Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Довбыш Владимир Николаевич
ТЕХНОЛОГИЯ РЕГИОНАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ ПО ФАКТОРУ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ОБЪЕКТОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Специальность 05.11.13 Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий А в т о р е ф е р а т диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Самара - 2010
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Поволжский Государственный Университет телекоммуникаций и информатики (ГОУ ВПО ПГУТИ) Научный консультант доктор технических наук, профессор, Сподобаев Юрий Михайлович.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор, Седельников Юрий Евгеньевич, профессор кафедры Радиоэлектронных и телекоммуникационных систем Казанского государственного технического университета им. А.Н.
Туполева;
доктор технических наук, профессор, Корнилов Владимир Юрьевич, профессор кафедры Электропривода и автоматизации промышленных установок и технологических компонентов Казанского государственного энергетического университета;
доктор технических наук, профессор Стеблев Юрий Иванович, заведующий кафедрой Автоматизации производственных процессов Самарского государственного технического университета.
Ведущая организация Институт проблем управления сложными системами Российской академии наук (г. Самара)
Защита диссертации состоится 26 ноября 2010 г. в 14 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.079.04 в ГОУ ВПО Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева по адресу: 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, д. 10.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева, с авторефератом - на сайте ВАК РФ:
Автореферат разослан л_____ ______________2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Седов С.С.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы диссертационной работы. Бурное развитие человечества в двадцатом веке, привело к существенному и, пожалуй, необратимому изменению облика планеты. Интенсификация промышленного производства, сельского хозяйства, внедрение информационных технологий, глобальная компьютеризация всех отраслей деятельности человека сопровождается колоссальным ростом общей энергоемкости жизненных процессов и, очевидно, существенно изменяют среду его обитания.
Многообразие переплетающихся между собой процессов, связывающих человеческий организм и природную среду, требуют комплексной оценки последствий как непреднамеренного воздействия на окружающую среду, так и целенаправленного преобразования природы. Поэтому решение современных экологических проблем немыслимы без участия практически всех областей научного знания и отраслей техники.
Устойчивое состояние экосистем возможно только при непрерывном системном контроле состояния природной среды по всем существенным факторам антропогенного воздействия.
Человеческое общество в процессе своей деятельности воздействует на различные компоненты природной среды: атмосферу, гидросферу и литосферу. В настоящее время такие воздействия приобретают глобальный характер, затрагивая все континенты нашей планеты. Анализ значительного количества публикаций геоэкологической тематики отечественного и зарубежного происхождения, позволяет отметить то обстоятельство, что среди всего многообразия видов антропогенного загрязнения природной среды, можно выделить один специфический вид энергетического загрязнения, а именно, электромагнитный - вид, влияние которого можно одновременно отнести практически ко всем компонентам природной среды одновременно. Отмеченные вопросы относятся к специфической области знания - лэлектромагнитной экологии и традиционно проблемы с ними связанные решаются при помощи электромагнитного мониторинга природной среды, который состоит:
- из расчетного прогнозирования электромагнитных полей (ЭМП), что весьма важно для стадий разработки, проектирования и размещения технических средств, являющихся источниками ЭМП;
- инструментального контроля электромагнитной обстановки на стадии эксплуатации объектов и их комплексов;
- оценки природной среды по санитарно-гигиеническим или экологическим критериям;
- разработки мероприятий и рекомендаций по защите от ЭМП и нормализации электромагнитной обстановки.
Современному этапу развития человеческого общества, соответствует региональный характер развития всех инфраструктур, в том числе и связанных с потреблением и излучением электромагнитной энергии. Действительно, все энергоемкие объекты промышленного производства и культурной деятельности человека, в значительной степени, сосредоточены в локальных областях, поэтому требованиям более или менее полного контроля над состоянием природной среды по электромагнитному фактору, может отвечать система, основанная на регионально-ориентированном подходе.
Следует отметить, что в задачах электромагнитного мониторинга зачастую необходим анализ поля в непосредственной близости от технических средств с учетом реальных особенностей их размещения и наличия других технических средств и материальных тел, что накладывает известные трудности на корректное проведение эксперимента и воспроизводимость результатов, получаемых эмпирическим путем. Это обстоятельство обуславливает повышенный, особенно в последние десятилетия, интерес к созданию методик расчетного прогнозирования электромагнитной обстановки. Инструментальные же методы традиционно используются при проверке корректности расчетных методик, а также в случаях, когда получение исчерпывающей информации об объекте исследования, необходимой для построения корректной теоретической модели, невозможно. Данное обстоятельство существенно отличает электромагнитный мониторинг от других экологических направлений, в которых для оценки состояния природной среды используют в основном данные, получаемые в результате экспериментов.
Вопросы расчетного прогнозирования ЭМП излучающих технических средств телекоммуникаций достаточно хорошо изучены как в нашей стране, так и за рубежом. Вопросам же загрязнения окружающей среды и контроля экологической безопасности по фактору ЭМП промышленной частоты (ПЧ), создаваемых элементами энергетических систем, уделялось явно недостаточное внимание. Существование такого белого пятна в мониторинге природной среды можно оправдать только тем обстоятельством, что строительство объектов энергоснабжения различного назначения и увеличение их характерных энергетических нагрузок приняло широкомасштабный характер именно в последние годы, и только сегодня эти проблемы приобрели особенную актуальность и социальную значимость.
Ежегодно в регионах России вводятся в эксплуатацию новые и реконструируются существующие объекты и технические средства системы энергоснабжения. Этот процесс принял в последнее десятилетие лавинообразный характер.
Отличительной особенностью современного этапа развития региональных энергетических инфраструктур России является многократный рост мощностей, характерных для типичных циклов жизни регионов и мегаполисов.
Проектируемые, строящиеся и вводимые в эксплуатацию современные здания и сооружения различного назначения отличаются значительной энергоемкостью и потреблением электрической энергии. Это приводит к тому, что энергетическое оборудование в больших количествах сосредотачивается на сравнительно малых площадях, линии электропередач (ЛЭП) проходят через селитебные территории. Определенный вклад в общую электромагнитную обстановку вносят так же и системы питания электротранспорта. В проектных решениях электроснабжения различных строений (жилых домов и офисных корпусов) все большее распространение получает размещение силовых трансформаторов распределительных сетей в одном из помещений этого строения. Новые высоковольтные ЛЭП все чаще реализуются в подземном исполнении, при прокладке линий непосредственно на селитебных территориях.
Известно, что энергетическое оборудование, в частности, ЛЭП, сети питания и тяговые подстанции электротранспорта, силовые трансформаторы, силовые распределительные пункты создают ЭМП ПЧ, которые вносят существенный, а зачастую и определяющий вклад в общую электромагнитную обстановку на селитебных территориях и в производственных условиях. Это влияет не только на здоровье людей, но и может быть причиной техногенных катастроф.
Следует отметить, что в то время как для излучающих технических средств телекоммуникаций существует развитая система электромагнитного мониторинга, подкрепленная соответствующей нормативно-методической базой, для энергетического оборудования подобной системы не существует, а контроль электромагнитной обстановки в настоящее время проводится эпизодически при помощи методик, лишь в некоторых случаях имеющих статус отраслевых стандартов. Для оценки состояния природной среды по факторам электромагнитного излучения телекоммуникационного оборудования создан автоматизированный программный комплекс анализа электромагнитной обстановки. Для энергосистем подобных программных средств практически не существует.
Особая народнохозяйственная значимость проблем контроля среды пребывания человека по электромагнитному фактору подчеркнута Решением Коллегии Федеральной службы Роспотребнадзора от 27 ноября 2009 г., в котором определены задачи и приоритетные направления по детальному изучению электромагнитной обстановки в населенных пунктах, инвентаризации источников электромагнитных излучений, предусматривающие планомерное снижение электромагнитной нагрузки на население и создание баз данных.
Таким образом, несмотря на известные достижения в указанной области, в настоящее время сохраняет актуальность научно-техническая проблема создания технологии регионального контроля природной среды по фактору электромагнитного излучения объектов энергетических систем и создания на ее основе современных программных средств электромагнитного прогнозирования.
Решению данной проблемы и посвящена настоящая диссертационная работа.
Состояние вопроса в рассматриваемой области характеризуется следующими основными достижениями. Проблема электромагнитного мониторинга региональных энергетических инфраструктур является достаточно новой и плохо изученной, однако любая комплексная задача всегда может быть представлена в виде совокупности частных базовых задач, для решения которых существуют отработанные и в достаточной степени апробированные методы.
Так методологические основы технологий регионально контроля природной среды развиты в работах Булгакова Н.Г., Левича А.П. и Максимова В.Н.
Проблемы электромагнитного мониторинга технических средств, являющихся источниками ЭМП различного происхождения, активно изучаются с середины прошлого века. Исследованиям в этой области посвящено немало работ.
Однако большинство работ, выпущенных ранее 70-х годов, посвящены в основном, проблемам биологического воздействия и гигиенического нормирования.
Фундаментальными же в области расчета ЭМП телекоммуникационных технических средств стали работы Шередько Е.Ю., Сподобаева Ю.М., Кубанова В.П., Маслова О.Н., Бузова А.Л., Романова В.А., Казанского Л.С. В этих работах предложены и обоснованы подходы к расчетному прогнозированию электромагнитной остановки вблизи широкого класса излучающих технических средств и их комплексов, сформулированы подходы к системному электромагнитному мониторингу. Основные результаты этих работ, подтвержденные многочисленными экспериментальными исследованиями, нашли отражение в нормативнометодических документах, утвержденных государственными органами санитарно-эпидемиологического надзора. Очевидно, что общие подходы и ряд математических методов, примененные названными авторами для электромагнитного мониторинга комплексов излучающих технических средств, вполне применимы и для решения базовых задач комплексного анализа электромагнитной обстановки вблизи энергетического оборудования.
Предварительная оценка качественного состава источников ЭМП, входящих в энергетическую инфраструктуру региона, позволяет сделать ряд заключений.
Так, основными техническими средствами, существенно влияющими на общую электромагнитную обстановку в масштабах региона, являются ЛЭП, распределительные пункты системы энергоснабжения, силовые трансформаторные подстанции, а также силовые установки и сети питания наземного и подземного электротранспорта и т.п. В связи с этим можно утверждать, что все рассматриваемые технические средства можно подразделить на две основные группы, исходя из особенностей их пространственной локализации, следующим образом:
- группу распределенных (протяженных) технических средств - один из характерных линейных размеров которых существенно преобладает над остальными - ЛЭП, линии питания электротранспорта и т.д.;
- группу сосредоточенных (локальных) технических средств - силовые трансформаторные установки, тяговые подстанции электротранспорта, распределительные пункты системы энергоснабжения.
Названные технические средства, в основном, являются источниками либо статического ЭМП, либо ЭМП ПЧ. Для случая ЭМП ПЧ выполняется условие квазистационарности, поэтому при расчетном прогнозировании электромагнитной обстановки задача может быть сформулирована аналогично статическому случаю. Иными словами, моделирование для целей расчета электрического и магнитного полей может производиться раздельно. Вопросы расчетов стационарных ЭМП электроустановок подробно рассмотрены в работах Колечицкого E.С., Меликова Н.А., Филиппова А.А., Тозони О.В., Демирчана К.С., Abou-Seada M.S. и Nasser E., Silvester P. и Chari M., а так же других авторов.
Практически все существующие на сегодняшний день методы расчета статических и стационарных полей вполне обеспечивают принципиальную возможность расчета потенциалов и напряженностей полей, впоследствии успешно верифицируемых. Однако, при применении различных методов оказывается существенно различным объем информации, получаемой при решении задачи, и, кроме того, различен объем вычислений, необходимых для получения численных значений искомых функций. В связи с данным обстоятельством при выборе адекватного расчетного метода важно учесть, что при анализе поля наибольший интерес, как правило, представляет сравнительно небольшая область пространства вблизи источника. В большинстве рассматриваемых в настоящей работе задач это область вблизи точки, в которой искомая функция принимает максимальное значение - так называемая область сильного поля.
Такой подход, позволяет ограничить область анализа до сравнительно небольших размеров, снижая при этом общую ресурсоемкость задачи в смысле потребности производительности центрального процессора и объема оперативной памяти ЭВМ.
Решение любой задачи, по расчету ЭМП может производиться аналитически или при помощи численных методов вычислительной электродинамики. Применительно к задачам, поставленным в настоящей диссертационной работе, аналитический подход целесообразен при расчете поля распределенных технических средств - ЛЭП, цепей питания электротранспорта. При этом искомые выражения для компонент векторов поля могут быть получены их известных интегралов уравнений Пуассона и Лапласа. Исключения составляют задачи анализа ЭМП подземных ЛЭП, а также цепей питания электротранспорта в непосредственной близости транспортного средства. В первом случае на структуру и уровни поля оказывают существенное влияние реальные условия размещения, во втором случае - расположенный вблизи токоведущих частей проводящий корпус транспортного средства. В указанных задачах целесообразно уточнение решения при помощи какого-либо численного метода.
В случаях локальных технических средств, распределение первичных зарядов и токов которых весьма сложно, целесообразно применение универсальных численных методов.
Так для высоковольтных ЛЭП, ЭМП которых создается протяженными участками многопроводных линий, целесообразно применять метод расчета, основанный на использовании интегралов уравнений Максвелла, известных в замкнутой форме. Влияние поверхности Земли на структуру и уровни ЭМП при этом учитываются введением соответствующих зеркальных изображений первичных токов.
Использование такого относительно простого подхода к построению электродинамических моделей оправдано тем обстоятельством, что ЛЭП содержат преимущественно линейные коллинеарные токи.
Поля трансформаторных подстанций создаются витками токов в обмотках силовых трансформаторов. Определяющее влияние на структуру и уровни ЭМП при этом оказывают размеры и конфигурация обмоток, конструкция и материал магнитопровода, а также стены и перекрытия, присутствующие в помещении, где расположено трансформаторное и электрощитовое оборудование.
Многочисленность влияющих факторов и сложность структуры первичных токов диктует целесообразность применения для расчета численных электродинамических методов, ориентированных на непосредственное решение уравнений Максвелла таких, как метод конечных элементов (МКЭ) (Демирчан К.С., AbouSeada M.S. и Nasser E., Silvester P. и Chari M.).
Основной специфической особенностью распределительных объектов сетевой иерархии является то, что их конструкции специфичны и не унифицированы, что значительно усложняет систематическое расчетное прогнозирование электромагнитной обстановки.
Источниками ЭМП названных технических средств являются электрические токи и заряды, локализованные в электрической схеме анализируемой системы.
Строгий расчет поля предполагает знание пространственного расположения и ориентации всех токоведущих частей и проводников, находящихся под напряжением. Обеспечить это, в силу указанных выше причин, не представляется возможным. Поэтому предлагается приближенный подход к моделированию, при котором реальное устройство представляется точечным источником в виде совокупности электрического диполя и витка тока (магнитного диполя), моменты которых, вообще говоря, различно ориентированы в пространстве.
Исходные параметры такой приближенной модели определяются при помощи некоторого набора экспериментальных данных. Учет влияния материальных тел при анализе указанных выше исключительных случаев следует проводить отдельно, руководствуясь индивидуальными соображениями.
Воздушные ЛЭП и силовые трансформаторы, помимо ЭМП ПЧ, являются источниками высокочастотных полей. Причинами данных явлений являются, соответственно, коронирование проводов и частичные разряды в обмотках.
Оценка уровней ЭМП, создаваемых коронными разрядами, возможна в силу простоты конфигурации первичных токов, при помощи приближенного подхода, развитого в работах Казакова В.Н., а также Кима К.С., Лелевкина В.М., Токарева А.В., Юданова В.А.
Перечисленные задачи и выбранные методы их решения позволяют получить данные об электромагнитной обстановке, созданной комплексом технических средств, составляющих энергосистему региона.
Как отмечалось выше, данные об электромагнитной обстановке в масштабах региона представляют собой массивы данных, значительного объема. При этом весьма существенным обстоятельством, отличающим такие данные от результатов, получаемых в иных формах экологического мониторинга, является генетическая привязанность к географическим координатам. Действительно, области сильного поля энергетического оборудования, очевидно оказываются локализованными вблизи мест расположения технических средств - источников, а результирующая электромагнитная обстановка образует сложную пространственную картину, привязанную к рельефу местности.
Иными словами, неотъемлемой частью технологии регионального контроля природной среды по фактору ЭМП, является частная технология визуализации и графической обработки геоэкологической информации. Применение геоинформационных технологий при региональном экологическом контроле в последние годы стало стандартным решением. Вопросам, связанным с геоэкологическим картографированием, повещены работы Берлянта А.М., Полякова М.М., Прогуловой Т.Б., Мясоедова Б.В., а также других авторов. Общие подходы и примененные способы представления векторных и матричных данных на электронных картах могут быть с успехом применены для реализации целей, поставленных в настоящей диссертации.
Использование геоэкологического картографирования в рамках данной работы весьма целесообразно еще и ввиду того обстоятельства, что практически во всех крупных регионах России в настоящее время созданы и развиваются комплексные геоинформационные системы, в том числе и экологической направленности. Присутствие в данных системах компонентов, содержащих информацию об экологической обстановке по фактору электромагнитного излучения, очевидно, крайне желательно.
Целью работы является создание методологии регионального контроля природной среды по фактору электромагнитного излучения объектов энергетических систем, включающей в себя разработку методик, электродинамических моделей, алгоритмов и программ расчета ЭМП элементов энергетических систем, а также представление данных об ЭМП с использованием геоинформационных технологий.
В диссертационной работе решаются следующие задачи:
1. Систематизация сведений о технических средствах, являющихся источниками ЭМП в региональных энергетических системах. Выделение в их составе качественно однородных групп по признакам пространственной локализации и характеристикам излучаемого ЭМП, а так же адекватным методам контроля ЭМП.
2. Разработка электродинамических моделей элементов энергетических систем в соответствии с принятой классификацией.
3. Исследование электромагнитных полей реальных объектов, функционирующих в Самарской области.
4. Разработка оценочных методов контроля высокочастотных ЭМП, создаваемых короной высоковольтной ЛЭП в равновесном состоянии и электрическими разрядами в конструктивных элементах силовых трансформаторов.
5. Разработка методики измерения ЭМП элементов энергетической инфраструктуры региона. Экспериментальные исследования ЭМП некоторых объектов системы энергоснабжения Самарской области. Оценка корректности разработанных методов расчетного прогнозирования.
6. Разработка технологического алгоритма контроля состояния природной среды по фактору электромагнитного излучения объектов энергетических систем.
7. Построение фрагментов геоинформационной системы электромагнитной безопасности энергетической инфраструктуры Самарской области.
Методы исследования. В работе использованы методы математического моделирования, аналитический аппарат вычислительной электродинамики, методы решения дифференциальных уравнений в частных производных, аналитической геометрии, численные методы, математический аппарат теории ИУ. Визуализация результатов произведена с использованием ГИС-технологий.
Все результаты получены с использованием вычислительных алгоритмов, реализованных на ЭВМ на языке Fortran и в среде Matlab. Фрагменты электронных карт получены при помощи программного пакета ГИС-Карта-2000.
Научная новизна исследований заключается в следующем:
1. Разработан системный методологический подход к региональному контролю состояния природной среды по фактору электромагнитного излучения объектов энергетических систем.
2. При помощи совместного использования адекватных методов вычислительной электродинамики, разработана методология электродинамического анализа сложных источников квазистационарного ЭМП.
3. Разработаны электродинамические модели распределенных и локальных технических средств, входящих в региональную энергетическую инфраструктуру, для целей анализа электромагнитной обстановки в регионе.
4. Получены новые результаты численного анализа электромагнитной обстановки вблизи реальных объектов региональной энергетической системы.
5. Впервые, на основе комплекса разработанных подходов, представлены результаты регионального контроля природной среды по фактору электромагнитного излучения.
Практическая значимость результатов работы заключается в том, что:
1. Разработанная технология регионального контроля состояния природной среды по фактору электромагнитного излучения объектов энергетических систем позволяет осуществлять детальный анализ экологической и техногенной безопасности энергетической инфраструктуры в масштабах региона как на стадиях ее проектирования, так и эксплуатации.
2. Разработанные в рамках диссертационной работы модели и методики электродинамического анализа технических средств системы энергоснабжения обеспечили методологическую базу для создания перспективной автоматизированной системы анализа электромагнитной обстановки.
3. Полученные в диссертации результаты анализа электромагнитной обстановки и разработанная технология обеспечивают основу для создания комплекса мер и рекомендаций по нормализации электромагнитной обстановки в регионах при решении задач электромагнитной безопасности.
Обоснованности и достоверность работы обусловлены, адекватными методами электродинамического моделирования, внутренней сходимостью алгоритмов численного анализа, качественным и количественным совпадением результатов расчета и экспериментальных данных.
Реализация результатов работы.
Созданная в диссертационной работе технология контроля состояния природной среды, методики и алгоритмы анализа электромагнитной обстановки использованы при подготовке отчетных материалов при выполнении работ Организация и проведение мониторинга электромагнитного излучения по Самарской области в рамках государственного контракта, заключенного между ПГУТИ, Фондом социально-экологической реабилитации Самарской области и Министерством природных ресурсов и охраны окружающей среды Самарской области, при поддержке управления Росприроднадзора по Самарской области (ГК №1/11 от 13.02.2006 г.) В результате выполнения данных работ подготовлен, утвержден и издан нормативно-методический документ Расчет электромагнитных полей распределительных и оконечных устройств сетей энергоснабжения.
Научно-прикладные результаты работы внедрены при выполнении работ по теме Разработка методов прогнозирования и визуализации электромагнитной обстановки элементов энергосистемы городского округа Новокуйбышевска, выполненных по договору 1/8 от 10.04.2008 г. между ПГУТИ и Целевым бюджетным экологическим фондом г. Новокуйбышевска.
Принципы и методики моделирования электромагнитных полей, создаваемых силовыми трансформаторами, а так же некоторые результаты расчетов использованы при проектировании, размещении и эксплуатации трансформаторных подстанций выпускаемых ЗАО Электрощит - Самара.
Методика и алгоритмы моделирования ЭМП трансформаторных подстанций и ЛЭП использованы при проектировании ряда энергетических объектов, строительство которых проходит в г. Самара и Самарской области (заказчик - ЗАО Самарский Электропроект, 2005-2008 г. г.).
Разработанные автором методики комплексного анализа электромагнитной обстановки в регионе, а так же результаты исследования ЭМП реальных объектов внедрены в учебный процесс и практику дипломного проектирования в ПГУТИ на кафедре Электродинамики и антенн, а так же в Самарском региональном телекоммуникационном трейнинг-центре.
Реализация результатов работы и достигнутый эффект подтверждены соответствующими актами.
Апробация результатов работы и публикации.
Основные результаты по теме диссертационного исследования докладывались на IX и X международных конгрессах Актуальные проблемы экологии человека (Самара, 2004 и 2005 г., соответственно), X, XI, XII, XIII и XIV Всероссийских научно-технических конференциях ПГАТИ (Самара, 2003, 2004, 2005, 2006 и 2007 г., соответственно), VI и VIII Международных научнотехнических конференциях Проблемы техники и технологии телекоммуникаций (Самара, 2005 г. и Уфа 2007 г.), XXXIII Всероссийском семинаре Актуальные вопросы охраны окружающей среды. Программное обеспечение экологов (Москва, 2005 г.), IV и VI Международных симпозиумах по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии (Санкт-Петербург, 2005 и 20г.).
Положения и результаты диссертационной работы также представлялись на Семинаре Российского национального комитета по защите от неионизирующих излучений (Москва, 2004 г.).
Публикации По тематике диссертационных исследований автором (лично и в соавторстве) опубликовано 49 печатных работ.
Основные научные и прикладные результаты опубликованы в 15 статьях в периодических научных изданиях (из них 11 в журналах, входящих в список ВАК) и в 31 публикациях в форме материалов российских и международных конференциях и семинарах.
Автором опубликованы две монографии (лично и в соавторстве) и один нормативно-методический документ регионального значения.
На защиту выносятся:
1. Технология регионального контроля природной среды по фактору электромагнитного излучения объектов энергетических систем, как методологически единый комплекс частных методик и алгоритмов, предназначенных для ЭМП, создаваемого элементами региональных энергосистем, в целях оценки данного вида антропогенного воздействия на окружающую среду.
2. Новый подход к анализу сложных источников квазистационарного ЭМП, основанный на совместном применении адекватных методов вычислительной электродинамики.
3. Электродинамические модели технических средств, входящих в региональную энергетическую инфраструктуру, ориентированные на анализ электромагнитной безопасности.
4. Новые результаты анализа электромагнитной обстановки вблизи ряда реальных объектов системы энергоснабжения.
Все перечисленные выше результаты диссертационной работы выносятся на защиту в качестве совокупности научно-обоснованных методологических решений, внедрение которых вносит значительный вклад в повышение экологической безопасности населения страны и устойчивое развитие ее инфраструктур.
Объем и структура работы.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 305 страниц, включая 1рисунков и 5 приложений. Список литературы содержит 200 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, приведен обзор работ по теме диссертации, сформулированы цель и основные задачи исследования, описан состав и структура работы, определены ее новизна и практическая значимость.
В первом разделе Разработка электродинамических моделей распределительных элементов региональной энергетической инфраструктуры проведен общий анализ объекта исследования, предложена классификация источников по критериям пространственной локализации и характеристикам излучаемого ЭМП. Также выявлены особенности соответствующих электродинамических задач, обоснованы общие подходы к электродинамическому моделированию источников высоковольтных ЛЭП. Приняты ряд допущений для моделирования и указаны границы применимости моделей.
В разделе показано, что основными техническими средствами входящими в состав региональной энергосистемы - поставщиками электромагнитной энергии ПЧ, существенно влияющей на общую электромагнитную обстановку в регионе, являются высоковольтные ЛЭП, силовые трансформаторные установки, сети питания наземного и подземного электротранспорта. При этом контролируемыми параметрами ЭМП, создаваемых элементами энергетических систем, при оценке их воздействия на окружающую среду являются:
- напряженность электрического поля Е в В/м;
- напряженность магнитного поля, Н в А/м.
В настоящее время основными документами, которые определяют предельно допустимые уровни поля от воздушных ЛЭП и других объектов, являются СН № 2971-84, СанПиН 2.1.2.1002-00 СанПиН 2.2.4.1191-03 и ГН 2.1.8/2.2.4.2262-07. В принципе этих документов достаточно, чтобы оценивать электромагнитную обстановку, создаваемую элементами энергетических систем.
В рамках разработки электродинамических моделей сторонних источников все рассматриваемые технические средства следует классифицировать прежде всего по критериям, относящимся к пространственной форме и характерным размерам соответствующих излучающих структур. В этом смысле будем различать линейные источники и локальные источники.
Первый класс образуют источники, пространственная форма которых характеризуется существенным преобладанием одного линейного размера над другими. Соответствующие технические средства - локальные участки цепей энергоснабжения, линии питания электротранспорта и т.п.
Второй класс образуют источники, локализованные в относительно небольшой (по сравнению с размерами помещения) области пространства. К ним относятся оконечные устройства сетей и цепей электроснабжения, силовые установки, тяговые подстанции и т.д.
Целесообразность первичной классификация по форме вызвана необходимостью применения различных подходов к расчету ЭМП.
Очевидно, что все названные ранее технические средства, относимые к линейным источникам ЭМП ПЧ могут быть представлены для анализа как источники квазистационарного поля.
При вычислении электрического поля участок протяженной воздушной ЛЭП рассматривается, как система распределенных вдоль отрезка прямой параллельных заряженных нитей, несущих некоторый эквивалентный заряд, определяемый из погонных параметров и класса напряжения линии. При вычислении магнитного поля линию следует рассматривать как систему параллельных линейных токов. При этом делается допущение о том, что нагрузка линии равномерно распределена между фазами, и ток в нулевом проводе отсутствует.
Рассмотрим модель прямолинейного участка цепи электроснабжения с точки зрения вычисления электрического поля. Поскольку напряжение в сети не зависит от нагрузки, электрическое поле также оказывается независимым от потребляемого тока. ЛЭП, конфигурация проводов которой соответствует типовой опоре У-35, размещенная в декартовой системе координат, показана на рис.1.
Нахождение электрического поля с учетом названных допущений и ограничений сводится к решению двумерной квазистатической задачи. Влияние подстилающей поверхности учтено введением зеркального изображения проводников.
qi - погонный заряд проводника.
Искомое электрическое поле определяется геометрическим суммированием полей, создаваемых каждым из проводников в отдельности, которое осуществляется исходя из особенностей конфигурации и взаимного расположения проводов, соответствующих данному типу опоры ЛЭП.
Выражение для комплексной амплитуды напряженности электрического поля высоковольтной ЛЭП, может быть представлено в следующем виде:
j(i-1) Uф e 1 1 & Еm = + + cos, (1) 2hi Ri2 2 Ri (Ri) (Ri) 2 ln a где U - класс напряжения ЛЭП, = 1200 - фазовый сдвиг, j - мнимая едиф r r ница, - угол, образованный векторами Ei и Ei, косинус которого легко Ri Ri 4hiопределяется из рис.1 следующим образом: 2 cos = + -.
Ri Ri Ri Ri z qqqRddh2 R 1 R hd3 hО x zr r z ЕЕr Еr r r ЕЕ2 Е R R-q-q-qРис.1. К расчету электрического поля высоковольтной ЛЭП Геометрические параметры задачи очевидны из рисунка:
Ri = (x - di )2 + (hi - z0 )2, Ri = (x - di )2 + (hi + z0 )2.
Напряженность магнитного поля воздушной ЛЭП определяется аналогичным образом:
j(i-1) I e 1 1 & (2) Hm = + + cos, 2 Ri2 (Ri )2 Ri (Ri ) На рис.2 приведены результаты расчета электрического поля ЛЭП кВ, размещенной на опоре У-35-1. Расчет проведен в направлении перпендикулярном коридору прохождения ЛЭП.
Слияние кривых изменения поля, построенных для различных высот над поверхностью Земли, в одну линию, на значительном удалении от ЛЭП обусловлено преобладанием линейного размера х, по сравнению с размером z в треРис.2. Результат расчета электрического поля ЛЭП 35 кВ угольнике расстояний, что, в свою очередь приводит к тому, что величина 2 cos оказывается чрезвычайно малой и не оказывает существенного влияния на вид зависимости поля от расстояния.
Известно, что воздушные высоковольтные ЛЭП являются источниками не только поля промышленной частоты, но и, в ряде случаев, источников высокочастотного излучения. Очевидно, что при оценке электромагнитной обстановки в масштабах городов и регионов данное обстоятельство должно быть непременно учтено.
Основным источников высокочастотного излучения ЛЭП является электрическая корона, возникающая на токонесущих проводниках вследствие резко выраженной неоднородности электрического поля вблизи последних. Часто при коронном разряде проводники окружены характерным свечением, также получившим название короны, или коронирующего слоя.
Распространенной формулой для расчета потерь на корону на переменном напряжении является эмпирическая формула Пика для одиночного провода:
r24. P = ( f + 25) (U -U )2 10-5, Вт/км, (3) k S где - относительная плотность воздуха, f - частота, Гц, r0 - радиус одиночного провода, см, S - расстояние между проводами, см, UK - напряжение возникновения короны, определяемое выражением:
S Uк = 21,2 ln m1 m2, кВ, (4) rгде m1 - коэффициент гладкости провода (для идеально гладкого провода m1 = 1, для реального витого провода m1 = 0.85-0.92, согласно эмпирическим данным, приведенным в литературе), m2 - коэффициент погоды.
Используя формулу (4) получено выражение для напряженности электрического поля короны в стационарном режиме:
1 P E =, (5) 2Rla Rгде - электропроводность атмосферы при данных погодных условиях, R0 - a электрическое сопротивление цилиндра, коаксиального проводнику, длиной l.
При расчетах, как правило, рассматривают несколько характерных случаев: хорошая погода ( m2 =1), дождь, включая мокрый снег и изморось ( m2 = 2 ), сухой снег ( m2 = 3 ),иней и наледь на проводах ( m2 = 4 ).
На рис.3 представлены результаты расчета напряженности электрического поля коронного разряда вдоль оси коронирующего проводника ЛЭП 35кВ, для названных характерных погодных условий.
В последние годы в проектных решениях реконструкции городских систем энергоснабжения все чаще используются реализации ЛЭП классов 35Е2Рис.3. Распределение напряженности электрического поля кВ в виде подземных линий. Такоронного разряда токонесущего проводника ЛЭП 35 кВ для различных погодных условий кие ЛЭП практически не препят- ствуют городской застройке, могут быть проложены вдоль автомобильных дорог и обладают рядом неоспоримых преимуществ в смысле удобства реализации в условиях сильной урбанизации территории.
При анализе электромагнитной обстановки в коридорах прохождения подземных ЛЭП возникает необходимость учета влияния условий прокладки кабелей на характеристики ЭМП.
Систему уравнений Максвелла для квазистационарного случая преобразуется в систему уравнений второго порядка:
r r r 2 E = grad, - 2 H = rot j. (6) Данную систему дополняется условиями, накладываемыми на искомое решение на границе области тока.
Для электрического поля это условия следующего вида:
r r r r r r 1 q r r n0 E1 - n0 E2 =, [n0 E1] -[n0 E2 ] = 0. (7) S Условия для магнитного поля имеют вид:
r r r r r r r r r i n0 H1 - n0 H = 0, [n0 H1] -[n0 H ] = l0, (8) 2 l r где n0 - вектор нормали к границе области тока, q - заряд, распределенный на границе, i Цтангенциальная составляющая тока, на краевой линии элемента, r l - элемент контура, нормального линиям тока, l0 - орт линий тока.
Уравнения (6) решены численно при помощи известного метода непосредственного решения краевых задач - метода конечных элементов (МКЭ). В данном методе анализируемая область пространства, одна из границ которой совпадает с границей области тока, разбивается на элементы конечных размеров, вообще говоря, произвольной формы. В пределах каждого элемента решение задачи аппроксимируется кусочно-непрерывной полиномиальной функцией специального вида. Разбиение непрерывной области на элементы целесообразно начинать с граничной поверхности анализируемой области пространства. Заметим, что рассматриваемая задача принципиально является двумерной.
В общем случае в обобщенных координатах уравнения Лапласа (6) могут быть представлены в виде (использование обобщенных координат целесообразно ввиду неопределенности геометрических особенностей некоторых задач, встречающихся в разделах 2 и 3, решаемых также при помощи данной реализации МКЭ):
2Ф(,) 2Ф(,), (9) (,) + (,) = F(,) где (,) и (,) - линейные функции или операторы, зависящие от типа выбранной системы координат; , - обобщенные координаты; Ф( , ) - обобщенное решение уравнения (компоненты векторов E,, или Н,, ); F(, ) - известная функция, определяемая сторонними источниками.
Решение Ф( , ) аппроксимируется линейной функцией, специфической для каждого элемента, что можно представить как приближенное решение:
N ~ ( Ф(,) = Аmn) (,)Фm, (10) n=1 m=( где, так называемая, функция формы глобальной системы координат Аmn) (,) имеет смысл базисной функции для разложения (10); Ф1, Ф2, Ф3 - узловые ( ( значения искомой величины; Фm = Ф(mn),mn)) - принимают различные значения при различных индексах m; N - максимальный номер элемента.
Для определения значений коэффициентов разложения целесообразно использование какого-либо проекционного метода, например, метода Галеркина.
При аппроксимации решения выражением (10) невязка решения определяется выражением:
~ ~ 2Ф(,) 2Ф(,) = (,) + (,) - F(,). (11) В методе Галеркина минимизация невязки достигается путем обеспечения ортогональности невязки и каждой базисной функции, то есть требуется выполнение соотношения:
( Аmn) dD = 0, (12) D где D - область определения решения; dD - элемент этой области; индекс (n) принимает различные значения в различных элементах.
Краевые условия для уравнения (11) в общем виде:
~ ~ (,)Ф1 (,) - (,)Ф2 (,) = G(, ), (13) где , - координаты на границе раздела двух элементов; (,) и (,) - функции, определяющие ориентацию векторов поля относительно границы.
Численная реализация МКЭ требует совместного решения системы линейных уравнений вида (12), количество уравнений в которой равно количеству узлов в модели.
Приведенные ниже расчеты выполнены на примере объекта, проектируемого и вводимого в эксплуатацию на территории города Самара. Предполагаемый коридор прохождения исследуемой ЛЭП - вторая очередь набережной реки Волга. Класс напряжения ЛЭП - 110 кВ, предполагаемая номинальная загрузка - 100 МВА. Рассмотрен традиционный способ прокладки подземных ЛЭП с заземлением внешнего проводника силового кабеля. При таком способе оболочки кабелей соединены с общими контурами заземления на обоих оконечных пунктах магистрали. Сопротивление шины заземления, согласно нормативам составляет не более 0.Рис.4. Распределение напряженности электрического поля Ом.
ЭП 110 кВ над поверхностью Земли на различных высотных Результаты расчета напряотметках женности электрического поля на примере подземной ЛЭП 110 кВ с заземлением приведены на рис.4.
Корректность результатов, получаемых при помощи МКЭ подтверждена сравнением расчетов поля воздушной ЛЭП с расчетами, проведенными по формулам (1) и (2). Данные результаты приведены в тексте диссертации.
Первичные и вторичные объекты сетевой иерархии системы энергоснабжения региона, к которым относятся силовые распределительные пункты, построенные по индивидуальным проектам, при расчетах ЭМП, в рамках настоящей работы, моделируются системой эквивалентных элементарных излучателей, параметры которых определяются по некоторому набору экспериментальных данных. При проведении экспериментальных исследований следует найти направления, в которых значения напряженностей полей максимальны (при одном и том же расстоянии). Это позволит определить ориентацию эквивалентных диполей, их геометрические размеры, а так же токи их возбуждающие. Параметры эквивалентных диполей находятся по экспериментальным данным при помощи любого метода математической регрессии, например метода наименьших квадратов, сущность которого подробно изложена в математической литературе.
На рис.5 приведены результаты расчета напряженности поля силового распределительного пункта. Исследуемый объект расположен в г. Самара на пересечении улиц Ново-Вокзальной и Московского шоссе. Измерения производились на расстоянии 5 м от периметра объекта (ограниченного металлическим заграждением) при помощи измерителя напряженности электрического поля П3-50. Из множества полученных в результате эксперимента значений выбирались максиРис.5. Электрическое поле силового распределительного пункта мальные, по которым и определялись параметры расчетно-экспериментальной модели.
Все методики расчетного прогнозирования электромагнитной обстановки, разработанные в настоящем разделе, реализованы в виде программы для ЭВМ в среде Matlab.
Во втором разделе Разработка электродинамических моделей силовых трансформаторных подстанций выявлены и учтены особенности возникающей при этом электродинамической задачи. В частности, для уменьшения затрат времени на вычисления при реализации МКЭ размерность задачи целесообразно понизить. Нетрудно заметить, что анализируемые устройства имеют либо осевую (обмотки), либо плоскостную симметрию (трансформатор в целом), причем эта симметрия распространяется и на конфигурацию сторонних источников.
Иными словами, для моделируемых рассматриваемых устройств возможен переход от трехмерной задачи к двумерной, учитывающей геометрические особенности модели с сохранением пространственной трехмерной структуры решения. Задачи данного типа назовем псевдодвумерными, как частный случай плоскомеридиональной задачи.
Для моделирования подобных источников квазистационарного ЭМП применен метод непосредственного решения электродинамической задачи, сформулированной для неоднородных стационарных уравнений второго порядка эллиптического типа. Численное решение этих уравнений проводится с использованием МКЭ, в котором вся анализируемая область пространства разбивается на конечное число дискретных подобластей, имеющих форму многоугольников. Данный подход к решению стационарных задач описан выше.
Результаты расчета электрического поля в помещении типовой трансформаторной подстанции, содержащей два трансформатора, и помещениях второго этажа приведены на рис.6. При расчете предполагалось, что один из трансформаторов работает с нагрузкой 160 кВА, а второй с нагрузкой 50 кВА Картина распределения напряженности электрического поля построена для вертикального сечения модели. Из приведенных результатов видно, что электрическое поле концентрируется вблизи высоковольтных вводов и корпусов трансформаторов. При этом с самой трансформаторной Рис.6. Распределение электрического поля в трансформаторной уровни поля достаточно подстанции высоки (до 50 кВ/м).
Однако на втором этаже и выше уровень напряженности электрического поля невелик и значительно ниже предельно допустимых уровней и составляет примерно 0.2 кВ/м. Значительное ослабление электрического поля обусловлено экранирующим действием стен помещения, имеющего заземленную арматуру. Магнитное поле рассчитывалось на первом, и втором этажах в вертикальном сечении помещения.
При расчете использовались следующие сведения о конструкциях трансформаторов:
число витков трансформатора: высокого напряжения (ВН) - 2800 витков, низкого напряжения (НН) - 120 витков; средняя толщина обмотки трансформатора 160кВА:
ВН - 320мм, НН - 470мм. На рис.7 приведена картина распределения магнитного поля в вертикальном сечении.
На рисунке отчетливо видна концентрация поля вблизи трансформатора нагруженного на большую мощность. При этом заметно значительное превышение предельно допустимого уровня в помещении трансформаторной подстанции, а также то, что максимальный уровень магнитного поля в помещении второго этажа составляет 20 мкТл, что Рис.7. Распределение магнитного поля в удовлетворяет нормавертикальном сечении расчетного объема тиву в 100 мкТл, предписанному СанПиН 2.2.4.1191-03.
Помимо квазистационарного ЭМП в настоящем разделе проведена оценка высокочастотного поля излучения силового трансформатора. Элементами конструкции силового трансформатора, существенно влияющими на характеристики излучения являются магнитопровод, ввод высокого напряжения, вводы на низкие напряжения, блок контакторов, бак. Наиболее вероятными местами возникновения коронных разрядов являются шины и точки подсоединения шин к высоковольтным вводам трансформатора. Источники поверхностных частичных разрядов вероятнее всего будут распределены по поверхности фарфоровых рубашек высоковольтных вводов. Частичные разряды во внутренней изоляции возникают как в основной изоляции обмоток трансформатора, так и в изоляции высоковольтных вводов. ЭМП, связанные с частичными разрядами во внутренней изоляции, будут излучаться в окружающее пространство через элементы конструкции, изолированные от корпуса трансформатора. Это обусловлено тем, что корпус трансформатора заземлен и является достаточно хорошим экраном для всех высокочастотных электромагнитных излучений, исходящих от источников частичных разрядов, расположенных внутри трансформатора.
Излучающими частями конструкции трансформатора можно считать высоковольтные вводы - источники поля частичных разрядов, возникающих из-за внутренних дефектов изоляции вводов, и так же элементы конструкции, находящихся внутри трансформатора. Также в пространство будет излучаться и ЭМП искровых разрядов, возникающих в дефектах магнитопровода. Для анализа излучающих свойств вводов удобнее всего их представить в виде линейных излучателей, работающих в следующих режимах:
- вертикальный излучатель с произвольным подключением источника возбуждения по высоте вибратора;
- вертикальный излучатель с емкостной нагрузкой и произвольным подключением источника возбуждения по высоте вибратора. Емкостная нагрузка представляет собой шину, подключаемую к высоковольтному вводу.
Решение данной задачи находится путем численного решения интегрального уравнения с приближенным ядром. Подробное описание данной процедуры представлено в диссертации.
В разделе 3 Электродинамическое моделирование цепей питания электротранспорта разработана методика расчета полей, создаваемых цепями питания электротранспорта. При этом использованы подходы, предложенные в предыдущих разделах, с указанием границ применимости последних. Проведены тестовые расчеты ЭМП вблизи систем питания электротранспорта различных типов, таких как троллейбус, трамвай, метрополитен.
При электродинамическом моделировании сети питания электротранспорта представляют собой линейные источники стационарного поля, и к расчету их полей целесообразно применять тот же подход, что и к воздушным ЛЭП. При моделировании цепей питания трамвая и метрополитена, один из проводов которых непосредственно находится на поверхности Земли, для целей оценки электромагнитной обстановки вполне оправдано пренебрежение блуждающими токами в толще земной поверхности. Тяговые электростанции трамвая и троллейбуса целесообразно рассматривать как распределительные пункты системы энергоснабжения и моделирование проводить аналогично трансформаторным подстанциям.
Отдельного рассмотрения требует вопрос, связанный с расчетом поля внутри и в непосредственной близости транспортного средства, поскольку находящиеся внутри последнего пассажиры испытывают непосредственное влияние этого поля. При этом требуется детальный учет элементов конструкции транспортного средства, существенно влияющие на характеристики излучаемого поля. К ним относятся, прежде всего, конструктивные узлы, находящиеся в непосредственном контакте с цепями питания - устройства токосъема, силовые цепи, цепи питания тяговых двигателей, пускотормозные реостаты. Кроме того, на характеристики ЭПМ внутри транспортных средств оказывают влияние вспомогательные электрические машины и цепи вторичного электричества - генераторы собственных нужд, цепи управления, контроллеры.
Моделирование ЭМП электротранспорта проведено при помощи метода конечных элементов.
Корпус электрического транспортного средства находится в непосредственной близости от токоведущих частей контактной сети. В связи с этим, очевидно, окажутся значительной величины вторичные поля, созданные вихревыми токами, наведенными в проводящих элементах кузова. Учет вихревых токов требует модификации исходных уравнений Лапласа.
Источниками вторичного поля являются токи, наведенные в толще металла переменным электрическим полем, созданным токами контактной сети.
Первичное переменное магнитное поле в подобных случаях оказывает незначительное влияние на вторичное поле, поэтому его учет при электродинамическом моделировании необязателен.
Таким образом, следует подвергнуть модификации лишь уравнение отноr сительно электрического вектора, исходя из предпосылки, что rot E 0, следующим образом:
r r cost - 2 H = rot j, (14) 1- tg где tg - тангенс угла диэлектрических потерь материала корпуса.
В остальном, вычислительные процедуры, выполняемые в рамках метода конечных элементов, не отличаются от описанных выше.
На рис.8 приведены результаты расчета электрического поля, создаваемого цепью питания троллейбуса в присутствии вагона типа ЗиУ-9, оснащенного Рис.8. Распределение магнитных силовых линий цепи питания троллейбуса в вертикальном сечении двумя тяговыми двигателями, суммарной мощностью 260 кВт. Троллейбус оснащен штанговым токоприемником.
Приведенные результаты подтверждают, что уровни электрического поля внутри салона троллейбуса достаточно высоки (0,2 кВ/м), и в ряде случаев приближаются к ПДУ, установленному для населения.
Относительно структуры поля отметим то обстоятельство, что области сильного поля и по электрической и по магнитной компонентам локализованы вблизи проводов контактной сети и практически не касаются салона. Уровни поля вне салона, оказываются небольшими и уже на расстоянии 1Е1,5 м от расположения контактной сети не превышают ПДУ. Присутствие вагона очевидным образом приводит к увеличению уровней поля, следовательно чистая контактная сеть (даже несущая нагрузку) создает поля, уровни которых можно признать безопасными.
При построении конечноэлементных моделей детально учтены все элементы конструкции транспортного средства, влияющие на электромагнитную обстановку как на открытых пространствах, так и внутри салона транспортного средства. Для этого приведены и систематизированы сведения об электрических машинах, устройствах токосъема силовых цепях и цепях управления современного электротранспорта. В разделе приведены результаты расчетов уровней ЭМП, создаваемых цепями питания троллейбуса, трамвая и поезда метрополитена.
В разделе 4 Экспериментальные исследования электромагнитных полей энергетической инфраструктуры региона приведены результаты экспериментальных исследований ЭМП различных объектов системы энергоснабжения Самары и Самарской области.
Ввиду существенного зашумления спектра вблизи промышлен- E, kV/m E, V/m 3.Eтеор ной частоты в городах, с одной E 3.стороны и влияния побочных статических полей с другой стороны, 2.для измерений ЭМП ПЧ целесооб2.разно использовать селективный 1.прибор с закрытым входом. В качестве такого прибора может вы1.ступать, например, измеритель 0.напряженности поля промышлен0.ной частоты П3-50.
r, m 0.00 2.00 5.00 10.00 15.00 20.00 50.Измерения проводились для Рис.12. Электрическое поле ЛЭП 110 кВ ряда ЛЭП, эксплуатирующихся на территории Самарский области - ЛЭП-500 кВ, ЛЭП-200 кВ, ЛЭП-100 кВ, а также для некоторых трансформаторных подстанций. На рис.12 и приведены некоторые результаты измерений.
Результаты экспериментальных исследований использованы для проверки корректности данных полученных при помощи методик расчетного прогнозирования, разработанных в предыдущих разделах диссертации. Сравнение результатов подтвердило корректность разработанных расчетных Рис.13. Магнитное поле трансформаторной методик и построенных на их осподстанции на высоте 0.5 м от плоскости пола нове теоретических моделей.
В разделе 5 Систематизация подходов к региональному контролю природной среды по фактору электромагнитного излучения объектов энергетических систем проведена разработка технологического алгоритма контроля. Предложен и детально обоснован геоинформационный подход к визуализации электромагнитной обстановки в регионе. Приведены скриншоты некоторых фрагментов ГИС электромагнитной безопасности региональной энергосистемы Самарской области.
Целью электромагнитного мониторинга является представление проектным, экологическим и другим заинтересованным организациям экспертных материалов по электромагнитной обстановке вблизи элементов энергетических систем - ЛЭП, трансформаторных подстанций, распределительных подстанций.
юбая энергетическая или телекоммуникационная система является пространственно - распределенным комплексом различных объектов. Каждый объект находится в определенной точке местности и имеет свои географические координаты. Таким образом, структура любой из этих систем может быть представлена в виде карты объектов. Соответственно любой комплекс энергетического или телекоммуникационного оборудования может рассматриваться как часть цифровой модели или цифровой карты местности. Такой подход к анализу пространственно распределенных систем получил название геоинформационного. Геоинформационный подход предполагает использование специализированных программноаппаратных комплексов для сбора, анализа, хранения и обработки пространственно распределенной информации - геоинформационные системы (ГИС).
Применение ГИС в области энергетики и телекоммуникаций позволяет решать множество различных задач - от инвентаризации объектов до визуализации электромагнитной обстановки.
Применение геоинформационных технологий для решения задач электромагнитной безопасности - новое направление исследований в области телекоммуникаций и энергетике. В этом случае специализированная ГИС может быть использована как инструмент мониторинга электромагнитного загрязнения, как наглядная система инвентаризации источников ЭМП и как система прогнозирования изменения качества экологической обстановки по электромагнитному фактору. Применение геоинформационных технологий позволяет проводить геоэкологическое картографирование электромагнитной обстановки территории.
Карта электромагнитной обстановки города представляет собой слои электронной карты, привязанные к цифровой картографической основе (электронной карте рельефа с нанесенными элементами городской застройки). Каждый слой карты содержит информацию об источниках электромагнитного загрязнения и создаваемых этими источниками ЭМП. Подобные цифровые электронные карты имеют широкое распространение в практике экологического мониторинга.
Построение полной карты электромагнитного загрязнения требует учета всех классов источников, режимов их работы и условий размещения.
Исходными данными для электромагнитного мониторинга энергетической инфраструктуры мегаполиса являются: цифровая картографическая основа - слои, содержащие информацию о рельефе местности, расположении улиц и дислокации элементов городской застройки; географические координаты коридоров прохождения высоковольтных ЛЭП, типы опор, определяющие взаимное расположение токонесущих проводников; графики сезонных изменений токовых нагрузок ЛЭП; географические координаты трансформаторных подстанций; типовые проекты трансформаторных подстанций, как свободно стоящих, так и встроенных; режимы работы трансформаторного оборудования, номинальные, пиковые и аварийные токовые загрузки трансформаторов; географические координаты коридоров прохождения контактных сетей электротранспорта.
В качестве примера на рис.14 и рис.15 приведены фрагменты электронной карты электромагнитного мониторинга г. Самары.
Проведение электромагнитного мониторинга при проектировании, строительстве и реконструкции энергетических систем позволяет:
- избежать ошибок в размещении элементов энергетических систем с точки зрения обеспечения электромагнитной безопасности населения и производственного персонала;
- в жилых зданиях и помещениях, производственных условиях, а также на селитебной территории обеспечить электромагнитную обстановку, соответствующую действующим санитарно-гигиеническим нормам России;
- разработать рекомендации по снижению уровней ЭМП на обследуемых площадках.
В заключении сформулированы основные научные и научно-практические результаты работы.
В рамках решения поставленной научной проблемы автором была разработана технология включающая систему классификации источников, методики их электродинамического моделирования как приближенные, так и строгие, в зависимости от специфики конструкции и характера излучаемого поля, подходы к учету реальных условий размещения.
В том числе получены следующие научные результаты.
1. Проведена систематизация сведений о технических средствах, являющихся источниками ЭМП в региональных энергетических системах. В их составе определены две качественно однородные группы по признакам пространственной локализации и характеристикам излучаемого ЭМП, а так же адекватным методам регионального контроля ЭМП:
- группа линейных (распределенных) источников;
- группа локальных (сосредоточенных) источников.
К линейным источникам ЭМП отнесены локальные участки цепей энергоснабжения - воздушные и подземные линии электропередач, линии питания наземного и подземного электротранспорта. К локальным источникам автор отнес силовые распределительные пункты, трансформаторные подстанции, тяговые подстанции системы питания электротранспорта.
2. Разработаны электродинамические модели элементов энергетических систем в соответствии с принятой классификацией.
С точки зрения электродинамического моделирования объекты региональных энергосистем можно подразделить на три группы:
- воздушные линии электропередач и питания электротранспорта; для электродинамического моделирования применен подход, основанный на использовании метода зеркальных изображений и замкнутых интегралов уравнений Пуассона;
Рис.14. Слой карты с географическими координатами трансформаторных подстанций Рис.15. Фрагмент карты с нанесенными ЛЭП, трансформаторными подстанциями и создаваемыми ими ЭМП - подземные линии электропередач, трансформаторные подстанции, линии питания электротранспорта в непосредственной близости транспортного средства. Для таких источников разработана методика электродинамического моделирования, в основу которой положен метод конечных элементов для стационарных уравнений второго порядка эллиптического типа. Автором сформулированы допущения, позволяющие понижать размерность решаемой краевой задачи.
- первичные и вторичные объекты системы энергоснабжения, концентраторы распределители - технические средства, относимые к локальным источникам ЭМП, но имеющие неунифицированную конструкцию. Для анализа таких источников разработана расчетно-экспериментальная методика, основанная на представлении анализируемого объекта системой электрического и магнитного диполей, параметры которых определяются по экспериментальным данным.
3. Исследованы электромагнитные поля реальных объектов, функционирующих в Самарской области - высоковольтных линий электропередач, подземной линии 110 кВ, встроенных трансформаторных подстанций различной ведомственной принадлежности.
Все результаты исследований перечисленных объектов были в различное время получены в рамках хоздоговорных НИР и использованы в проектной документации на объекты.
4. Разработаны оценочные методы контроля высокочастотных ЭМП, создаваемых короной высоковольтной ЛЭП в равновесном состоянии и электрическими разрядами в конструктивных элементах силовых трансформаторов.
Для вычисления полей излучения коронирующих проводов ЛЭП предложена приближенная методика, основанная на использовании нелинейного закона Ома и экспериментально определенной вольтамперной характеристике коронного разряда. Для решения задачи расчета поля излучения силового трансформатора разработан подход, основанный на аппроксимации корпуса устройства системой тонких проводников. При этом расчету ЭМП предшествует расчет поверхностного тока, наведенного возбуждением на проводящих элементах модели.
Плотность поверхностного тока определяется путем решения обратной электродинамической задачи методом интегральных уравнений.
5. Разработана методика измерения ЭМП элементов энергетической инфраструктуры региона. Проведены экспериментальные исследования ЭМП некоторых объектов системы энергоснабжения Самарской области. При этом подтверждена корректность разработанных методов расчетного прогнозирования.
6. Разработан технологический алгоритм контроля состояния природной среды по фактору электромагнитного излучения объектов энергетических систем.
Все вычислительные процедуры, предложенные в диссертации реализованы в виде программных модулей, которые в дальнейшем составят основу перспективной автоматизированной системы. На всех этапах работы проведены тестовые расчеты, подтверждающие работоспособность программ. Расчеты проводились на примере реальных объектов, эксплуатирующихся, либо вводимых в эксплуатацию на территории г. Самары и Самарской области. Корректность результатов полученных при помощи расчетов подтверждена экспериментальными исследованиями.
7. Построены фрагменты геоинформационной системы электромагнитной безопасности энергетической инфраструктуры Самарской области.
В результате проведенных работ создано четыре слоя электронной карты:
- воздушные линии электропередач;
- электромагнитные поля воздушных линий электропередач;
- трансформаторные подстанции;
- электромагнитные поля трансформаторных подстанций.
Таким образом, цели, поставленные в диссертационном исследовании, достигнуты полностью.
В приложениях приведены некоторые алгоритмы и результаты расчетов, не включенные в основную часть: в приложении 1 - выражения для функций формы и преобразования координат в методе конечных элементов; в приложении 2 - некоторые математические выкладки, результаты которых использованы в диссертации; приложение 3 содержит справочные данные по типовым опорам ЛЭП;
в приложении 4 - формулы, используемые при расчете высокочастотных полей трансформаторов, а приложение 5 содержит результаты расчетов, не включенные в основную часть. В приложении 6 приведены акты внедрения результатов диссертационной работы.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ Монографии 1. Довбыш В.Н. Региональный контроль электромагнитных полей объектов энергетических систем: монография - Самара: Офорт, 2008. - 130 с.
2. Электромагнитная безопасность элементов энергетических систем: монография / Довбыш В.Н., Маслов М.Ю., Сподобаев Ю.М. - Самара: ИПК Содружество, 2009. - 198 с.
Нормативно-методические документы 3. Электромагнитные поля в окружающей среде. Расчет электромагнитных полей распределительных и оконечных устройств сетей энергоснабжения: методические указания / Довбыш В.Н., Маслов М.Ю., Ружников В.А. [и др.]. - Самара: ООО САМБР, 2005. - 57 с.
Статьи в журналах, рекомендованных ВАК 4. Довбыш В.Н. Моделирование и расчет электромагнитных источников тепла при индукционном нагреве осесимметричных тел сложной формы // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия Технические науки - 2002. - Вып.14. - С. 181Ц184.
5. Довбыш В.Н. Оптимизация нестационарных режимов непрерывного индукционного нагрева в условиях ступенчатой вариации входных параметров изделий // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия Технические науки - 2002. - Вып.15 - С. 18Ц23.
6. Электродинамическая модель трансформатора с сердечником, выполненным из материала с нелинейными свойствами / Довбыш В.Н., Маслов М.Ю., Ситникова С.В. [и др.] // Инфокоммуникационные технологии - 2004. - Том 2. - №3. - С. 72Ц76.
7. Довбыш В.Н., Маслов М.Ю., Сарокваша О.Ю. Экологический мониторинг состава почвы в зоне размещения высоковольтной ЛЭП // Вестник Самарского государственного университета. Естественнонаучная серия. 2006. - №4 (44). - С.136Ц148.
8. Довбыш В.Н. Анализ помехового излучения линии электропередач // Радиотехника. 2006. - №10. - С.69 - 71.
9. Довбыш В.Н., Сивков В.С., Сподобаев Ю.М. Визуализация электромагнитной обстановки, создаваемой телекоммуникационными техническими средствами, расположенными на больших территориях // Антенны. 2006. - №10 (113). - С.58Ц62.
10. Довбыш В.Н., Сивков В.С. Цифровая электромагнитная модель местности // Инфокоммуникационные технологии, 2007. - Т. 5. - №1. - С.85Ц88.
11. Довбыш В.Н. Электродинамическое моделирование цепей питания электротранспорта // Известия Самарского научного центра российской академии наук. Специальный выпуск XIII конгресс Экология и здоровье человека. Самара, 2008. - Т. 1. - С.141Ц146.
12. Довбыш В.Н. Экологический анализ использования природных ресурсов и оценка состояния окружающей среды Самарской области // Известия Самарского научного центра Российской Академии наук, 2009. - Т. 11. - №13. - С.472Ц476.
13. Довбыш В.Н. Экологический мониторинг элементов региональной энергетической инфраструктуры по фактору электромагнитного излучения // Известия Самарского научного центра Российской Академии наук, 2009. - Т. 11. - №13. - С.476Ц482.
14. Довбыш В.Н., Сподобаев Ю.М. Оценка радиочастотных помех, создаваемых короной высоковольтной линии электропередач // Телекоммуникации и транспорт. Спецвыпуск Технологии информационного общества. Часть III. 2009. - С.77-79.
Публикации в прочих изданиях 15. Довбыш В.Н. Электромагнитные поля - фактор антропогенного загрязнения окружающей природной среды // Труды VII Всероссийского конгресса Экология и здоровье человека. - Самара, 2001. - С.55Ц57.
16. Антропогенные загрязнения территории и их влияние на состояние здоровья населения / Довбыш В.Н., Котельников Г.П., Самыкина [и др.] // Труды VII Всероссийского конгресса Экология и здоровье человека. - Самара, 2001. - С. 90Ц94.
17. Довбыш В.Н. Идентификация процесса непрерывного индукционного нагрева изделий при утилизации взрывателей // Труды двенадцатой межвузовской конференции Математическое моделирование и краевые задачи: ч.2. - Самара: СамГТУ, 2002. - С.31 - 34.
18. Довбыш В.Н. Модели а алгоритмы оптимального управления индукционными нагревателями непрерывного действия в установках утилизации // Труды двенадцатой межвузовской конференции Математическое моделирование и краевые задачи: ч.2. - Самара: СамГТУ, 2002. - С.34 - 37.
19. Данилушкин А.И., Довбыш В.Н. Проблемы экологии при утилизации взрывателей // Труды седьмой Международной конференции Окружающая среда для нас и будущих поколений. - Самара: СамГТУ, 2002. - С.58 - 59.
20. Абакумов А.М., Довбыш В.Н., Зимин Л.С. Энергосбережение и экология в электротехнологии // Труды седьмой Международной конференции Окружающая среда для нас и будущих поколений. - Самара, СамГТУ, 2002. -С.13-14.
21. Довбыш В.Н. Проблемы и тенденции состояния природной среды Самарской области // Труды VIII Международного конгресса Актуальные проблемы экологии человека. - Самара 2002. - С.64 - 68.
22. Численный анализ электромагнитного поля силовых трансформаторов в реальных условиях размещения / Довбыш В.Н., Маслов М.Ю., Сподобаев Ю.М. // Ежегодник РНКЗНИ 2003. Сб. трудов. - М.: Изд-во АЛАНА, 2004. - С. 151 - 163.
23. Довбыш В.Н. Практика управления отходами на территории Самарской области // Труды II Всероссийской научно-практической конференции Процессы, технологии и оборудование для переработки отходов и вторичного сырья. Полигоны по захоронению отходов. - Самара, 2003. - С. 10 - 13.
24. Довбыш В.Н. Проблемы электромагнитной экологии энергетических систем // Материалы IX Всероссийского конгресса Экология и здоровье человека. Самара, 2004.
- С. 89 - 92.
25. Довбыш В.Н., Сподобаев Ю.М. Электромагнитный мониторинг энергетических систем // Материалы V Международной научно-технической конференции Проблемы техники и технологии телекоммуникаций. - Самара, 2004. - С.13Ц14.
26. Моделирование электромагнитных полей встроенной трансформаторной подстанции жилого дома / Довбыш В.Н., Маслов М.Ю., Сподобаев Ю.М. // Материалы V Международной научно-технической конференции Проблемы техники и технологии телекоммуникаций. - Самара, 2004. - С.201Ц202.
27. Встроенные трансформаторные подстанции - проблемы электромагнитного мониторинга / Довбыш В.Н., Маслов М.Ю., Сподобаев Ю.М. // Материалы IV Международного симпозиума по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии. - Санкт-Петербург. Июнь 2005. - С.25Ц30.
28. Довбыш В.Н. Электромагнитные поля и здоровье человека // Материалы X Конгресса Экология и здоровье человека. - Самара, 2005. - С.88Ц91.
29. Довбыш В.Н., Сивков В.С. Применение геоинформационных технологий в системах электромагнитного мониторинга // Материалы X Конгресса Экология и здоровье человека. - Самара, 2005. - С.91Ц93.
30. Довбыш В.Н., Сподобаев Ю.М. Проблемы мониторинга электромагнитного загрязнения окружающей среды // XXXIII Всероссийский семинар Актуальные вопросы охраны окружающей среды. Программное обеспечение экологов, НПО Логус. - Москва, 2005. - С.7Ц8.
31. Электромагнитный мониторинг энергетических систем / Довбыш В.Н., Маслов М.Ю., Сподобаев Ю.М. // Академия Энергетики, 2006. - №1 (09). - С.4Ц7.
32. Довбыш В.Н. Принципы электромагнитного мониторинга энергетических систем // Материалы XIII Юбилейная Российская научная конференции профессорскопреподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов. - Самара: ПГАТИ. ЦС.150.
33. Довбыш В.Н., Маслов М.Ю. Анализ излучения коронного разряда высоковольтных линий передачи // Материалы VII Международной научно-технической конференции Проблемы техники и технологии телекоммуникаций. - Самара, 2006. - С.270Ц272.
34. Довбыш В.Н., Сподобаев Ю.М. Проблемы электромагнитного мониторинга мегаполисов // Материалы VII Международной научно-технической конференции Проблемы техники и технологии телекоммуникаций. - Самара, 2006. - С.272Ц274.
35. Довбыш В.Н. Современные методы оценки и прогнозирования экологической обстановки и масштабов природопользования // Труды XI Всероссийского конгресса Экология и здоровье человека на тему: Проблемы выживания человека в техногенной среде современных городов. - Самара, 2006. - С.80Ц85.
36. Анализ влияния электромагнитных полей промышленной частоты на биохимический состав почвы в зоне прохождения высоковольтной ЛЭП / Довбыш В.Н., Маслов М.Ю., Сарокваша О.Ю. [и др.] // Ежегодник РНКЗНИ: сб.трудов, 2006. - М.: Изд-во АЛАНА, 2007. - С.111Ц126.
37. Довбыш В.Н., Сподобаев Ю.М. Уровни и источники электромагнитного загрязнения Самары // XIV Российская научная конференция профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов. - Самара: ПГАТИ, 2007. - С.110Ц111.
38. Довбыш В.Н. Оценка экологической обстановки и масштабов природопользования с использованием ГИС // XIV Российская научная конф. профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов. - Самара: ПГАТИ, 2007. - С.108.
39. Довбыш В.Н., Семаков Л.М. Расчет электромагнитных полей первичных объектов энергоснабжения области // XIV Российская научная конференция профессорскопреподавательского состава, научных работников и аспирантов. - Самара: ПГАТИ, 2007. - С.110-111.
40. Довбыш В.Н., Сарокваша О.Ю. Эффект хронического воздействия электромагнитного излучения ЛЭП-110 кВ на эколого-биохимические показатели почвы // Материалы IV Международного симпозиума по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии. - Санкт-Петербург, 2007 - С.364Ц367.
41. Довбыш В.Н., Сивков В.С. Формирование пространственных данных для геоинформационной системы электромагнитной безопасности // Материалы VIII МНТК Проблемы техники и технологий телекоммуникаций. - Уфа, 2007. - С.191Ц194.
42. Довбыш В.Н., Сподобаев М.Ю. Современные методы оценки и прогнозирования экологической обстановки // Материалы VIII МНТК Проблемы техники и технологий телекоммуникаций. - Уфа, 2007. - С.196Ц199.
43. Довбыш В.Н., Маслов М.Ю., Сподобаев Ю.М. Метод оценки электромагнитной обстановки в помещениях со встроенными распределительными пунктами систем энергоснабжения // Материалы VIII МНТК Проблемы техники и технологий телекоммуникаций. - Уфа, 2007. - С.207-210.
44. Довбыш В.Н., Маслов М.Ю., Сарокваша О.Ю., Сподобаев Ю.М. Анализ влияния электромагнитных полей промышленной частоты на биохимический состав почвы в зоне прохождения высоковольтной ЛЭП // Ежегодник РНКЗНИ: сб. трудов, 2007 г. - М.: Издво АЛАНА, 2007. -С.111-155.
45. Довбыш В.Н., Сивков В.С., Сподобаев Ю.М. Визуальное представление электромагнитной обстановки на территории мегаполиса // Труды XIII международной научнотехнической конференции Радиолокация, навигация, связь, 2007 - Т2. - С.2036Ц2042.
46. Довбыш В.Н., Маслов М.Ю., Сподобаев Ю.М. Региональный мониторинг электромагнитных полей создаваемых элементами энергетических систем // Труды VII международного научно-практического семинара Проблемы электромагнитной экологии в науке, технике и образовании. - Ульяновск, 2008. - С.22Ц25.
47. Довбыш В.Н. Расчет электромагнитных полей, создаваемых цепями питания электротранспорта // Материалы VIII Международного симпозиума по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии - ЭМС-2009. - Санкт-Петербург, 2009. - С.27Ц30.
48. Довбыш В.Н., Маслов М.Ю., Сподобаев Ю.М. Электромагнитная безопасность элементов энергетических систем // Материалы VIII Международного симпозиума по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии - ЭМС-2009. - СанктПетербург, 2009. - С.27Ц30.
49. Довбыш В.Н., Маслов М.Ю., Сподобаев Ю.М. Энергетические системы: электромагнитный мониторинг и безопасность // Материалы Второго международного экологического конгресса - ELPIT-2009. Тольятти, 2009. - С.46Ц50.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям