлаждения).
Влияние загрязнения масла на надежность
трансформаторов.
Управление ресурсом трансформаторов и реак
торов.
Теория и практика эксплуатации оборудования.
Методы мониторинга и диагностики.
Процедуры установки, обработки масла, сушки
и испытания непосредственно на месте установки
оборудования.
Оценка остаточного срока службы.
Методология принятия решения о ремонте (на
месте или в заводских условиях) или утилизации.
Классификация неисправностей и разработка
руководства по расследованию повреждений.
Системы защиты масла.
Доступные типы трансформаторных масел, ис
пользование ингибиторов и добавок, восстановле
ние масла.
Утилизация отработанных материалов (напри
мер масла).
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
Вопросы охраны окружающей среды.
Экономические вопросы (например, стоимость
приобретения в сравнении с затратами на обслужи
вание, модели для оценки затрат).
В рамках второго стратегического направления
намечена работа по следующим вопросам.
Применение новых материалов, например заме
нителей трансформаторного масла (с участием ИК
D1), аморфных сталей, гибридных систем и пр.
Вопросы безопасности трансформаторов, на
пример разрушение бака, пожароопасность, разру
шение вводов.
Электромагнитная совместимость, измерения и
нормы.
Новые технологии для проектирования, произ
водства и испытаний.
Вопросы, связанные с применением новых кон
цепций, таких как устройства FACTS и примене
ние силовой электроники, переключающие устрой
ства для фазоповоротных трансформаторов,
трансформаторы и токоограничивающие реакторы
на основе сверхпроводимости, сборка трансформа
торов на месте установки.
Анализ электрических, магнитных и тепловых
полей: моделирование и проверка правильности
путем сопоставлений.
Электрическое окружение трансформаторов,
например работа при различных климатических ус
ловиях, взаимодействие с системой.
Работы, предшествующие стандартизации (по
запросу ТК14 МЭК), как например электродина
мическая стойкость, применение цифровых мето
дов испытаний и испытательного оборудования.
При этом приоритетными направлениями на
предстоящий период являются:
«умный» мониторинг;
жизненный цикл, ремонт, обновление, замена и
решение о конце срока службы трансформатора;
анализ повреждений.
Очередной коллоквиум ИК12 СИГРЭ состоит
ся в Киото (Япония) 11–16 сентября 2011 г.
Основные вопросы для дискуссии:
эксплуатация, мониторинг, диагностика;
новые материалы;
переходные процессы.
А в т о р : Лоханин Андрей Константинович окон
чил электроэнергетический факультет Московского
энергетического института в 1958 г. В 1995 г. защи
тил докторскую диссертацию «Вопросы конструк
ции изоляции силовых трансформаторов для передач
переменного, постоянного тока сверхвысоких напря
жений» в ВЭИ. Начальник отдела ВЭИ.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Заметки и письма
Графен и фоторезистивный эффект
1
ШАКИРЗЯНОВ Ф.Н.
Октябрь 2010 г. принес приятную новость: рос
сийские (частично и в прошлом) ученые увеличили
число Нобелевских премий, полученных отечествен
ными физиками, до семи. Андрей Гейм и Константин
Новоселов удостоены Нобелевской премии по физике
за получение двумерной графитовой пленки (графена)
и экспериментальное изучение ее свойств. Они обна
ружили замечательное свойство графена – способ
ность менять сопротивление при приложении элек
трического поля, что открывает, по мнению уче
ных, новую эру – эру графитовой полупроводниковой
электроники. Это мнение основывается на принад
лежности углерода к четвертой группе периодиче
ской системы элементов Д.И. Менделеева, где рас
положены кремний и германий, отменно «послужив
шие» полупроводниковой электронике.
В связи с открытием свойств графена, пожалуй,
уместно воспроизвести здесь наш доклад «Фоторези
стивный эффект в проводниках», представленный на
VI Международной конференции по физикотехниче
ским проблемам электротехнических материалов и
компонентов (ICEMC–2001) и опубликованный в ее
трудах2.
Фоторезистивный эффект в проводниках
ШАКИРЗЯНОВ Ф.Н., НОВИКОВ В.А.,
ШАКИРЗЯНОВ М.Ф.
(Московский энергетический институт)
В работе впервые излагаются результаты экспе
риментального исследования фоторезистивного
эффекта, обнаруженного Ф.Н. Шакирзяновым и
В.А. Новиковым в 1974 г. Обнаруженный эффект
заключается в практически безынерционном
уменьшении сопротивления (увеличении проводи
мости) проводящих пленок постоянному току при
воздействии на них СВЧ излучения.
1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ. Про
ект №090813558.
2 Шакирзянов Ф.Н., Новиков В.А., Шакирзянов М.Ф. Фоторе
зистивный эффект в проводниках. – Тр. VI Международ. конф.
по физикотехническим проблемам электротехнических мате
риалов и компонентов (ICEMC–2001), Клязьма (Россия), 2001.
Известно, что при СВЧ облучении проводи
мость металлических пленок уменьшается изза на
грева. Этот эффект широко используется для соз
дания болометрических головок измерителей мощ
ности СВЧ излучения. Болометрический эффект
инерционен. Металлические болометры имеют по
стоянную времени порядка 0,2 с.
Фоторезистивный эффект был исследован в
трехсантиметровом диапазоне длин волн. Пленоч
ные образцы вводились в волновод через неизлу
чающие щели в узкой стенке. Пленки различных
металлов и их сплавов наносились на диэлектриче
ские подложки. Толщина пленок в 1–3 мкм выби
ралась в 2–3 раза меньшей глубины проникнове
ния для конкретного проводника на частоте
10 ГГц. Иными словами, исследовались радиопро
зрачные пленки. Ширина исследованных образцов
1 мм, длина 23 мм. Эффект увеличения проводи
мости наблюдался во всех металлах и сплавах, для
которых удавалось изготовить пленки, а также в
графитовых пленках. Увеличение проводимости
согласно результатам экспериментов было пропор
циональным напряженности СВЧ электрического
поля, т.е. корню квадратному из значения мощно
сти СВЧ колебаний в волноводе. Изменение про
водимости регистрировалось измерением падения
напряжения на образце от постоянного тока.
Обнаруженный фоторезистивный эффект может
быть объяснен многоквантовым внутренним фото
эффектом, приводящим к увеличению концентра
ции свободных электронов, что и приводит к уве
личению проводимости проводников. Другим ме
ханизмом, объясняющим увеличение проводимо
сти, может быть ускорение свободных электронов
– носителей постоянного тока СВЧ электромаг
нитным полем.
Фоторезистивный эффект в проводниках может
быть использован для создания датчиков – преоб
разователей мощных радиоимпульсов. Выходной
сигнал Uвых такого преобразователя практически
без искажений повторяет форму огибающей радио
импульса и связан с их импульсной мощностью Ри
формулой U вых = k Ри sin a , где k – постоянный
коэффициент, зависящий от удельной проводимо
сти проводника и тока источника постоянного
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
66
Графен и фоторезистивный эффект
тока, а a – угол между плоскостью пленки и широ
кой стенкой волновода.
Таким образом, нами еще в 1974 г. был обнаружен
и исследован фоторезистивный эффект в пленках
различных металлов и их сплавов, а также в графи
товых пленках, т.е. вообще в проводниках. Была ус
тановлена возможность управления сопротивлением
пленок проводников с помощью электромагнитного
поля (а не только электрического). Толщина пленок
нами была определена в 2–3 раза меньшей глубины
проникновения на частоте, на которой проводились
эксперименты. Совершенно очевидно, что с ростом
частоты пределом толщины становится одноатом
ный слой порядка 0,1 нм. Технологии получения дву
мерных графитовых пленок еще только осваиваются.
Пленки из металлов и их сплавов можно создать
многими способами. Следует также отметить, что
углерод, хоть и является «родственником» кремния и
*
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 1/2011
германия, но в отличие от них графит – проводник,
а не полупроводник. В зонной структуре графита
отсутствует запрещенная зона. Поэтому создание
из проводниковых пленок детекторов и транзисторов
будет означать создание не полупроводниковых, а
проводниковых вентилей и транзисторов. Кстати,
описанное в работе устройство является, по сущест
ву, и вентилем, и транзистором с фотоуправлением.
Суммируя сказанное, можно утверждать, что
открытие фоторезистивного эффекта в проводящих
плёнках является фундаментальным результатом, из
которого следует и эффект увеличения проводимости
графена в электрических полях. Конечно же, это сооб
щение ни в коем случае не является попыткой утвер
ждения причастности к открытию графена, мате
риала с комплексом и других уникальных свойств, а
лишь ещё одним способом привлечения внимания к фо
торезистивному эффекту в проводниках.
*
*
Зарубежная подписка
на журнал «Электричество»
оформляется через фирмыпартнеры ЗАО «МКПериодика» или непосредственно
в ЗАО «МКПериодика» по адресу:
Россия, 111524 Москва, Электродная ул., 10, стр. 3
ЗАО «МКПериодика»;
тел. (495) 6727012; факс (495) 3063757
Email: info@periodicals.ru
Internet: http://www.periodicals.ru
To effect subscription it is necessary to address to one of the partners of JSC «MKPeriodica» in
your country or to JSC «MKPeriodica» directly.
Address: Russia, 111524 Moscow;
10, str.3, Elektrodnaya ul.
JSC «MKPeriodica»
Tel.: (495) 6727012; fax (495) 3063757
Email: info@periodicals.ru
Internet: http://www.periodicals.org
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Из истории электротехники
Памяти Григория Рафаиловича Герценберга
(К 100летию со дня рождения)
В прошлом году коллеги, дру
зья и ученики вспоминали Григо
рия Рафаиловича Герценберга в
связи со 100летием со дня его ро
ждения. Григорий Рафаилович
был известным ученым, специали
стом в области автоматического
регулирования в энергосистемах.
Инженерную деятельность он
начал в 1934 г. после окончания
Киевского энергетического инсти
тута. В 1936 г. перешел во Всесо
юзный электротехнический инсти
тут имени В.И. Ленина, в котором
трудился всю жизнь.
В лаборатории электрических
систем и автоматики ВЭИ под ру
ководством замечательного совет
ского ученого С.А. Лебедева объе
динились широко известные те
перь ученые, плодотворная дея
тельность которых позволила к
1937–1938 гг. решить теоретически
и практически проблему «искусст
венной устойчивости» и создать
новый тип регулятора – электрон
ный регулятор напряжения систе
мы ВЭИ. Это была крупная победа
отечественной научной и техниче
ской мысли.
В то время под руководством и
при участии Г.Р. Герценберга были
проведены работы по исследова
нию, разработке и внедрению в
промышленность ряда регулирую
щих устройств – электронных ре
гуляторов напряжения пропорцио
нального действия для генерато
ров, стабилизированных источни
ков питания, регуляторов тока для
физических исследований и др.
В тяжёлые для страны военные
и первые послевоенные годы аппа
раты, разработанные в лаборато
рии, помогли в решении важней
ших оборонных и народнохозяйст
венных задач.
В 1946 г. Г.Р. Герценберг ус
пешно защитил диссертацию на
соискание ученой степени канди
дата технических наук и ему было
присуждено ученое звание старше
го научного сотрудника.
Важнейший этап творческого
пути Г.Р. Герценберга – разработ
ка и успешное внедрение на Волж
ских ГЭС первого в мире элек
тронного регулятора возбуждения
сильного действия, позволившего
успешно решить проблему обеспе
чения устойчивости дальних ли
ний электропередач переменного
тока. Десятки крупнейших совет
ских и некоторых зарубежных гид
ро и тепловых электростанций
были оснащены регуляторами воз
буждения сильного действия ВЭИ.
В 1961 г. комплекс работ по
разработке и внедрению АРВ силь
ного действия был отмечен прису
ждением Г.Р. Герценбергу Ленин
ской премии.
В 1965 г. Г.Р. Герценберг ус
пешно защитил диссертацию на
соискание ученой степени доктора
технических наук. В эти годы под
его руководством в Отделе автома
тического регулирования ВЭИ
были развернуты работы по проти
воаварийной автоматике в энерго
системах, групповому регулирова
нию возбуждения гидро и турбо
генераторов, регулированию ско
рости (активной мощности) паро
вых и газовых турбогенераторов.
Результатом работ явилось созда
ние электроприставки для системы
регулирования паровой турбины
(ЭЧСР), которыми также оснаща
лось большинство турбогенерато
ров, и системы группового регули
рования возбуждения. Комплект
устройств противоаварийной авто
матики УПА успешно применяет
ся и сейчас.
С 1968 г. в Отделе автоматиче
ского регулирования были начаты
работы по созданию системы авто
матического регулирования, защи
ты и автоматики для передач по
стоянного тока, которые, в частно
сти, позволили внедрить устройст
ва регулирования и защиты на пе
редаче Волгоград—Донбасс и мощ
ном испытательном стенде в г.
Тольятти.
Результаты научных исследова
ний отражены Г.Р. Герценбергом в
десятках печатных трудов. Он один
из авторов вышедшей в 1963 г.
книги «Сильное регулирование
возбуждения».
Г.Р. Герценберг был членом
Научнотехнического совета ВЭИ,
докторского специализированного
совета по защите диссертаций и
присуждению ученой степени при
ВЭИ и Научного совета АН СССР
по теоретическим и электрофизи
ческим проблемам электроэнерге
тики.
Плодотворная научнотехниче
ская деятельность Г.Р. Герценбер
га высоко оценена награждением
его двумя орденами «Знак почета»
и медалями.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Хроника
Оскар Давидович Гольдберг
(К 85летию со дня рождения)
Исполнилось 85 лет со дня ро
ждения известного ученогоэлек
тротехника Оскара Давидовича
Гольдберга, ведущего специалиста
в области надежности электриче
ских машин, заведующего кафед
рой «Электрические машины» Мо
сковского государственного от
крытого университета, заслужен
ного работника Высшей школы
РФ, почетного академика Акаде
мии электротехнических наук РФ,
доктора технических наук, про
фессора.
В
течение
многих
лет
О.Д. Гольдберг работал во Всесо
юзном научноисследовательском
институте электромеханики имени
акад. А.Г. Иосифьяна (ВНИИЭМ),
где проводил исследования и уча
ствовал во внедрении на электро
машиностроительных заводах пер
вых всесоюзных единых серий
асинхронных двигателей А, АО, А2
и А02; за участие в этой работе был
награжден медалью ВДНХ. Им
предложен ряд изобретений, ис
пользуемых при испытаниях асин
хронных двигателей, и впервые
разработан Государственный стан
дарт на методы испытаний асин
хронных
двигателей
(ГОСТ
7217—54).
В круг научных интересов
О.Д. Гольдберга входили вопросы
контроля и анализа качества наи
более массовой продукции элек
тромашиностроения — асинхрон
ных двигателей, основным показа
телем качества которых является
надежность. В 1955 г. он защитил
кандидатскую диссертацию «Кон
троль и анализ качества трехфаз
ных асинхронных двигателей при
серийном производстве по резуль
татам приемосдаточных испыта
ний», весьма эффективно исполь
зовав для этой цели методы мате
матической статистики. На базе
диссертации были разработаны
методы управления качеством из
готовления асинхронных двигате
лей с помощью компьютеров.
Занимаясь повышением надеж
ности асинхронных двигателем,
разработкой эффективных методов
ее ускоренной оценки, О.Д. Гольд
берг защитил в 1972 г. докторскую
диссертацию «Теоретическая и
экспериментальная разработка ме
тодов расчета показателей надеж
ности, ускоренных испытаний и
контроля качества асинхронных
двигателей». Результаты исследо
ваний легли в основу решения
многих актуальных проблем оцен
ки и повышения надежности асин
хронных двигателей. Широко из
вестны его монографии, особенно
«Качество и надежность асинхрон
ных двигателей», вышедшая в из
дательстве «Энергия».
С 1966 г. в течение 25 лет
О.Д. Гольдберг руководил Науч
нотехническим советом «Качест
во и надежность электрических
машин переменного тока» при
Министерстве электротехнической
промышленности, создав в рамках
этого совета научную школу спе
циалистов.
Долгие годы Оскар Давидович
был лекторомконсультантом в ка
бинете надежности при Политех
ническом музее, прочитанные им
здесь лекции были изданы общест
вом «Знание».
Научную работу О.Д. Гольдберг
успешно сочетал с преподаватель
ской деятельностью. С 1964 г. он
работает в Московском государст
венном открытом университете.
Здесь под его руководством защи
тили кандидатские диссертации 38
аспирантов и соискателей, были
подготовлены
сотни
инжене
ровэлектромехаников. Выпущен
ный при его участии и под его ре
дакцией учебник для вузов «Про
ектирование электрических ма
шин» пользуется заслуженным
вниманием у студентов, инжене
ров и научных работников. В
2001 г. издательство «Высшая шко
ла» выпустило второе издание это
го учебника, а в 2006 г. – третье.
В 2008 г. в Издательском цен
тре «Академия» вышел учебник
О.Д. Гольдберга для вузов «Инже
нерное проектирование и САПР
электрических машин», а в 1990 г.
впервые в стране был издан его
учебник для вузов «Испытания
электрических машин»; второе из
дание этого учебника вышло в из
дательстве «Высшая школа» в
2000 г. Под редакцией юбиляра и
при его участии в 2001 г. тем же
издательством выпущено учебное
пособие для вузов «Переходные
процессы в электрических маши
нах и аппаратах и вопросы их про
ектирования».
В 2008 г. ИЦ «Академия» выпус
тил учебник О.Д. Гольдберга для
вузов «Электромеханика», а в 2010 г.
— второе издание этого учебника, а
также учебник для вузов под редак
цией юбиляра «Надежность элек
трических машин». Последний из
дан в России впервые.
По результатам научных иссле
дований Оскар Давидович опубли
ковал около 200 печатных работ, в
числе которых монографии и учеб
ники.
Коллеги и друзья желают юби
ляру творческой активности и
крепкого здоровья.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» № 7/2010
Из истории электротехники
1
Александр Борисович Кувалдин
(К 75летию со дня рождения)
Профессор
Московского
энергетического
института
(технического
университета),
заслуженный деятель науки РФ,
доктор
технических
наук,
профессор Александр Борисович
Кувалдин родился 29 декабря 1935
г. в Москве. В 1953 г. после
окончания с золотой медалью
средней
школы
поступил
в
Московский
энергетический
институт
на
факультет
«Электрификация
промышленности и транспорта» и
в 1959 г. получил диплом с
отличием
по
специальности
«Электротермические установки».
В 1959—1961 гг. работал
инженером+конструктором
на
заводе «Платиноприбор» (с 1960 г.
–
Московский
завод
электротермического
оборудования) и принимал участие
в
разработке
лабораторного
электротермического
оборудования различных типов.
Вся
его
дальнейшая
инженерная,
научная
и
педагогическая
деятельность
связана с МЭИ.
В 1961 г. А.Б. Кувалдин
становится аспирантом, а в 1963 г.
ассистентом
кафедры
«Электротермические установки»
МЭИ (в настоящее время –
кафедра
«Физика
электротехнических материалов и
автоматизированные
электротехнологические
комплексы»). В 1966 г. защитил
кандидатскую
диссертацию,
посвященную разработке методов
расчета
характеристик
электродуговых плазмотронов, а в
1988 г. – докторскую на тему
«Устройства для индукционного
нагрева ферромагнитной стали»; в
1991 г. А.Б. Кувалдин получил
звание профессора.
К основным направлениям
научных работ юбиляра относятся:
разработка
методов
расчета
параметров
электромагнитного
поля
в
нелинейной
ферромагнитной
среде
применительно к задачам создания
установок индукционного нагрева;
компьютерное
моделирование
электромагнитных и тепловых
процессов в электротермических
установках
различных
типов;
использование криорезистивного
эффекта в мощных индукционных
и
электродуговых
установках;
применение токов сложной формы
для питания мощных дуговых и
электролизных ЭТУ; разработка
систем
управления
режимом
работы индукционных плавильных
и нагревательных установок и
скоростных
режимов
индукционного нагрева с учетом
термических
напряжений
в
нагреваемых деталях.
По результатам исследований и
разработок проф. А.Б. Кувалдина,
выполненных
совместно
со
специалистами
промышленных
предприятий
и
научно+исследовательских
организаций, успешно внедрены в
производство
системы
индукционно+резистивного
обогрева
трубопроводов,
индукционные водонагреватели,
устройства низкотемпературного
индукционного
нагрева
для
производства
строительных
материалов,
применения
в
химической промышленности, на
транспорте и др.
А.Б.
Кувалдиным
опубликовано около 400 трудов –
это монографии, в том числе
«Индукционный
нагрев
ферромагнитной стали» (1988 г.) и
«Скоростные
режимы
индукционного
нагрева
и
термонапряжения в изделиях»
(2006 г.), разделы справочников,
учебные пособия, свыше 60
патентов и авторских свидетельств.
Следует особенно отметить его
плодотворное сотрудничество с
журналом
«Электричество»
в
качестве автора и рецензента.
Проф. А.Б. Кувалдин много лет
успешно ведет педагогическую
работу по подготовке научных
кадров высшей квалификации. Он
является членом диссертационных
советов МЭИ и Чувашского
государственного
университета,
оппонентом
докторских
и
кандидатских диссертаций; под его
руководством
защищены
17
кандидатских и 3 докторских
диссертации.
Он
является
действительным членом Академии
электротехнических
наук
РФ,
членом редакционных коллегий
издаваемой АЭН четырехтомной
«Электротехнической
энциклопедии»,
многотомной
серии монографий «Современные
электротехнологии» (издается в
Новосибирске)
и
журнала
«Электрометаллургия».
Александр Борисович успешно
продолжит научную работу, что
подтверждает
его
очередная
статья, готовящаяся к публикации
в нашем журнале.
Пожелаем ему здоровья и
успехов в научно+педагогической
деятельности.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вячеслав Хусаинович Ишкин
17 декабря прошлого года ско
ропостижно скончался бывший
сотрудник ОАО «Системный Опе
ратор ЕЭС» Вячеслав Хусаинович
Ишкин. Он родился 24 декабря
1934 г. в Москве. В 1955 г. окончил
техникум
железнодорожного
транспорта по специальности тех
никэлектрик проводной связи и
несколько месяцев работал элек
тромехаником на Иланской дис
танции связи железной дороги. За
тем был призван в армию и служил
на Тихоокеанском флоте. В марте
1959 г. возвратился в Москву и ра
ботал техником в институте «Теп
лоэлектропроект», в 1962 г. отдел
связи,
в
котором
трудился
В.Х. Ишкин, был переведен в ин
ститут «Энергосетьпроект».
В 1965 г. без отрыва от произ
водства
Вячеслав
Хусаинович
окончил Московский электротех
нический институт связи. В инсти
туте «Энергосетьпроект» за 20 лет
прошел путь от техника до замес
тителя директора по научной рабо
те.
В 1978—1981 гг. учился в заоч
ной аспирантуре при Московском
электротехническом
институте
связи и защитил диссертации на
соискание ученой степени канди
дата технических наук. В 1982 г.
был принят на работу в Службу те
лемеханики и связи ЦДУ, а в 1988
г. назначен начальником службы,
которую возглавлял до 2002 г.
В 1995 г. В.Х. Ишкин был из
бран действительным членом Ме
ждународной академии связи и
Международной академии инфор
матизации.
Более 50 лет трудовой деятель
ности Вячеслав Хусаинович Иш
кин занимался телекоммуника
циями и 46 лет из них – телеком
муникациями в электроэнергети
ческой отрасли. За эти годы много
сил и творческой энергии он отдал
продвижению новых научных идей
и внедрению новейших достиже
ний научнотехнического прогрес
са в систему технологической свя
зи электроэнергетики. Активно
вел преподавательскую деятель
ность в институте повышения ква
лификации ВИПКэнерго, являл
ся
профессором
Московского
энергетического института.
Высокий профессионализм и
активная жизненная позиция спо
собствовали плодотворной работе
В.Х. Ишкина в государственных,
общественных и международных
организациях:
Межведомствен
ном Координационном Совете при
Минсвязи СССР, Государствен
ной комиссии по электросвязи
(ГКЭС) при Минсвязи РФ, Меж
дународном Совете по большим
электроэнергетическим системам
(СИГРЭ).
Профессиональный путь Вяче
слава Хусаиновича Ишкина отме
чен высокими наградами. Ему
были присвоены звания «Заслу
женный работник Минтопэнерго
РФ», «Заслуженный энергетик
СНГ», «Заслуженный связист РФ».
Он был награжден знаками «По
четный энергетик», 80 лет ГОЭЛ
РО», медалью «В память 850летия
Москвы». Для коллег и учеников
Вячеслав Хусаинович был приме
ром образцового руководителя,
профессионала и гражданина.
С чувством глубокой скорби
редакция и редколлегия журнала
«Электричество» выражают собо
лезнование родным, близким, со
ратникам и друзьям покойного.
Светлая память о Вячеславе Ху
саиновиче навсегда останется в на
ших сердцах.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
138
Размер файла
1 502 Кб
Теги
2005
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа