Методы теории заземлителей для анализа электромагнитной совместимости и молниезащиты электрических подстанций тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.05, кандидат наук Шишигин, Дмитрий Сергеевич

• Шишигин, Дмитрий Сергеевич
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Шишигин, Дмитрий Сергеевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 СОВРЕМЕННАЯ ТЕОРИЯ ЗАЗЕМЛИТЕЛЕЙ И ПРОГРАММЫ РАСЧЕТА МОЛНИЕЗАЩИТЫ, ЗАЗЕМЛЕНИЯ, ЭМС

1.1 Математическая модель тонкого проводника

1.2 Электрическое и магнитное поле тонкого проводника

1.3 Методы расчета переходных процессов

1.4 Метод зеркальных изображений в многослойной земле

1.5 Компьютерные программы расчета молниезащиты, заземления, ЭМС объектов электроэнергетики

1.6 Выводы по главе 1

2 ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТА ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ИМПУЛЬСНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

2.1 Частотный метод

2.2 Метод дискретных резистивных схем

2.3 Метод Влаха

2.4 Исследование методов расчета переходных процессов на модельных задачах

2.5 Выводы по главе 2

3 РАЗРАБОТКА ОАЭ-ПРИЛОЖЕНИЯ ДЛЯ РАСЧЕТА МОЛНИЕЗАЩИТЫ, ЗАЗЕМЛЕНИЯ, ЭМС ОБЪЕКТОВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ

3.1 Архитектура ОАЭ-приложения

3.2 Технологии интеграции программы с САПР

3.3 Поддержка в геометрическом моделировании

3.4 Построение зон защиты молниеотводов

3.5 Программные методы и средства повышения быстродействия

3.6 Выводы по главе 3

4 РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ И МОЛНИЕЗАЩИТЫ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПОДСТАНЦИИ

4.1 Расчет сеточных экранов при прямом и близком ударе молнии

4.2 Расчет кондуктивных помех контрольного кабеля

4.3 Расчет грозовых перенапряжений на электрической подстанции

4.7 Выводы по Главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Полюса и вычеты формул Влаха и Сингхала

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Интерфейс программы ЗУМ

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Акты о внедрении результатов диссертационной работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы теории заземлителей для анализа электромагнитной совместимости и молниезащиты электрических подстанций»

ВВЕДЕНИЕ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований и степень ее разработанности. При

проектировании электрических подстанций (ПС) ставится комплекс задач электромагнитной совместимости (ЭМС) и молниезащиты от прямого удара молнии и набегающих волн грозовых перенапряжений. С внедрением микропроцессорных систем управления ПС актуальность этих задач возросла.

Защиту от прямого удара молнии обеспечивает система молниезащиты ПС. Объект должен полностью попадать внутрь зоны защиты, построение которых по российским нормативам [45, 50] и международному стандарту МЭК 62305-3 [36] сводятся к геометрическим построениям.

Современные методы имитационного моделирования, основанные на расчетах электрических полей лидера молнии и заземленных объектов, позволяют проследить траекторию лидера молнии и определить вероятность поражения объекта. Молниеотводы не исключают прорыв молнии с малыми токами в шины ПС, что опасно для изоляции электрооборудования. Изучение этого вопроса находим в работах Г.Н. Александрова [2], Э.М. Базеляна [5], А.С. Гайворонского [11] и других исследователей, например [78,13].

Далее предполагаем, что точки ввода тока молнии (в вершины молниеотводов и опор, грозозащитный трос, а также провода ВЛ и шины ПС) заданы.

При ударе молнии возникает ток главного разряда молнии (далее ток молнии), который для инженерных расчетов нормируется. Например, ток первого разряда составляет 100 кА, длительность фронта составляет 10 мкс, время до полуспада импульса составляет 350 мкс. В научных исследованиях ток молнии и его длительность рассчитываются исходя из принятой модели главного разряда, например [2,13]. Наиболее часто лидер молнии рассматривается как длинная линия, по которой распространяется волна напряжения. В момент удара молнии линия замыкается на землю и возникает отраженная волна, которая нейтрализует

волну напряжения и создает волну тока. Тогда амплитуда и форма волны тока молнии существенно зависит от сопротивления заземлителя [2].

Таким образом, в результате решения задачи внешней молниезащиты система молниеотводов выбрана, определены точки удара молнии с заданными токами. Эти данные используются в качестве исходных для анализа задач электромагнитной совместимости (ЭМС) и защиты ПС от волн грозовых перенапряжений.

Удар молнии в молниеотвод ПС приводит к протеканию тока по молниеотводу и растеканию по заземляющему устройству (ЗУ), который создает импульсное магнитное поле, опасное для микропроцессорной аппаратуры [86, 87]. Защита увеличением расстояния практически невозможна из-за ограниченных размеров ПС. Сеточные экраны, включающие арматуру, металлические панели и другие металлоконструкции здания, существенно ослабляют магнитное поле. Практический интерес представляет ослабление магнитного поля, поскольку электрическое поле эффективно ослабляется заземлением экрана [13, 39, 86, 87].

Теория сеточных экранов изложена в работах Д.С. Шапиро [56] и других исследователей. Примеры численных расчетов сеточных экранов в задачах молниезащиты находим в работах [56, 90, 95, 110 и др.]. Ослабление магнитного поля вызывают вихревые токи, которые частично компенсируют внешнее поле [56]. Тогда, чем больше вихревой ток экрана, тем выше коэффициент экранирования. Отсюда различие коэффициента экранирования медного и стального экрана в килогерцовом диапазоне частот вызвано существенным различием внутренних сопротивлений проводников [56].

Расчет импульсного магнитного поля с учетом экранирования представляет сложную задачу, поэтому для инженерных приложений стандартом ФСК ЭЭС [51] допускается приближенное решение: электромагнитные помехи, найденные без учета экранов, делятся на коэффициенты экранирования, полученные для характерных конструкций экспериментально. Однако погрешность этой методики

для конкретного объекта с реальными размерами, шагом и другими параметрами сетки может быть слишком высока.

Инженерная методика расчета сеточных экранов представлена в стандарте МЭК 62305-4, который приобрел статус государственного стандарта [13]. Расчетные выражения для напряженности магнитного поля внутри экрана при прямом ударе молнии проверялись многими исследователями [91,110,112], но в предположении идеальных проводников и земли. Расчетные выражения для коэффициента экранирования сеточного экрана, которые определяются только шагом сетки, при близком ударе молнии проверялись экспериментально в работе [110]. Установлено существенное различие коэффициентов экранирования экранов с размерами порядка 2 м с данными МЭК 62305-4, которые получены для экранов с размерами 10 м и более. В то же время размеры экранов в МЭК 62305-4 не учитываются. Данные для двойного сеточного экрана также были поставлены под сомнение в указанной работе. В подобных условиях независимый анализ стандарта МЭК 62305-4 с большим числом параметров и с учетом заземлителя перед внедрением в практику проектирования в России является актуальной задачей.

Численные методы дают наиболее общий подход к расчету сеточных экранов. Обычно используется метод моментов на основе теории антенн [91,110, 112], но нацеленные на мегагерцовый частотный диапазон, они избыточны в килогерцовом диапазоне тока молнии с одной стороны и не учитывают ряд важных факторов с другой. Действительно, коэффициент экранирования стального экрана на частоте 25 кГц (эквивалентная частота первого импульса тока молнии), существенно зависит от внутреннего сопротивления проводников [56], а в мегагерцовом диапазоне частот оно пренебрежимо мало по сравнению с внешним индуктивным сопротивлением. Высокая трудоемкость методов теории антенн приводит к ограничениям на размеры экрана и шага сетки.

Обычно расчеты проводится для идеальной земли, хотя заземлитель и способ подключения к заземлителю оказывают существенное влияние на распределение тока и напряженность экрана при прямом ударе молнии.

Повышение адекватности расчетов и поиск новых принципов снижения напряженности импульсных магнитных полей сеточных экранов, связанных с конструкцией заземлителя, - актуальная задача.

Растекание тока молнии на ПС вызывает в контрольных кабелях кондуктивные помехи, опасные для кабеля и микропроцессорной аппаратуры [9, 84, 86, 87]. Двустороннее заземление экрана контрольного кабеля приводит к снижению кондуктивных помех общего типа (жила-экран) на выходе кабеля при ударах молнии.

В действующих нормативных документах величина кондуктивной помехи определяется напряжением между точками заземления экрана и, уменьшенным в к раз [51]. Проблема в том, что коэффициент к зависит не только от параметров самого экрана, но и точки ввода тока, точек заземления экрана, характеристик заземляющего устройства (ЗУ), трассы прокладки кабеля, наличия параллельных проводников [86, стр.330], он также является функцией частоты или функцией времени при импульсных процессах. По этой причине проектные решения по снижению кондуктивных помех при нормативных значениях к=6-10 [51] могут быть недостаточно обоснованы.

Другой, более общий подход к расчету кондуктивных помех связан с использованием тока экрана Uк=Zt М, где I- длина кабеля, - передаточное сопротивление (сопротивление связи) экран-жила, численно равное напряжению экрана на 1 м длины при протекании тока экрана 1 А [10]. К сожалению, он не принят в российских нормативах.

Сильное влияние на ток экрана оказывают магнитные связи кабеля с заземлителем и проводниками в воздухе, которые в настоящее время обычно не учитывается. Повышение адекватности расчета кондуктивных помех, разработка и исследование 3Э моделей кабеля - актуальная задача.

При ударе молнии в грозозащитный трос, опору ВЛ (с перекрытием изоляции) или прорыве молнии на провода возникают волны перенапряжения, представляющие опасность для изоляции электрооборудования ПС. Классические работы по этой тематике связаны с именем Д.В. Разевига [54]. Современные

исследования этого вопроса находим в работах Б.В. Ефимова и сотрудников Центра физико-технических проблем энергетики Севера Кольского научного центра РАН, Н.И. Гумеровой и Ф.Х. Халилова [1, 14-16]. Среди множества иностранных публикаций выделим [109], где расчеты выполнены на основе 3D модели тонких проводников в земле и в воздухе.

Наиболее часто волновые процессы ВЛ и ПС решаются с помощью программы EMTP, например [1,15,16]. Это мощная схемотехническая программа, включающая элементы электрических цепей с сосредоточенными и распределенными параметрами [98]. К недостаткам EMTP многие зарубежные исследователи относят формулу трапеций, используемую для интегрирования дифференциальных уравнений, поскольку она приводит к осцилляциям напряжения при воздействии импульсов тока с коротким фронтом [101]. Комбинация формулы трапеций с неявной формулой Эйлера [89, 98], рекомендуемая EMTP, не снимает проблему.

Результаты моделирования волновых процессов в проводах ВЛ и шинах ПС существенно зависят от процессов растекания тока молнии в заземлителях [19]. Электромагнитные процессы в проводниках, расположенных в воздухе и земле, неразрывны, однако сейчас их связи исключаются или предельно упрощаются. Переход к единым расчетным моделям проводников ПС и ВЛ в земле и воздухе, способный повысить адекватность моделирования переходных процессов, актуальная и практически важная задача.

Принципиальным вопросом является выбор математических моделей и методов решения. Цепные модели и теория длинных линий, которые предоставляет программа EMTP, непригодны для данной задачи.

От цепных моделей все чаще переходят, например [30], к электромагнитным моделям с использованием программы FDTD, где решение уравнений Максвелла во временной области производится конечно-разностными методами [118]. Эту тенденцию можно проследить по публикациям специалистов Центра физико-технических проблем энергетики Севера Кольского научного центра РАН, которые широко используют программу EMTP, но в последнее время перешли к

FDTD, например [30, 29]. Этот подход является универсальным, но слишком трудоемким. Трудности связаны с генерацией сетки в задачах открытого типа, с размерами системы на несколько порядков превышающих сечение проводников [105]. Другая проблема связана с нахождением токов и напряжений проводников. Действительно, в результате решения находим распределение векторов напряженности электрического Е и магнитного поля Н. Ток получается интегрированием вектора Н по контуру проводника, напряжение -интегрированием вектора Е по направлению от данной точки до точки с нулевым потенциалом [31].

Таким образом, для расчета переходных процессов в сложной 3D модели произвольно расположенных тонких проводников ВЛ и ПС этот подход слишком трудоемок.

Гипотеза диссертационной работы: математические модели и методы теории заземлителей, разработанные для килогерцового диапазона частот, являются наиболее эффективным подходом к моделированию переходных (волновых) процессов в проводниках, расположенных в воздухе, совместно с процессами растекания тока в проводниках, расположенных в земле.

Значительный вклад в развитие теории заземлителей внесли В.В. Бургсдорф и А.И. Якобс [4], Е.С. Колечицкий [20, 23], А.Б. Ослон [17], Ю.В. Целебровский, Н.В. Коровкин [26], С.Л. Шишигин [75-77] и большое число иностранных ученых, из которых выделим F.P. Dawalibi [100, 120].

Современная теория заземлителей (Глава 1), включающая многозвенную цепно-полевую модель тонкого проводника и совместное применение методов теории электрических цепей и электромагнитного поля [26, 75-77], в целом отвечает задачам диссертационной работы. Развития требуют методы расчета переходных процессов для моделирования волновых процессов с использованием цепных схем (вместо длинных линий). В задачах ЭМС помимо стержней необходимо моделировать тонкие пластины.

Частотный метод, используемый в большинстве компьютерных программ и эффективный для расчета заземлителей, нельзя применить для расчета

электромагнитных экранов и волновых процессов в цепных схемах из-за наличия постоянной составляющей, которая может доминировать в спектре тока молнии (Глава 2). Действительно, при расчете электромагнитных экранов постоянная составляющая не ослабляется. В цепных моделях ВЛ запаздывание волны связано с наличием индуктивностей и емкостей, однако при постоянном токе сопротивления индуктивностей и проводимости емкостей равны нулю. Расширить область применения частотного метода - актуальная задача.

Метод дискретных резистивных схем (МДС) широко используется для численного расчета переходных процессов. Разработку этого метода связывают с именем H.W. Dommel [94] и программой EMTP [98], в России - с работами Н.В. Коровкина [18]. Проблемы МДС связаны с формулой трапеций, которая приводит к осцилляции решения в жестких задачах, что показано в работах по вычислительной математике Э. Хайрером и Г. Ваннером [55], F.L.Alvarado [89], а также отмечается пользователями EMTP [101]. В работе [89] предложена комбинация формулы трапеций с неявной формулой Эйлера, которая призвана устранить эту проблему. Исследование условий возникновения осцилляций в МДС с формулой трапеций и способов их устранения остается актуальной задачей.

Известен численный вариант операторного метода, разработанный И. Влахом и К. Сингхалом (далее метод Влаха) [7]. Этот метод с успехом использован для расчета заземлителей в работах [26, 75], однако его применение для задач диссертационной работы требует дополнительного исследования. Метод Влаха не реализован в известных нам компьютерных программах. Сопоставление метода Влаха с частотным методом и МДС представляет актуальную задачу, имеющую практическое значение.

Возможности численных расчетов во многом зависят от компьютерных программ. Мировым лидером разработки программного обеспечения (ПО) в области молниезащиты, заземления и ЭМС является комплекс программ американской фирмы SES (sestech.com). Российскими аналогами являются программы ОРУ-Проект и EMI analyzer (elsafety.ru), Контур (ezop.ru), ElectriCS-

Storm (csoft.ru). Мировым лидером в области расчета волновых процессов ВЛ и ПС при ударах молнии является программа EMTP, которая рекомендуется и российским стандартом по защите от грозовых перенапряжений [53]. Российские программы данным стандартом не рекомендованы. Разработка российской программы, способной решать задачи ЭМС и молниезащиты, включая волновые процессы ВЛ и ПС, - актуальная и практически важная задача, соответствующая требованиям импортозамещения.

Современная тенденция при разработке прикладных программ для проектирования такова, что вместо программ с собственными геометрическими процессорами, разрабатываются CAD-приложения. Они проще, надежнее, удобней для пользователя.

Значительный вклад в развитие теории CAD-программирования внесли работы Н.Н. Полещука [42, 43], Д. Роджерсона [47], B. Kramer [108], C. McAuley [111]. Примеры CAD-приложений для многих отраслей промышленности находим на сайтах csoft.ru, nanocad.ru. В работе [123] САПР использована для генерации и визуализации 3D сеток при расчете электромагнитных полей методом конечных разностей, в работе [107] - для расчета ВЛ. Число подобных научных публикаций по данной тематике, к сожалению, незначительно. Задача построения зон защиты молниеотводов, с которой начинается проектирование молниезащиты любого объекта, может быть эффективно решена средствами САПР. Исследование технологий интеграции прикладной программы с САПР и их применение при разработке компьютерной программы - актуальная и практически важная задача.

Интеграция прикладной программы с САПР эффективна и для научных задач со сложными геометрическими моделями, однако современные САПР не имеют встроенных средств визуализации и анимации научной графики подобно системам компьютерной математики. Создание подобных средств имеет практическое значение.

Существующие российские программы расчета заземлителей недостаточно производительны, что вынуждает к упрощению расчетных моделей при многовариантных расчетах. Решение задач диссертационной работы с едиными

моделями проводников ВЛ и ПС в земле и воздухе, анализ электромагнитных экранов с малым шагом сетки требует высокого быстродействия. Использование математических библиотек с низкоуровневым программированием и многопоточностью (Intel MKL), исключение кэш-промахов, оптимизация алгоритмов повышает быстродействие на 1-2 порядка. Исследования по этой тематике находим в работах Б.Я. Штейнберга [83], а также при изучении программных кодов математической библиотеки Alglib [88].

Целью работы является расчет переходных (волновых) процессов в проводниках ПС и ВЛ, расположенных в воздухе и земле, а также электромагнитных помех при ударах молнии на основе моделей и методов теории заземлителей в перечисленных задачах ЭМС и молниезащиты ПС.

Для достижения поставленной цели задачи исследования включали: 1. Исследование и развитие численных методов расчета переходных (волновых) процессов в многозвенных цепных схемах

2. Разработку компьютерной программы для решения задач диссертационной работы, подтверждающего гипотезу исследования, а также для проведения комплекса расчетов молниезащиты, заземления, ЭМС, предусмотренного стандартами ФСК ЭЭС при проектировании ПС.

3. Расчет сеточных экранов при прямом и близком ударе молнии, включая анализ стандарта МЭК 62305-4 и поиск новых способов снижения напряженности магнитного поля.

4. Расчет кондуктивных помех в контрольных кабелях по существующим методикам и в сеточной 3D модели кабеля, а также анализ способов снижения кондуктивных помех.

5. Моделирование набегающих волн грозовых перенапряжений на ПС при перекрытии изоляции опоры ВЛ, анализ расстановки ограничителей перенапряжений (ОПН) на перенапряжение электрооборудования ПС.

Научная новизна представленной работы заключается в следующем:

1. Расчет переходных (волновых) процессов в проводниках, расположенных в воздухе, выполнен совместно с процессами растекания тока в земле на основе теории заземлителей.

2. Предложена искусственная периодизация импульсной функции без постоянной составляющей, позволяющая расширить область применения частотного метода.

3. Аналитически и численно исследованы условия возникновения осцилляций при расчете переходных процессов по формуле трапеций и предложены способы их устранения.

4. Показано преимущество метода Влаха (практически не используемого в настоящее время метода) в сравнении с методом дискретных схем и частотным методом в задачах диссертационной работы.

5. Конструкция заземлителя использована для снижения напряженности магнитного поля сеточного экрана при прямом ударе молнии в угол сеточного экрана.

6. Установлен эффект запаздывания напряженности магнитного поля сеточного экрана относительно тока молнии, объясняющий погрешности расчетов на эквивалентной частоте.

Теоретическая значимость. Показано, что математические модели и методы теории заземлителей являются перспективной методической основой, развитие которых позволяет проводить расчеты электромагнитных процессов и полей в произвольных системах тонких проводников и пластин, расположенных в земле и воздухе, во временной и частотной области (в диапазоне до единиц МГц). Поставлен вопрос о корректности спектра импульса тока молнии с постоянной составляющей. Наличие постоянной составляющей в спектре (в математической модели) не соответствует физическим представлениям о природе молнии, как кратковременном, редко повторяющемся (в данном месте) явлении природы. В качестве альтернативы предложена искусственная периодизация импульса без постоянной составляющей.

Практическая значимость. Разработана компьютерная программа для расчета молниезащиты, заземления, ЭМС, отличающаяся функциональностью, быстродействием, интеграцией с САПР, готовая к широкому внедрению в практику проектирования. Установлены недостатки и ограничения стандарта МЭК 62305-4. Результаты расчетов могут быть использованы для совершенствования российских и международных нормативных документов по ЭМС.

Методология и методы исследования. Основу методологии работы составляют положения теоретической электротехники, теории заземлителей, вычислительной математики, теории программирования. Использованы численные методы расчета электромагнитных процессов и полей. Проводилось компьютерное моделирование с использованием разработанной автором программы.

Основные результаты, выносимые на защиту:

1. Периодизация импульсной функции без постоянной составляющей.

2. Условия возникновения осцилляций в формуле трапеций и способы их устранения.

3. Исследование и применение метода Влаха.

4. Способы снижения магнитного поля сеточного экрана за счет тока заземлителя.

5. Результаты моделирования импульсных магнитных полей сеточных экранов, кондуктивных помех в контрольных кабелях, волн грозовых перенапряжений на ПС.

Достоверность результатов обеспечивается: применением стандартных численных методов электротехники и вычислительной математики; решением модельных задач, расчетом переходных процессов тремя методами, сравнением с экспериментальными и численными результатами других авторов.

Апробация результатов. Основные положения диссертационной работы докладывались (автором лично) и обсуждались на международных, российских и региональных конференциях в том числе: EMC 2015 (Dresden, Germany), IEEE

EEEIC 2017 (Milan, Italy), 4 и 5 Росс. конф. по молниезащите (Санкт-Петербург 2014, 2016 гг), Межд. конф. «Компьютерное моделирование» (Санкт-Петербург 2013 г), Межд. конф. «Разработка ПО, SECR-2013» (Москва), XII Всеросс. совещание по проблемам управления (Москва 2014), 2 и 3 Всеросс. НТК «Техно -ЭМС» (Москва 2015, 2016 гг), 9 Всеросс. форуме студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и инновации в техн. университетах» (Санкт-Петербург 2015 г, 7 и 8 Межд. НТК «ИНФОС» (Вологда 2013, 2015 гг), Всеросс. НТК «Вузовская наука региону» (Вологда 2014 г), Межд. конф. студентов и аспирантов «Молодые иследователи - региону» (Вологда 2011-2014 гг), науч. сессии студентов и аспирантов (Вологда, 2012-2014 г), Всерос. конкурсе компьютер. программ (Вологда 2011), а также научных семинарах кафедры ТЭЭ СПбПУ Петра Великого, 23 Гос. морского проектного института, ООО «Стример».

Публикации. Основные научные и практические результаты диссертационной работы опубликованы в 30 печатных работах, в том числе 6 в изданиях, рекомендованных ВАК, 4 изданиях, входящих в Scopus, и одном Свидетельстве о регистрации компьютерной программы.

Внедрение результатов. Результаты диссертационной работы внедрены в практику проектирования ОАО «Ленгидропроект», ООО «Гипрошахт» СПб, ООО «ЭМС-проект» СПб, ООО «Квадроэлектро» СПб, ООО «Интер Энерго» Москва, что подтверждено соответствующими актами (Приложение В). Диссертационная работа поддержаны грантами: №11435р/17212 (конкурс УМНИК 2013 г.), №12520р/23918 (конкурс СТАРТ-1 2014 г.), №1381ГС2/23918 (конкурс СТАРТ-2 2015 г.) Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно -технической сфере.

Личный вклад автора. Все этапы диссертационной работы выполнены при определяющем вкладе автора. Большинство публикаций по теме диссертации, начиная с 2011 г [58, 59], включая 3 статьи в журналах из списка ВАК [ 68, 70, 74], выполнены без соавторов. Выступления на конференциях, в том числе международных [116, 117], при апробации работы сделаны лично автором. При разработке вычислительного ядра компьютерной программы [81], разработанной

лично автором, были использованы тексты Mathcad-приложения, разработанного С.Л. Шишигиным [75].

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 123 наименования, и 3 приложений. Общий объем работы - 137 страниц, число рисунков - 65, число таблиц - 10.

1 СОВРЕМЕННАЯ ТЕОРИЯ ЗАЗЕМЛИТЕЛЕЙ И ПРОГРАММЫ РАСЧЕТА МОЛНИЕЗАЩИТЫ, ЗАЗЕМЛЕНИЯ, ЭМС

Согласно гипотезе диссертационной работы модели и методы теории заземлителей являются наиболее эффективным подходом для моделирования переходных электромагнитных процессов в проводниках, расположенных в земле и воздухе, при ударе молнии.

В данной Главе дано описание математических моделей и методов современной теории заземлителей, а также характеристик существующих компьютерных программ для расчета молниезащиты, заземления, ЭМС.

1.1 Математическая модель тонкого проводника

Тонким называется проводник, поперечные размеры которого существенно меньше его длины. Тогда допущение, что источники электромагнитного поля -стекающие и продольные токи, а также электрические заряды распределены на осях проводников, упрощает расчеты и не вносит заметной погрешности.

К тонким проводникам относятся стержни заземлителя, провода и тросы ВЛ, шины ПС, арматурная сетка зданий и т.д. Молниеотводы, опоры, порталы и другие металлоконструкции состоят из элементов (уголков), которые являются тонкими проводниками.

При расчете заземлителей требуется одновременно рассчитать параметры, характерные для электрических цепей (входное сопротивление, токи, напряжения проводников) и параметры электромагнитного поля (распределение потенциала и напряженностей электрического и магнитного поля). Такие задачи называют цепно-полевыми [26].

Для решения цепно-полевых задач требуются цепно-полевая модель проводника, включающая две взаимосвязанные модели - полевая (рисунок 1.1а) и цепная (рисунок 1.1б) [26, 75-77, 121, 122].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шишигин, Дмитрий Сергеевич, 2017 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Актуальные проблемы защиты высоковольтного оборудования подстанций от грозовых волн, набегающих с воздушных линий / Б.В. Ефимов, Ф.Х. Халилов, А.Н. Новикова, Н.И. Гумерова, Ю.М. Невретдинов // Труды Кольского научного центра РАН. - 2012. - № 8. - С.7-25.

2. Александров, Г.Н. Молния и молниезащита / Г.Н. Александров. - Санкт-Петербург.: Изд-во Политехн. ун-та, 2007. - 280 с.

3. Бессонов, Л.А. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле / Л.А. Бессонов. - М. : Высш. шк., 1986. - 263 с.

4. Бургсдорф, В.В. Заземляющие устройства электроустановок / В.В. Бургсдорф, А.И. Якобс. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 400 с.

5. Базелян, Э.М. Физика молнии и молниезащиты / Э.М. Базелян, Ю.П. Райзер. - Москва. Физмалит, 2001. - 320 с.

6. Вербжицкий, В.М. Основы численных методов / В.М. Вербжицкий. - М.: Высш.шк., 2002. - 840 с.

7. Влах, И. Машинные методы анализа и проектирования электронных схем / И. Влах, К. Сингхал. - М.: Радио и связь, 1988. - 560 с.

8. ВСП 22-02-07/МО РФ. Нормы по проектированию, устройству и эксплуатации молниезащиты объектов военной инфраструктуры - Москва, 2007. - 168 с.

9. Входные цепи устройств РЗА. Проблемы защиты от мощных импульсных перенапряжений / М. Кузнецов, Д. Кунгуров, М. Матвеев, В. Тарасов // Новости электротехники. №6(42) 2006. [Электронный ресурс]. URL: http://www.news.elteh.ru/arh/2006/42/10_.php (дата обращения: 15.04.2017).

10. Вэнс, Э.Ф. Влияние электромагнитных полей на экранированные кабели: Пер. с англ. / Э.Ф. Вэнс. - М.: Радио и связь, 1982. - 120 с.

11. Гайворонский, А.С. Модель ориентировки лидера молнии и ее инженерные применения / А.С. Гайворонский, К.В. Карасюк // I Росс. конф. по молниезащите: материалы конф. - Новосибирск, 2007. - С.79-84.

12. Геллер Б., Веверка А. Импульсные процессы в электрических машинах. М., «Энергия». 1973. - 440 с

13. ГОСТ Р МЭК 62305-4—2016. Защита от молнии. Часть 4. Защита электрических и электронных систем внутри зданий и сооружений. М. Стандартинформ. 2016. С.78.

14. Гумерова, Н.И. Численные методы анализа переходных процессов в электроэнергетике: учебное пособие / Н. И. Гумерова, Б. В. Ефимов. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2008. - 156 с.

15. Гумерова, Н.И. Оптимизация схем замещения линий и подстанций для задач анализа показателей надежности грозозащиты подстанций / Н.И. Гумерова, Б.В. Ефимов, В.Н. Селиванов // IV Межд. конф. по молниезащите, СПб. - 2014. -С.171-182.

16. Гумерова, Н.И. Уточнение рекомендаций по защите высоковольтного оборудования подстанций от грозовых волн / Н.И. Гумерова, Б.В. Ефимов, М.В. Малочка // Труды Кольского научного центра РАН. - 2014. - № 3 (22). - С.5-10.

17. Делянов, А.Г. Расчет поля в многослойной земле методом оптической аналогии / А.Г. Делянов, А.Б. Ослон // Известия академии наук СССР. Энергетика и транспорт. 1984. № 2. С. 146-153.

18. Демирчян, К.С. Теоретические основы электротехники. Учебник для вузов. 5-е изд. Том 2 / К.С. Демирчян, Л.Р. Нейман, Н.В. Коровкин. - Санкт-Петербург: Питер, 2009. - 432 а

19. Зависимость уровня перенапряжений ОПН разных классов напряжения от параметров заземляющих устройств. Эксперимент и моделирование / Ю.Э. Адамьян, Ю.Н. Бочаров, С.И. Кривошеев, И.С. Колодкин, Н.В. Коровкин и др. // Труды Кольского научного центра РАН. - 2016. - № 5-13 (39). - С.29-38.

20. Заземляющие устройства электроустановок (требования нормативных документов, расчет, проектирование, конструкции, сооружение): справочник / Р.К. Борисов и др. — М.: Издательский дом МЭИ, 2013. - 360 а

21. Зубов, К.Н. Метод расчета заземляющих устройств произвольной конфигурации в неоднородных грунтах /К.Н. Зубов, А.Е. Немировский // Вести высших учебных заведений черноземья. - 2010. - № 2. - С.21-26.

22. Калантаров, П.Л. Расчет индуктивностей: Справочная книга / П.Л.Калантаров, Л.А.Цейтлин. - Л.: Энергоатомиздат, 1986. - 488 с.

23. Колечицкий, Е.С. Основы расчета заземляющих устройств: учебное пособие / Е.С. Колечицкий. - М.: Изд. МЭИ, 2001. - 48 с.

24. Колечицкий, Е.С. Защита биосферы от влияния электромагнитных полей: учебное пособие для вузов / Е.С. Колечицкий, В.А. Романов, В.Г. Карташев. - М.: Изд. дом МЭИ, 2008 - 352 с.

25. Колиушко, Д.Г. Электрофизические характеристики грунта в местах расположения энергообъектов Украины / Д.Г. Колиушко, С.С. Руденко, Г.М. Колиушко // Електротехшка i Електромехашка. - 2015. - №3. - С.67-72.

26. Коровкин, Н.В. Расчетные методы в теории заземления. Научно-технические ведомости СПбГПУ / Н.В. Коровкин, С.Л. Шишигин // Изд-во СПбГПУ. Вып. 1(166). - 2013. - С.74-79.

27. Коструба, С.И. Измерение электрических параметров земли и заземляющих устройств / С.И. Коструба. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 168 с.

28. Косяков, А.А. Методика проектирования электромагнитной совместимости на электрических подстанциях / Косяков А.А. // Вестник Уральского государственного университета путей сообщения. - 2011. - №1(9). -С.33-39.

29. Куклин, Д.В., Ефимов Б.В Расчет кривых опасных параметров при высоких сопротивлениях заземлений опор линий электропередачи / Д.В. Куклин, Д.В., Б.В. Ефимов // Электричество. -2016. -№ 6. - С.16-21

30. Куклин, Д.В. Применение метода конечных разностей во временной области для расчета волновых процессов в протяженных подземных проводниках // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика, выпуск 2. - 2011. - С.100-106.

31. Куклин, Д.В. Программное обеспечение для расчета волновых процессов в заземлителях и заземленных объектах / Д.В. Куклин, В.Н. Селиванов // Вестник Мурманского государственного технического университета. - 2015. - № 1. Т. 18. - С.137-142.

32. Куприенко, В.М. Метод расчета зоны защиты стержневых и тросовых молниеотводов с использованием угла защиты а / В.М. Куприенко // Электричество. - 2013. - №5. - С. 14-19.

33. Лосев, А.К. Теория линейных электрических цепей: Учеб. Для вузов / А.К. Лосев. - М.: Высш. шк., 1987. - 512 с.

34. Макконнелл, С. Совершенный код: практическое руководство по разработке программного обеспечения: пер. с англ. / С. Макконнелл. - М.: Русская редакция, 2014. - 896 с.

35. Матханов, П.Н. Основы анализа электрических цепей: Линейные цепи: Учеб. для вузов / П.Н. Матханов. - 2-е изд., перераб. и доп. - Москва: Высш. шк., 1981. - 333 с.

36. МЭК 62305-3:2010 Защита от молнии. Часть3. Физическое повреждение структур и опасность для жизни (IEC 62305-3:2010, Protection against lightning -Part 3: Physical damage to structures and life hazard).

37. Нестеров, С.В. Применение интегральных уравнений для расчета заземлителя произвольной конфигурации в неоднородном грунте / С.В. Нестеров // Вторая Российская конф. по заземляющим устройствам. - Сб. докл., Новосибирск: Сибир.энергет.академия. - 2005. - С.51-58.

38. Описание программы «Контур». [Электронный ресурс]. URL: http://ezop.ru/download.php?file=1320152209.pdf (дата обращения: 15.04.2017).

39. Оценка экранирующих свойств зданий с металлической заземленной облицовкой / Г.А. Березуцкий, И.А. Коротаев, А.М. Крусс, О.А. Чан Жу Тин, А.Г. Овсянников // Третья Российская конф. по заземляющим устройствам: Сб.докл. -Новосибирск: Сибирск.энерг.академия. - 2008. - С.65-70.

40. Оценка электромагнитной обстановки в среде ElectriCS Storm при проектировании ОРУ 220 кВ в ООО «Росэнергопроект» / Н.М. Сандлер, А.Г.

Салин, С.А. Словесный, А.А. Рунцов // CADmaster №4(71) 2013. [Электронный ресурс]. URL: http://www.cadmaster.ru/assets/files/articles/cm_71_12.pdf (дата обращения: 15.04.2017).

41. Платт, Д.С. Знакомство с Microsoft .NET/Пер. с англ. / Д.С. Платт. - М.: Издательско-торговый дом «Русская Редакция», 2001. - 240 с.

42. Полещук, Н.Н. AutoCAD: разработка приложений, настройка и адаптация / Н.Н. Полещук. - СПб.: БХВ-Петербург, 2006. - 992 с.

43. Полещук, Н.Н. Программирование для AutoCAD 2013-2015 / Н.Н. Полещук. - М.: ДМК Пресс, 2015. - 462 с.

44. Поссе, А.В. Схемы и режимы электропередач постоянного тока / А.В. Поссе. - Л.: Энергия, 1973. - 303 с.

45. РД 34.21.122-87/ Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений. /Минэнерго СССР. -Москва: Энергоатомиздат.-1989.

46. РД 153-34.3-35.125-99. Руководство по защите электрических сетей 61150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений / Под научн. ред. Н.Н. Тиходеева. - Санкт-Петербург: Изд. ПЭИПК, 1999. - 227 с.

47. Роджерсон, Д. Основы COM / Д. Роджерсон. - М.: Изд.-торг. Дом «Русская редакция», 2000. - 400 с.

48. Руководство пользователя «Model Studio CS Молниезащита». [Электронный ресурс]. URL: http://www.mscad.ru/assets/files/lightnmg-protection/lightning-protection-guide.pdf (дата обращения: 15.04.2017).

49. Салин, А.Г. ООО «Петербургэнергострой»: проектирование электромагнитной совместимости подстанций 110/10 кВ в среде ElectriCS Storm / А.Г. Салин, С.А. Словесный, Т.В. Маринич // CADmaster №5(66) 2012. [Электронный ресурс]. URL: http://www.cadmaster.ru/assets/files/articles/cm_66_15.pdf (дата обращения: 15.04.2017).

50. СО 153-343.21.122-2003, Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций. М.: Издательство МЭИ. 2004. - 57 с.

51. СТО 56947007-29.240.044-2010. Методические указания по обеспечению электромагнитной совместимости на объектах электросетевого хозяйства. Стандарт Организации ОАО «ФСК ЕЭС». М. 2010.

52. СТО 56947007-29.130.15.114-2012. Руководящие указания по проектированию заземляющих устройств подстанций напряжением 6-750 кВ. Стандарт Организации ОАО «ФСК ЕЭС». М. 2012.

53. СТО 56947007-29.240.01.221-2016. Руководство по защите электрических сетей напряжением 110-750 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений. Стандарт Организации ПАО «ФСК ЕЭС». М. 2016.

54. Техника высоких напряжений / Л.Ф. Дмоховская, В.П. Ларионов, Ю.С. Пинталь и др.; под ред. Д.В. Разевига. М., «Энергия», 1976 - 488 с

55. Хайрер, Э. Решение обыкновенных дифференциальных уравнений. Жесткие и дифференциально-алгебраические задачи / Э. Хайрер, Г. Ваннер. - М.: Мир, 1999. - 685 с.

56. Шапиро, Д.Н. Электромагнитное экранирование: Научное издание / Д.Н. Шапиро. - Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2010. - 120 с.

57. Шикин, Е.В. Начала компьютерной графики / Е.В. Шикин, А.В. Боресков, А.А. Зайцев. - М.: «Диалог-МИФИ», 1993. - 138 с.

58. Шишигин, Д.С. Средства визуализации и анимации трехмерной графики для автоматизированного проектирования заземления и молниезащиты электрических подстанций в системе AUTOCAD / Д.С. Шишигин // Молодые исследователи - регионам. Всероссийская научная конференция Вологда: ВоГТУ. - апрель 2011. - С.117-119.

59. Шишигин, Д.С. Средства визуализации и анимации трехмерной графики в AutoCAD-приложениях / Д.С. Шишигин // Молодежь и высокие технологии: материалы всерос. студен. олимпиады (Всерос. конкурс компьютер. программ), 19-21 мая 2011 г. - Вологда, 2011. - С.95-96.

60. Шишигин, Д.С. Современные технологии автоматизированного проектирования в электроэнергетике / Д.С. Шишигин // Материалы V ежегодной

научной сессии аспирантов и молодых ученых по отраслям наук: Технические науки. Экономические науки. - Вологда: ВоГТУ, 2011. - С.45-49.

61. Шишигин, Д.С. Расчет и визуализация электромагнитных полей электрических подстанций в AutoCAD / Д.С. Шишигин // Молодые исследователи

- регионам: материалы всероссийской научной конференции. В 2-х т. - Вологда: ВоГТУ, 2012. - Т.1. - С.116-118.

62. Шишигин, Д.С. Повышение быстродействия матричных операций в задачах расчета заземлителей / Д.С. Шишигин // Мат-лы 3-й международной научно-практической конференции «Современные материалы, техника и технология» Курск. Юго-западный государственный Университет. - 2013. - Т.3.

- С.279-282.

63. Шишигин, Д.С. Ускорение вычислений в задачах расчета заземлителей. Материалы 7 ежегодной сессии аспирантов и молодых ученых / Д.С. Шишигин // Вологда: ВоГУ. - 2013. - С. 87-90.

64. Шишигин, Д.С. Программа расчета заземления и молниезащиты электрических подстанций в AutoCAD и ее применение / Д.С. Шишигин // Компьютерное моделирование 2013. Мат. межд. науч.-техн. конф. - СПб: СПБГПУ. - 2013.

65. Шишигин, Д.С. Разработка AutoCAD приложения для расчета заземления и молниезащиты электрических подстанций / Д.С. Шишигин // Конференция «Разработка ПО 2013». [Электронный ресурс]. URL: http://2013.secr.ru/2013/files/045_shishigin.pdf (дата обращения: 15.04.2017).

66. Шишигин, Д.С. Программные и аппаратные средства ускорения матричных операций / Д.С. Шишигин // Вузовская наука - региону: Мат-лы всерос. науч.техн. конф. Вологда: ВоГУ. - 2014.

67. Шишигин, Д.С. AUTOCAD приложение для расчета молниезащиты и заземления объектов электроэнергетики. XII Всероссийское совещание по проблемам управления / Д.С. Шишигин // М., Институт проблем управления РАН.

- 16-19 июня 2014, С.9374-9380.

68. Шишигин, Д.С. AUTOCAD приложение для расчета молниезащиты и заземления объектов электроэнергетики / Д.С. Шишигин // Автоматизация в промышленности. - 2014. - № 9. - C.28- 32.

69. Шишигин, Д.С. Программное обеспечение для задач молниезащиты, заземления / Д.С. Шишигин // ЭМС Труды II Всероссийской НТК «Техно-ЭМС 2015». М.: Грифон. - 2015. - С.32-34.

70. Шишигин, Д.С. К выбору технологии интеграции прикладного программного обеспечения с САПР / Д.С. Шишигин // Труды СПИИРАН. - 2016. - №4(47). - С. 211-224.

71. Шишигин, Д.С. Моделирование волновых процессов в линиях при ударах молнии / Д.С. Шишигин, С.Л. Шишигин // 5 Российская конф. по молниезащите: Сб. мат-лов конф. - СПб. - 2016. - С.358-362.

72. Шишигин, Д.С. Моделирование переходных процессов в линиях при ударе молнии / Д.С. Шишигин, С.Л. Шишигин // Труды III Всероссийской НТК «Техно-ЭМС 2016». М.: Грифон. - 2016. - С.40-42.

73. Шишигин, Д.С. Шаговые алгоритмы расчета волновых процессов в задачах грозозащиты электрических подстанций / Д.С. Шишигин, С.Л. Шишигин // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Информатика. Телекоммуникации. Управление. 2017. Т. 10. № 2. С. 75-84.

74. Шишигин, Д.С. Методы расчета переходных процессов на электрических подстанциях при ударах молнии / Д.С. Шишигин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2017. №7. -С.324-333.

75. Шишигин, С.Л. Математические модели и методы расчета заземляющих устройств / С.Л. Шишигин // Электричество. - 2010. - №1. - C.16-23.

76. Шишигин, С.Л. Расчет заземлителей: учеб. пособие / С.Л. Шишигин. -Вологда: ВоГТУ, 2012. - 119 с.

77. Шишигин, С.Л. Математические модели и методы в задачах заземления и ЭМС / С.Л. Шишигин, В.Е. Мещеряков, Д.С. Шишигин // 4 Межд. конф. по молниезащите: Сб.мат-лов конф., СПб. - 2014. - С.128-135.

78. Шишигин, С.Л. Расчет зон защиты стержневых молниеотводов методом наведенного заряда / С.Л. Шишигин, В.Е. Мещеряков, Д.С. Шишигин // Электричество. - 2015. - №8. - С.4-9.

79. Шишигин, С.Л. Расчет кондуктивных помех и нагрева экрана контрольного кабеля / С.Л. Шишигин, А.В. Черепанов, Д.С. Шишигин // 5 Российская конф. по молниезащите: Сб. мат-лов конф., СПб. - 2016. - С.367-372.

80. Шишигин, С.Л. Расчет площади стягивания молнии методом наведенного заряда / С.Л. Шишигин, В.Е. Мещеряков, Д.С. Шишигин // Электричество. - 2016. - №6. - C.10-15.

81. Шишигин С.Л., Шишигин Д.С. Компьютерная программа ZYM. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013613343. Заявка №2013611255. Дата поступления 14 февраля 2013 г. Зарегистрирована в Реестре программ для ЭВМ. 02 апреля 2013.

82. Шлее, М. Qt 5.3. Профессиональное программирование на C++ / М. Шлее. - СПб.: БХВ-Петербург, 2015. - 928 с.

83. Штейнберг, Б.Я. Блочно-рекурсивное параллельное перемножение матриц / Б.Я. Штейнберг // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. - 2009. - Т.52. - №.10. - С.33-41.

84. Экранирующие кабельные конструкции. Средство экономичного решения проблем ЭМС / М. Матвеев, М. Кузнецов, В. Березовский, И. Косарев // Новости электротехники. 2013. №1(79). [Электронный ресурс]. URL: http://www.news.elteh.ru/arh/2013/79/09.php (дата обращения: 15.04.2017).

85. Экспериментальные исследования волновых процессов на высоковольтных подстанциях / Гумерова Н., Ефимов Б., Данилин А., Колобов В., Селиванов В. // Электроэнергия. Передача и распределение. 2012. № 4 (13). С. 6063.

86. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике и электротехнике / А.Ф. Дьяков, Б.К. Максимов, Р.К. Борисов и др.; под ред. А.Ф. Дьякова. - М.: Энергоатомиздат, 2003. - 768 с.

87. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике и электротехнике / А.Ф. Дьяков, И.П. Кужекин, Б.К. Максимов, А.Г. Темников; под ред. А.Ф. Дьякова. - Москва: Изд. дом МЭИ, 2009. - 455 с.

88. ALGLIB Reference Manual. [Электронный ресурс]. URL: http://www.alglib.net/translator/man/ (дата обращения: 15.04.2017).

89. Alvarado, F.L. Testing of trapezoidal integration with damping for the solution of power transient problems / F.L. Alvarado, R.H. Lasseter, J.J. Sanchez // IEEE Trans. on Power Apparatus and Systems. - Vol. PAS-102, No. 12. - December 1983. -P.3783-3790.

90. Aniserowicz, K. Comparison of Lightning-Induced Current Simulations in the Time and Frequency Domains Using Different Computer Codes / K. Aniserowicz, T. Maksimowicz // IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. - 2011. -Volume: 53, Issue: 2. - P.446 - 461.

91. Araneo R., Lovat G., Celozzi S. Shielding effectiveness of periodic screens against finite high-impedance near-field sources //IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. - 2011. - Т. 53. - №. 3. - P. 706-716.

92. Brzezinski, D.W. Numerical calculations accuracy comparison of the Inverse Laplace Transform algorithms for solutions of fractional order differential equation / D.W. Brzezinski, P. Ostalczyk //Nonlinear Dynamics. - 2016. - Vol. 84. - №.1. - P.65-77.

93. Developer Reference for Intel Math Kernel Library 2017 - C. [Электронный ресурс]. URL: https://software.intel.com/sites/default/files/managed/5e/1b/mkl-2017-developer-reference-c.pdf (дата обращения: 15.04.2017).

94. Dommel, H.W. Digital Computer Solution of Electromagnetic Transients in Single-and Multiphase Networks / H.W. Dommel // IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems. - 1969. - Volume: PAS-88, Issue: 4. - P.388-399.

95. Du, Y. Lightning-induced magnetic fields in a building with large metallic plates / Y. Du, M. Chen, Q. Zhou // Atmospheric Research. - 2009. - Т. 91. - №. 2. -С. 574-581.

96. Du, Y. Influence of Building Structures on the Lightning Return Stroke Current / Y. Du, M. L. Chen // IEEE Transactions on Power Delivery. - 2010. -Volume: 25, Issue: 1. - P.307-315.

97. Electromagnetic Shielding Analysis of Buildings Under Power Lines Hit by Lightning / S. Ladan, A. Aghabarati, R. Moini, S. Fortin, F.P. Dawalibi // 33rd International Conference on Lightning Protection. - 2016. - P.1-5.

98. EMTP Theory book. Bonneville Power Administration, Branch of System Engineering. Portland, Oregon 97208-3621, USA. - 1998. - 483 p.

99. Evaluation of Lightning-Induced Voltages Over a Lossy Ground by the Hybrid Electromagnetic Model / H. Fernando, Silveira, S. Visacro, J. Herrera, H. Torres // IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. - Vol. 51, No.1, - February 2009. - P.156-160.

100. Fortin, S. Analysis of Grounding Systems in Horizontal Multilayer Soils Containing Finite Heterogeneities / S. Fortin, N. Mitskevitch, F.D. Dawalibi // IEEE Transactions on Industry Applications. - 2015. - Volume: 51, Issue: 6. - P.5095-5100.

101. Gallagher, T.J. Model of corona for an EMTP study of surge propagation along HV transmission lines / T.J. Gallagher, I.M. Dudurych // IEE Proc.-Gener. Transm. Distrib. - Vol. 151, No. 1. - January 2004. - P.61-66.

102. Gibson, W.C. The method of moments in electromagnetics / W.C. Gibson. -London, UK: Chapman & Hall/CRC, 2008. - Vol. 1. - 272 p.

103. Grange F. et al. Transient analysis of soil resistivity influence on lightning generated magnetic field //Lightning Protection (XII SIPDA), 2013 International Symposium on. - IEEE, 2013. - P. 192-196.

104. Grounding and shielding in EMC problems of electric power substations / N.V. Korovkin, S.L. Shishigin, D.S. Shishigin, O.V. Frolov // Proc. of the 2013 International Symposium on Electromagnetic Compatibility (EMC Europe 2013), Brugge, Belgium. - September 2-6, 2013. - P.863-866.

105. Guiffaut, C. New oblique thin wire formalism in the FDTD method with multiwire junctions / C. Guiffaut, A. Reineix, B. Pecqueux // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - 2012. - Vol. 60, Issue: 3. - P.1458-1466.

106. Heydari, H. Impact of Switching-Induced Electromagnetic Interference on Low-Voltage Cables in Substations / H. Heydari, V. Abbasi, F. Faghihi // IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. - Vol. 51, No. 4. - November 2009. -P.937-944.

107. HOU, X. Automatic design of transmission lines using ObjectARX technology / X. HOU, X. LU // International Conference on Control Engineering and Communication Technology. - 2012. - P.581-585.

108. Kramer, B. ObjectARX Primer / B. Kramer. - USA, Autodesk Press, 2000. -166 p.

109. Lightning transient performance analysis of substation based on complete transmission line model of power network and grounding systems / Z. Rong, K. Peng, H. Jinliang, Z. Bo, C. Shuiming, Z. Jun // IEEE Transactions on Magnetics. -2006. - Volume: 42, Issue: 4. - P.875-878.

110. Maksimowicz, T. Investigation of Models of Grid-Like Shields Subjected to Lightning Electromagnetic Field: Experiments in the Frequency Domain / T. Maksimowicz, K. Aniserowicz // IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility.

- 2012. - Volume: 54, Issue: 4. - P.826-836.

111. McAuley, C. Programming AutoCAD 2000 Using ObjectARX / C. McAuley.

- USA, Autodesk Press, 2000. - 678 p.

112. Metwally I. A., Heidler F. H. Reduction of lightning-induced magnetic fields and voltages inside struck double-layer grid-like shields //IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. - 2008. - T. 50. - №. 4. - P. 905-912.

113. Numerical Analysis of the Influence Between Large Grounding Grids and Two-End Grounded Cables by the Moment Method Coupled With Circuit Equations / B. Zhang, X. Cui, Z. Zhao, J. He, L. Li // IEEE Transactions On Power Delivery. - Vol. 20, No. 2. - April 2005. - P.731-737.

114. Shielding design study for a large plant using a 3-D graphics-based lightning interception surface rendering and intersection method / S. Baron, R. Southey, Q. Xie, S. Fortin, F.P. Dawalibi // International Conference on Lightning Protection (ICLP). - 2012. - P.1-5.

115. Shielding failure evaluation by collection surface / Q. Xie, S. Baron, S. Fortin, S. Lefebvre, F.P. Dawalibi // International Conference on Lightning Protection (ICLP). - 2014. - P.1336-1339.

116. Shishigin, D.S. AutoCAD application for LPS, grounding and EMC problems / D.S. Shishigin, S.L. Shishigin, N.V. Korovkin // EMC 2015 Joint IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility and EMC Europe. - Dresden, Germany, 2015. - P.834-838.

117. Shishigin, D.S., Shishigin, S.L. Numerical modeling in EMC problems of electric power substations when lightning strikes // Conference Proceedings - 2017 17th IEEE International Conference on Environment and Electrical Engineering and 2017 1st IEEE Industrial and Commercial Power Systems Europe, EEEIC / I and CPS Europe 2017 - Milan, Italy, 2017. - P.1-5.

118. Taflove, A. Computational electrodynamics: the finite-difference timedomain method. Third edition / A. Taflove, S.C. Hagness. - Artech House, 2005. -1006 p.

119. Tatematsu, A. Technique for Calculating Voltages Induced on Twisted-Wire Pairs Using the FDTD Method / A. Tatematsu, F. Rachid, M.A. Rubinstein // IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. - Vol. 59, No. 1. - February 2017. -P.301-304.

120. Transient Analysis of Soil Resistivity Influence on Lightning Generated Magnetic Field / F. Grange, S. Journet, S. Fortin, F.P. Dawalibi // International Symposium on Lightning Protection (XII SIPDA). - Belo Horizonte, Brazil, October 711, 2013. - P.192-196.

121. Transient Voltages in Transmission Lines Caused by Direct Lightning Strikes / A. Soares, M. Aurélio, O. Schroeder, S. Visacro // IEEE Transactions On Power Delivery. - Vol. 20, No. 2. - April 2005. - P.1447-1452.

122. Visacro, S. HEM: A Model for Simulation of Lightning-Related Engineering Problems / S. Visacro, A. Soares // IEEE Transactions On Power Delivery. - Vol. 20, No. 2. - April 2005. - P.1206-1208.

123. Yang, J. The study and realization of automatic mesh generation based on electromagnetic simulation of FDTD / J. Yang, D. Su, X. Zhao // 3rd IEEE International Symposium on Microwave, Antenna, Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications. - 2009. - P.1242-1245.

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Полюса и вычеты формул Влаха и Сингхала

Семейство формул численного обратного преобразования Лапласа по Влаху и Сингхалу

f (t) = 1X Re V^F& /1)1 t > 0, (А.1)

t i

где s- полюса, res - вычеты, формулы для расчета которых даны в [7, С.263]. Результаты расчета по эти формулам приведены в таблице А.1. Таблица A.1. Полюса и вычеты формулы (А.1)

Полюса s Вычеты res

Формула 3 порядка, m=2, n=1

2 + 42j 542j - 2

Формула 7 порядка, m=4, n=3

3.212806896871533+4.773087433276638i 22.603079991942984-24.943351700500624i

4.78719310312847+1.5674764168952053i -26.60307999194314+120.14346547409481i

Формула 11 порядка, m=6, n=5

4.03884753448879+8.3456004148722i -87.03106607214757+28.03061243128349i

6.470514936701536+4.900121147421417i 452.1208237872363-610.2067180901041i

7.490637528809684+1.6215023887782654i -371.0897577151691+1835.5847297277107i

Формула 15 порядка, m=8, n=7

4.685494632821182+12.010578599813797i 189.88233778157806+50.953324963532346i

7.73868814683039+8.370879306238095i -2669.7294749193443+1404.8620209958483i

9.406371213691179+4.969217287622406i 7697.088830882397-11380.630867612375i

10.169446006657259+1.6492017968240575i -5225.241693715137+27098.120294871853i

Формула 19 порядка, m=10, n=9

5.22545336734377+15.72952904563911i -237.48280379987156-282.60738464315665i

8.776434640086794+11.921853898300656i 9310.721692822339-3.803546027699161i

10.934303430589571+8.409672996009723i -57833.14454003918+36338.37020029108i

12.2261314841721+5.012719263660872i 122553.99941326471-190817.1978155566i

12.837677077807804+1.6660625841810848i -73804.09375802545+393980.92705737223i

Формула 23 порядка, m=12, n=11

5.6935776058306615+19.484629368298716i 39.540834168192816+632.4523510725995i

9.664602916041485+15.526988725966788i -21202.397331102304-11989.42698038952i

l2.22322798GlG3635+ll.9l337G85383962i l3.92872G3G47lGl33+8.442496965942592i l4.989472G84867689+5.G42673Gl34G2G49i 15.5GG3991G8446452+ l.6774G9G75l89G4i 26326G.43l46986lG7-3l6G4.8927l823l5li -lG8l75l.83l32G6332+74694l.892l83793i l883466.369G9GG24-3G3llGl.467l764933i -lG43824.ll298G6958+568l895.l47436295i

Формула 27 порядка, M=l4, #=l3

6.lG9537G659l3l48+23.26597325G64422i lG.4466532469lG428+l9.l7l8385658G95i l3.347486Gl899257+l5.463936l329G6936i l5.397G4G647555826+ll.922433998G77672i l6.8l854l9l678GG56+8.468946584222634i l7.72G85353l5745l2+5.G64574743398867i l8.l5988757227347+l.685567456397979i 57l.4G2894G967GG3-845.l4754G6444898i 279Gl.3593G7l43743+493G9.8945G794G69i -8l4l77.7787G25345-2949G9.724439339i 59G8569.725l52686-ll23977.84l93l9l89i 59G8569.725l52686-ll23977.84l93l9l89i 283379lG.98366G683-46658347.8ll923l76i -l477267G.8999G6766+8l549559.9928846i

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Интерфейс программы ЗУМ

Управляющие элементы программы расположены на четырех страницах «блокнота»: «Файл», «Геометрия», «Заземление», «Молниезащита» (Таблица Б1). На первой странице выполняются стандартные операции с файлами данных, а также вводится текстовый комментарий к задаче. Вторая страница содержит таблицу слоев и кнопки для ввода или изменения элементов. На третьей и четвертой страницах организован расчет заземления и молниезащиты. Таблица Б1 - Управление программой ЗУМ

Объекты

Назначение

Страница «Файл»

1.1

□

Создать новый файл

1.2

Открыть файл

1.3

В

Сохранить файл

1.4

Сохранить как ...

1.5

Закрыть (выгрузить) файл

1.6

Записать данные программы (параметры земли, элементов, комментарий) в расширенные данные файла AutoCAD (это делается автоматически при замене задачи или выходе из ЗУМ)

1.7

Сделать выделенный файл активным (эквивалентно двойному щелчку на имени файла в таблице файлов)

1.8

Таблица

Загруженные файлы с маркировкой активного слоя

1.9

Таблица

Предыдущих файлов (обновляется при загрузке AutoCAD)

1.10

Сведения о программе, авторах и лицензии

Страница «Геометрия»

ПС-llO.dwg

Файл Геометрия Заземление | Молниезащита

Р-

^ 0 f й

мм

Слой S D, мы W, мм L, м Мат Тип >

Земля Ш

ЗРУ н Ш 2000 1

ЗРУ_ н ш в 1 Upr Ч

ЗРУ_Н н ш 100 #Н -

ЗРУ_Сваи в ш □ 300

ЗРУ_Ячейки в ш 50

ЗУ 9 ш □ 50 5 Upr

ЗУ_Еерт. стержни 9 ш 18

ЗУ_контур 9 ш D 50 5 Upr

Кабель а ш 1 1 Си Т"

По умолчанию

20 L(M) = 10 Яг = 600 У = 8000000.00 LMin[MM) = 10

¿а

Q) 4

/ГШ

яь ¥

ZZ^ ZZ

2.1

Создать новый слой

2.2

Сделать выделенный слой активным. Именно на него будут добавляться графические объекты

2.3

Удалить выделенный слой

2.4

Создать сетку с заданным типом

2.5

Выровнять оси для создания сетки

2.6

Выбрать файл с заданными ВАХ или ВСХ нелинейных элементов*

2.7 f Ввести источник синусоидального, импульсного тока, сосредоточенной емкости ^ сосредоточенного сопротивления R

2.8 ы Вставить блок из базы конструкций

2.9 & Сделать слой, на котором находится выделенным элемент, активным

2.10 Щ Включить все слои

2.11 Включить только слои с выделенными элементами

2.12 Выключить только слои с выделенными элементами

2.13 = Изменить толщину слоев с выделенными элементами

2.14 / Ввести линию (элемент ЗУ) на активный слой

2.15 Копировать выделенные объекты

2.16 Переместить выделенные объекты

2.17 Вид (8 позиций). Наиболее часто используется вид «сверху» для рисования сеток, затем переходим к «юго-западной изометрии» для рисования вертикальных стержней

2.18 Слои Для переноса выделенных элементов на другой слой

2.19 Единиц ы Размерность чертежа (м, см или мм)

2.20 По умолчанию Б диаметр стержня (мм); Ь длина элемента после дробления (м); относительная магнитная проницаемость; у удельная проводимость материала стержня; ЬМт минимальный размер элемента

2.21 Таблица Столбцы таблицы слоев: 1. Маркер активного слоя 2. Название слоя 3. Слой включен/выключен 4. Цвет слоя 5. Сечение стержня, при отсутствии - круглое 6. Диаметр стержня Б (мм), при отсутствии - значение по умолчанию 7. Максимальная длина элемента Ь после дискретизации, при отсутствии - значение по умолчанию 8. Материал стержня: Ст (сталь), ^ (медь), Al (алюминий), H2O (10 Ом-м) ^ (Изолятор) , при отсутствии - у принимаются по умолчанию 9. Тип слоя (значения пояснены в программе). Слои # служебные, в расчетах не участвуют

Страница «Заземление»

3.1

Заземление. Страница Параметры

3.1.1

Параметры/ Земля

Многослойная модель: удельное сопротивление (Ом-м) и мощность слоя (см)

Добавить новую строчку в таблице слоев

Удалить последнюю строчку в таблице слоев (восстанавливаются при добавлении новой строчки)

Очистить таблицу слоев

3

Сохранить таблицу слоев в файл (расширение txt)

&

Загрузить таблицу слоев из файла

3.1.2

Точность

Выбор уровня точности расчетов в многослойной земле

3.1.4

Подсыпка

Учет подсыпки верхнего слоя щебнем с удельным сопротивлением 5000 Омм

3.1.2

Процесс

Синусоидальный, синусоидальный затухающий с декрементом А, импульсный с формой тока стандарта МЭК, биэкспонентой или с линейным фронтом

3.1.3

Частота

Выбор из списка или ввод частоты для синусоидального процесса. При установке опции «ЧХ» проводится циклический расчет для 8 установленных частот в диапазоне 50-1000000 Гц (список корректируется пользователем)

3.1.5

Импульс

Выбор из трех стандартных импульсов 10/350, 0.25/100, 1.2/50 мкс с указанием тока, числа шагов на фронте волны и времени наблюдения

Заземление. Страница Расчет

3.2

3.2.1

О

3.3.

Запуск расчета ЗУ с указанием текущей операции в журнале и времени счета. Пользователь может установить вручную или автоматически опции расчета. Учет или неучет емкости элементов, взаимной индуктивности, внутреннего сопротивления элементов влияет на точность и время счета. По завершении расчета производится переход на страницу Результат. Заземление. Страница Результат

3.3.1

Графики

Графики потенциала узлов, тока ветвей создаются всегда. График стекающего тока создается только в синусоидальном режиме. Остальные графики строятся при заданных типах в таблице слоев: напряжения прикосновения (тип Ирг слоя), напряженности магнитного поля (тип #Н слоя) и т.д. Результатом импульсного процесса являются графики для каждого расчетного момента времени (кадра).

3.3.2 На входе

Выводится частота, модуль тока, модуль сопротивления и фаза в точке ввода тока (если их несколько - для точки максимального тока) при синусоидальном воздействии. В импульсном режиме выводится ток и импульсное сопротивление.

3.3.3 Элементы

Выводится общее количество элементов (после дискретизации), в том числе в воздухе (или изолированных от земли), а также максимальное и минимальное значение параметра (заданного в группе «Графики») всех или выделенных элементов.

3.3.4

Проекция

Расчетный график выводится над геометрической моделью (подложкой). Выделенные элементы графика проецируются на подложку, чтобы уточнить их положение

3.3.5

Узлы

Выводится количество узлов, а также значение параметра (заданного в группе «Графики») двух отмеченных узлов. Для указания узла

следует нажать на кнопку а затем мышью отметить узел. При

задании двух узлов находится модуль напряжения между ними. В импульсном режиме потенциалы и разность потенциалов узлов выводятся в виде 2ё графика во времени. Нажатие на кнопку «кисть» стирает значения узлов.

3.3.6

2d график

2Б график для отмеченных узлов (3.3.5) или выделенных элементов (иначе график входных сопротивлений, напряжений, токов). График не выводится, когда недостаточно данных (обычно в синусоидальном режиме). Пример. Импульсный процесс, на 3Б графике потенциала отмечаем два узла, нажимаем 2Б, получаем графики потенциалов узлов и напряжения между ними в функции времени. На графике тока мышью выделяем элемент. Нажимаем 2Б. Получаем график тока элемента во времени. Можно выделить несколько связанных элементов.

^ 2D График

В & © > Ш М> № kg 1:1

123;

Потенциалы узлов при импульсе тока 100000 А, 10/350

мкс

CD

140 ООО -120 ООО -j 100 ООО -j ЭО ООО -

л

о 60 ООО

40 ООО -20 ООО -j

о -

127546

— \ ......

I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I

О 5 10 15 20

tr икс

■ U1 ■ U2 ■ |U1-U2|

0 Узлы Ш Маркер Координаты курсора 0 Сетка Ч/Б Шаг: 1 С

3.3.7

Навигация

Импульсные процессы и ЧХ представлены как набор кадров по времени или частоте. Навигация осуществляется нажатием клавиш со стандартными обозначениями. Нажатие кнопки «play» создает анимацию. Параметр «шаг», больший единицы, позволяет уменьшить число выводимых кадров по сравнению с числом шагов интегрирования. Например, при шаге равном 2 число кадров в два раза меньше шагов интегрирования.

3.3.

Опции

Значения функции 3Б графика можно изобразить цветом с помощью опции «В цвете». Опция "Неравномерная шкала" нужна для того, чтобы количество линий в каждом цвете было примерно одинаковым. Объект (подложку) графика можно строить оригинального цвета, сделать серой (по умолчанию) или отказаться от подложки. Можно выбрать масштаб по оси Ъ. Начало отсчета по оси Ъ можно совместить с 0 или минимальным значением функции (по умолчанию). После изменений график следует перестроить.

Страница «Молниезащита»

4

4.1

О

Запускает расчет молниезащиты

4.2

Метод построения молниезащиты с заданной надежностью. При использовании ВСП по умолчанию заданы минимальные углы защиты (без учета объекта). Иначе пользователю следует задать их вручную. Для метода катящейся сферы надежность определяется дистанцией поражения. Точность построения в этом методе задается шагом сетки. Для российских норм строится зона защиты, в методе катящейся сферы можно задать построения зоны захвата. Зоны защиты строятся на заданной высоте, а если она не указана, то с шагом 1м до уровня самого высокого молниеотвода.

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Акты о внедрении результатов диссертационной работы

Общество с ограниченной ответственностью «Квадро Электрик» (ООО «Квадро Электрик») 190013 г.Санкт-Петербург, ул. Серпуховская, 37

Свидетельство СРО № 0300.06-2017-7811445130-П-159 от

17 марта 2017 года, выдано Ассоциация «Центр объединения проектировщиков «СФЕРА-А» 191028, г.Санкт-Петербург, ул. Моховая, д.27-29 лит. А

АКТ

об использовании результатов кандидатской диссертационной работы Шишигина Дмитрия Сергеевича

- Зубов К.Н., к.т.н., заместитель генерального директора по проектированию.

- Майоров A.A., заместитель руководителя департамента проектирования.

- Ятченко А.И., ведущий инженер по проектированию вторичных систем электрических подстанций.

составили настоящий Акт о том, что результаты диссертационной работы «Методы теории заземлителей для анализа электромагнитной совместимости и молниезащиты электрических подстанций», представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук, использованы для разработки раздела «Электромагнитная совместимость» проектной документации ООО «Квадро Электрик» на следующих объектах:

- «Реконструкция ПС 35/6 кВ «Ирмино».1 этап» (для нужд ПАО «Ленэнерго»);

- «Замена перегружаемых трансформаторов на ПС 35-110 кВ Ленинградской области (в части ПС-322 «Вырица»)» (для нужд ПАО «Ленэнерго»);

- «Замена перегружаемых трансформаторов на ПС 35-110 кВ Ленинградской области (в части ПС-189 «Волосово»)» (для нужд ПАО «Ленэнерго»);

- «Центр строительства крупнотоннажных морских сооружений (ЦСКМС). ПС 150 кВ Белокаменка» (для нужд ООО «Кольская верфь),

Разработанное Д.С. Шишигиным программное обеспечение позволяет решить весь комплекс задач по моделирование нормальных и аварийных режимов, вызванных ударами молнии и КЗ, на электрической подстанции, что повышает обоснованность принимаемых проектных решений и сокращает сроки проектирования.

Председатель комиссии: Члены комиссии:

Генеральный директор ООО «Квадро Электрик»

Комиссия в составе: председатель

члены комиссии

ЭМС-Проект

ООО «ЭМС-Проект»

Юридический адрес: 195257 г. Санкт-Петербург. Северный пр-т д. 75, корп.1, лит. А, пом. 20-Н

Почтовый адрес: 195267 г. Санкт-Петербург а/я 127 тел: [phone] e-mail: [e-mail]

ОГРН 1157847306100 ИНН 7804284193 КПП 780401001

УТВЕРЖДАЮ Генеральный директор ООО «ЭМС-Проект»

/Гребенец Е.Г./

2017 г.

Акт

о внедрении результатов кандидатской диссертационной работы Шишигина Дмитрия Сергеевича

Настоящим актом подтверждается, что результаты диссертационной работы Д.С. Шишигина на соискание ученой степени кандидата технических наук «Методы теории заземлителей для анализа электромагнитной совместимости и молниезащиты электрических подстанций», а именно компьютерная программа «ЗУМ» внедрена ООО «ЭМС-проект» для расчета системы молниезащиты и заземления, а также электромагнитной обстановки на объектах ЕНЭС. Использование программы позволило повысить точность расчетов, обеспечив большую сходимость с результатами измерений, а также увеличило производительность за счет интеграции расчетов различных режимов работы электроустановки в одном продукте.

Начальник электролаборатории

Страница 1 из 1