Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ средств и способов защиты систем электроснабжения промышленных предприятий 10
1.1 Обзор свойств молниезащит 12
1.2 Задачи исследования 21
2 Оценка грозовой активности 23
2.1 Формирование статистических данных грозовых явлений 23
2.2Анализ грозовой активности 31
2.3 Оценка периодов грозовых явлений 34
2.4 Многокомпонентность молнии 38
2.5 Использование вероятностных методов оценки промежутков разрядов молнии 41
Выводы 43
3 Функциональность лазеного преобразования атмосферного электричества 45
3.1 Инициирование удара молнии лазерным излучением 46
3.2 Колебательный контур как средство перехода от импульсных грозовых разрядов к гармоническим составляющим 53
3.3 Мониторинг атмосферы на наличие критического значения напряженности .69
3.4 Экспериментальная часть устройства активной молниезащиты 80
Выводы 90
4. Оценка влияния устройства активной молниезащиты на надежности функционирования системы электроснабжения 92
4.1 Общие положения функционирования систем
электроснабжения промышленных предприятий 93
4.2 Технико-вероятностная оценка влияния активной лазерной молниезащиты на работу приемников систем электроснабжения 99
4.3 Оценка защитных свойств системы от внешних и внутренних перенапряжений 111
4.4 Экспериментальная часть устройства ограничения перенапряжения 122
4.5 Технико-экономическая оценка эффективности функционирования системы электроснабжения посредствам снижения влияния перенапряжений 125
Выводы 133
Заключение 134
Библиографический список
- Задачи исследования
- Многокомпонентность молнии
- Колебательный контур как средство перехода от импульсных грозовых разрядов к гармоническим составляющим
- Технико-вероятностная оценка влияния активной лазерной молниезащиты на работу приемников систем электроснабжения
Введение к работе
Актуальность работы. Современное дорогостоящее оборудование электроэнергетических систем требует высокого уровня защиты от негативных факторов атмосферных перенапряжений. В настоящее время оборудование, которым производится защита объектов от прямого удара молнии, представлено в подавляющем большинстве пассивными устройствами, к которым относятся: стержневой молниеотвод, грозозащитные трос и сетка. Аналитические выводы говорят об ограниченности уровня защиты, которую данные устройства способны гарантировать. При этом практические статистические данные свидетельствуют о недостижимости теоретического заявленного уровня защиты в значительной степени. Указанные факторы отражаются на снижении надежности функционирования системы электроснабжения, что, в сочетании со случайным характером выхода из строя оборудования, вызванного воздействием удара молнии, может вызвать тяжелую аварию с последующими трудоемкими восстановительными работами и дополнительными экономическими расходами, вплоть до замены выведенного из строя оборудования. Современные лазерные технологии позволяют решить данную проблему, а многочисленные проведенные эксперименты доказывают состоятельность идеи инициирования разряда молнии. Активная молниезащита, выполненная на основе лазерной техники, способна значительно повысить уровень защиты системы электроснабжения и других объектов. Являясь дополнительным элементом молниезащиты, она может устанавливаться как совместно с уже введенными пассивными системами, так и при возведении новых. В этом случае будет наблюдаться экономия средств, обусловленная снижением требований к пассивным устройствам, так как они будут выполнять дублирующую функцию. Перенапряжения, возникающие в токоведу-щих частях системы электроснабжения, носят негативный характер, влияя на нормальное функционирование практически любого электротехнического оборудования. Особенно это касается ситуаций, когда в токоведущие части попадает импульс энергии от разряда молнии. Это может быть как прямой удар молнии, так и наводимый импульс от разряда в непосредственной близости от токоведущих частей. Подавляющее большинство перенапряжений происходят на частотах 3 – 30 кГц, что значительно отличается от промышленной частоты 50 Гц передачи и потребления электроэнергии. Данный факт позволяет бороться с такими перенапряжениями используя пассивные устройства на основе нелинейных резистивных элементов в комбинации с колебательными контурами.
Выполненный анализ позволяет поставить задачу повышения эффективности функционирования системы электроснабжения посредством снижения вероятности выхода из строя оборудования по причине воздействия на него прямого удара молнии, высокочастотного внутреннего и наведенного перенапряжения.
Целью работы является уменьшение воздействия внешних и внутренних перенапряжений на элементы системы электроснабжения посредством дополнительной защиты ее элементов от прямого удара молнии, высокочастотных внутренних и наведенных перенапряжений.
Идея работы заключается в разработке устройства отбора атмосферного электричества и защиты объектов от удара молнии, позволяющего предупредить выход из строя элементов системы электроснабжения вследствие прямого удара молнии путем определения области критического зачения градиента напряженности электрического поля грозового облака, инициирования разряда молнии на молниеприемник, и преобразования импульса ее энергии в растянутые по времени гармонические колебания; разработке устройства ограничения перенапряжения, позволяющего защитить линию электропередач от воздействия высокочастотных внутренних и наведенных перенапряжений посредствам использования свойств нелинейного резистора и колебательного контура.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:
-
Разработка метода анализа грозовой активности позволяющего прогнозировать возникновение негативных явлений в виде внешних и наведенных перенапряжений.
-
Создание технической системы сканирования грозового облака и определения критического значения градиента электрического поля.
-
Выявление основных параметров и их значений, характеризующих внутренние и внешние перенапряжения с оценкой их влияния на безотказность систем электроснабжения.
-
Создание аппаратно-программного комплекса управления в автоматическом режиме устройства активной молниезащиты.
-
Разработка методики по обеспечению безотказности систем электроснабжения при использовании устройств активной молниезащиты и ограничителя перенапряжения.
Научная новизна:
- разработано устройство отбора атмосферного электричества и защиты объектов от удара молнии, отличающееся определением области грозового
облака с наибольшей вероятностью развития разряда молнии, его инициированием на молниеприемник, и последующим преобразованием в растянутые по времени затухающие гармонические колебания;
разработан способ определения модуля напряженности электрического поля грозового облака, позволяющий прогнозировать вероятностную область зарождения разряда молнии и ориентировать направление инициирующего излучения, отличающийся тем, что основан на эффекте изменения поляризации светового излучения при отражении его от области грозового облака, находящегося под напряженностью электрического поля;
разработан способ преобразования энергии молнии, позволяющий перейти от короткого импульса разряда к затухающим гармоническим колебаниям и последующим использовании их для питания электроприемников, отличающийся использованием параллельных колебательных контуров настроенных на различные резонансные частоты с включением их по уровню мощности разряда и снижением их взаимного влияния посредством пассивных электрических фильтров;
разработано устройство ограничения перенапряжения, защищающее линии электропередач от воздействия высокочастотных внутренних и наведенных перенапряжений, отличающееся совместным использованием нелинейного резистора и колебательного контура, а также наличием источника электродвижущей силы при срабатывании устройства на перенапряжения;
создана методика оценки надежности функционирования системы электроснабжения при наличии устройства отбора атмосферного электричества и защиты объектов от удара молнии, и устройства ограничения перенапряжения, отличающаяся установлением требуемого уровня защиты от внешних и внутренних перенапряжений, с учетом влияния разработанных устройств.
Теоретическая и практическая значимость состоит в расширении теоретических фундаментальных исследований внутренних и внешних перенапряжений и их влияния на отказы в системах электроснабжения; в расширении базы новых технических средств обеспечения защиты от внутренних и внешних перенапряжений.
Методы исследования. Поставленные задачи решаются с применением методов теоретических основ электротехники, численных методов, техники высоких напряжений, теории надежности, теории вероятностей, теории импульсных потоков, планирования экспериментов, математической статистики. Проверка результатов осуществлялась путем проведения численных экспериментов.
Научные положения, выносимые на защиту:
результаты исследования вероятностного распределения воздействия удара молнии в защищаемые электрические системы устройствами пассивной молниезащиты, с выделением наиболее подверженных выходу из строя их элементов;
разработанная модель устройства инициирования удара молнии, предотвращающая произвольное развитие разряда с наличием вероятности прорыва в зону защиты электрических систем пассивными молниеотводами;
разработанная модель устройства сканирования грозового облака на определение области с критическим значением градиента напряженности электрического поля, свидетельствующем о приближении начала произвольного развития разряда молнии;
разработанный способ преобразования энергии молнии, осуществляющий переход от короткого импульса большой мощности к растянутым во времени гармоническим колебаниям энергии;
разработанный алгоритм оценки уровня надежности элементов систем электроснабжения в условиях защиты их от атмосферного перенапряжения предложенным устройством активной молниезащиты как в единичном исполнении, так и в качестве дополнительного оборудования к пассивным устройствам.
Достоверность полученных результатов и выводов подтверждена формулировкой задач исследования, сделанной исходя из глубокого анализа молниезащиты объектов систем электроснабжения, способов регистрации электрического поля и методов преобразования энергии, выделяющейся при ударе молнии; а также математическим обоснованием предложенных решений и наличием достаточной научно-технической базы для их практической реализации и незначительными отклонениями с экспериментальными результатами.
Реализация работы. Основные научно-практические результаты диссертационной работы переданы для использования в ООО «Электромонтаж» с ожидаемым экономическим эффектом 970 тыс. руб. в год. Научно-исследовательские результаты внедрены в учебном процессе ЛГТУ при разработке курсов лекций и выполнении исследовательской работы по дисциплине «Научно-исследовательская работа».
В приложении диссертации представлены соответствующие акты внедрения результатов работы.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы подробно докладывались и обсуждались на областной научной конференции
по проблемам технических наук (г. Липецк, 2012 г.); на VII международной научно-практической конференции «теоретические и прикладные аспекты современной науки» (г. Белгород, 2015 г.); на Международной научно-практической конференции «Современные тенденции в науке, технике, образовании» (г. Смоленск, 2016 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них 3 работы в ведущих рецензируемых научных изданиях из Перечня ВАК России, 1 монография, получено 2 патента Российской Федерации на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и двух приложений. Общий объем диссертации – 158 стр., в том числе 134 стр. основного текста, 39 рисунков, 19 таблиц, библиографический список литературы из 145 наименований.
Задачи исследования
Проблема защиты от импульсных грозовых перенапряжений должна решаться комплексным путем. Длительность перенапряжений составляет от единиц микросекунд до нескольких часов. Они возникают как от прямого удара молнии в объект электроснабжения, так и при наведении магнитной индукции от удара молнии в непосредственной близости от объекта. Возможно возникновения перенапряжения посредством прихода волны с линии электрической системы высокого напряжения, вызванной ударом молнии. Перенапряжения, как особые явления возникающие в энергосистеме, характеризуются определенными параметрами, а именно: максимальным значением; кратностью; временем нарастания; длительностью; число импульсов; широтой охвата сети; повторяемостью [13]. Все перечисленные характеристики имеют стохастическую природу и имеют значительный статистический разброс. Перенапряжения, вызванные ударом молнии имеет особенную опасность для сетей низких и средних классов напряжения (до 220 кВ) по сравнению с коммутационными [17, 19, 25, 26]. Объясняется это тем, что изоляция таких сетей рассчитана на коммутационные перенапряжения. Кроме этого, низковольтные сети имеют более глубокое разветвление, что затрудняет обеспечение их качественной молниезащитой.
Амплитуда тока молнии является основой количественной характеристики разряда молнии. Он имеет форму апериодического импульса. Длина фронта импульса составляет несколько микросекунд, длина импульса – 200 мкс – 0,5 с. [22, 23]. В районе со средней продолжительностью грозовой деятельности, к которому относиться Липецкая область, воздушные линии поражаются ударом молнии 15 – 20 раз в год на 100 км длины [23].
Комплекс средств молниезащиты зданий и сооружений включает в себя устройства защиты от прямых ударов молнии – внешняя система молние-защиты, а также устройства защиты от вторичных воздействий удара молнии – внутренняя система молниезащиты. В частных случаях она может состоять только из систем внешних или внутренних устройств молниезащиты. Внешняя молниезащита, как правило, изолирована от защищаемого объекта. Внутренние устройства молниезащиты предназначены для ограничения электромагнитных воздействий тока молнии и предотвращения искрений внутри защищаемого сооружения [24, 28, 31].
На настоящее время наибольшее распространение получили пассивные устройства молниезащиты. Деление на пассивные и активные устройства молниезащиты произошло, потому что в последнее время наметилась тенденция использования устройств, которые позволяют вызывать разряд молнии в случае достаточного накопления заряда в грозовых облаках. Таким образом, предотвращается в дальнейшем возникновение самопроизвольного разряда молнии в наземные объекты. Применение пассивных устройств мол-ниезащиты осуществляется на всех уровнях в системах электроснабжения предприятий. Установка таких устройств нормируется ГОСТ [22, 23, 77]. Необходимость защиты от удара молнии определяется в соответствии с менеджментом риска. Меры защиты от поражения объекта молнией можно отнести к двум группам. К первой группе относятся меры, уменьшающие повреждения зданий, сооружений и обеспечивающие снижение опасности для жизни и здоровья людей. Ко второй группе относят мероприятия, снижающие количество отказов электрических и электронных систем.
Молниеотвод реализует идею преимущества перекрытия искровым разрядом более короткого воздушного промежутка. Этот промежуток возникает между электрически заряженным грозовым облаком и поверхностью земли. Его длина, как правило, составляет несколько километров [27]. Наземные сооружения, хоть и незначительно, сокращают промежуток, поэтому молнии направляются именно к ним. Чем выше сооружение, тем большая вероятность удара молнии в него. Для надежной защиты молниеотвод должен быть существенно выше защищаемого объекта. Условием эффективной работы молниеотводов является их качественное заземление [31, 33, 52].
В соответствии с ГОСТ [23] все объекты могут быть подразделены на «обычные объекты» и «специальные объекты». В зависимости от степени их общественной значимости и тяжести ожидаемых последствий от удара молнии в объект, было предложено разделить объекты на четыре класса, и им соответствуютчетыре уровня защиты от поражения молнией. Для защиты специальных объектов существует отдельный регламентированный класс молниезащиты. Технические требования возрастают от четвертого класса к первому, включая в себя параметры: уровень расчетной надежности защиты от удара молнии, значение максимального тока молнии, заряд единичного импульса, а также форму импульса. Комплекс мероприятий по молниезащите состоит из устройств защиты от прямых ударов молнии и защиты от вторичных воздействий молнии. К первым относятся молниеотводы, которые могут представлять собой отдельно стоящую конструкцию, быть установленными на защищаемом объекте, или являться его частью. В общем случае система внешней молниезащиты состоит из молниеприемника, токоотводов и зазем-лителей. Материалы изготовления указанных элементов, кроме заземлителя, могут быть: сталь, медь и алюминий. Для изготовления заземляющего контура алюминий не применяется. Минимальное сечение для каждого из элементов регламентировано ГОСТ [23], и определяется, в основном, из термических расчетов при протекании тока молнии, а также из расчетов механической прочности. Молниеприемники могут быть выполнены в виде стержня, троса, сетки, либо в виде их комбинаций. Роль молниеприемника могут выполнять конструктивные элементы зданий и сооружений, если они удовлетворяют техническим требованиям. Эти требования относятся, в основном, к материалу и его толщине. Например, для кровли из стали толщина быть не менее 4 мм [23]. Токи молнии, попадающие в молниеприемники, отводятся в заземлитель через систему токоотводов (спусков).
Механические и термические действия молнии на устройство молние-защиты обусловлены: пиковым значением тока молнии, полным зарядом, зарядом в единичном импульсе, удельной энергией. Повреждение сложной электроники, вызываемые индуцированными перенапряжениями, обусловлены крутизной фронта тока молнии [23].
Многокомпонентность молнии
Разряд молнии в большинстве случаев является многокомпонентным, состоящим из отдельных разрядов. Последовательность ударов проявляются в порядке 65 % молний. Их количество может достигать 30 ударов, но наиболее часто 3 – 4 удара [1]. Многокомпонентность удара свойственна электроотрицательной нисходящей молнии, его продолжительность достигает до 1,3 с. В промежутках между отдельными компонентами удара присутствует постоянная тока. Ее величина определяется десяткам, даже сотнями ампер.
При высоте объекта несколько сотен метров, напряженность на его вершине достигает критического значения раньше чем в облаке. Разряд молнии начинает развиваться с верхней части объекта восходящим лидером. Такие молнии не имеют ярко выраженную главную стадию. Удар молнии характеризуется сложным физическим процессом. Он зависит от многих случайных факторов. В связи с чем, параметры, используемые для расчетов молниезащиты и магнитной совместимости в нормативных документах, носят приблизительный и усредненный характер.
Наиболее часто в качестве модели импульса удара молнии берется сумма двух затухающих экспонент с разными постоянными времени. Именно такой импульс используется в качестве стандартного для испытаний электрической прочности изоляции и магнитной совместимости устройств. Последние исследования, проведенные специалистами NASA [2] для аэрокосмической промышленности показали, что наиболее точное понятие об импульсе тока молнии дает четырехкомпонентная модель (рисунок 2.9). Основаниями исследований стали многочисленные случаи сбоя в режимах работы космических и летательных аппаратов рассчитанных по классическим методикам устойчивости к поражению молнией. В соответствии с этим были раз i(t) работаны и предложены рекомендации [28]. Согласно которым компонент А рисунок 2.10, является начальным импульсом. Его продолжительность составляет до 0,5 мс. Основной характеристикой первого импульса служит амплитуда тока IA max . Начальный импульс имеет наибольший амплитудный ток. Значение может достигать 200 кА и более. Компонент В служит промежуточным импульсом. Накладываясь на начальный импульс он влияет на суммарную кривую тока резко уменьшая его затухание. Продолжительность компонента В составляет до 5 мс. Основными характеристиками, так же, являются средний ток IB ср, величина которого, как правило, лежит в пределах
Многокомпонентность удара молнии от 1,8 до 2,2 кА, и заряд QB , составляющий до 10 Кл. Компонент С характеризует постоянный ток. Он в течении продолжительности компонента С изменяется незначительно. Этот компонент наиболее продолжительный по времени, длительность которого составляет от 0,25 до 1 с. Второй важной характеристикой компонента является зарядQC , принимаемый в расчетах примерно 200 Кл. При этом величина постоянного тока составляет 200 – 800 А. Компонент D отображает повторный импульс. Амплитуда тока импульса примерно равна половине амплитуды тока начального импульса (компонента А). Продолжительность последнего импульса соизмерима с продолжительностью начального импульса. Значение продолжительности, примерно, лежит в пределах 0,5 мс. Исследования в этой области, так же, проводились и специалистами Энергетического института им. Г.М. Кржижановского [4]. Наглядный пример многокомпонентности удара молнии соответствует фотография (рисунок 2.10). Фотография была получена камерой автоматического слежения установленной на Останкинской телебашни. Фотография рисунка 2.11 отображает семикомпонентность удара молнии, что подтверждает многокомпонент-ность ударов молнии.
Период грозовой активности Такт.n представляет сумму импульсов и пауз, характеризующих данный период, что представляется зависимостью: Tакт.n=Zxnk + i;enk_1, (2.15) где тnk - длительность k-го импульса n-го периода активности; 6n kч - длительность k-ой паузы n-го периода активности. Пользуясь общим понятием геометрического определения теории вероятности [102], вероятность появления импульса и паузы в соответствующий период активности молнии будет: m nk m 1 Pn =т1; Pn = 2, (2.16) акт.n акт.n где Vxnk, y 9nk-1 – суммарная длительность импульсов и пауз в составе k=1 k=2 длительности периода активности молнии Такт .n. Средние значения т и 9, характеризующие вероятности Р и Р можно рассчитать как математические ожидания: ou ou x = Jxa(x)dx;e = Jep(e)de, (2.17) где a(x) - плотность вероятности длительности удара молнии; (3(0) - плотность вероятности отсутствия ударов молнии. Средние значения т и 0 , если использовать статистические данные, описываются выражениями: х„ k=1 k k-1 І nk;еn=1Х k=2 n k-1 (2.18)
В приведенных выражениях k - число импульсов в составе определенного индексом n периода активности молнии Тактn. В составе импульсного потока ударов молнии можно видеть закономерность: период активности молнии начинается с первого импульса (k = 1) и заканчивается импульсом k, предшествующим началу периода отсутствия молнии Tотс n. Таким образом, количество пауз в период активности молнии будет меньше на единицу от количества импульсов. Эта зависимость отразилась в индексировании продолжительности пауз 0nk_1, а так же в выражении (2.16). Это позволяет перейти к средним значениям продолжительностей импульсов и пауз, что представлено на рисунке 2.11 в виде импульсного потока со средними параметрами.
Колебательный контур как средство перехода от импульсных грозовых разрядов к гармоническим составляющим
Процесс самопроизвольного развития процесса удара молнии возникает при напряженности порядка 2-3 кВ/см. Регистрация и контроль напряженности электрического поля атмосферы предлагается осуществлять на основе эффекта Керра, заключающегося в двойном лучепреломлении в оптически изотропных веществах под воздействием однородного электрического поля. Данный процесс мало инерционен. Опыт показывает, что для монохроматического света длинной волны X разность показателей преломления (n0 и ne) пропорциональна квадрату напряженности электрического поля. Явление характеризуется соответствующим с выражением [141]: ne - n0 = ЫE2=%Е2 , (3.22) где ne – коэффициент преломления обыкновенного луча; n0 – коэффициент преломления необыкновенного луча; b – постоянная Керра, зависящая от природы вещества; – длина волны света в вакууме; E – напряженность внешнего электрического поля. Разность хода лучей на пути : X E2 5 = f(ne-n0) = . (3.23) Предполагая, что электрическое поля однородное, а луч направлен перпендикулярно относительно направления силовых линий электрического поля, сдвиг фазы световой волны: 2тг5 2тгB Ф = =, (3.24) X E 2 где В - постоянная Керра.
Согласно квадратичной зависимости (3.22) сдвиг фазы не зависит от направления электрического поля. Электрическое поле стремиться повернуть молекулы вещества так, чтобы их электрические дипольный момент был направлен вдоль поля Е, а так же создает в молекулах дополнительный дипольный момент. В результате этого возникает определенная ориентация частиц. Условия распространения световых волн поляризованных вдоль и поперек электрического поля являются различными. Тепловое движение молекул и атомов препятствует их ориентации. Вследствие чего постоянная Керра уменьшается с ростом температуры вещества. В переменном поле постоянная Керра зависит от скорости изменения ориентации молекул при изменении направления силовых линий электрического поля. Скорость достаточна высока, она составляет порядка 10-9 сек. Это позволяет применять рассматриваемый способ регистрации электрического поля на частотах до 109 Гц. Эффект Керра наблюдается при выполнении опыта с ячейкой Керра (рисунок 3.12). На поляризатор подается световая волна, проходит его, приобретая линейную поляризацию. Далее свет входит в ячейку Керра и проходит через силовые линии электр. поля ячейка Керра поляризатор + анализатор полярископ образец вещества. Если к обкладкам ячейки приложено напряжение, то образец пронизывается внешним электрическим полем. Оно может быть однородного, или, в крайнем случае, слабонеоднородного характера. Направление поля близко к перпендикулярному относительно оси распространения света. В таких условиях изначально оптически изотропный образец вещества показывает свойства анизотропии, являющейся следствием ориентации электрических дипольных моментов молекул вещества образца вдоль силовых линий внешнего электрического поля. Свет, пройдя оптически анизотропный образец, приобретает эллиптическую поляризацию. Далее, попадая на анализатор, представляющий собой поляризатор, имеющий ориентацию под прямым углом относительно первого поляризатора, свет частично его проходит. Во втором случае напряжение на обкладках ячейки отсутствует. Как и в первом случае, световая волна проходит поляризатор, приобретая линейную поляризацию. В отсутствии напряжения на обкладках ячейки напряженность электрического поля, внешнего для молекул вещества образца, равняется нулю. Явление приобретения свойств анизотропности в действительности не будет иметь место в рассматриваемом случае. Образец останется изотропным, не повлияв на поляризованность проходящего через него света. Свет полностью поглотиться попав на анализатор [143]. Графическое представление процесса изменения поляризации света и изображение проекции поперечного сечения вектора напряженности Е волны за период . представлено на рисунке 3.13.
Подключив к схеме (рисунок 3.12) полярископ, появляется возможность регистрации электрического поля в ячейке Керра. Полярископ реагирует на изменение поляризации монохромной световой волны, возникающей при появлении электрического поля. Поляризатор преобразует свет из поляризованного естественно в линейно. Поляризатором может быть призма Ни-коля. Грозовое облако обладает электрическим полем, и тем более сильным, чем ближе момент самопроизвольного разряда молнии. Оно может выполнять функцию ячейки Керра, поляризуя монохромную световую волну сканирующего лазера. Об интенсивности уровня напряженности грозового облака, и о приближении его к критическому, можно судить по уровню поляризации им света регистрируемого полярископом.
Технико-вероятностная оценка влияния активной лазерной молниезащиты на работу приемников систем электроснабжения
Эта особенность позволяет снизить потребление электрической энергии устройством в период отсутствия грозовой активности и, одновременно с этим, запускать его при необходимости. Управление процессом включения, сканирования и запуска ионизации осуществляется автоматически с помощью запрограммированного контроллера. Алгоритм программы заключается в периодическом запросе контроллером информации с датчика напряженности, которых, для исключения ошибки, может быть несколько. После получения положительного отклика подается команда запуска сканирующей системы с одновременной проверкой координат положения вогнутого подвижного зеркала, являющегося одним из главных компонентом устройства. Дальнейшие действия программы направлены на управление движением этого зеркала, последовательность которых предлагаются следующие два варианта:
- Первоначально зеркало находится в положении, соответствующему отражению от ее поверхности луча сканирующего лазера вдоль вертикальной оси устройства. Далее из этой точки зеркало начинает совершать вращение с одновременным увеличением угла наклона между первоначальным положением и положением отражающегося луча сканирующего лазера в данный момент. Таким образом, отраженный от зеркала луч производит спиралевидное движение в атмосфере. Расстояние между линиями такой спирали определяется скоростью наклоном зеркала относительно скорости его вращения. Отраженный от облака (облаков) луч попадает на анализатор, который преобразует полученную информацию о степени напряженности каждого элементарного отрезка линии спирали в электрические импульсы. Длина элементарных отрезков определяется частотой дискретности. Данные об поступивших импульсах и соответствующие им координаты зеркала записываются в памяти устройства. Таким образом, составляется карта напряженности области атмосферы, границы которой определяются максимальным углом наклона зеркала. Далее занесенные в память данные анализируются и производится ориентирование зеркала в область максимальной напряженности с последующей подачей команды на включение инициирующего лазера. Алгоритм можно упростить, если производить сканирование без занесения данных в память. В этом случае команда на включение инициирующего лазера подается сразу при получении данных о достижении критического состояния напряженности. При этом зеркало останавливается в том положении, при котором были получены положительные данные от анализатора. Далее процесс повторяется.
Первоначально зеркало находится на геометрическом центре всех возможных его положениях. Далее зеркало начинает совершать поступательные движения по одной из осей таким образом, чтобы луч сканирующего лазер описывал линию в атмосфере. Отражаясь от облака он попадает на анализатор, который, после преобразования данных о уровне напряженности в электрический сигнал подает импульсы в контроллер. Процесс следования вырисовывания линии лазера продолжается до тех пор, пока на контроллер не поступит информация об уменьшении напряженности поля после его увеличения. После этого подается команда меняющее направление движения зеркала на противоположное. Последовательность данных команд повторяется до тех пор, пока не будет обнаружен отрезок, определяемый шагом дискретизации, на котором выявлена максимальная напряженность электрического поля. Далее происходит аналогичное действие по второй оси, по завершении итерации на которой происходит смена повторная смена оси. Процесс будет продолжаться до получения точки атмосферы с максимальной напряженностью, с точностью, определяемой шагом дискретизации. После чего подается команда на включение инициирующего лазера. После инициирования удара молнии все процессы повторяются. Как и в первом случае, по этому принципу возможно промежуточное построение карты области напря-женностей с занесением ее в память устройства с последующим анализом и ориентацией зеркала в определенную точку. Очевидно, что первый вариант алгоритма программы управления является более эффективным, поскольку при каждой итерации его функционирования выполняется меньше действий.
В связи с тем, что активная молниезащита контролирует определенную область, ее целесообразно использовать в распределительной сети, если она выполнена не кабельными сетями. Области ее применения значительно шире стержневых молниеотводов. Таким устройством может выполняться молние-защита административных зданий, сооружений, спортивных объектов, городских парков и площадей, а так же многих других объектов. В этом случае достоинством устройства является не только эффективность защиты, но и эстетичность, что является преимуществом этого устройства по сравнению с пассивными.
При использовании пассивных как внешних, так и внутренних устройств, совместно с разработанным устройством ограничения перенапряжения (ОП) происходит расширение функциональных возможностей энергосистемы, поскольку происходит не только улучшение защиты от ударов молнии, но и получение независимого источника энергии. Эта энергия может использоваться для отдельных мероприятий предприятия, таких как: зарядка аккумуляторных батарей, дистилляция и разложение воды на кислород и водород, очистки сточных вод и других. Месторасположение ОП в системе электроснабжения промышленных предприятий средней мощности показано на рисунке 4.2 в виде заштрихованных прямоугольников. Предлагаемые элементы защиты и преобразования, при их совместном применении, делают систему электроснабжения предприятия не пассивной в отношении воздействия перенапряжений, а активной, осуществляющей их предупреждение и практическое использование.