Ас = [1-(1-a1)(1-a2)] [1-(1-a4)(1-a5)][1-(1-a1)(1- a3)(1-a5)][1-(1-a2)(1-a3)(1-a4)], (4)

которая после преобразований с использованием альтернативных переменных приобретает форму (2). Заменяем на вероятности рi, получим уравнение Рс:

Таким образом, для электрической схемы (рис.1) из пяти элементов верхняя оценка вероятности безотказной работы, полученная методом минимальных сечений, и нижняя, полученная методом минимальных путей, совпали. Однако, для более сложных систем, состоящих из разных по надежности элементов, этого может и не произойти. Поэтому для получения оценочных границ вероятности безотказной работы сложных систем методами минимальных путей и сечений целесообразно пользоваться совместно.

Рис. 3. Расчет надежности электрической системы

Для выше описанных методов составлены алгоритмы, позволяющие рассчитывать с помощью ЭВМ надёжность любой сложной по структуре схемы с учётом двух типов отказов её элементов (рис. 3). В качестве исследуемой структуры выбрана структура (рис. 1) с исходными данными, приведенными в таблице 1.

на серия вычислительных экспериментов для различных свойств морской воды, подводного грунта и различных частот.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ Электромагнитное поле описывается сис-

Переходя от системы уравнений Максвелла к уравнению второго порядка относи-

тельно переменной E , получим уравнение Гельмгольца:

волновое число.

В случае, когда σ — константа, закон сохранения электрического заряда (алгебраическая сумма электрических зарядов тел или частиц, образующих электрически изолированную систему, не изменяется при любых процессах, происходящих в этой системе)

σ(z), то уравнение, описывающее закон со-

хранения электрического заряда, выглядит иначе:

Относительно действительных перемен-

ных Ereal , Eim получим следующую систему уравнений:

Умножив скалярно (6) на базисную функцию V из этого же пространства, и воспользовавшись 1-ой теоремой Грина, получим дискретную матрично-векторную систему уравнений с несимметричной матрицей, которая может быть решена методом BCG (бисопряженных градиентов) или GMRES (обобщенных минимальных невязок) [3].

ЛИТЕРАТУРА:

1.Баландин М.Ю., Шурина Э.П. Векторный метод конечных элементов // Учеб. Пособие. — Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2001. — 69 с.

2.Вершинин А.О. Жизнь Черного Моря.

—Москва: Изд-во Мак-Центр, 2003. — 178 с.

3.Нечаев О.В., Шурина Э.П. Многосеточный алгоритм решения векторным методом конечных элементов трехмерного уравнения Гельмгольца. // Математическое моде-

лирование. — 2005. — Т. 17, № 6. — С. 92– 102.

______________________________________

Научный руководитель: д.т.н., профессор Шурина Э.П.

В системах электроснабжения, в различных электроустановках при нормальных и аварийных режимах генерируется энергия искажения (некачественная электрическая энергия (ЭЭ)), которая определяется высшими гармониками и различного вида асимметриями, очень часто её объёмы сопоставимы с объемом качественной электрической энергии (КЭЭ) прямой последовательности по первой гармонике [1]. Потоки некачественной ЭЭ приводят к выходу из строя электрооборудования, сказываются на нормальных режимах работы электроустановок, вызывают существенные потери ЭЭ и рост электропотребления, а также ухудшают показатели КЭЭ, что в ряде случаев затрудняет сертификацию ЭЭ.

На данный момент существует ряд предложений по повышению КЭЭ, основанных на использовании различного вида фильтров, в том числе предлагается использовать активные фильтры [2]. Эти подходы не позволяют оптимально решать проблему повышения КЭЭ в точках общего присоединения (ТОП). Это связано с одной стороны с тем, что фильтрация, в том числе и активная способна повышать КЭЭ только для стационарных режимов. С другой стороны, использование фильтров приводит к значительному росту потерь ЭЭ [3]. При динамических режимах, которые протекают в электрических сетях, в частности системах тягового электроснабжения (СТЭ), с постоянно меняющимися параметрами нагрузки нужно использовать другие методы и средства повышения КЭЭ.

Перечисленное выше обусловило разработку нового подхода решения проблемы повышения КЭЭ для любых режимах электрической сети исключающего рост потерь ЭЭ. Этот подход основан на выделении тем или иным способом некачественной ЭЭ, определяемой мощностью искажения, и дальнейшем использовании её (утилизации). Реализацией этого подхода является способ повышения КЭЭ основанный на выделении из трехфазной сети мощности искажения, связанной в основном с системами нулевой последовательности первой и высшими гармониками напряжения.

Для точного и достоверного анализа основных электромагнитных процессов протекающих в устройствах реализующим «Способ повышения КЭЭ в электрической сети» [4] была разработана, собрана и испытана лабораторная установка. Как показали, результаты испытаний применение данного способа позволяет решать проблему повышения КЭЭ, а также обеспечивает утилизацию (использование) некачественной ЭЭ.

Для регистрации, измерения, обработки и сохранения измерительной информации использовался измеритель электропотребления и анализатор показателей КЭЭ ИВК «ОМСК- М» с программным обеспечением «ОМСК – ПКЭ». Данный информационный измерительный комплекс способен измерять значения тока и напряжения по сороковую гармонику, а также показатели КЭЭ согласно номенклату-

ре ГОСТ 13109-97 [5].

Измерения проводились при различных значениях сопротивления, от короткого замыкания до холостого хода, а в ряде случаев параллельно сопротивления подключалась ёмкость С. Несинусоидальность тока и напряжения задавалась нелинейными индуктивностями и диодом. Несимметрия в цепи задавалась и корректировалась путем изменений двух сопротивлений.

В таблице 1 приведены действующие значения тока и напряжения, а также активная, реактивная, полная мощности и значения cos и tg угла φ по первой гармонике.

Таблица – 1. Параметры электропотребления по первой гармонике до включения установки

В таблице 2 приведены значения параметров КЭЭ.

Таблица – 2. Параметры КЭЭ по напряжению

На рисунке 1 приведены коэффициенты n-ой гармонической составляющей напряжения KU(n) (спектр гармоник напряжений) и спектр гармоник тока.

Рис. 1 – Спектр гармоник тока и напряжения

Нарушение допустимых и предельно допустимых параметров КЭЭ: коэффициента несимметрии по нулевой последовательности K0, коэффициента синусоидальности кривой напряжения KU, коэффициентов n-ой гармонической составляющей KU(n). После включения устройства по повышению КЭЭ, наблюдалось значительное повышения показателей КЭЭ.

В таблице 3 приведены действующие значения тока и напряжения, а также активная, реактивная, полная мощности и значения cos и tg угла φ по первой гармонике после включения установки по повышению КЭЭ.

Таблица – 3. Параметры электропотребления по первой гармонике после включения установки

Из сравнения данных табл.1 и табл.3 следует, что нагрузка по фазам становится более равномерной, при этом резко возрастают напряжения на фазах асимметричной нагрузки, причем напряжения на фазе А становится практически равному фазному, напряжение на фазе В практически становится в 1,5 раза больше фазного, а на фазе С напряжение становится больше линейного.

В таблице 4 приведены параметры КЭЭ после включения установки.

Таблица–4. Параметры КЭЭ после включения установки.

Из сравнения данных табл. 2 и табл.4 следует, что коэффициент несимметрии по нулувой последовательности снижается более чем в 45 раз значительно уменьшается напряжение нулевой последовательности, а также обеспечивается выравнивание и снижение значений коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения по фазам сети. Напряжение прямой последовательности по первой гармонике возрастает практически в два раза.

На рисунке 2 приведены коэффициенты n-ой гармонической составляющей напряжения KU(n) (спектр гармоник напряжений) и спектр гармоник тока после включения установки.

Ввиду того, что качество электрической энергии (КЭЭ) определяется существующим ГОСТ 13109-97 [1], есть качество питающего напряжения. В установившихся режимах качество напряжения определяется следующими показателями: коэффициентами несимметрии по обратной и нулевой последовательностям, коэффициентом искажения синусоидальности формы кривой напряжения и коэффициентами n-ой гармонической составляющей напряжения.

Принято связывать качество изоляции с её параметрами: тангенсами углов полных потерь, емкостями и сквозными или омическими сопротивлениями и реже с величинами активных сопротивлений [2]. Испытание и измерение параметров изоляции в лабораторных условиях при использовании источников высококачественного напряжения часто дают информацию об удовлетворительном качестве электрической изоляции, а измерения на рабочем напряжении с его неудовлетворительном качеством при использовании методов и средств, укажут на неудовлетворительное качество изоляции ввиду значительных потерь активной и реактивной энергии в массиве изоляции. Это в первую очередь говорит о том, что качество напряжения, при котором эксплуатируется изоляция определяет существенные потери энергии, а тем самым её качество, а во-вторых о более сложном характере электрофизических процессов в изоляции, чем принято считать.

Считается, что в низкочастотных полях (частоты от долей герца до нескольких килогерц) основным механизмом потерь в твердой изоляции являются потери от электропроводности [3]. Исследования показывают, что основным механизмом потерь в электрической изоляции являются потери от низкочастотных поляризаций, которые развиты на макродефектах (поры, расслоения, трещины, границы сопряжения различных материалов и пр.) различной природы (конструкционные, технологические, эксплуатационные) [4].

На (рис.1) приведен треугольник мощностей, который связывает полные потери Р в

изоляции с потерями от абсорбции Рд (ди-

электрические потери) и сквозными потерями Рскв (омические потери), Q – реактивная

мощность, который построен по результатам измерений параметров изоляции электроустановки при низком качестве электрической энергии (напряжения) коэффициент искажения синусоидальности формы кривой испытательного напряжения равен 12,1.

Рис. 1. Треугольник активных и реактивных потерь в изоляции электроустановки при низком качестве испытательного напряжения

На (рис.2) приведен треугольник мощностей построенный по результатам измерений, выполненных при высоком КЭЭ (напряжения) коэффициент искажения синусоидальности формы кривой напряжения не больше 0,4. Среднеквадратичные значения испытательных напряжений для обоих опытов совпадали с точностью до 2%.

Построение треугольников мощностей осуществлялось в относительных единицах. За единицу принято значение реактивной мощности Q полученной при измерении на напряжении с низким качеством

KU (n)i = 12,1.

69

Рис.2. Треугольник активных и реактивных потерь в изоляции электроустановки при высоком качестве испытательного напряженияKU (n)i = 0,4

На (рис. 1, 2) δ,δ ' ,δ'' - соответственно

углы полных потерь, потерь от абсорбции (диэлектрических потерь), сквозных потерь (омических потерь). Тангенсы углов полных потерь, углов потерь от абсорбции (диэлектрических потерь) и углов от сквозных потерь (омических потерь) определяются по следующим формулам:

(3).

На рис.3 представлены гистограммы активных потерь по гармоникам.

Рис. 3. Распределение активных потерь в изоляции по гармоникам при KU (n)i = 12,1

верхняя гистограмма, при KU (n)i = 0,4 ниж-

няя гистограмма.

Приведенные материалы показывают связь КЭЭ и качества электрической изоляции. Рост КЭЭ (качества напряжения) ведет к росту качества изоляции за счет снижения активных и реактивных потерь в ней и как следствие обеспечивает снижение величин тангенсов углов потерь, емкости и увеличение активных сопротивлений, что обеспечивает увеличение надежности и безаварийности работы электроустановок.

Повышение эксплуатационного качества изоляции за счет роста качества напряжения в плане эффективного использования электрической энергии особенно продуктивно для массивной изоляции, Например, прямые измерения, выполненные в протяженных кабельных сетях при низком качестве канализируемой электрической энергии показывают потери электрической энергии в десятки кВт.

При исследованиях связи качества электрической изоляции с КЭЭ использовались измерители характеристик электропотребления и показателей КЭЭ такие как: АR.5 с программным обеспечением PowerVision, портативный счетчик Альфа+ с программой PowerPlus, информационно-вычислительный комплекс «ИВК «ОМСК - М» с программой « ИВК ОМСК-М», а также программные продукты расчета параметров изоляции.

Теоретические и экспериментальные исследования покали, что улучшение КЭЭ (качества напряжения) обеспечивает рост качества электрической изоляции, за счет снижения потерь активной и реактивной энергии в ней, что повышает эффективность использования электрической энергии, а также увеличивает надежность работы электрических сетей и электроустановок.

ЛИТЕРАТУРА:

1. ГОСТ 13109 - 97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электри-

линейных участков, при чем с увеличением числа пульсаций кривая сетевого тока по форме становится более близкой к синусоиде

(рис. 1).

Для определения длительности протекания сетевого тока в фазах выпрямительноинверторного преобразователя при работе в инверторном режиме нужно найти моменты

открытия вентилей τ i (например, для шестипульсового преобразователя τ1 −τ6 ), кото-

рые определяются углом опережения открытия тиристоров β, отсчитываемым от точки пересечения ЭДС коммутирующих фаз.

Углы коммутации вентильных токов γ мостового шести- и двенадцатипульсового с последовательным соединением мостов инверторов при симметричных питающих напряжениях для всех фаз одинаковы и определяются по формуле

где Хв – суммарное индуктивное сопро-

тивление питающей системы, понижающего и преобразо-вательного трансформаторов, приведенное к напряжению вентильной обмотки преобразо-вательного трансформатора;

Idи – ток нагрузки инвертора;

Кcx – коэффициент схемы, равный числу

параллельно соединенных вентильных секций преобразователя (для шестипульсовой мостовой и двенадцатипульсовой схемы с последовательным соединением мостов Кcx =

1);

U2и – действующее значение напряжения

на фазе вентильной обмотки инвертора. Рассмотрим гармонический состав сете-

вого тока на примере мостовой шестипульсовой схемы инвертора с соединением вторичной обмотки преобразовательного трансформатора в «звезду».

Для определения действующих значений гармоник сетевого тока ν-го порядка одной из фаз выпрямительно-инверторного преобразователя при работе в инверторном режиме использовано разложение функции тока в ряд Фурье.

Участки возрастающей части кривой сетевого тока фазы шестипульсового ВИП обо-

значены символом i1′t , участки убывающей части кривой сетевого тока фазы – i1′z (рис. 1,

а).

Согласно закону изменения тока во время коммутации для разомкнутой схемы уравнение для участка кривой тока, возрастающе-

го во время коммутации в интервале от τi до

τi +γ , относительно точки 0 определяется по формуле

уравнение для участка кривой тока, убывающего во время коммутации в интервале

от τi до τi +γ , относительно точки 0

где kт – коэффициент трансформации

преобразо-вательного трансформатора. Прямолинейные участки кривой сетевого

тока, когда коммутации нет, выражаются сле-

В течение остальной части периода тока i1′ = 0 , так как вентильная обмотка преобра-

зовательного трансформатора шестипульсового мостового ВИП выполнена по схеме звезды.

Из рис. 1, б видно, что кривая тока двенадцатипульсового преобразователя также, как и кривая сетевого тока шестипульсового ВИП при работе в инверторном режиме, состоит из нескольких криволинейных и прямолинейных участков, однако отсутствуют участки, где ток i1′ = 0 .

Мгновенные значения кривой сетевого тока, соответствующие прямолинейному участку, примыкающему слева к рассматриваемому криволинейному участку, обозначаются

символом ir . Прямолинейный участок, примыкающий к криволинейному участку справа, имеет мгновенные значения ir′ , а мгновенные значения кривой тока, соответствующие участкам криволинейной формы, – символом iγ .

Прямолинейные участки рассматриваемой кривой соответствуют установившемуся значению тока. Криволинейные участки соответствуют времени коммутации и выражаются уравнением

Моменты открытия вентилей τi , углы

коммутации вентильных токов γ для двенадцатипульсового ВИП определяются также как для шестипульсового.

Кривую сетевого тока можно характеризовать коэффициентом ν-й гармонической составляющей или волнистостью гармоник сетевого тока

где I1(ν ) – ток гармоники ν-го порядка се-

тевой обмотки трансформатора преобразователя;

I1(1) – ток первой гармоники сетевой об-

мотки трансформатора преобразователя. Численные значения волнистостей гар-

моник сетевого тока мостового шести- и двенадцатипульсового инверторов при симметричных питающих напряжениях в режиме номинальной нагрузки ( Idи = 1600 А) с учетом и

без учета коммутации (γ = 0°) приведены в табл. 1. При расчетах взяты различные углы опережения открытия тиристоров (β = 35° – для шестипульсового, β = 20° – двенадцатипульсового инверторов) из-за особенности работы преобразователей.

Таблица 1 – Волнистость гармоник сетевого тока мостового шести- и двенадцатипульсового инверторов при симметричных питающих напряжениях

Анализ результатов расчета показывает, что коммутация улучшает форму кривой сетевого тока ВИП, о чем свидетельствует уменьшение значений волнистости гармоник инвертора с ростом угла коммутации.

Из приведенного видно, что количество гармоник содержащихся в кривой сетевого тока при симметричных питающих напряжениях у двенадцатипульсового инвертора меньше, чем у шестипульсового. Так, у двенадцатипульсового инвертора отсутствуют 5, 7, 17, 19, 29, 31 … гармоники. В целом использование двенадцатипульсового ВИП способствует снижению влияния высших гармонических составляющих на качество электрической энергии в питающей системе.

Общее выражение технического эффекта Е [1] для ступеней ступенчатых токовых релейных защит (СТРЗ),

E = p(A) − p(O) − p(Л) − p(И),

предстает в виде разности вероятностей наличия КЗ на защищаемом объекте или объектах (резервирующая ступень) и потерь в виде вероятностей отказов срабатывания р(О), ложных р(Л) и излишних р(И) действий, приведенных к одинаковым условиям. Составляющая ложных действий р(Л) подразделяется на три составляющие: при неполнофазных режимах р(Лнпф), при асинхронных режимах р(Лар), в эксплуатационных или рабочих режимах р(Лэ). Названное выражение дает представление о содержании технического эффекта, но из-за сложной или неявной зависимости уставок, а также вероятностных характеристик (ВХ) чувствительных ступеней от уставок и ВХ более грубых ступеней предыдущих или смежных компонентов сети она не является конкретной последовательностью действий формирования составляющих и в целом данного эффекта. Поэтому, исходя из сути задачи настройки релейной защиты, расчетно-аналитических методов и инструментов (программ расчетов режимов и электрических величин при повреждениях), в [2] впервые сформулирован обобщенный алгоритм действий и приведены ряд разъяснений по его частям. Однако применение данного алгоритма для определения технического эффекта первой и второй ступеней СТРЗ нулевой последовательности линии показал его неполноту, что потребовало его уточнения и развития. С учетом этого указанный обобщенный алгоритм может быть представлен в виде следующей последовательности действий:

1)определение характера областей действия ступеней в координатах параметра реагирования;

2)формирование выражений технического эффекта разных ступеней;

3)определение методом СГИД [3] условных ВХ в виде законов распределения вероятностей (ЗРВ) для указанных в п.1 областей с одновременным усреднением по пространству областей действия (ОД) ступеней

защищаемого объекта и другим факторам: режимам источников, состояниям сети, видам КЗ;

4)определение условных вероятностей отказов срабатывания в условиях КЗ, ложных действий в условиях рабочих, асинхронных и неполнофазных режимов на защищаемом объекте и излишних действий при внешних относительно защищаемого объекта КЗ;

5)определение параметров потоков КЗ, асинхронных и неполнофазных режимов на защищаемом объекте, обусловливающих состояния (условия) отказов срабатывания

иложных действий;

6)определение параметров потоков повреждений (КЗ) внешних элементов в границах области действий измерительного органа каждой ступени, в направлении действия этих ступеней, начиная с каждого из предыдущих или смежных элементов при КЗ;

7)определение вероятности эксплуатационных условий защищаемого объекта как противоположного события всем повреждениям и возмущениям (внутренним и внешним КЗ, АР, НПФ, утяжеленям электропередач, броскам тока намагничивания и т.д.).

Сформулированные 4-ю, 5-ю и 6-ю части алгоритма для резервирующих ступеней следует представить в несколько модифицированном виде: в 4-й части излишние действия рассматривать, при внешних КЗ относительно защищаемого и каждого резервируемого объектов; в 5-й части необходимо дополнительно находить вероятности неполнофазных режимов на предыдущих или смежных элементах по параметрам потоков КЗ на защищаемом и резервируем по защите элементах; в 6-й части определять параметры потоков повреждений (КЗ) внешних элементов в границах области действий измерительного органа резервирующей ступени, в направлении действия этой ступени, начиная с каждого из предыдущих к предыдущему или к смежным элементам при КЗ.

Первая часть алгоритма для первой ступени достаточно подробно рассмотрена в [2] и там показана (в отличие от экспертноруководящего метода − ЭРМ) особенность формирования области действия (ОД) этой

ступени, состоящей в распространении ее на всю длину линии.

Формирование ОД второй ступени СТРЗ по вероятностному методу также отличается от ЭРМ. Это отличие заключается в том, что необходимо учитывать распространение ОД ИО второй ступени на предыдущие элементы, включая и минимальнонаблюдаемые значения, причем имеют место не одна ОД, как это было для первой ступени, а несколько ОД по количеству предыдущих элементов, т.е. система ОД. ОД третьей ступени принципиально не отличается от ОД второй ступени, т.к. предназначена для той же функции, что и вторая, но с меньшей уставкой.

Границы четвертой ступени определяются аналогично второй и третьей ступеням. Но, в связи с резервированием защит предыдущих элементов и распространением ОД четвертой ступени на предыдущие элементы к предыдущим элементам (отходящим от каждого индивидуального резервируемого по защите предыдущего элемента), имеют место не одна, а несколько систем ОД по количеству предыдущих элементов, с каждым из которых формируется система ОД, образуемая распространением последней на предыдущие к предыдущему элементы, т. е. каждая система ОД определяется своими предыдущими элементами к каждому предыдущему элементу.

Вторая часть обобщенного алгоритма для разных ступеней представлена в [2] и [4].

Раскрытие третьей части обобщенного алгоритма включает:

1)получение полных вероятностных характеристик параметров реагирования в границах ОД ИО каждой ступени,

2)формирование представительности вероятностных характеристик в целом для всего объекта, его физического пространства (безразлично в каком месте происходит повреждение или возмущение), а также ряда факторов: режимов источников, коммутационных состояний сети и видов повреждений.

Получение полных вероятностных характеристик методом СГИД основано на следующем логически-интуитивном представлении о взаимосвязи вероятностных характеристик исходных и выходных данных в функциональной или иной зависимости между ними, или указанных характеристик между случайными аргументами (СА) и результатами обработки последних по алгоритму функциональной зависимости. Предполагается, что при детерминированной обработке информации исходных данных вероятностные характеристики СА переходят в вероятностные характеристики

результатов обработки практически как инвариантные. Благодаря этому можно определить вероятностные характеристики выходных данных или результатов. Весьма инвариантной является такая полная вероятностная характеристика значения ФРВ СА и результатов. Значения ФРВ, соответствующие значениям ее аргументов, называется порядками этих аргументов или квантилей. Следовательно, имеют место порядки квантилей исходных данных или СА и порядка квантилей выходных данных или результатов, т.к. каждое из этих данных характеризуется ФРВ.

Анализ показывает, что в случае нарастающей функциональной зависимости между СА и результатами обработки СА порядки квантилей СА и результатов совпадают, что и является условием определения значений ФРВ результатов по значению ФРВ СА. В случае убывающей функциональной зависимости порядки результатов равны разности единицы и порядка СА.

Представительность полных вероятностных характеристик или ЗРВ параметра реагирования в целом для автоматизируемого объекта или ОД формируется естественным путем по полной статистике параметра реагирования для данного объекта в условиях наблюдения: повреждения или возмущения на всем пространстве объекта или ОД при разных режимах источников, коммутационных состояниях сети, видах повреждений (возмущений). Получение такой статистики требует нереально больших временных ресурсов. Поэтому целесообразно представительные ЗРВ получать расчетным путем. Анализ показывает, что достаточно адекватным, в данном случае, может быть путь усреднения ЗРВ по пространству объекта и другим вышеуказанным факторам. Однако в настоящее время нет регулярных методов усреднения ЗРВ. Поэтому предлагается осуществить нормальную аппроксимацию усредненных по упрощенному и потому более приближенному алгоритму двух максимально- и мини- мально-наблюдаемых значений параметра реагирования по всем факторам (правило трех сигм), которые рассматриваются как

квантили ip1 и ip2 соответственно порядков

p1 = 0,9987 и p2 = 0,0013 ; характеризующих

границы нормально распределенной случайной величины по правилу трех сигм. Искомые МО и СКО при КЗ в ОД будут:

m(I / A) = (ip1 +ip2 ) / 2 , σ(I/A)=(ip1 −ip2 )/ 6 .

Практическое определение квантилей типа ip1 и ip2 согласно методу СГИД пред-

75

Вопросы использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) актуальны для всех стран мира в силу разных обстоятельств. Для промышленно развитых стран, зависящих от импорта топливо – энергетических ресурсов (ТЭР), - это прежде всего, энергетическая безопасность. Для промышленно развитых стран, богатых энергоресурсами – это экологическая безопасность, завоевание рынков сбыта оборудования. А для развивающихся стран – это наиболее быстрый путь к улучшению бытовых условий [1].

Мировыми лидерами в использовании ВИЭ являются Дания, Германия, Австрия, Греция. Эти страны можно охарактеризовать как промышленно развитые, зависящие от импорта ТЭР, поэтому в целях обеспечения сегодняшней и будущей экономической, а значит и социальной стабильности. Для перечисленных стран были разработаны и внедрены законы, стимулирующие развитие альтернативной энергетики и применения энергосберегающих технологий. К примеру, на австрийском рынке электроэнергии 8% продаж должна составлять энергия, выработанная на микрогидроэлектростанциях. Намечается тенденция, когда ежегодный прирост установленной мощности установок, преобразующих энергию возобновляемых источников в электрическую, составляет около 30% от прошедшего года. Наибольшие успехи были

76

достигнуты в микрогидроэнергетике и ветроэнергетике.

В России альтернативная энергетика развита слабо, во многом из – за отсутствия работающей нормативно - правовой базы, стимулирующей ее развитие, и из – за нерентабельности использования низкопотенциальной энергии на фоне «неисчерпаемых» запасов полезных ископаемых. Исследования, проведенные российскими учеными по оценке ветрового потенциала показывают, что только 20% территории России пригодны для ветроэнергетики.

Целью данной работы является оценка возможностей использования ветроэнергетических установок (ВЭУ) малой и очень малой мощности в Томской области и определение класса установок перспективных для использования.

Томская область занимает юго-восточную часть Западной – Сибирской равнины и имеет площадь 316,9 тыс.км2, превышая по площади такие государства как Великобритания (244,1 тыс.км2), Австрия (83,4 тыс.км2) и т.д. Рельеф Томской области исключительно равнинный. На десятки и даже сотни километров тянутся плоские, сильно заболоченные пространства с высотой над уровнем моря не более 200м, годовой ход скорости ветра для всей территории четко выражен двумя максимумами в переходные сезоны и основным минимумом в летний период. Амплитуда

годового хода варьируется в пределах 0,9 – 2,0 м/с. Среднегодовые скорости изменяются от 2,1 до 4,2 м/с. Преобладающим направлением ветра на всей территории Томской области во все сезоны и года является южное и юго-западное, но на севере области летом преобладают ветры северного и северозападного направления [2].

Используя кадастр возобновляемых энергоресурсов возможно определить удельную плотность ветровой энергии и ветровой потенциал районов Томской области. Для обработки возьмем данные с метеостанций расположенных в Александровском, Колпашевском и Томском районах.

Средняя удельная мощность потока ветровой энергии P находится по формуле

где vi - средняя скорость ветра за период времени, м/с; ti - повторяемость ветра, %; β -

коэффициент, учитывающий вертикальную структуру ветра (при оценке потенциала на высоте флюгера метеостанции β = 1 ); ρ -

плотность воздуха, кг/м3. В Томской области плотность воздуха зависит от времени года, района и находится в пределах от 1,19 кг/м3 до 1,41 кг/м3, в расчетах используем усредненное значение для исследуемого района Томской области.

Средняя удельная энергия ветрового потока находится как E j = P j Tj , где Tj -

интервал времени.

Валовый потенциал ветровой энергии определяется для площади района S пригодной для установки ветроэнергетических комплексов. Учитывая большие площади, недостаточное изучение топографических особенностей местности и редкое заселение районов (до 0,3чел/км2), принимаем 10% от площади района.

Величина технического потенциала Wт

зависит от технических характеристик ВЭУ. Для расчета технического потенциала были подобраны ВЭУ оптимальные для установки на расчетных высотах, и на высоте флюгера

метеорологической станции ( h = 10м ), определяем технический потенциал для установки мощностью 3кВт, на высоте 30 и 50м соответ-

ственно 100 и 600кВт. Размер площади Sт ,

на которой можно было бы начать установки ВЭУ уже сегодня принимаем, равным 1% площади района.

Wт = K N p Т2 Sт ,

100D

где K - коэффициент использования установки, зависит от параметров установки и

ветрового режима; N p - номинальная мощ-

ность ветроэнергетической установки; Т -

время использования установки; D - диаметр ветроколеса.

Следует отметить, что в большинстве

случаев расчетный коэффициент K принимает значения близкие к 0,2, означает использование установки только на 20%. Данное обстоятельство говорит о малой загруженности генератора ВЭУ, но благодаря большим площадям и редкому заселению районов суммарный технический потенциал становится значительным [3].

Некоторые европейские страны обладают примерно таким же ветровым потенциалом как и большинство районов Томской области, но несмотря на это ветроэнергетика считается перспективной отраслью промышленности и поддерживается государством. Хорошим примером является Австрия, площадь которой 83,4 тыс. км2, плотность ветровой энергии в пределах от 130 до 486 Вт/м2 (на высоте 30м), а технический потенциал 5200 ГВтч/год [4]. Сравнивая ветровой потенциал и плотность ветровой энергии Австрии с теми же параметрами по районами Томской области, полученные на одинаковой расчетной высоте, можно сделать выводы о незначительно меньшем природном ресурсе в Томской области, но учитывая территориальное превосходство, ветроэнергетика становится более перспективной чем в Австрии.

В таблице приведены основные расчетные данные по оценки ветроэнергетического потенциала в некоторых районах Томской области.

77

Электрические сети, передающие мощность от источников к потребителям, являются весьма консервативными образованиями в части пространственной структуры, изоляции, электрической прочности, компенсирующих и регулирующих средств, что обусловливает в существенной мере неизменность схемноконструкторских параметров. Это в свою очередь ограничивает диапазоны базовых (токов, напряжений) и производных (мощностей, сопротивлений) режимных параметров при управлении режимами. Все вместе создает ситуацию недостаточной управляемости электрическими сетями и, как следствие, ограничение пропускной способности сети.

Мероприятия устранения указанных недостатков известны: увеличение объемов проводящих и конструкторских материалов, внедрение продольных компенсирующих устройств, усиление изоляции, разработка и внедрение фазонастроенных линий (шестифазные системы с противоположными по полярности полями трехфазных конструкций), спаренные генераторы, и двигатели потребителей трансформаторы и автотрансформаторы с трехфазными или трехфазными группами однофазных обмоток, подключаемых к разнополярным трехфазным системам фазонастроенных линий, регулирование схемноконструкторских параметров (продольное и поперечное регулирование напряжения, силовые фазоповороты и фазовращатели) и др. Пример электропередачи и электропотребления с применением фазонастроенных линий и спаренных единиц оборудования представлен ниже на схеме.

Из-за большой стоимости указанные мероприятия мало применяются. Поэтому возникает безвыходная ситуация при управлении режимами, когда причиной разрыва между генерацией мощности и электропотреблением является сеть, а ликвидировать разрыв за счет сети невозможно. В результате сложилась практика управления режимами путем ликвидации сетевых разрывов за счет поперечных компонентов (обычных генераторов, двигателей, статических компенсаторов, нагрузок), оборудованных развитыми системами регулирования. Вследствие малой эффективности такого управления последнее в подав-

ляющем большинстве завершается ограничениями передачи мощности по сети, отключениями как продольных, так и поперечных элементов.

Для улучшения качества решения задач управления режимами в течение последних десятилетий развиваются и внедряются менее дорогостоящие проекты: асинхронизированные генераторы и быстродействующие тиристорные коммутаторы, совершенствуются средства продольного и поперечного регулирования напряжения, позволяющие взять на себя часть функций изменения схемноконструкторских параметров и снять в определенной мере ограничения сети. Делается это путем регулирования возбуждения в двух осях роторов асинхронизированных генераторов или путем управления фазовой коммутацией с помощью быстродействующих тиристорных коммутаторов в сечении электропередачи в темпе развивающегося асинхронного режима с частотой скольжения процесса.

Следует также отметить предложения и проекты построения криогенных электропередач постоянного тока, позволяющие обеспечить сверхпроводимость, благодаря которой может быть сильно увеличена передаваемая мощность. Такую электропередачу вместе с преобразовательными выпрями- тельно-инверторными системами и сетями переменного тока на концах электропередачи можно рассматривать как обобщенную сеть переменного тока со сниженными схемными импедансами за счет аналога передающей трехфазной сети в виде сверхпроводящей вставки постоянного тока.

Анализ мероприятий по настройке и регулированию сетей позволяет рассматривать представленную структуру электропередачи и электропотребления также весьма рациональной системой с точки зрения практической электроэнергетики. Система состоит в том, что проектируются и строятся большинство линий фазонастроенными, трансформаторы и автотрансформаторы сетей − с парами идентичных трехфазных электромагнитных преобразующих систем, подключаемых к разнополярным трехфазным системам фазонастроенных линий на разных сторонах, двигатели и генераторы, объединенных общим

79

валом роторов, подключаются аналогично к разнополярным трехфазным системам линий или трансформаторов, используя непосредственно электрическую мощность названных источников. В случае обычных двигателей и генераторов, нагрузки с одной трехфазной статорной обмоткой, обычной нагрузки подключение может осуществляться обычным образом к одной из полярностей фазонастроенной шестифазной сети, либо через преобразователи: инвертор-выпрямитель. Фазы фазонастроенных линий целесообразно выполнить коаксиальными с комбинацией полярностей, указанных на рисунке. Это позволяет в наибольшей степени снизить продольное индуктивное сопротивление фаз и расход межфазной изоляции. Последнее условно представлено на рисунке в виде расстояний между поверхностями коаксиальных проводов.

Показанная на представленной структуре схема линий целесообразна для выполнения как в кабельном, так и в воздушном варианте, т.к. требует минимально-возможной изоляции трех коаксиальных проводов. Однако коаксиальная структура проводов трехфазных систем фазонастроенной линии практически возможна только в кабельном варианте. В воздушном варианте из-за малой диэлектрической проницаемости воздуха полная и же-

сткая коаксиальность проводов не может быть реализована из-за больших расстояний между проводами, несоизмеримости радиусов и сечений внутреннего и внешнего соосных проводов. Поэтому в случае построения фазанастроенных водушных линий соосность проводов одноименных фаз не достигается, а частичное размагничивающее действие поля прямого провода каждой фазы обеспечивается путем размещения параллельного обратного провода этой же фазы и такой же формы как и прямой провод на расстоянии, обусловливающем достаточную воздушную изоляцию на удвоенное фазное напряжение между прямым и обратным проводами.

Управление режимными параметрами электрической сети не представляет принципиальных трудностей. Изменение параметров режимов сети всегда возможно осуществлять регулированием режимных параметров возбуждения источников, продольным и поперечным регулированием напряжения трансформаторов и автотрансформаторов.

Управление схемно-конструкторскими параметрами сети в настоящее время осуществляется: для продольного реактивноиндуктивного сопротивления линии путем компенсации его емкостным реактивным сопротивлением средств продольной компенсации, для полного эквивалентного сопротивления линий и сетей путем включения шунтирующих реакторов на линиях и шинах подстанций.

Может быть представлен вариант регулирования изоляции воздушных линий. Благодаря этому можно существенно изменять фазные и линейные напряжения, что само по себе приводит к адекватному изменению пределов передаваемой мощности, а также к изменению продольных и поперечных параметров. Реализовать данное предложение можно путем применения регулируемых опор. Регулирование опор производится например, путем телескопического раздвижения вертикальных стоек и траверз. Опоры могут быть выполнены из изолирующего материала, например, стеклопластика. Провода от таких опор не должны изолироваться.

Более широко можно использовать изменение продольных и поперечных параметров линий путем расщепления проводов фаз. Также возможно предложение изменять параметры расщепленных проводов за счет регулирования расстояния между проводами системы расщепления путем использования регулируемых распорок.

Целесообразны также исследования по изменению проводимости проводников и диэлектрической проницаемости при облучении.

В наше время освоение, а часто и дальнейшая эксплуатация нефтяных месторождений ведется, как правило, с использованием автономных источников электроэнергии – дизельных электростанций.

Применение автономных источников приносит ряд проблем, одной из которых является ухудшение показателей качества электроэнергии. В таких системах, как правило, мощности источников питания соизмеримы с мощностями нагрузки (потребителей), что существенно сказывается на напряжении и частоте в сети.

Так как помимо «спокойных» нагрузок и данных системах присутствуют динамические нагрузки (изменяющиеся во времени) такие как станки-качалки, погружные насосы с электроприводом в виде синхронных вентильных электродвигателей, а также мощные вентильные преобразователи. Данные электродвигатели потребляют существенно несинусоидальный ток (коэффициент искажения синусоидальности тока составляет около 20%) (рисунок 1). Искажение тока вызвано конструктивными особенностями погружных электродвигателей.

Рисунок 1 – Осциллограмма тока одной фа-

зы

Протекание несинусоидального тока по обмоткам генераторов вызывает несинусоидальные потери напряжения в них, в результате чего на зажимах генераторов напряжение оказывается существенно искаженным (коэффициент искажения синусоидальности напряжения при работе двух погружных насосов составляет около 13-14% при допустимых значениях 8%) (рисунок 2).

Рисунок 2 – Осциллограмма напряже-

ния

Гармонический спектр напряжений и токов достаточно широкий и включает как нечетные (преобладающие), так и четные гармонические составляющие. В спектре напряжений большое значение имеют 3, 5, 7, 9, 11, 13 гармоники (рисунок 3). В спектре тока преобладающее значение имеют 5, 7, 11, 13 гармоники (рисунок 4). Именно эти гармоники тока, протекая по обмоткам генератора, вызывают появление соответствующих гармонических составляющих в спектре напряжения.

Рисунок 3 – Гистограмма спектрального состава напряжения

Рисунок 4 – Гистограмма спектрального состава тока

Не меньший интерес вызывают пуски электродвигателей насосов. Так как в авто-

81

номных энергосистемах мощности нагрузки и генерации соизмеримы, то нарушение баланса мощности существенно сказывается на напряжении и частоте в сети. Так, например, при пуске электродвигателя мощностью 100 кВт, подключенного к генератору ДЭС -200 кВт, величина ударного тока в момент пуска составила 1,9 кА (рисунок 5), а наибольшая глубина провала напряжения составляет 63% (рисунок 6).

Рисунок 5 – Осциллограмма огибающей тока на зажимах ДЭС-200.

Рисунок 6 – Осциллограмма огибающей напряжения на зажимах ДЭС-200.

Минимальное остаточное напряжение при пуске составляет 86.5 В при напряжении холостого хода 234 В. Провал частоты в момент пуска составляет около 30-40% (15-20 Гц). Длительность пуска составляет около 3 сек. Данные изменения в работе генератора могут привести к нарушению работы других устройств (нагрузок), подключенных к данному генератору.

В части автономной системы электроснабжения при работе станка-качалки на зажимах генераторов могут наблюдаться колебания действующего значения напряжения (рисунок 7), вызванные изменением тока и мощности привода. Колебания могут превышать нормы, установленные ГОСТ 13109-97 и могут приводить к мерцанию ламп накаливания.

Рисунок 7 – Осциллограмма колебания напряжения

Колебания нагрузки вызывают и колебания частоты в системе электроснабжения с амплитудой около 0,6 Гц относительно среднего значения. Снижение данных колебаний достигается за счет правильной настройки регулятора возбуждения генератора.

В автономных системах также может наблюдаться резкое увеличение частоты в сети (в некоторых случаях частота может достигать 90 Гц) вызванное переключениями источников питания (рисунок 8). Подобные значительные увеличения частоты отрицательно сказываются на работе электроприемников. При подключении погружных электродвигателей к сети со столь значительным отклонением частоты от номинала может приводить к их поломке.

Рисунок 8 – Регистрограмма значений частоты в сети при переключении источников питания

Кроме отмеченных значительных изменений частоты, связанных с переключениями источников питания, в электрической сети имеют место постоянные колебания частоты в пределах ± 1-1,5 Гц, вызванные случайными колебаниями нагрузки. Величина этих колебаний частоты зависит от мощности источника и относительной величиной возникающих небалансов мощности. Второй причиной возникновения колебаний частоты может быть нестабильность подачи топлива дизельного двигателя.

Способами борьбы с колебаниями частоты являются:

- Организация параллельной работы источников питания. При этом мощности источников складываются, а колебания мощности нагрузки, ввиду их случайного характера определяются как среднеквадратические значения отдельных колебаний. Относительная величина небалансов мощности вызванных колебаниями нагрузки при этом снижается, и, следовательно, снижаются колебания частоты;

- Применение автоматических регуляторов частоты вращения дизельных двигателей, причем при организации параллельной работы двух генераторов достаточно оснастить таким регулятором один генератор, который будет

«вести» частоту в системе, а второй генератор должен быть загружен до необходимого уровня мощности и работать в базисном режиме.

Зависимость режима питающей сети от конфигурации схемы распределительной сети может быть установлена через нагрузки ветвей распределительной сети, присоединенных к узлам питающей сети. Для получения математической модели зависимости необходимо нагрузки указанных ветвей представить в виде вектор-функции положений точек размыкания схемы распределительной сети. Эта функция может быть определена на базе метода условно-непрерывного перемещения точек размыкания, положенного в основу алгоритма непрерывной оптимизации схемы распределительной сети по потерям электроэнергии[1]. Перемещение точки размыкания эквивалентно появлению в контуре

k(k = 1,m ) контурного тока ik (t) , определяе-

мого нагрузкой ik (t) = Jβk (t) узла βk . Появ-

ление контурного тока предполагается от источника тока, условно включенного в исходное размыкание контура k. Условное включе-

ние источника тока ik (t) в исходное размыка-

ние каждого контура k требует рассмотрения разомкнутой схемы распределительной сети как условно замкнутой. Введение такого методического ограничения позволяет представить временную зависимость контурного тока в виде

где ik – среднее значение контурного то-

ка за период Т; fβk (t) –относительный гра-

фик узловой нагрузки Jβk (t) , среднее значе-

ние которого на отрезке времени [0, T] равно единице.

Параметр ik рассматривается как неза-

висимая непрерывная переменная и изменение этого параметра предполагается в интервале

где Jβk – средний ток графика нагрузки

Jβk (t) за период Т.

Врезультате данного подхода дискретная по своей природе операция перемещения размыкания на соседний участок контура че-

рез узел βk сводится к условно-непрерывной

операции.

Условно-непрерывное одновременное (многомерное) перемещение точек размыканий во всех контурах схемы распределительной сети моделируется вектор-функцией контурных токов

С учетом записи (3) токораспределение в замкнутой схеме распределительной сети определится как

где I0 (t) – токораспределение в исходной

разомкнутой схеме распределительной сети; N – вторая матрица соединений условнозамкнутой исходной схемы распределительной сети (контур-ветви); T – операция транспонирования.

Определения нагрузок ветвей присоединения распределительной сети к узлам схемы питающей сети осуществляется с использованием выражения (4). Для этой цели в мат-

рице NT выделяется блок N1T , включающий

только ветви связи сетей, и рассматривается выражение (4) применительно к этому блоку

J(ik , t) = J0 (t) + N1TIK (t) =

где J0ν –график тока исходной нагрузки узла ν распределительной сети, присоединенного к схеме питающей сети; nkν – эле-

мент матрицы соединений N; fβk (t) – график

нагрузки узла βk , через который в контуре k

схемы распределительной сети предполагается перемещение точки размыкания на соседний участок; m– количество контуров схемы распределительной сети.

К узлу питающей сети могут быть подключены несколько ветвей распределительной сети. В дальнейшем будем считать, что к рассматриваемому узлу ν схемы питающей сети подключена только одна ветвь распределительной сети и эквивалентная токовая на-

грузка Jν (ik , t ) этого узла (ветви) определяется по выражению (5). При представлении узлов ν (ν = 1, p) связи сетей графиками эк-

вивалентных нагрузок Jν (ik , t ) питающая

сеть рассматривается как управляемая система, и необходимость учета проявляется в том, что оптимальное положение точек размыкания распределительной сети не соответствует оптимальному состоянию схемы объединенных сетей. Правильное решение данной задачи возможно на применении моделей определения потерь электроэнергии, основанных на полноте информационной обеспеченности расчетов, которые достигаются представлением нагрузок сетей функ-

циями времени. Нагрузки узлов i(i=1,2,...,N; N–число независимых узлов схемы) питающей сети предлагается моделировать графиками задающих токов или полных мощностей

si (t) . При точной минимизации потерь элек-

троэнергии, узловые нагрузки следует определять для всех ожидаемых режимов рассматриваемого интервала времени. Так, например, значения нагрузок для каждого h(h=1,2,...,24) часа могут быть определены по имеющимся суточным графикам активных нагрузок. Однако, временной разрез работы сети с выбранными точками размыкания определяется эксплуатационными условиями и может быть достаточно продолжительным. Чтобы избежать громоздких операций по замерам режимной информации и прогнозированию нагрузок, в рассматриваемой задаче для моделирования их использовались результаты работы гибридной искусственной нейронной сети с нечетким выводом [2]. Данная сеть представляла трехслойную конструкцию, каждый слой которой состоял из некоторого числа нейронов.

Для получения прогнозного суточного потребления электроэнергии в питающей сети использовались ретроспективные уровни нагрузок из диспетчерских ведомостей в период, допустим, с 1 ноября по 30 ноября n-года. В структуре сети предусматривалось различное количество входных переменных, но для указанной задачи установили четыре входных

переменных xikh , первая из которых соответ-

ствует активной нагрузке узла i на текущие сутки (k,h), вторая–нагрузке на предыдущие сутки(k,h-1), третья–нагрузке на (k,h-2) сутки и четвертая–на (k,h-3) сутки. Объем обучающей выборки колебался от 10 до 30 суток, оформленный таблицей с названием «Обучающие исходные данные» в файле ishod_dan.dot ре-

дактора ANFIS. Для вывода Adaptive Networkbased Fuzzy Inference System сгенерирована структура алгоритма Sugeno, в котором взаимосвязь между переменными входными X и выходными Y определялась нечеткой базой знаний, формируемой для каждой величины

xi , использующей четыре терма и их функ-

ции принадлежности вида sigmf. Для выходных переменных данной предметной области знаний термы представлялись функциями типа linear.

Для настройки сети возможен гибридный метод обучения с уровнем ошибки «ноль» и заданием количества итераций, используя технологию ANFIS как в командном режиме, так и в диалоговом режиме с помощью GUIмодуля anfisedit, минимизирующего расхождение между действительными и прогнози-

руемыми величинами графика мощностей нагрузки. Также для настройки сети достаточно эффективно можно использовать процедуру обратного распространения ошибки, в которой информация с последующего слоя сети передается на предыдущий, пока сумма квадратов ошибок не станет меньше заданной величины.

Алгоритм обучения сети в общем случае состоит из пяти этапов, на последнем из которых оценивается адекватность модели с использованием данных о нагрузках потребителей за следующий календарный месяц указанного года. Экспериментальные данные показывают расхождения для минимума и максимума мощности графика в пределах от 1,5 до 2,5%, что является приемлемой погрешностью для моделирования нагрузок, если замеры осуществляются сезонно [3]. В противном случае требуется дополнительное обучение сети с привлечением большего количества исходных данных, увеличивая ретроспективный интервал замеров нагрузок потребителей.

Для определения режима питающей сети используется уравнение небаланса векторфункции токов в ветвях дерева схемы сети в виде

W(I(t)) = Iѓ (t) - Cѓїdiagї (UБе-

где Cѓ = Cїѓ′ + jCїѓ′′ –матрица коэффициентов распределения для ветвей дерева;

UБ–напря- жение балансирующего узла; е–

вектор, содержащий n единиц; С0 = Мѓ-1 –(М– матрица со-единений ветвей в узлах схемы сети); ZBѓ = rBїa + jxBѓ –диагональная матри-

независимых узлах питающей сети.

Для выражения (6) формируется линеаризованное уравнение в окрестности средних искомых переменных

нение на каждом шаге l итерационного процесс решается методом Гаусса.

ЛИТЕРАТУРА:

1.Булатов Б.Г., Ушаков И.М., Фомин Н.И. Оптимизация эксплуатационных схем распределительных сетей по потерям энергии градиентным методом//Энергетика…(Изв.

высш. учеб. заведений).-1985.-№8.-С. 9-11.

2.Ярушкина Н.Г. Основы теории нечетких и гибридных систем: Учеб. пособие.- М.:Финансы и статистика, 2004.-320с.: ил.

3.Фомин Н.И., Павлюков В.С. Метод расчёта потерь электроэнергии в распределительных электрических сетях с ортонормированием графиков узловых нагрузок. //Вестник Южно-уральского государственного университета. Энергетика.–2001, №4, С. 53-54.

85

Газовый разряд высоковольтного типа может быть эффективно использован при вакуумной сварке, изготовлении омических контактов, плазмохимическом травлении кварца и очистки поверхности диэлектрических подложек [1-3], что сообщает о широких возможностях применения данного вида разряда в разных областях микроэлектроники.

Генерация и поддержание предлагаемого газового разряда требует использования высоковольтного источника питания. Одним из узлов общей конструкции является кабель, соединяющий газоразрядное устройство с источником и обеспечивающий заданную разность потенциалов между его электродами.

В настоящее время наиболее широко применяется конструкция высоковольтного кабеля, содержащая плотно прилегающие друг к другу слои изоляции и проводников [4]. Кабели изготавливаются трехжильными (3КВЭЛ) и четырехжильными (4КВЭЛ) и позволяют выдерживать высокие напряжения – 60, 165 и 220 кВ. Однако их конструкция отличается громоздкостью, что значительно затрудняет крутые изгибы необходимые при питании газоразрядных устройств в рабочих камерах вакуумных установок. Кроме этого для электропитания большинства газоразрядных устройств необходимы одна, две жилы, следовательно, две, три жилы остаются неиспользованными, что значительно снижает эффективность их использования.

Необходимо также отметить, что все элементы конструкции находятся в тесном твердом контакте друг с другом. Поэтому в процессе работы под действием высокого напряжения происходит поляризация изолирующего материала и при достижении критической величины заряда между поверхностями кабеля, технологической оснастки или стенками рабочей камеры вакуумной установки возникает тлеющий разряд, приводящий к необратимому разрушению диэлектрических свойств материала изоляции кабеля. Наличие экранирующей оплетки затрудняет этот процесс, однако и в этом случае в конечном итоге происходит пробой материала изоляции кабеля. Присутствие различных не вакуумных

материалов в конструкции кабеля при нахождении в плазмо- , вакуумноагрессивной среде будет приводить к их испарению и загрязнению рабочих поверхностей деталей обрабатываемых плазмой, что снижает чистоту процесса.

Также известно, что все кабели, описанные выше, выполняют свою функцию только при условии возникновения рабочего газового разряда при более облегченных режимах, чем паразитные разряды между кабелем и поверхностями технологической оснастки и стенок рабочей камеры вакуумной установки. Конструкции, реализующие эти условия, отличаются максимальной простотой, и потоки плазмы, формируемые такими устройствами существенно неоднородны, поэтому их применение в микроэлектронике для плазмохимического или ионно-химического травлений нецелесообразно.

Все это значительно затрудняет электропитание газоразрядных устройств или увеличивает стоимость кабеля, за счет использования высококачественных изолирующих материалов.

С целью увеличения стойкости кабеля к электрическому пробою при работе в условиях вакуума и надежности работы газоразрядного устройства предлагается следующая конструкция высоковольтного кабеля (рис.1):

Рис.1. Фрагмент конструкции высоковольтного кабеля. 1 – оболочка; 2 - вакуумное масло; 3 - стабилизирующие диски; 4 – токопроводник; 5 - разделительные элементы в форме цилиндра.

Устройство содержит фторопластовую оболочку в форме полого цилиндра, в который вставляется проводник с нанизанными на