ЭКОНОМИЧНЫЙ И ЭКОНОМНЫЙ УМЗЧ 2×200Вт С БЛОКОМ ПИТАНИЯ

Трансформатор Т1 выполнен на двух склеенных вместе кольцах феррита 2000НМ К45×28×8. При выполнении трансформаторов и дросселей на кольцевых магнитопроводах обеспечивается наибольшая магнитная проницаемость, уменьшаются помехи, так как магнитное поле заключено в пространстве, ограниченном обмоткой. Однако кольцевая конструкция магнитопровода не позволяет вводить воздушный зазор, необходимый для исключения постоянной составляющей тока, поэтому дроссель L2 выполнен на броневом магнитопроводе Б30. Транзисторы VT1 и VT2 –ST13005 (MJE13005) или более мощные

(13007).Эти транзисторы широко применяют в импульсных блоках питания для галогеновых ламп накаливания, а также в электронных балластах для ламп дневного света, они широко распространены и имеют относительно низкую стоимость. Интересно отметить, что даже при мощности в нагрузке 200 Вт на транзисторах выделяется очень мало энергии, в связи, с чем для отвода тепла достаточно радиаторов в виде алюминиевого листа размером 15×40×1 мм для каждого транзистора. Стоимость блока питания (без учёта затрат на изготовление платы и намотку дросселей и трансформаторов) не превыша-

ет 350 р.

Рис.2

В процессе разработки усилителя пришлось решить множество оптимизационных задач: выбора микросхем с большим запасом по выходной мощности и минимальной цене, выбор оптимального напряжения питания микросхем, чтобы обеспечить заявленную мощность при минимальных нелинейных искажениях и рассеиваемой мощности. Также

Стерео усилитель выполнен на интегральной микросхеме TDA7294. Эта ИМС представляет собой УНЧ класса АВ. Благодаря широкому диапазону питающих напряжений и возможности отдавать ток в нагрузку до 10А, микросхема обеспечивает одинаковую выходную мощность на нагрузках от 4 до 8 Ом. Одной из основных особенностей этой микросхемы является применение полевых транзисторов в предварительных и выходном каскаде усиления. Микросхема питается от нестабилизированного источника двухполярного напряжения 30В. Чтобы избавиться от пустой траты времени на поиск необходимых навесных элементов, разводку и травление печатной платы, было решено воспользоваться готовым конструктором Master KIT NM2033, в основе которого используется TDA7294. Усилитель обладает малыми габаритами (плата имеет размер 43×33), минимальным числом внешних пассивных элементов обвязки, широким диапазоном питающих напряжений и сопротивлений нагрузки, и пожалуй самым оптимальным соотношением цена–мощность–качество звука (цена конструктора NM2033 – 285р). Схема электрическая принципиальная представлена на рис.2.

был освоен очень простой и доступный метод изготовления печатных плат с использованием перманентного маркера, описанный в журнале «Радио» №3 – 2006 стр.36.

Поставленную задачу по разработке высококачественного, простого, не требующего налаживания стереофонического усилителя с блоком питания от сети и выходной мощно-

49

Наиболее распространенным вариантом электрификации локальных объектов сегодня является использование двигателей внутреннего сгорания. Зачастую топливо является весомой составляющей в стоимости производимой электроэнергии от таких источников. А с учетом удаленности и труднодоступности децентрализованных потребителей, не оптимальности рабочих режимов электростанций, обусловленных неравномерностью графиков электрической нагрузки, стоимость генерируемой электроэнергии завышена. Сибирский регион, и Томская область в частности, является типичным примером энергоснабжения удаленных потребителей в условиях сурового климата, недостаточного развития инфраструктуры, низкой плотности населения, больших расстояний и сложности доставки энерго-ресурсов.

Перспективным вариантом энергообеспечения локальных потребителей является использование энергоустановок, не требующих дорогого органического топлива, или использующих местное топливо. Ограничивающим фактором использования таких систем, являются относительно высокие удельные капиталовложения и изменчивость энергоресурса во времени. Поэтому работы направленные на определение вида энергоресурса, возможного для использования в таких зонах, оценку объемов возможной выработки электроэнергии и эффективности таких систем достаточно актуальны.

Для оценки возможности использования альтернативной энергетики в области, были

рассмотрены все существующие ВИЭ, и определена ресурсная возможность использования каждого вида энергоносителя и техническая возможность реализации проекта. В ходе исследования было определено, что наиболее значимыми возобновляемыми энергоресурсами для Томской области являются энергия ветра, биомассы лесов и термальных вод.

Сравнительный анализ технических характеристик энергоустановок использующих энергию биомассы показал, что в условиях Томской области наиболее рационально использовать газогенераторные, газодизельные установки небольшой мощности и малые паровые электростанции. Для определения техникоэкономических показателей биоэнергетических электростан-ций использованы газогенераторные и газодизельные установки фирмы Flex Technologies Inc.

Повсеместное распространение на территории Томской области больших подземных термальных вод предопределяет возможности их широкого комплексного использования в качестве стабильного источника электроэнергии. Температура геотермальных вод в разведанных месторождениях Томской области достигает в большинстве случаев 60-80 ْС. Для использования такого «низкопотенциального» тепла предполагается использовать современные геотермальные энергетические установки комбинированного типа, работающие на горячей термальной воде, поступающей из устья скважины

При выборе технически реализуемого варианта электроснабжения основным критерием является экономическая целесообразность рассматриваемого проекта. Именно поэтому необходимо создание доступных, эффективных и универсальных средств расчета и оценки экономической эффективности применения различных источников энергии.

Для экспресс-анализа альтернативных энергоисточников была создана компьютерная расчетно-информационная программа автоматизированной оценки экономической эффективности применения электростанции с использованием ВИЭ.

Исходные данные включают в себя название населенного пункта, для которого известны средняя нормативная потребляемая мощность Nуст кВт, количество потребляемой электроэнергии в год Wгод кВтч, принадлежность к ветропотенциальной зоне со значением среднегодовой скорости ветра Vм/с, возможность или невозможность использования энергии геотермальных вод, характеристики биоэнергетических ресурсов, географические и геологические условия, Т – нормативный коэффициент рентабельности.

После проведения расчета, выводится информации о результатах с основными данными:

-необходимые объемы капиталовложения в строительство автономной электростанции;

-предполагаемые годовые эксплуатационные расходы на содержание станции и обслуживающего персонала;

-предполагаемая себестоимость получаемой электроэнергии в руб./кВт*ч;

Алгоритм работы программы.

После выбора населенного пункта или ввода исходных данных производится поиск наиболее эффективного варианта электроснабжения путем последовательных итераций.

если есть возможность использования геотермальной энергии производится выбор мощности установки из мощностного ряда.

определяется годовая выработка электроэнергии от данной установки, и при условии обеспечения потребителя требуемым количеством электроэнергии Wуст.≥Wгод,

производится расчет основных экономических показателей.

далее определяется возможность получения электроэнергии от ветроэлектростанций, из базы данных выбирается марка ВЭС и число установок из условия n= Nуст.потр/NустВЭС

исходя из Vном ВЭС и Vср.год по кривой средних значений производится расчет вырабатываемой мощности ВЭС Рвыр.вэс. при заданной скорости ветра Vср.год

при выполнении условия WВЭС.≥Wгод производится расчет основных экономиче-

ских показателей, если условие не выполняется, расчет производится при увеличении количества ветроагрегатов. Переход к рассмотрению другого источника энергии производится при условии перебора всех марок ветроагрегатов.

выбор мощности газогенераторной станции производится на основании сравнения средней нормативной потребляемой мощности Nуст.потр кВт и мощности газогенераторов Nуст.газоген. из мощностного ряда, и при условии обеспечения потребителя требуемым количеством электроэнергии Wуст.≥Wгод, производится расчет основных экономических показателей.

производится сравнение стоимости получаемой электроэнергии от разных источников с выбором наиболее эффективного варианта электроснабжения.

Для населенных пунктов Томской области, обладающими биоэнергетическими ресурсами лесов, был произведен расчет возможной выработки электроэнергии от газогенераторных установок. Стоимость производимой электроэнергии с увеличением требуемой установленной мощности газогенератора и годового потребления электроэнергии населенным пунктом уменьшается и находится в пределах 1,5÷ 2,7 руб./кВт·ч.

Эффективное использование энергии ветра для децентрализованных потребителей Томской области возможно следующими ветроагрегатами таблица 1:

По данным расчета выявлено, что использование энергии биомассы эффективнее и надежнее, чем использование энергии ветра, зона эффективности которого остается за небольшими населенными пунктами с годовым потреблением Wгод до 110 тыс.кВтч.

Стоимость вырабатываемой электроэнергии от ГеоТЭС находится в пределах Сэл.эн=2,7÷5,5 руб./кВт·ч, что значительно ниже средней стоимости электроэнергии, вырабатываемой на ДЭС в Томской области, равной Сэл.эн=15÷20 руб./кВтч. Но использование энергии геотермальных вод в Томской области целесообразно при условии существования законсервированной скважины.

Для оценки целесообразных масштабов использования ВИЭ, применительно к Томской области, произведено зонирование территории по удельной мощности наиболее перспективных возобновляемых энергоресурсов и произведена оценка объемов производимой ими энергии. По результатам расчета составлен энергетический баланс по районам области, с выделением возобновляемого энергоресурса, который может эффективно заменить часть дизельного топлива в данном районе

В результате проведенной работы, была разработана методика расчетов экономической эффективности электроэнергетических объектов, получен алгоритм расчета возможности и рациональности использования автономных систем электроснабжения на ВИЭ, реализованный в программе автоматического выбора целесообразного вида ВИЭ в комплексе децентрализованного электроснабжения. На примере Томской области определена ресурсная, техническая и экономическая эффективность использования ВИЭ в децентрализованном энергоснабжении с определением вида энергоресурса, стоимости и объемов возможной годовой выработки электроэнергии и количество вытесняемого дизельного топлива. При максимальном использование возобновляемых энергоресурсов в Томской области, возможна замена большей половины дизельного топлива, необходимого для электроснабжения децентрализованных зон.

Разрабатываемые нами системы бесперебойного электропитания отличаются от стандартных систем тем, что в них впервые в мировой практике на выходе генерируется не переменное, а постоянное напряжение.

Использование постоянного напряжения позволило упростить структуру СБП, благодаря этому наши системы обладают следующими преимуществами:

го источника (аккумулятора) за счет большей энергоемкости и позволяет не только демпфировать кратковременные всплески и провалы напряжения, но и корректно завершать работу программ.

В такой системе принят постоянный (online) режим работы системы резервирования (выпрямитель-аккумулятор-ВЧ конвертор).

3) Встроенная СБП (built-in system). Это –

ным показателям соответствует системам типа on-line (за исключением коэффициента нелинейных искажений);

7.Уменьшенное тепловыделение;

Ethernet. Объединение СБП позволить реализовать комбинированное управление всей энергосистемой защищаемого объекта. Управление будет осуществляться с помо-

рощения СБП и полного документального сопровождения;

9.Предназначены для использования

вроссийских условиях.

Планируется выпуск систем трех типов: 1) СБП с использованием накопителя энергии в качестве которых используются либо электролитические конденсаторы, либо молекулярные накопители – суперконденсаторы фарадного диапазона или ионисторы. Это - наиболее простые по конструкции и доступные по цене СБП, предназначенные, главным образом, для демпфирования кратковременных всплесков и провалов напряжения питающей сети, которые, несмотря на небольшую длительность, способны привести

к фатальным последствиям.

Такие системы характеризуются кратковременным режимом работы накопительного элемента на нагрузку (Temporary2)Системаon-line)бесперебойного. электропитания с использованием аккумулятора и конвертора напряжения. Эта система обладает улучшенными потребительскими качествами, обеспечивая гораздо более длительное (до нескольких минут) время работы от резервно-

сервере.

Данная структура позволит:

•проводить мониторинг энергосистемы в целом;

•вести статистику работы систем;

•прогнозировать аварийные ситуации и предпринимать меры для их устранения;

•оповещать обслуживающий персонал в случае нештатных ситуаций;

•при выходе из строя какого-либо СБП или его перегрузке перераспределять мощности между другими СБП;

•избирательно (принудительно или по расписанию) отключать от электроснабжения помещения или объекты, не требующие постоянного электропитания (например, в ночное время или в случае аварийных ситуаций).

Сами же СБП смогут самостоятельно выполнять только самые основные функции (переключение на питание от аккумулятора, фильтрация входного напряжения, защита от всплесков, а также от пониженного или повышенного напряжения), что позволит снизить себестоимость СБП.

Важнейшей задачей при финансировании производства инновационной продукции является определение и анализ инвестиционных рисков, которые могут проявляться на различных стадиях производства инновационной продукции. Инновационные риски возникают при выборе инновационной технологии малого предприятия, которые предполагается инвестировать в связи с организацией выпуска систем бесперебойного электропитания на постоянном, а не на переменном токе. Применение данной технологии обосновывается тем, что на вход бестрансформаторного выпрямителя наравне с переменным также может подаваться и постоянное напряжение.

Инжениринговые риски связаны с ошибками в проектировании технических изделии и систем.

Это связано, прежде всего, с выбором накопителя энергии, в качестве которого чаще всего применяется электрохимический аккумулятор. Альтернативой аккумулятору могут стать суперконденсаторы фарадного диапазона и ионисторы. Для решения этой задачи проводятся переговоры с предприятиями ЗАО «НПО» Технокор» г. Москва и ООО «НИИ» Гириконд» г. Санкт-Петербург.

Маркетинговые риски определяются ошибками в оценке рынка и установлении цен на инновационную продукцию. Данные риски предполагается максимально минимизировать при составлении бизнес-плана.

Финансовые риски характеризуют риски колебаний покупательной способности денег, вызванные инфляцией, расчете в валюте при покупке комплектующих иностранного производства, изменения процентных ставок. Ориентация на отечественную базу позволяет существенно снизить уровень финансовых рисков. Производственные риски охватывает все стадии производства инновационной продукции и включает в себя риски невыполнения поставщиком договорных обязательств по поставкам необходимого оборудования, материалов и комплектующих, задержкой ввода оборудования, выпуска продукции не соответствующей стандартам качества. Обеспечение высокой технологичности и внедрение отверточных технологий понижает уровень производственных рисков.

Значимость для инвестора каждого из приведенных рисков определяется видом инновационной продукции, предсказуемостью риска, сложностью его минимизации, а также влиянием на экономические показатели.

В 2006 году в России было продано около полумиллиарда СБП, а к 2010 г. предполагаемый объем продаж превысит 700 млн. устройств. Отечественный рынок СБП вырос в 2005 году на 37% в единицах продукции и

более чем на 25% в денежном выражении, а его оборот достиг 300 млн. долларов. Годом ранее оборот рассматриваемого сегмента увеличился лишь на 18%. (По данным анали-

тических компаний Frost & Sullivan и ITResearch).

Аналитики Frost&Sullivan в числе факторов, стимулирующих развитие российского рынка СБП, выделяют стабильную экономическую ситуацию, ненадежность сетей электропитания, рост ИТ-, телекоммуникационного (около 60% потребления СБП приходится на локальные сети, телекоммуникации и центры данных) и производственного сектора на фоне наличия устаревшего электрооборудования, а также вхождение России в ВТО.

Данные о работе российских промышленных электросетей не внушают оптимизма: нарушения нормальной подачи электропитания происходят в среднем четыре раза в сутки. При этом наиболее часто встречающийся тип нарушений — это провалы напряжения (73% всех происшествий), иногда они оборачиваются полным исчезновением напряжения длительностью до 30 с (4%). Причиной сбоев могут стать повышенное напряжение и импульсные перенапряжения (8%). В тоже время серьезную проблему представляют гармонические искажения и нестабильность частоты (12%), а также длительные перерывы в подаче напряжения (2%).

Особенность российского рынка — в значительном перекосе продаж в пользу резервных и линейно-интерактивных источников малой мощности. Так, 80% продаж Powercom в России приходится на линейноинтерактивные СБП (около 40% из них — с расширенными функциями управления). Как ожидается, наш рынок будет постепенно приближаться по структуре к западноевропейскому, где доля СБП с двойным преобразованием (on-line) значительно выше.

Таким образом, можно предположить, что

вРоссии сложились условия, при которых производство данных систем бесперебойного электропитания может стать достаточно высокорентабельным и быстроокупаемым.

Впроцессе выполнения НИОКР будет разработана обширная программа по продвижению товара на рынок путем использования сети Интернет, рекламных сообщений

вСМИ, путем проведения рекламных продаж

введущих компьютерных центрах, как г. Томска так и по всей России в целом.

Согласно проведенного кафедрой менеджмента Томского политехнического 1университета бизнес-плана разработки ожидаемый срок окупаемости производства одного из типов СБП составляет 6 месяцев.

Гашение поля синхронного генератора – это операция, заключающаяся в снижении магнитного потока машины до величины, близкой к нулю. Эта операция проводится как при плановых, так и при аварийных отключениях генератора от сети. Особые требования предъявляются к гашению поля при повреждении изоляции в зоне действия дифференциальной защиты генератора. В этом случае для снижения ущерба от повреждения магнитный поток должен быть снижен до минимальной величины за короткое время. Кроме того, машина при близком коротком замыкании (кз) испытывает динамический удар, и силы, возникающие при этом, стремятся отогнуть лобовые части статорной обмотки, что может привести к дополнительному повреждению изоляции этих частей и дорогостоящему ремонту. Для ограничения объема ущерба при авариях такого рода были разработаны специальные способы и устройства гашения поля (угп) [1].

Как правило, для гашения поля используют контур возбуждения генератора, так как напряжение на обмотке возбуждения (ов) является единственным параметром, который одновременно влияет на время гашения поля и, в то же время, является доступным для воздействия на него в различных ситуациях, связанных с гашением поля. На ов при гашении поля создается отрицательное напряжение, под действием которого ток возбуждения машины снижается до нуля. Чем выше значение этого напряжения, тем быстрее гасится поле. Основными способами гашения поля

являются перевод преобразователя системы возбуждения (св) в режим инвертирования (в тиристорных св), гашение поля при помощи дугогасительной решетки, гашение поля рассеиванием энергии на нелинейном сопротивлении и гашение поля рассеиванием энергии на активном линейном сопротивлении [1, 2].

В тиристорных системах самовозбуждения перевод преобразователя в режим инвертирования при близких кз оказывается неэффективным, так как из-за низкого напряжения на выводах генератора и, как следствие, на его возбудителе, затрудняется, либо вообще не возможно инвертирование [2].

Тиристорные системы независимого возбуждения позволяют гасить поле генератора при близких кз. Однако при этом процесс идет медленно, так как проходит при напряжении на выводах ов не превышающем потолочное для системы возбуждения (св), которое обычно значительно меньше допустимого по условиям работы изоляции ов. В то же время в ряде других способов возможно гашение поля при больших напряжениях близких к предельно допустимым.

Следует заметить, что ток ов при близком кз первоначально значительно увеличивается по сравнению с предшествующим режимом, что позволяет при инвертировании в начале выводить значительную энергию поля генератора. Однако в дальнейшем при инвертировании количество выводимой энергии из ов существенно уменьшается, так как ток возбуждения быстро снизившись в последующем медленно затухает [3]. Так как перевод в ре-

55

жим инвертирования осуществляется гораздо быстрее, чем вводятся в работу другие угп, то целесообразно в системах независимого возбуждения начинать процесс гашения поля с перевода тиристорного преобразователя в режим инвертирования, а продолжать его на другом угп, которое позволит поднять отрицательное напряжение на ов до значения, допустимого по условиям прочности изоляции и, тем самым, увеличить выводимую мощность.

Другим способом гашения поля является рассеивание энергии ов на дугогасительной решетке выключателя. Более 50 лет назад в нашей стране при решении задачи гашения поля гидрогенераторов волжских гэс на заводе «электросила» был разработан автоматический выключатель со специальной дугогасительной решеткой, получивший название автомата гашения поля (агп), напряжение на котором при горении дуги в решетке снижается незначительно при изменении тока в широком диапазоне. Применение АГП позволяет получить малое время гашения поля, так как напряжение на ОВ поддерживается на максимально допустимом уровне [1, 2]. В последующем без достаточного обоснования АГП стал устанавливаться и в СВ турбогенераторов.

АГП – надежный, но достаточно дорогой аппарат, его выпуск монополизирован, а освоение производства другими предприятиями слишком дорого. Поэтому появилась тенденция отказа от АГП и применения быстродействующих выключателей для разрыва цепи возбуждения с последующим гашением поля на резисторе самосинхронизации [4]. Однако из-за того, что сразу после возникновения КЗ ток ОВ значительно нарастает, а напряжение на ОВ не должно превышать допустимое по условиям прочности изоляции значение, то подключаемое сопротивление должно быть небольшим [3]. Это приводит к затягиванию процесса гашения поля, так как постоянная времени контура возбуждения оказывается большой.

Следует заметить, что при этом для быстрого отключения контура возбуждения, включающего значительную индуктивность, требуется выключатель либо с большим количеством последовательно установленных полюсов, либо с развитой системой дугогашения. Это же необходимо для создания напряжения на ОВ, при котором удастся ток быстро перевести в гасительное сопротивление. Но все это ведет к увеличению стоимости УГП.

При использовании в УГП медленно действующего выключателя можно подключать значительно большее

гасительное сопротивление и быстрее гасить поле генератора, так как ток ОВ успеет значительно снизиться, перед тем как выключатель сработает. Это позволит быстрее гасить поле генератора при близких КЗ.

Получить малое время гашения поля можно, заменив АГП автоматическим выключателем с включенными параллельно его контактам варисторами. Энергоемкость серийных варисторов, применяемых в ОПН сегодня, не достаточна для рассеивания энергии, накопленной в магнитном поле генератора, и поэтому приходится идти на большое количество параллельных ветвей. Это существенно усложняет конструкцию УГП, увеличивает его габариты и стоимость. Созданные специально для УГП варисторы, обладающие большой энергоемкостью, сегодня дороги, так как производство не серийно. Кроме того, выключатель, применяемый в таком УГП, должен обладать развитой дугогасительной системой либо большим количеством последовательно соединенных полюсов для того, чтобы поднять напряжение на варисторах до уровня их ввода в работу. Это также увеличивает стоимость такого УГП.

Таким образом, актуален поиск решений, позволяющих на современной элементной базе создать такое УГП, которое позволяет быстро гасить поле синхронных машин и будет иметь приемлемую стоимость.

Предложенный в [5] новый способ гашения поля, позволяет преодолеть недостатки известных устройств, реализующих вышеописанные способы. УГП, реализующее этот способ отличается от известных тем, что обратное напряжение на ОВ по мере снижения тока возбуждения формируется путем ступенчатого увеличения активного сопротивления резистора, вводимого в контур возбуждения. Это позволяет поддерживать значение напряжения на ОВ близким к допустимому по условиям работы изоляции, а также использовать для гашения поля элементы типовой схемы СВ (резистор самосинхронизации, тиристорный разрядник, выключатель). Это приводит к существенному снижению стоимости такого УГП. Напряжение на ОВ и ток возбуждения при гашении поля таким способом (число ступеней сопротивления УГП равно четырем) приведены на рис. 1 и рис. 2 соответственно.

Наиболее важным этапом в задачах прогнозирования является выбор адекватной реальному процессу математической модели. В случае с потреблением электроэнергии мы имеем дело со сложным нестационарным процессом, имеющим несколько уровней сезонности (регулярных колебаний) и содержащим нерегулярные и случайные составляющие, обусловленные, например, погодными и социальными факторами, оказывающими заметное влияние на уровень потребления.

Известные методы прогнозирования электропотребления можно разделить на следующие основные группы, использующие:

•одномерные модели (модели, использующие множественную авторегрессиию, динамические линейные и нелинейные модели

идр.);

•причинно-следственные модели (регрессионные модели, модели осуществляющие декомпозицию нагрузки на составляющие и др.);

•средства искусственного интеллекта (экспертные системы, модели на базе нечёткой логики, искусственные нейронные сети).

О качестве выбранной модели можно судить, в частности, по тому, насколько устойчивыми получаются построенные на её основе зависимости.

В настоящей работе рассматриваются отдельные результаты исследования используемых для прогнозирования мощности электрической нагрузки моделей, полученные в ходе численного эксперимента. Исследовавшиеся модели относятся ко второй группе (в работе [2] дано их подробное математическое описание).

Цель эксперимента заключалась в исследовании поведения во времени коэффициентов выбранной модели. Эксперимент включал следующие этапы:

1.Аппроксимация фактических данных о потреблении электроэнергии на суточных интервалах выбранной моделью.

2.Оценка изменения коэффициентов мо-

дели.

3.Аппроксимация полученных зависимостей простыми функциями (например, полиномами 2÷4 степени), с последующим восстановлением коэффициентов исходной модели по данным функциям.

4.Построение зависимостей по модели с использованием «восстановленных» коэффициентов и сравнение получаемых зависимостей с исходными.

В качестве расчётной модели для аппроксимации изменения фактических значений мощности потребления во времени использовался периодический ряд Фурье как наиболее подходящий для аппроксимации суточных

графиков потребления (во всех случаях модели состояли из семи гармонических составляющих).

Исходными данными для эксперимента служили измерения мощности потребления по всем районным диспетчерским управлениям, входящим в состав объединённой энергосистемы Урала. С целью учёта влияния дней недели на вид графика потребления, все действия выполнялись для одинаковых дней (данные были сгруппированы по дням недели).

Результаты аппроксимации зависимостей коэффициентов модели от времени представлены на рисунке 1. На рисунке 2 приведены графики нагрузки для одного из дней диапазона использовавшихся данных: фактический; полученный по исходной модели; полученный по модели с «восстановленными» коэффициентами. В остальных случаях были получены аналогичные результаты.

По результатам проведённых расчётов можно сделать следующие выводы:

•форма графиков потребления восстанавливается с достаточно высокой степенью точности;

•для восстановления графика потребления достаточно знать значение суточного потребления.

•установлено, что случаи, в которых достоверная аппроксимация зависимости изменения коэффициентов модели оказалась затруднительной, соответствуют наименее значимым коэффициентам элементов исходной модели.

Одной из основных задач для повышения надёжности работы электрофизического оборудования и уменьшения его габаритов является оптимизация изоляторов.

Для наиболее выгодной работы электроизоляционных материалов напряжен-ность электрического поля должна быть равномерной, так как в этом случае участки электроизоляционного материала нагружаются равной напряженностью поля, т.е. имеет место наилучшее её использование.

В большинстве узлов электротехнических устройств изоляция работает в неравномерных электрических полях, где отдельные участки изоляции несут повышенную электрическую нагрузку. Это может привести к быстрому разрушению таких участков и изолятора в целом. Снижения напряженности поля можно добиться изменением ёмкости или активной проводимости её отдельных участков. Емкостные способы основаны на увеличение емкости тех участков электрической изоляции, в которых целесообразно снизить падение напряжения. Управление активной проводимостью осуществляется подбором в изоляционной конструкции материалов с разной проводимостью, использованием активных делителей напряжения, установкой коронирующих электродов, нанесением полупроводящих покрытий [1-3].

Нанесение полупроводящих покрытий является не дорогим и одним из наиболее простых способов выравнивания напряженности электрического поля. Полупроводящие покрытия нашли широкое применение в электрических машинах, в кабельном производстве (концевая разделка кабелей, экранирующие покрытия вблизи токоведущей жилы). В последние годы этот прием используют в изоляционных конструкциях высоковольтных электрофи-зических установок.

Полупроводящая глазурь представляет собой керамический полупроводник, имеющий электронную проводимость. Кроме полупроводящих свойств она также имеет свойства обычной глазури. Полупроводящую глазурь получают путем введения в ее состав полупроводящих окислов.

Полупроводящая глазурь имеет характерную для полупроводника полулогарифмическую зависимость сопротивления от темпе-

ратуры, которую часто характеризуют поло-

жительным перепадом температуры , при котором сопротивление глазури уменьшается в два раза. Для полупроводящих глазурей составляет 22-35°С. В пределах (0…70°С)

зависимость lg r = f (t) выражается прямой линией (рис. 1) [4].

t0.5

Рис. 1. Сопротивление изоляторов, покрытых полупроводящей глазурью, в зависимости от температуры (для различного состава глазурей)

Рис. 2. Распределение напряжения по повер-хности изолятора при переменном напряжении 10-20 кВ, 50 Гц.:

1 – изолятор с нормальной глазурью; 2 – с сопротивлением глазури 500 МОм; 3 – с сопротивлением глазури 20 МОм.

Полупроводящие покрытия повышают напряжение возникновения коронных и частичных разрядов, которые предшествуют перекрытию изоляционного промежутка. Это обусловлено тем, что полупроводящее покрытие выравнивает распределение напряжения по поверхности изолятора (рис. 2) [5].

Нанесение полупроводящих покрытий повышает надежность работы изоляционных устройств не только в нормальных условиях эксплуатации, но и в условиях загрязнения и увлажнения поверхности. С одной стороны это обусловлено более равномерным распределением напряженности электричес-кого поля, а с другой стороны поверхностными токами утечки, которые приводят к небольшому нагреву изоляции.

В условии загрязнения и увлажнения на изоляторах с полупроводящим покрытием разряд в начальной стадии развивается также как и при покрытии обычной глазурью, т.е. с образованием сухих зон. Это обусловлено тем, что токи, протекающие по глазури, на порядок меньше токов по увлажненному слою загрязнения. Сухая зона занимает лишь часть поверхности изолятора, но к ней будет приложено практически все напряжение, так как сопротивление увлажненного загрязненного слоя оказывается меньше сопротивления сухой зоны. Ток проводимости через глазурь возрастает. Это приводит к значительному нагреву, т.е. тепловому удару, который в ряде отдельных случаях может привести к разрушению изоляционного материала. В дальнейшем сопротивление участка падает благодаря температурному коэффициенту сопротивления полупроводящей глазури и становится соизмеримым с сопротивлением увлажненного слоя, вследствие чего напряженность электрического поля выравнивается, и развитие разряда прекращается. Таким образом, сопротивление глазури должно выбираться исходя из тепловой устойчивости изоляционной конструкции в летний солнечный день. При этом также следует учитывать её сопротивление при 0°С, так как условия работы изоляции оборудования наружной установки в этом случае наиболее сложные.

При образовании на увлажненной загрязненной поверхности сухих зон происходит переход тока из влажного слоя загрязнения в полупроводящую глазурь и обратно. Этот переход обуславливает возможность прожигания слоя глазури на границах сухой зоны.

Процесс неравномерного подсушивания поверхности и неравномерного распределения напряжения тем резче, чем сложнее форма изолятора. Это объясняется тем, что у изоляторов сложной формы большая часть приложенного напряжения падает вблизи

стержня. Выравнивать напряженность электрического поля таких изоляторов можно путем нанесения вблизи потенциального электрода полупроводящего покрытия с большей проводимостью и плавному уменьшению ее по мере удаления от стержня. Такой способ выравнивания напряженности электрического поля с помощью полупроводящей глазури практически не возможен, так как на изолятор, для плавного уменьшения проводимости, должны наноситься полупрово-дящие глазури с разной проводимостью, плавно изменяющейся в достаточно широком диапазоне.

Таким образом, полупроводящие покрытия во многих случаях дают положительный эффект, но существует также и ряд трудностей (таких как тепловая устойчивость изоляционной конструкции, неравномерность напряженности электрического поля вследствие неоднородности полупроводящего слоя, прожег глазури на границе сухих зон, большие диэлектрические потери) решение которых требует особого внимания.

Выводы:

1.Для увеличения тепловой устойчивости изоляционной конструкции необходима полупроводящая глазурь с меньшей зависимостью сопротивления от температуры. Перепад температуры должен быть не ниже 5070°С.

2.Полупроводящее покрытие на основе глазури не обеспечивает достаточно равномерного распределения напряженности электрического поля вследствие неоднородности полупроводя-щего слоя и несовершенства способа его нанесения. Альтернативным способом изменения проводимости поверхности изоляционных мате-риалов является ионнотермическая модификация.

3.Выравнивать напряженность электрического поля изоляторов сложной формы можно путем нанесения вблизи потенциального электрода полупроводящего покрытия с большей проводимостью и плавным уменьшением ее по мере удаления от электрода. Это можно реализовать ионно-термическим методом нанесения полупроводящего слоя.

ЛИТЕРАТУРА:

1.Ушаков В.Я. Изоляция установок высокого напряжения. – М.: Энергоатомиздат, 1994. – 496.с.: ил.

2.Куртенков Г.Е. Основы проектирования изоляции высоковольтного электрооборудования: Учебное пособие. – Томск: Издательство НТЛ, 1999. – 276. с.: ил.

3.Дмитревский В.С. Расчет и конструирование изоляции: Учебное пособие для вузов. – М.: Энергоиздат, 1981. – 392 с.: ил.

61

Актуальность. В связи с ускоренными темпами развития науки и техники в последнее время появляется все больше приборов, устройств и систем, содержащих множество элементов, сложным образом взаимодействующих между собой. Очевидно, что определение их надежностных характеристик как при запуске в эксплуатацию, так и впоследствии, имеет важное значение.

Для большинства электротехнических элементов можно выделить предельные случаи возможных внезапных отказов, а именно:

обрыв цепи и короткое замыкание. Напри-

мер, в конденсаторе обрыв проводников, припаянных к обкладкам, уменьшает его ёмкость до нуля (отказ типа «обрыв цепи»), или при увеличении токов утечки больше допустимого значения, происходит пробой конденсатора (отказ типа «короткое замыкание»). Отказы диода можно также разделить на два типа: отказы в диоде, приводящие к обрыву цепи (отказ типа «обрыв цепи») и короткому замыканию в самом диоде (отказ типа «короткое замыкание») и т. д.

Отказ типа «короткое замыкание» может происходить во всех элементах схемы, через которые проходит ток нагрузки в нормальном режиме работы. Короткие замыкания в таких элементах отключаются основной релейной защитой, в зоне действия которой находится рассматриваемый элемент сети, либо резервной с выдержкой времени.

Для защитных коммутационных аппаратов будем учитывать отказ выключателя типа «обрыв цепи». К таким отказам будем относить ложные и излишние отключения выключателей в результате действия релейной защиты, которые ликвидируются с помощью ручного переключения (т.е. без средств авто-

матики), а также автоматические отключения выключателей в результате повреждений во вторичных цепях релейной защиты.

Для анализа надежности сложных электрических сетей и систем, структурные схемы которых не сводятся к последовательному или параллельному соединению элементов можно воспользоваться логико-

вероятностным методом, при использова-

нии которого математическая модель системы составляется в терминах алгебры логики. Логико-вероятностный метод применим к широкому кругу систем с разнообразными связями и сочетаниями элементов, хотя внешне они получаются достаточно громоздкими и при его использовании не всегда удается составить логическую функцию работоспособности, достаточно точно соответствующую структуре схемы.

Для сокращения объема преобразований при составлении логических формул можно на основании структурной схемы надежности предварительно составить логическую схему системы. Логические схемы могут составляться двумя методами – минимальных путей и минимальных сечений.

Постановка задачи. Рассмотрим исполь-

зование метода минимальных путей и сече-

ний для расчета вероятности безотказной работы электрической системы (рис.1).

Рис. 1. Схема системы х1-х5 – линии электропередачи.

Метод базируется на представлении сетевых систем графом сети.

К сетевым системам относятся физические системы, предназначенные для распределения электроэнергии, газа, воды, пара и пр. Геометрическое изображение сети может быть представлено графом, у которого направление дуг необязательно должно совпадать с направлением физического потока, поэтому граф является частично ориентированным. Условием ориентирования графа сети является расположение базисных узлов, относительно которых производится оценка надежности системы.

Путем в графе называется последовательность дуг, в которой конец предыдущей дуги совпадает с началом последующей (рис.2).

Реальная схема электрических соединений преобразуется в структурную схему, при этом последовательно и параллельно соединенные элементы заменяются эквивалентными. Элементам графа присваиваются обозначения физической сети: вершинам – название пунктов присоединений, дугам – название линий электропередачи. Кроме этих вершин, в графе имеется вершина источников питания, т.е. электростанций.

Представление электрической схемы графом сети дает возможность упростить расчеты и применить для вычислений матрицу путей (рис.2), по которым возможны связи между источником и нагрузкой. Из этих путей выделяются минимальные пути, состоящие из элементов, работоспособное состояние которых обеспечивает передачу электроэнергии от источника питания к узлу нагрузки.

Для электрической схемы из пяти элементов (рис.1) минимальных путей четыре: 1) элементы х1 и х4; 2) х2 и х5; 3) х1, х3 и х5; 4)

х2, х3 и х4.

Таким образом, функция работоспособности системы (ФРС) запишется в виде:

Рис. 2. Матрица кратчайших путей

Следует отметить, что полученная ФРС представлена в виде дизъюнкции кратчайших путей успешного функционирования системы.

Функция алгебры логики Аn для логической схемы составляется по общим правилам расчета вероятности безотказной работы, но вместо символов вероятностей безотказной работы элементов рi используются символы событий (работоспособности элемента) аi:

Аn = 1 – (1 – a1a4)(1 – a2a5)(1-a1a3a5)( 1-a2a3a4)

(1)

Так как в выражении (1) переменные аi рассматриваются как альтернативные (или булевые) и могут принимать только значения 1 или 0, то при возведении в степень любая переменная аi , очевидно, не меняет своего

значения, т.е. аin= аin-1 =…= аi2= аi. Воспользовавшись этим свойством после преобразова-

ния выражения (1) получим функцию алгебры логики в виде

Аn = a1a4 + a2a5 + a1a3a5 + a2a3a4 –

- a1a2a3 a4 – a1a2a3 a5 + a1a2a4 a5 – a1a3 a4 a5 –

Заменив в выражении (2) символы событий аi их вероятностями рi , получим уравнение для определения вероятности безотказной работы Pn:

Pn = p1p4 + p2p5 + p1p3p5 + p2p3p4 –

- p1p2p3 p4 – p1p2p3 p5 + p1p2p4 p5 – p1p3 p4 p5 –

Следует отметить, что метод минимальных путей дает точное значение вероятности безотказной работы только сравнительно простых систем с небольшим числом элементов. Для более сложных систем метод дает только ее приближенную оценку – нижнюю границу.

Для расчета верхней оценки вероятности безотказной работы системы воспользуемся

методом минимальных сечений (разрезов). Минимальным сечением (или минималь-

ным сечением отказов) называется последо-

вательный набор неработоспособных элементов, отказ которых приводит к отказу системы, а восстановление работоспособности любого из них – к восстановлению работоспособности системы.

В данной системе минимальных сечений четыре: 1) элементы х1 и х2; 2) х4 и х5; 3) х1,

х3 и х5; 4) х2, х3 и х4.

Затем последовательность действий аналогична методу минимальных путей. Составляется функция алгебры логики в виде

63