Переходные процессы в электрических цепях технических средств при воздействии грозовых разрядов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Со Аунг

• Со Аунг
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Со Аунг

Введение

1. Грозовые разряды и технические средства

1.1. Физическая природа грозовых разрядов

1.2. Характеристики и математические модели импульсного тока грозового разряда

1.3. Воздействие электромагнитных помех на электронные устройства технических средств.

1.4. Испытания технических средств на воздействие электромагнитных помех от грозового разряда

1.5. Методики проведения испытаний объектов на молниеустойчивость

2. Расчет излучаемых электромагнитных помех от грозового разряда.

2.1. Зоны распространения и параметры излучаемых электромагнитных помех от грозового разряда

2.2. Расчет электрического поля грозового разряда в пространстве в зоне соизмеримой с длиной канала молнии.

2.2.1. Расчет напряженности электрического поля при ступенчатой модели тока в зоне соизмеримой с длиной канала молнии.

2.2.2. Расчет напряженности электрического поля в зоне соизмеримой с длиной канала молнии для апериодической модели тока.

2.3. Расчет напряженности магнитного поля грозового разряда в пространстве в зоне соизмеримой с длиной канала молнии.

2.4. Расчет напряженности электрического и магнитного полей грозового разряда в ближней и дальней зонах

3. Расчет переходных процессов в электрических цепях при воздействии грозового разряда

3.1. Расчет токов и напряжений, наведенных в двухпроводной линии электрическим полем

3.2 Расчет токов и напряжений, наведенных в двухпроводной линии магнитным полем

3.3. Расчет токов и напряжений, наведенных на экране кабеля магнитным полем

3.4. Расчет напряжения индуцированного на центральном проводнике кабеля при воздействии грозового разряда.

4. Исследование переходных процессов в электрических цепях технических средств при воздействии грозовых разрядов в лабораторных условиях

4.1. Определение сбоев и отказов элементов и устройств, при воздействии грозовых разрядов в лабораторных условиях.

4.2. Расчет напряженности электрического и магнитного поля грозового разряда в лабораторных условиях

4.3. Исследование переходных процессов в электрических цепях элементов и устройств технических средств при воздействии грозового разряда в лабораторных условиях.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Переходные процессы в электрических цепях технических средств при воздействии грозовых разрядов»

Грозовые разряды сопровождают многие атмосферные явления и процессы: градо- и торнадосодержащие облака, мезомасштабные конвективные комплексы, циклоны умеренных и тропических широт. Они представляют опасность для авиации, энергетики, других отраслей экономики и населения. Увеличение интенсивности воздушного движения, широкое применение композиционных материалов, низковольтных систем управления, компьютерных сетей сопровождается количественным и качественным ростом ущерба от грозовых разрядов. По данным Национального института молниевой безопасности США (г.Луисвилл) потери гражданского сектора этой страны от поражения молниями составляют 4-5 млрд. долларов ежегодно из них: 150-200 млн. от лесных пожаров, около 2 млрд. из-за отмены авиарейсов и их переносов в другие аэропорты, 1 млрд. из-за отключений электроэнергии, 125 млн. от повреждений компьютерных сетей и др. Кроме того, с 1990 по 2000 годы на АЭС зарегистрировано 346 инцидентов, связанных с грозами. Ежегодно страховым компаниям предъявляются около 300 000 требований на возмещение убытков, вызванных молниями (в 2000 году на сумму 332 млн. долларов).

Отличительными признаками грозовых разрядов (ГР) являются широкополосное электромагнитное излучение (ЭМИ) и высокая концентрация электронов в каналах протекания разрядного тока. Молнии, представляют собой мощные разряды, образующиеся в нижних слоях атмосферы.

Молния определяется как нестационарный сильноточный электрический разряд, длина пути которого обычно исчисляется километрами. Разряд молнии переносит в среднем заряд от 140 до 250 Кл. Полная длительность разряда молнии порядка 0,2 с, а предельный ток может достигать 200 - 300 кА. Молния выводит из строя электронные элементы и устройства. Наносит ущерб в электроэнергетике, повреждает линии электропередачи ЛЭП и подстанции, представляет опасность для нефте-, газо-резервуаров.

Грозовые разряды представляют опасность для технических средств: самолетов, ракет, судов и автомобилей. Грозовые разряды создают излучаемые электромагнитные помехи (ЭМП) в виде электрических и магнитных полей, которые воздействуют на элементы и устройства технических средств. Излучаемые ЭМП от грозового разряда ухудшают качество функционирования технических средств, могут вызывать сбои, отказы, прекращение функционирования. Прямое попадание молнии в техническое средство может привести к катастрофе.

Для обеспечения помехоустойчивости элементов и устройств от излучаемых ЭМП грозовых разрядов необходимо разрабатывать эффективные средства защиты и проверять их на испытательных стендах в лабораторных условиях. Исходными данными для проведения испытаний являются расчетные параметры электромагнитной обстановки в виде напряженности электрического и магнитного полей. Разработка программ, алгоритмов и методов расчета для различных случаев воздействия электрических и магнитных полей на технические средства позволяет определять исходные данные для разносторонних и многоэтапных испытаний элементов и устройств технических средств на воздействие грозовых разрядов.

Цель диссертационной работы

Целью диссертационной работы является: Исследование переходных процессов в электрических цепях технических средств при воздействии грозовых разрядов для улучшения качества функционирования с учетом их использования в условиях грозовых разрядов. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

• Разработка критерия определения ближней и дальней зон распространения электрических и магнитных полей грозовых разрядов.

• Способ расчета напряженностей электрического и магнитного полей грозового разряда в ближней и дальней зонах распространения.

• Методика расчета напряжений и токов в электрических цепях технических средств индуцированных электрическим и магнитным полями грозового разряда.

• Алгоритм расчета импульсного тока для проведения исследований переходных процессов в электрических цепях технических средств при воздействии грозового разряда в лабораторных условиях.

• Методика исследования переходных процессов в электрических цепях технических средств, предназначенная для определения уровней переходных процессов при воздействии грозового разряда.

Методы исследования

При решении поставленных задач в диссертационной работе были использованы: методы математического анализа; методы теории линейных электрических цепей; теоретические основы электротехники; теория электромагнитного поля; методы оптимизации. Расчеты выполнялись с помощью компьютерных программ Ма1;ЬаЬ, МаШсас!.

Научная новизна

1. Предложен критерий определения ближней и дальней зон распространения электрического и магнитного поля от канала тока молнии.

2. Получены формулы расчета напряженностей электрического и магнитного поля на основе апериодической модели тока молнии, в зоне соизмеримой с длиной канала молнии, ближней и дальней зонах распространения.

3. Разработана методика расчета индуцированных напряжений и токов в центральных проводниках экранированных кабелей при воздействии электрического и магнитного полей грозового разряда и тока молнии.

4. Разработан алгоритм расчета тока для исследования переходных процессов в электрических цепях технических средств от грозового разряда в лабораторных условиях.

5. Предложена методика исследований переходных процессов в электрических цепях технических средств от грозового разряда в лабораторных условиях.

Практическое значение

1. Разработанная методика расчета напряжений в центральных проводниках позволять определять эффективность экранов кабелей при воздействии грозовых разрядов.

2. Разработанный алгоритм расчета импульсного тока позволяет ускорить процесс исследований технических средств на воздействие грозового раяряда в лабораторных условиях и сократить время их проведения.

3. Предложенная методика проведения исследований переходных процессов от грозового разряда позволять уменьшить затраты на проектирование технических средств с учетом их использования в условиях грозовых разрядов.

Апробация результатов работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались автором и обсуждались: на 2-ой Всероссийской конференции ученых, молодых специалистов и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике - 2009» (г. Москва 2009г.), на 8-ой научно-техническая конференции «Международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии» (г. Санкт-Петербург, 2009г.), на 8-ой международной конференции «Авиация и космонавтика - 2009» (г. Москва 2009г.), на научно-практической конференции молодых ученых и студентов МАИ «Инновации в авиации и космонавтике — 2010» (г. Москва 2010г.). Тезисы докладов опубликованы. Опубликована статья под названием «Расчет электрического поля грозового разряда» в журнале «Технологии ЭМС», Москва, 2009 г, № 2(29), 66-68 стр.

Публикации

По основным результатам выполненных в диссертации исследований опубликовано 5 печатных работы, из них 1 научная статья и 4 тезиса докладов [1.5].

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников. Основная часть диссертации содержит 123 страницы машинописного текста, включая 79 рисунков и 3 таблицы. Список литературы включает 39 наименований. Общий объем диссертационной работы составляет 135 страниц.

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Со Аунг

Выводы по главе 4.

1. Разработан алгоритм расчета напряженностей электрического и магнитного поля грозового разряда в лабораторных условиях.

2. Предложена методика исследования переходных процессов в электрических цепях элементов и устройств технических средств при воздействии грозового разряда в лабораторных условиях.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По основным результатам, полученным в диссертационной работе можно сделать следующие выводы:

• Проведен сравнительный анализ математических моделей импульсного тока молнии, позволяющий выбрать адекватную модель тока молнии.

• Предложен критерий определения ближней и дальней зон распространения электрического и магнитного полей создаваемого грозовым разрядом, позволяющий определять зону расположения технического средства относительно грозового разряда.

• Получены формулы расчета напряженностей электрического и магнитного полей на основе апериодической модели импульса тока молнии в зоне соизмеримой с длиной канала молнии, ближней и дальней зонах, позволяющие определять напряженности на разных расстояниях от канала молнии до технического средства и для различных параметров импульса тока молнии.

• Разработана методика расчета индуцированных напряжений в центральных проводниках кабелей при воздействии на экран магнитного поля от грозового разряда а также при непосредственном воздействии тока молнии.

• Разработан алгоритм расчета тока для проведения исследований переходных процессов в электрических цепях технических средств при воздействии грозового разряда в лабораторных условиях.

• Предложена методика исследований переходных процессов в электрических цепях технических средств, позволяющая определять уровни переходных процессов при воздействии грозового разряда. Предложенная методика позволяет уменьшить затраты на проведение исследований переходных процессов от грозовых разрядов в электрических цепях технических средств.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Со Аунг, 2010 год

1. Атабеков Г.И. Купалян С.Д. Тимофеев А.Б. Хухриков С.С. Нелинейные электрические цепи. Электромагнитное поле. М.: Энергия, 1979, 432с.

2. Барнс Дж. Электронное конструирование: методы борьбы с помехами. М.: Мир. 1990, 238с.

3. Бадер М.П. Электромагнитная совместимость. М. 2002, 637 с.

4. Балюк Н.В., Болдырев В.Г.,Булеков В.П., Кечиев Л.Н., Кириллов В.Ю., Литвак И.И., Постников В.А., Резников СБ. Электромагнитная совместимость технических средств подвижных объектов. М.: МАИ. 2005, 674 с.

5. Гальперин Ю.И. Гладышев В.А. Козлов А.И. Электромагнитная совместимость научного космического комплекса АРКАД-3. М.: Наука, 1984, 189с.

6. Дьяков А.Ф. Максимов Б.К. Борисов Р.К. Кужекин И.П. Жуков A.B. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике и электротехнике. М.: Мир. Энергоатомиздат, 2003, 329с.

7. Дональд Р.Ж. Уайт. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и непреднамеренные помехи. Вып. 1 Общие вопросы ЭМС. Межсистемные помехи. М.: Советское радио. 1977, 348 с.

8. Дональд Р.Ж. Уайт. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и непреднамеренные помехи. Вып.2. Внутрисистемные помехи и методы их уменьшения. М.: Советское радио. 1978, 272 с.

9. Дональд Р.Ж. Уайт. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и непреднамеренные помехи. Вып.З, Измерение электромагнитных помех и измерительная аппаратура. М.: Советское радио, 1979, 464с.

10. Каганов 3. Г. Электрические цепи с распределенными параметрами и цепные системы. М.: Энергоатомиздат, 1990, 247с.

11. П.Кириллов В.Ю. Испытание космических аппаратов на воздействие электростатических разрядов. М.: Издательство МАИ. 2005, 88 с.

12. Кириллов В.Ю. Лабораторные работы по курсу «Методы и технические средства испытаний электромагнитной совместимости JIA» М.: Издательство МАИ. 2005, 46с.

13. Князев А.Д. Элементы теории и практики электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств. М.: Радио и связь, 1983,336с.

14. Кравченко В.И. Болотов Е.А. Летунова Н.И. Радиоэлектронные средства и мощные электромагнитные помехи. М.: Радио и связь, 1987,256с.

15. Князев А.Д. Кечиев Л.Н. Петров Б.В. Конструирование радиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры с учетом электромагнитной совместимости. М.: Радио и связь, 1989, 223с.

16. Кечиев Л.Н. Кузьмин В.И. Введение в электромаггаггаую совместимость электронного оборудования. М.: МГИЭМ, 1996,100с.

17. Кечиев Л.Н, Кузьмин В.И. Электростатический разряд и электронное оборудование. М.: МГИЭМ, 1996, 88с.

18. Кечиев Л.Н. Пожидаев Е.Д. Защита электронных средств от воздействия статического электричества. Учебное пособие. Издательский дом Технологии, 2005, 352с.

19. Кужекин И.П. Ларионов В.П. Прохоров E.H. Молния и молниезащита» М.: Знак, 2003, 329 с.

20. Кравченко В.И. Грозозащита радиоэлектронных средств. М.: Радио и связь, 1991,261с.

21. Ott Г. Методы подавления шумов и помех в электрических системах. М.: Мир, 1979,317с.

22. Хабигер Э. Электромагнитная совместимость. Основы ее обеспечения в технике. М.: Энергоатомиздат, 1995, 295с.

23. Шваб А. Й. Электромагнитная совместимость. М.: Энергоатомиздат, 1995, 467 с.

24. Уильяме Т. ЭМС для разработчиков продукции "Издательский дом Технологии". 2003, 483с.

25. Уилльямс Т. Армстронг К. ЭМС д ля систем и установок. « Издательский дом Технологии». 2004, 508 с.

26. Кармашев B.C. Электромагнитная совместимость технических средств: Справочник. М.: 2001, 401 с.

27. Кириллов В. Ю. Стандарты и методы испытаний электромагнитной совместимости технических средств.М.: МАИ. 2006, 68 с.

28. Цицикян Т.Н. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике. СПб.: Элмор, 2007, 184с.

29. Цицикян Г.Н. Сравнение некоторых аналитических оценок для электромагнитных проявлений обратного разряда молнии.// Известия РАН. Энергетика, 2005, №1, с 44-55.

30. Разевиг Д.В. Атмосферные перенапряжения на линиях электропередачи. М. :-JI. ГЭИ, 1959.

31. Rusck S. Induced lightning over-voltage on power transmission lines with special reference to the voltage protection of low voltage networks. Trans. R. inst. Technol. (Sweden), 1958, с 1-118.

32. Haldar M.K., Liew A.C. Validation of Rusck's scalar and vector potential expressios due to a return stroke in a lightning channel. IEE Pro., vol. 134, Pt. C. №5, 1987, с 366-367.

33. Lightning Return Stroke Current Models with Specified Channel-Base Current: A Review and Comparison.// C.A. Nucci at all. Journal of Geophysical Research. Vol. 95, №12, pp. 20, 395-20,408. November 20, 1990.

34. Давыдов П. С. Техническая диагностика радиоэлектронных устройств и систем. М.: Радио и связь, 1988, 256с.

35. В.Ю. Кириллов, Со Аунг, «Расчет электрического поля грозового разряда» // Технологии электромагнитной совместимости, № 2(29), Москва, 2009 г., стр. 66-68.

36. Со Аунг, «Расчет электрического поля грозового разряда», сборник тезисов 2-ой Всероссийской конференции ученых, молодых специалистов и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике 2009», Москва, 2009г. стр.47.

37. Со Аунг, «Расчет кондуктивных электромагнитных помех в электрических цепях от грозового разряда», сборник тезисов 8-ой международной конференции «Авиация и космонавтика 2009», Москва, 2009г. стр. 181.