Системи компенсації техногенних спотворень геомагнітного поля на робочих місцях оперативного персоналу електроенергетичних об’єктів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук україни

Науково-технічний центр магнетизму технічних об'єктів

УДК 621.3.073: 621.3.013

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність 05.09.03 - Електротехнічні комплекси та системи

Системи компенсації техногенних спотворень геомагнітного поля на робочих місцях оперативного персоналу електроенергетичних об'єктів

Пєлєвін Дмитро Євгенович

Харків-2010

Дисертація є рукописом

Робота виконана у відділі фізики та техніки магнітних явищ Науково-технічного центру магнетизму технічних об'єктів НАН України, м. Харків.

Науковий керівник: доктор технічних наук, чл.-кор. НАН України Розов Володимир Юрійович, директор, завідувач відділу фізики та техніки магнітних явищ Науково-технічного центру магнетизму технічних об'єктів НАН України.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, член-кореспондент НАН України Щерба Анатолій Андрійович, завідувач відділу електроживлення технологічних систем Інституту електродинаміки НАН України; кандидат технічних наук, доцент Буряковський Сергій Геннадійович, доцент кафедри систем електричної тяги Української державної академії залізничного транспорту Міністерства транспорту та зв'язку України.

Захист відбудеться « 18 червня 2010 р. об 11-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 64.253.01 у Науково-технічному центрі магнетизму технічних об'єктів НАН України за адресою: 61106, Харків-106, вул. Індустріальна, 19, тел. 0572 99-21-62.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Науково-технічного центру магнетизму технічних об'єктів НАН України за вищевказаною адресою.

Автореферат розісланий « 14 травня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради О.Ю. Пилюгіна

Загальна характеристика роботи

Магнітне поле Землі (геомагнітне поле) є чинником природного середовища, що існує впродовж всієї еволюції живої природи на нашій планеті. За відсутності спотворень геомагнітне поле (ГМП) є стаціонарним, має високу однорідність і величину модуля вектора індукції в широтній зоні України близько 50 мкТл. Численні дослідження підтверджують важливу роль магнітного поля в життєдіяльності живих організмів і біотропність його спотворень. Так, в дні магнітних бур, при яких індукція ГМП змінюється менш ніж на 10 % (на 0,1 3 мкТл), різко зростає частота захворювань нервової і серцево-судинної систем, зростає число травм на виробництві, дорожніх катастроф і інших негативних подій, які можна пояснити розвитком стрес-стану, навіть у здорових людей.

Окрім природних джерел спотворень (магнітні бурі), існують техногенні спотворення ГМП. Основними джерелами техногенних спотворень ГМП виступають силове електрообладнання, яке створює низькочастотні спотворення (50 Гц), і феромагнітні конструкції, які створюють стаціонарні спотворення, що викликають ослаблення ГМП. Як показують медикостатистичні дослідження, ці складові техногенних спотворень ГМП також є біотропними і можуть викликати функціональні розлади нервової і серцево-судинної систем, приводити до розладів поведінкових реакцій і зниження працездатності персоналу. Тому в світі все більше уваги приділяється проблемі захисту людей від негативного впливу техногенних спотворень ГМП, все більш широко вводиться державне нормування їх гранично допустимого санітарного рівня.

Актуальність теми. Найбільш несприятлива ситуація по рівню спотворень ГМП і можливим негативним соціальним та економічним наслідкам від їх впливу складається на диспетчерських пунктах електроенергетичних об'єктів. Особливістю цих об'єктів є велика щільність намагнічених будівельних і технологічних феромагнітних конструкцій, що істотно спотворюють природне ГМП, наявність потужних джерел магнітного поля - електроенергетичного устаткування, а також висока ціна помилок оперативного персоналу, що керує електроенергетичним об'єктом. Тому актуальною є задача захисту оперативного персоналу від негативної дії спотворень ГМП. Ця задача зводиться до нормалізації ГМП і може бути вирішена шляхом компенсації біотропних спотворень ГМП на робочих місцях за допомогою спеціальних систем компенсації.

Проте до цього часу не визначені фактичні рівні техногенних біотропних спотворень ГМП в приміщеннях диспетчерських пунктів електростанцій і високовольтних підстанцій, не досліджені методи і засоби їх компенсації. Відомі роботи по вирішенню наукових проблем компенсації магнітного поля (МП) в основному присвячені компенсації зовнішнього магнітного поля технічних об'єктів (кораблів, космічних апаратів, електрообладнання тощо), яке створюється внутрішніми джерелами магнітного поля, і тому не можуть бути безпосередньо використані для вирішення іншої задачі - компенсації внутрішнього магнітного поля в приміщенні, яке створюється зовнішніми джерелами, що і є темою дисертаційних досліджень.

Тому дисертаційні дослідження автора, спрямовані на подальший розвиток теорії і практики компенсації магнітного поля у напрямі розробки методів і засобів компенсації техногенних спотворень геомагнітного поля на робочих місцях оперативного персоналу електроенергетичних об'єктів, є актуальними і дозволяють вирішити важливу науково-прикладну задачу електротехніки.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Представлена дисертація є результатом діяльності здобувача при виконанні ряду науково-дослідних робіт: в рамках цільової науково-технічної програми ВФТПЕ НАН України «Наукові основи сучасних енергоефективних технологій генерування та перетворення електричної та теплової енергії» за темою «Розвиток методів розрахунку та спектрального аналізу зовнішнього магнітного поля енергонасичених об'єктів на площині» (Постанова Бюро ВФТПЕ НАН України від 21.01.2002 р., протокол №1, §3, шифр «Площина» № ДР 0102U001885, 2002-2005 рр.), здобувач - відповідальний виконавець теми; «Дослідження техногенних спотворень геомагнітного поля у житлових приміщеннях та розробка методик оцінки і контролю їх рівнів» (Постанова Бюро Відділення ФТПЕ НАН України від 20.11.2007 р., протокол №15, § 81, шифр «Екомаг», № ДР 0108U000058, 2008-2010 рр.), здобувач - виконавець розділів; в рамках комплексної програми наукових досліджень НАН України «Науково-технічні проблеми інтеграції енергетичної системи Україні в Європейську енергетичну систему» («Інтеграція») за темою «Розробка наукових та методичних основ нормалізації техногенних спотворень геомагнітного поля на робочих місцях диспетчерських пунктів ОЕС» (шифр «ГЕОС» № ДР 0106U008243, 2006-2008 рр.), здобувач - відповідальний виконавець теми.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка методів і засобів компенсації техногенних спотворень геомагнітного поля на робочих місцях оперативного персоналу електростанцій і високовольтних підстанцій для їх зниження до безпечного рівня.

Для досягнення поставленої мети в дисертації вирішувались наступні основні задачі:

- розробка методики експериментального визначення рівня спотворень ГМП усередині приміщень;

- виконання експериментальних досліджень МП усередині приміщень диспетчерських пунктів електроенергетичних об'єктів України і визначення фактичного рівня біотропних складових техногенних спотворень ГМП;

- виявлення головних біотропних спотворень ГМП на об'єктах електроенергетики і розкриття механізмів формування цих спотворень в приміщеннях диспетчерських пунктів;

- розвиток методів компенсації МП у напрямі компенсації біотропних складових техногенних спотворень ГМП усередині приміщень;

- синтез систем компенсації техногенних спотворень ГМП на робочих місцях операторів.

Об'єктом дослідження є стаціонарні (квазістаціонарні) техногенні спотворення геомагнітного поля усередині приміщень диспетчерських пунктів.

Предметом дослідження є системи компенсації техногенних спотворень геомагнітного поля на робочих місцях оперативного персоналу.

Методи дослідження. Вирішення поставлених задач базується на теорії потенціалу, методах просторового гармонічного аналізу магнітного поля, методах чисельної оптимізації Левенберга-Маркварда і Брента, методах безперервного перетворення Лапласа. У експериментальних дослідженнях використовувались метод прямих вимірювань індукції магнітного поля і метод її апроксимації двомірними кубічними сплайн-функціями.

Наукова новизна отриманих результатів:

- вперше експериментально досліджені стаціонарна і низькочастотна (50 Гц) складові магнітного поля в приміщеннях диспетчерських пунктів теплових електростанцій й високовольтних розподільних підстанцій і показано, що головними техногенними спотвореннями ГМП на цих об'єктах є стаціонарні спотворення, які викликають істотне, більш 80 %, ослаблення ГМП;

- запропонований новий метод загальної компенсації малоградієнтних техногенних спотворень ГМП в робочому об'ємі приміщень, який ґрунтується на вимірюванні магнітного поля спотворень в приміщенні та розміщенні на його внутрішній поверхні компенсаційних контурів зі струмом, кількість, конфігурація і просторове розташування яких вибирається виходячи з мінімізації середньоквадратичної суми модулів векторів індукції компенсуючого магнітного поля та магнітного поля, що компенсується, а величина струму в контурах встановлюється мінімально можливою при компенсації стаціонарних спотворень ГМП, або автоматично регулюється у функції відхилення вектора індукції магнітного поля від заданого в контрольній точці усередині приміщення при компенсації нестаціонарних спотворень ГМП;

- запропонований новий метод локальної компенсації градієнтних техногенних спотворень ГМП в робочій зоні приміщення, який заснований на вимірюванні магнітного поля в області градієнтного спотворення і синтезі системи дипольних компенсаційних джерел, що розташовуються у просторі приміщення, кількість, магнітні моменти й просторові координати яких визначаються за результатами рішення задачі мінімізації середньоквадратичної суми модулів векторів індукції компенсуючого магнітного поля та поля, що компенсується;

- вперше проведений синтез систем компенсації спотворень ГМП в приміщеннях диспетчерських пунктів електростанцій, виконаних як в розімкненій, так і в замкнутій структурах, та побудованих на основі як розподілених компенсаційних обмоток, так і локальних електромагнітних компенсаторів.

Практичне значення отриманих результатів. Використання отриманих результатів дозволило:

- визначити головні джерела і фактичні рівні спотворень ГМП на робочих місцях оперативного персоналу диспетчерських пунктів об'єктів електроенергетичної системи України;

- створити методи компенсації біотропних спотворень ГМП в приміщеннях диспетчерських пунктів енергетичних об'єктів і розробити системи компенсації, що їх реалізовують, використання яких дозволяє нормалізувати рівень ГМП на робочих місцях оперативного персоналу і на цій основі поліпшити умови їх праці, знизити імовірність помилок персоналу при прийнятті ними оперативних рішень.

Результати роботи знайшли практичне використання:

- у Науково-технічному центрі магнетизму технічних об'єктів Національної академії наук України при виконанні планових робіт з визначення рівня спотворень ГМП на 8 диспетчерських пунктах 7 електроенергетичних об'єктів України в рамках наукового проекту ”Розробка наукових і методичних основ нормалізації техногенних спотворень ГМП на робочих місцях диспетчерських пунктів ОЕС” (№ ДР 0106U008243);

- у ВАТ «Харківська ТЕЦ-5» при компенсації спотворень ГМП на робочих місцях центрального щита управління електростанції;

- у Інституті гігієни і медичної екології ім. А.Н. Марзєєва Академії медичних наук України при розробці «Державних санітарних правил і норм захисту населення від впливу електромагнітних випромінювань».

Особистий внесок. Наукові положення і результати, що викладені в дисертації, отримані дисертантом самостійно. У працях, опублікованих в співавторстві, дисертантові належить: [1, 2] - метод локальної компенсації градієнтних спотворень ГМП, [3] - методика експериментального визначення спотворень ГМП в приміщеннях, [7] - аналіз джерел спотворень ГМП в приміщеннях диспетчерських пунктів, [8] - аналіз результатів вимірювань спотворень ГМП, [9] - обґрунтування ефекту ослаблення ГМП в приміщеннях; [10] - принципи побудови систем автоматичної компенсації, [11] - метод загальної компенсації малоградієнтних спотворень ГМП.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати досліджень за темою дисертації доповідались та обговорювалися на міжнародних науково-технічних конференціях: «Силова електроніка і енергоефективність» (Алушта, 2009 р.); SIEMA «Проблеми удосконалення електричних машин і апаратів. Теорія і практика» (Харків, 2004 р., 2006 р.); 10-ій науково-технічній конференції «Електромагнітна сумісність технічних засобів і електромагнітна безпека», (Санкт-Петербург, 2008 р.), а також на засіданнях семінару НТЦ МТО НАН України «Проблеми управління магнітним полем електромагнітних та електромеханічних систем» Наукової Ради НАН України з проблеми «Наукові основи електроенергетики» (Харків, 2006-2009 рр.) - 6 доповідей.

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 11 наукових праць, з них 8 статей в фахових виданнях, що входять до Переліку ВАК України.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, 3 додатків і списку використаних джерел. Повний обсяг роботи становить 255 сторінок, в тому числі 141 сторінка основного тексту, 60 рисунків, 10 таблиць, додатки на 84 сторінках, список використаних джерел зі 112 найменувань на 13 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету і задачі наукового дослідження, наведені дані про зв'язок роботи з науковими програмами, викладено наукову новизну, практичне значення, наведені відомості про їх апробацію, публікації та впровадження.

У першому розділі сформульовані і обґрунтовані допущення, прийняті в роботі; виконаний аналіз складових спотворень ГМП усередині приміщень; приведені діючі в світі санітарні норми по гранично допустимих рівнях стаціонарних і низькочастотних спотворень ГМП та відомі методи зниження їх біотропних складових; виконаний аналіз існуючих методів і засобів компенсації магнітного поля й визначені напрями їх розвитку для здійснення ефективної компенсації спотворень ГМП усередині приміщень; виконана постановка задач дисертаційних досліджень.

Приміщення оперативного персоналу диспетчерських пунктів (1, рис.1) електростанцій та розподільних підстанцій розміщені в основних виробничих будівлях вказаних об'єктів, де в безпосередній близькості від цих приміщень об'ємом V_П з великою щільністю розташовані феромагнітні масивні і протяжні будівельні конструкції 2, технологічне устаткування 3 і силове електрообладнання 4.

Тут і надалі під терміном "спотворення ГМП" маємо на увазі будь-які відхилення модуля вектора індукції МП в приміщенні від модуля вектора індукції природного ГМП. Подальший аналіз проводимо враховуючи наступні допущення: відсутність джерел МП усередині приміщення; обмежений частотний діапазон МП спотворень (0-1000Гц) і його розгляд в квазістаціонарному наближенні; однорідність ГМП в приміщенні й лінійність намагнічування феромагнетиків під його дією.

З урахуванням цих допущень система рівнянь Максвела при описі МП в приміщенні може бути спрощена

, (1)

а МП має скалярний потенціал U, який визначається рівнянням Лапласа

, U=0. (2)

Напруженість МП в довільній точці простору усередині приміщення диспетчерського пункту може бути представлена у вигляді суми:

, , (3)

де - вектор напруженості природного ГМП; - вектор напруженості МП, викликаного джерелами спотворень у поточний час t; - напруженість МП від намагнічених феромагнітних конструкцій 2, 3 (рис.1); - напруженість МП спотворень, викликаних струмами силового електрообладнання 4 (рис.1).

Як свідчать медикостатистичні дослідження, найбільший негативний біотропний ефект, який викликає функціональні розлади нервової і серцево-судинної систем і призводить до розладів поведінкових реакцій, створюють такі складові техногенних спотворень, як ослаблення ГМП, а також спотворення ГМП на промисловій частоті.

Тому в світі все більш широко вводиться державне нормування їх гранично допустимого санітарного рівня.

В Україні в даний час проводиться робота по розробці та впровадженню санітарних норм відповідно до таблиці 1.

Таблиця 1 Санітарні норми по граничних рівнях техногенних спотворень геомагнітного поля в робочих приміщеннях

Складова спотворень	Гранично допустимий рівень санітарних норм	Нормативний документ
Ослаблення геомагнітного поля	Рівень ослаблення модуля вектора індукції ГМП не більше ніж на 50% від його природного значення	СанПиН 2.1.8/2.2.2489-09 (Росія), проект нормативів (Україна)
Магнітне поле 50 Гц	Модуль вектора індукції не більше 10 мкТл	СанПиН 2.1.3.1002-00 (Росія); проект нормативів (Україна)

Ефективне вирішення задачі зменшення спотворень ГМП в робочих приміщеннях вимагає комплексного підходу, який потребує застосування різних методів зниження спотворень ГМП. З них найбільший інтерес представляють методи і засоби компенсації МП.

Рішення задачі дисертаційних досліджень пов'язане з компенсацією спотворень МП усередині приміщення, коли джерела спотворень знаходяться в зовнішній по відношенню до приміщення області простору та, як правило, фізично недоступні для вимірювання та безпосередньої дії на них. Тому джерелом інформації для формування компенсуючої дії може бути тільки виміряне усередині приміщення МП, що вимагає нового підходу до синтезу систем компенсації (СК) спотворень на основі даних вимірювань МП. Вказані особливості в рішенні задачі компенсації МП усередині приміщень зумовлюють необхідність розвитку існуючих методів компенсації і розробки нових засобів їх реалізації, що і є основним завданням дисертаційних досліджень.

У другому розділі запропоновано методику експериментального визначення рівня спотворень ГМП в приміщеннях, приведені результати експериментальних досліджень стаціонарних спотворень ГМП і спотворень ГМП на частоті 50 Гц на 8 диспетчерських пунктах електроенергетичних об'єктів України та виконаний їх аналіз.

Розроблена методика передбачає вимірювання індукції МП у вузлах сітки з кроками h_x, h_y, h_z (рис.2), яка охоплює робочий об'єм приміщення V_Р, та апроксимацію значень вимірювань за допомогою двомірних кубічних сплайн-функций з їх подальшою графічною візуалізацією у вигляді кривих з однаковим рівнем спотворень. В областях градієнтних спотворень крок сітки зменшується для обмеження похибки вимірювань на рівні 10%.

По вказаній методиці автором проведені експериментальні дослідження спотворень ГМП в робочих приміщеннях диспетчерських пунктів: теплових електростанцій «Харківська ТЕЦ-5» (БЩУ); Зміївська ТЕС (БЩУ, ЦЩУ); високовольтних підстанцій ПС-330 кВ «Лосеве», ПС-330 кВ «Кременчук», ПС-750 кВ «Північноукраїнська»; центрального диспетчерського пункту НЕК «Укренерго», м. Київ; диспетчерського пункту північної енергетичної системи НЕК «Укренерго», м. Харків. Вимірювання як стаціонарного МП, так і МП на частоті 50 Гц проводились за допомогою ферозондового магнітометра типу Magnetoscop 1.069 фірми Foerster у вузлах сітки (рис. 2) з основним кроком 0,5 м на висоті 0,5; 1,0 та 1,5 м від підлоги. Рівень спотворень ГМП визначався як відносне значення різниці модулів виміряного значення індукції і модуля природного ГМП :

.(4)

Загальні результати вимірювань стаціонарних спотворень ГМП представлені на рис.3 і показують, що техногенні спотворення МП на цих об'єктах викликають ослаблення ГМП. Найбільший рівень ослаблення ГМП виникає на диспетчерських пунктах електростанцій і сягає понад 80%.

Найбільш характерні результати вимірювань представлені на рис. 4.

Результати вимірювань спотворень ГМП на частоті 50 Гц показують їх незначний рівень на всіх об'єктах, який не перевищує 0,3 мкТл при рівні санітарних норм 10 мкТл, що пов'язано з інтенсивним затуханням МП електроенергетичного обладнання електростанцій при його фактичній віддаленості від диспетчерських пунктів (30-50 метрів).

Цей результат обґрунтований аналітично, що ілюструють графіки (рис. 5), побудовані для радіальної дипольної складової МП типового електрообладнання електростанцій при віддаленні на відстань r від їх корпусу, де 1 - асинхронний електродвигун, P_H=100 кВт, М =100 Ам²; 2 - силовий розподільний щит, I_H =10 кА; М =3300 Ам²; 3 - турбогенератор, P_H =300 мВт, М =120000 Ам²; 4 - рівень санітарних норм.

Таким чином, результати проведених експериментальних досліджень свідчать, що головними спотвореннями ГМП у приміщеннях диспетчерських пунктів електроенергетичних об'єктів є стаціонарні спотворення, які ослаблюють ГМП.

Ці спотворення ГМП класифікуємо як малоградієнтні (рис. 4а), що характеризуються градієнтом МП спотворень B? 5 мкТл/м та градієнтні (А на рис. 4б) з B? 20 мкТл/м.

У третьому розділі виконаний аналіз джерел спотворень ГМП і досліджений механізм ослаблення ГМП, запропоновані методи компенсації малоградієнтних і градієнтних спотворень ГМП в приміщеннях.

Як випливає з проведеного вище аналізу, головними спотвореннями ГМП в приміщеннях є стаціонарні спотворення, що ослаблюють ГМП і спричинені МП намагніченості елементів будівельних і технологічних конструкцій (рис. 1).

При цьому значення МП спотворень , що створюються усередині приміщення елементом конструкції з об'ємом V₀, може бути визначено на основі рівнянь Пуассона як:

, , (5)

де , - вектори індукованої і залишкової намагніченості відповідно.

Індукована складова намагніченості, вектор якої співпадає з вектором ГМП, при рівномірному намагнічуванні:

(6)

де - початкова магнітна сприйнятливість матеріалу конструкції; - розмагнічуючий коефіцієнт, який визначається формою граничної поверхні конструкції і її орієнтацією відносно ГМП.

Зі співвідношень (5, 6) витікає, що рівень стаціонарних спотворень ГМП залежить від об'єму і кількості намагнічених феромагнітних елементів, їх відстані до приміщення, форми їх граничних поверхонь і орієнтації в ГМП, магнітної сприйнятливості їх матеріалу. Цей рівень є стабільним при незмінних будівельних і інженерних конструкціях, що дозволяє зробити важливий висновок про можливість довготривалої компенсації цих спотворень нерегульованими компенсаційними джерелами.

На основі співвідношень (5, 6) досліджений механізм ослаблення ГМП в приміщеннях на прикладі ослаблення вертикальної складової ГМП (рис. 6а), яка створює намагніченість , магнітне поле від якої підсилює ГМП на торцях опорного елементу (рис. 6а), і ослабляє ГМП поблизу його бічної поверхні (в т.ч. в точці x приміщення), оскільки в цій області воно спрямовано зустрічно ГМП. Аналогічний ефект ослаблення ГМП виникає і для інших просторових складових. Так на рис. 6б представлені результати чисельного розрахунку розподілу ліній рівного модуля індукції магнітного поля вертикального сталевого стрижня, намагніченого повним вектором ГМП. Розрахунок виконаний з використанням методу кінцевих об'ємів у вигляді програми на алгоритмічній мові FORTRAN і також підтверджує ефект ослаблення ГМП поблизу бічної поверхні стрижня і посилення ГМП на його торцях. Таким чином, ефект ослаблення ГМП в приміщеннях диспетчерських пунктів виникає за рахунок магнітостатичного екранування ГМП протяжними і масивними феромагнітними будівельними і технологічними конструкціями.

З урахуванням прийнятих раніше допущень і відповідно до (2), задача компенсації спотворень ГМП усередині приміщення може бути зведена до компенсації МП на замкнутій внутрішній поверхні приміщення за допомогою джерела компенсуючого МП поверхнево-розподіленого типу, розташованого на поверхні . Це джерело може бути представлене у вигляді подвійного шару фіктивних магнітних зарядів з параметрами, що визначаються на основі рішення неоднорідного інтегрального рівняння Фредгольма другого роду щодо невідомої щільності подвійного шару фіктивних магнітних зарядів :

. (7)

Фізичним аналогом компенсаційного джерела відповідно до (7) може бути система поверхнево-розподілених компенсаційних обмоток (КО) з регульованими струмами, що покриває поверхню приміщення відповідно до рис. 7а.

Для практичної реалізації методу загальної компенсації малоградієнтних спотворень ГМП в приміщенні доцільне зменшення кількості КО і їх виконання (рис. 7б) у вигляді електромагнітного компенсатора (ЕМК), що складається з системи із 3-х ортогональних КО, які охоплюють поверхню приміщення.

Сутність методу компенсації спотворень ГМП в приміщенні полягає у формуванні компенсуючого магнітного поля , суперпозиція якого з магнітним полем в робочому об'ємі приміщення повинна мінімально відрізнятися по модулю від модуля вектора природного ГМП . Компенсуюче магнітне поле є відомою функцією вільних параметрів ЕМК, в якості яких виступають ампер-витки КО, їх геометричні параметри, локалізація і ін. Тоді узагальнена умова компенсації може бути виражена співвідношенням:

де - поточна просторова координата. Слід відзначити, що, оскільки МП усередині приміщення відоме тільки в точках вимірювання, різниця модулів може бути обчислена тільки в цих точках. З урахуванням цієї обставини умова компенсації може бути записана у вигляді:

, (8)

де - задана величина максимального допустимого відхилення від , яка в загальному випадку визначається санітарними нормами.

Тоді ефективність компенсації :

. (9)

Для пошуку оптимальних вільних параметрів ЕМК запропоновано здійснювати чисельну мінімізацію суми квадратів відхилень модуля індукції магнітного поля, що компенсується, в точках вимірювання від модуля ГМП і визначати параметри відповідно до співвідношення:

. (10)

Компенсацію градієнтних стаціонарних спотворень ГМП (А, рис. 4б) в об'ємі V_З, що є частиною робочого об'єму приміщення (рис. 8), які викликані локальними намагніченостями феромагнітних елементів стін і міжповерхових перекриттів (наприклад, в точці 0 рис.8), пропонується виконувати системою з N дипольних компенсаційних джерел. Задачею компенсації в цьому випадку є чисельне визначення мінімальної кількості N і параметрів (магнітних моментів, просторових координат) компенсуючих диполів (рис. 8) при заданій максимально допустимій похибці компенсації :

, (11)

де - похибка компенсації спотворень ГМП, по досягненню якої процес пошуку параметрів компенсуючих дипольних джерел припиняється; - вектор магнітного поля (m+1)-го компенсуючого диполя в точці вимірювання .

При вирішенні задачі компенсації вважаємо заданими виміряне в робочому об'ємі приміщення МП, геометрію приміщення і робочого об'єму. На цій основі визначаємо кількість N, координати розташування і магнітні моменти дипольних ЕМК, при яких забезпечується виконання умови (11).

Запропонований метод заснований на припущенні, що виміряне МП спотворень поблизу точки 0 (рис. 8), де розташований максимум локального спотворення ГМП, має дипольний характер. Тоді для визначення параметрів локального ЕМК в околі точки 0 можна використати відомий аналітичний метод власних векторів для вирішення оберненої задачі магнітостатики, що заснований на властивості однорідності вектора магнітної індукції для дипольного джерела відносно його радіус-вектора.

По умові відсутності в об'ємі V_З (рис. 8) джерел МП, можна припустити, що на поверхні S_Р, що обмежує об'єм V_З, МП завжди буде більше, ніж усередині V_З.

Тоді задачу компенсації спотворень ГМП в V_З можна звести до задачі компенсації МП на замкненій поверхні S_З, що охоплює об'єм V_З і представляє собою шість плоских перетинів. Задача оптимізації вирішується на основі циклу з покроковим збільшенням числа дипольних ЕМК і закінченням циклічного процесу по досягненні критерію (11).

При цьому вектор параметрів (m+1)-го компенсуючого диполя є рішенням задачі:

. (12)

У четвертому розділі на основі запропонованих методів компенсації проведений синтез систем компенсації головних спотворень ГМП на робочих місцях оперативного персоналу електроенергетичних об'єктів і виконана оптимізація їх параметрів за критерієм максимуму ефективності компенсації, приведені результати експериментальних досліджень макетного зразка системи компенсації.

На основі проведеного автором аналізу запропонована класифікація систем компенсації спотворень ГМП в приміщеннях диспетчерських пунктів. Так, компенсація стаціонарних спотворень ГМП може здійснюватися нерегульованими СК з періодичним підстроюванням параметрів за даними контрольних вимірювань МП, а компенсація нестаціонарних спотворень - системами автоматичної компенсації зі стеженням за МП усередині приміщень. Для компенсації малоградієнтних спотворень ГМП пропонується використовувати СК з ЕМК на основі розподілених КО, що охоплюють приміщення (рис. 7б), а для компенсації градієнтних спотворень ГМП - на основі дипольних локальних ЕМК, які виконуються у вигляді електромагнітів, що розміщуються усередині приміщень (рис. 8). Оскільки головними спотвореннями ГМП в приміщеннях диспетчерських пунктів є малоградієнтні стаціонарні спотворення, базовою системою є нерегульована СК з ЕМК (рис. 7б) і структурою, представленою на рис. 9.

Задаючий пристрій (ЗП) формує сигнали задання струму КО. Їх величини встановлюються за результатами оптимізації параметрів системи. Джерела живлення (ДЖ) виконують функцію підсилювача-стабілізатора струмів КО. ЕМК у загальному випадку виконується відповідно до рис. 7б і містить трикомпонентні контурні компенсаційні обмотки. Ці обмотки для підвищення ефективності компенсації можуть секціонуватись, що дозволяє досягти ефективності від 15 (для однієї секції) до 40 (при п'яти секціях).

Виходячи з реальних рівнів ослаблення ГМП на диспетчерських пунктах електростанцій (рис. 3), для досягнення вимог санітарних норм (табл. 1) достатньою є реалізація ефективності СК близько 2, а для досягнення комфортного рівня - близько 10, що створює можливості для істотного спрощення СК (рис. 9) шляхом виконання її в однокомпонентній структурі (рис. 10).

Автором вирішена задача оптимізації параметрів однокомпонентної СК (величини ампер-витків і її просторової орієнтації щодо горизонтальної площини нормування) по критерію максимуму ефективності компенсації. Початковими даними при оптимізації є розміри приміщення, якими визначаються розміри КО, розміри робочої області та фактичний рівень спотворень ГМП.

В якості вільних параметрів q_i використовуються ампер-витки КО (q₁), відстань від КО до горизонтальної площини вимірів (q₂), кути нахилу КО (q₃, q₄) відносно двох осей, що проходять через центр O (0,0,q₂), паралельних осям OX та OY (рис. 10).

Оптимізація проведена для реального об'єкту - ЦЩУ ТЕЦ-5 (рис. 4а) з розмірами приміщення 8,6x8,2x4 м³ і розмірами робочої зони 5x3x1 м³ по критерію (8) з використанням чисельного методу, заснованого на ітераційному алгоритмі Левенберга-Маркварда і реалізованого у вигляді програми на алгоритмічній мові FORTRAN для персонального комп'ютера. Результатом оптимізації є визначені оптимальні параметри СК, які склали: для СК з горизонтальною обмоткою =226,2 ампер-витків, =1,36 м; для СК з нахиленою обмоткою =238,7 ампер-витків, =1,74 м, =25,57, =2,32. Розрахункові значення рівня спотворень ГМП при використанні синтезованої СК представлені на рис. 11. При цьому розрахункова ефективність компенсації для горизонтальної КО складає 4,3 одиниці, а для нахиленої КО - 14 одиниць.

Для реалізації методу локальної дипольної компенсації градієнтних спотворень ГМП, синтезована нерегульована СК (рис. 12), побудована на основі системи локальних дипольних ЕМК, виконаних у вигляді електромагнітів (ЕМ) з габаритними розмірами 50-200 мм і магнітними моментами 1-100 Ам². Розташовані в певних точках робочої зони приміщення ЕМК створюють сумарне компенсуюче МП , яке визначається їх магнітними моментами . Синтез СК (рис. 12) полягає у визначенні величини магнітних моментів і координат розташування магнітних центрів ЕМК (рис. 12б) для реалізації необхідної ефективності компенсації при мінімальній кількості ЕМК.

Початковими даними для синтезу цієї СК, який здійснюється на основі розробленого методу компенсації градієнтних спотворень ГМП і умови (11), є розміри зони приміщення з локальним спотворенням і фактичний рівень спотворень ГМП. геомагнітний електростанція компенсація біотропний

Як вільні параметри використовуються кількість N ЕМК та їх магнітні моменти з координатами локалізації. Розрахунок значень рівня спотворень ГМП при використанні синтезованої СК (рис. 12), що складається з трьох ЕМК, виконана для реального випадку компенсації спотворень (рис. 4б). При цьому мінімальна ефективність компенсації, що підтверджена лабораторним експериментом, складає не менше 1,2 для N=1; 2,1 - для N=2; 3,2 - для N=3.

Для компенсації нестаціонарних спотворень ГМП автором синтезована система автоматичної компенсації (САК), що представлена на рис. 13. На виході ЗП формується керуючий сигнал за умови відтворення природного вектора індукції ГМП в місці установки трикомпонентного датчика магнітного поля (ДМП, рис. 7б). Формування компенсуючого МП здійснюється трикомпонентним ЕМК (рис. 7б) з розподіленими КО. Показана перспектива широкого використання такої САК, в т.ч. на робочих місцях машиністів електротранспорту.

Розглянуті особливості синтезу ЕМК для різних СК та визначена питома потужність КО ЕМК при компенсації ослаблення ГМП, яка складає близько 10 Вт на 1 м² площі приміщення диспетчерського пункту.

Експериментальна перевірка розроблених СК виконана автором при випробуваннях макетного зразка однокомпонентної СК (рис. 10) з горизонтальною КО в приміщенні ЦЩУ електростанції «Харківська ТЕЦ-5». Результати експерименту добре співпадають з розрахунком (рис. 11) та підтверджують правильність отриманих автором теоретичних положень, а також можливість зниження біотропних спотворень ГМП в приміщеннях диспетчерських пунктів до рівня санітарних норм.

Висновки

У дисертаційній роботі дістала подальшого розвитку теорія компенсації магнітного поля. Отримані в дисертації результати в сукупності складають істотний внесок в рішення науково-прикладної задачі створення ефективних систем компенсації техногенних спотворень геомагнітного поля на робочих місцях оперативного персоналу об'єктів електроенергетики.

1. Обґрунтована необхідність подальшого розвитку теорії компенсації магнітного поля стосовно компенсації спотворень геомагнітного поля усередині приміщень диспетчерських пунктів об'єктів електроенергетики, викликаних зовнішніми техногенними джерелами магнітного поля, і синтезу на її основі нових систем компенсації, які забезпечують ефективну компенсацію техногенних спотворень геомагнітного поля для їх зниження до безпечного рівня.

2. Вперше, на основі розробленої методики, проведені експериментальні дослідження геомагнітного поля на робочих місцях 8 диспетчерських пунктів 7 електростанцій й високовольтних підстанцій електроенергетичної системи України, результати яких підтвердили наявність істотних стаціонарних техногенних спотворень, що послаблюють ГМП, а також незначний рівень спотворень на частоті 50 Гц.

3. Виявлено й обґрунтовано механізм формування головних стаціонарних малоградієнтних спотворень геомагнітного поля на диспетчерських пунктах електроенергетичних об'єктів, який полягає в магнітостатичному екрануванні геомагнітного поля протяжними феромагнітними будівельними, технологічними та інженерними конструкціями, які оточують ці приміщення, що приводить на електростанціях до істотного (більш 80%) ослаблення геомагнітного поля з перевищенням санітарних норм.

4. Запропонований метод загальної компенсації малоградієнтних спотворень ГМП на основі використання системи розподілених компенсаційних обмоток, що охоплюють приміщення, а також метод локальної компенсації градієнтних спотворень геомагнітного поля в приміщеннях на основі використання системи локальних дипольних електромагнітних компенсаторів, спільне застосування яких дозволяє компенсувати як загальне ослаблення геомагнітного поля, спричинене протяжними конструктивними елементами будівлі й технологічним устаткуванням, так і градієнтні спотворення від прихованих локальних джерел, розташованих в стінах й міжповерхових перекриттях приміщення.

5. Синтезована структура нерегульованої СК, що реалізує метод загальної компенсації малоградієнтних спотворень ГМП в приміщеннях в однокомпонентній структурі з розподіленою однокомпонентною нахиленою КО і запропонований метод оптимізації її параметрів по критерію максимуму ефективності компенсації фактичних спотворень ГМП, що дозволяє досягти ефективності компенсації не менше 3 при горизонтальній і не менше 10 при нахиленій КО.

6. Проведений синтез структури нерегульованої СК з системою локальних дипольних ЕМК, яка реалізовує метод локальної дипольної компенсації градієнтних спотворень ГМП і показано, що при обмеженні кількості ЕМК на рівні 3 ефективність компенсації градієнтних спотворень від прихованих джерел складає не менше 3.

7. Виконаний синтез структур замкнених систем автоматичної компенсації з розподіленими ЕМК, що здійснюють компенсацію як стаціонарних спотворень ГМП, так і нестаціонарних складових спотворень на частоті 50 Гц.

8. Проведені експериментальні дослідження фізичних макетів СК із загальною компенсаційною обмоткою і СК на основі системи локальних електромагнітних компенсаторів, результати яких підтвердили результати теоретичних досліджень. Створений і випробуваний на ЦЩУ ВАТ «Харківська ТЕЦ-5» макетний зразок системи компенсації, що дозволяє забезпечити рівень санітарних норм на робочих місцях оперативного персоналу електростанції.

9. Основні результати виконаних в дисертації досліджень і практичних розробок використані: у Науково-технічному центрі магнетизму технічних об'єктів Національної академії наук України при виконанні планових робіт по вимірюванню рівня спотворень геомагнітного поля на 7 електроенергетичних об'єктах України в рамках наукового проекту ”Розробка наукових і методичних основ нормалізації техногенних спотворень геомагнітного поля на робочих місцях диспетчерських пунктів ОЕС” (№ ДР 0106U008243); у ВАТ «Харківська ТЕЦ-5» при компенсації спотворень геомагнітного поля на робочих місцях центрального щита управління електростанції; у Інституті гігієни і медичної екології ім. А.Н. Марзєєва Академії медичних наук України при розробці «Державних санітарних правил і норм захисту населення від впливу електромагнітних випромінювань».

10. Результати дисертаційної роботи рекомендовані до застосування науковим і промисловим установам й підприємствам, які виконують дослідження і розробку методів та засобів компенсації магнітного поля, або вирішують проблеми захисту робочого персоналу й населення від негативної дії техногенних спотворень геомагнітного поля.

11. Достовірність і обґрунтованість наукових положень, виводів і рекомендацій дисертаційних досліджень підтверджуються використанням коректних методів досліджень, узгодженням розрахунків з експериментальними даними і раніше відомими з літературних джерел результатами, апробацією основних положень і результатів на представницьких наукових конференціях.

Публікації за темою дисертації

1. Пелевин Д.Е. Коррекция искаженного магнитного поля внутри помещений / Д.Е. Пелевин, Ю.Д. Рудас // Електротехніка і електромеханіка. - Харків: НТУ "ХПІ". - 2002. - № 1. - С. 57-60.

2. Лупиков В.С. Определение источников магнитного поля технического объекта / В.С. Лупиков, Д.Е. Пелевин // Електротехніка і електромеханіка. - Харків: НТУ "ХПІ". - 2002. - № 2. - С. 43-46.

3. Лупиков В.С. Улучшение однородности магнитного поля в рабочей области магнитоизмерительного стенда / В.С. Лупиков, Н.В. Крюкова, А.Е. Машнев, С.В. Петров, Д.Е. Пелевин, В.Е. Шубцов // Електротехніка і електромеханіка. - Харків: НТУ "ХПІ". - 2005. - № 4. - С. 51-53.

4. Пелевин Д.Е. Магнитный момент совокупности электромагнитов компенсаторов магнитного поля / Д.Е. Пелевин // Електротехніка і електромеханіка. - Харків: НТУ "ХПІ". - 2005. - № 4. - С. 57-60.

5. Пелевин Д.Е. Оптимизация параметров электромагнитов управления магнитным полем / Д.Е. Пелевин // Електротехніка і електромеханіка. - Харків: НТУ "ХПІ". - 2006. - № 3. - С. 31-34.

6. Пелевин Д.Е. Определение исходных данных для электромагнитных устройств управления магнитным полем в помещениях / Д.Е. Пелевин // Електротехніка і електромеханіка. - Харків: НТУ "ХПІ". - 2007. - № 3. - С. 73-76.

7. Розов В.Ю. Техногенные искажения естественного геомагнитного поля и проблемы магнитной экологии / В.Ю. Розов, М.М. Резинкина, Ю.Д. Думанский, Ю.Д. Рудас, Д.Е. Пелевин // Вестник Национального технического университета “Харьковский политехнический институт”. - Харків: НТУ “ХПИ”. - 2007. - № 24. - С. 68-78.

8. Розов В.Ю. Пути нормализации техногенных искажений геомагнитного поля в среде длительного пребывания людей / В.Ю. Розов, М.М. Резинкина, Д.Е. Пелевин // Гігієна населених місць: Зб. наук. пр. - К.: ДУ «ІГМЕ АМНУ», - 2007. - Вип. 50. - С. 232-242.

9. Резинкина М.М. Исследование антропогенных искажений геомагнитного поля в помещениях / М.М. Резинкина, В.Ю. Розов, Д.Е. Пелевин // Сб. докл. 10-ой научно-технической конференции “Электромагнитная совместимость технических средств и электромагнитная безопасность”. - С.-Петербург: ВИТУ, - 2008. - С. 678-683.

10. Розов В.Ю. Принципы построения систем автоматической компенсации биотропных искажений геомагнитного поля на рабочих местах оперативного персонала / В.Ю. Розов, Д.А. Ассуиров, Д.Е. Пелевин // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск “Силова електроніка та енерго-ефективність”. - 2009. - Ч. 1. - С. 51-54.

11. Розов В.Ю. Оптимизация параметров систем компенсации стационарных искажений геомагнитного поля в помещениях / В.Ю. Розов, Д.Е. Пелевин, С.Ю. Реуцкий // Технічна електродинаміка. - 2009. - № 5. - С. 11-16.

Анотація

Пєлєвін Д.Є. Системи компенсації техногенних спотворень геомагнітного поля на робочих місцях оперативного персоналу електроенергетичних об'єктів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 - електротехнічні комплекси та системи. - Науково-технічний центр магнетизму технічних об'єктів НАН України, Харків, 2010.

Дисертація присвячена розробці методів та засобів компенсації техногенних спотворень геомагнітного поля в приміщеннях оперативного персоналу електростанцій та високовольтних підстанцій для їх зменшення до рівня санітарних норм. Виконані експериментальні дослідження геомагнітного поля в приміщеннях 8 диспетчерських пунктів різних електроенергетичних об'єктів України, які підтвердили наявність істотних стаціонарних спотворень, що значно послаблюють геомагнітне поле та спричинені протяжними феромагнітними елементами технологічних та будівельних конструкцій, що оточують приміщення. Запропоновані методи загальної та локальної компенсації малоградієнтних та градієнтних спотворень геомагнітного поля в приміщеннях. Проведено синтез нерегульованих та автоматичних систем компенсації як стаціонарних, так і нестаціонарних спотворень геомагнітного поля, та виконано оптимізацію їх параметрів за критерієм максимуму ефективності компенсації.

Виконана експериментальна перевірка розроблених систем компенсації, яка підтвердила правильність отриманих теоретичних положень та можливість зменшення біотропних спотворень геомагнітного поля до рівня санітарних норм.

Ключові слова: ослаблення геомагнітного поля, компенсаційна обмотка, електромагнітний компенсатор, системи компенсації магнітного поля.

Аннотация

Пелевин Д.Е. Системы компенсации техногенных искажений геомагнитного поля на рабочих местах оперативного персонала электроэнергетических объектов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы. - Научно-технический центр магнетизма технических объектов НАН Украины, Харьков, 2010.

Диссертация посвящена разработке методов и средств компенсации техногенных биотропных искажений геомагнитного поля (ГМП) в помещениях оперативного персонала электрических станций и высоковольтных подстанций для их уменьшения до уровня санитарных норм и снижения вероятности ошибок персонала при принятии им ответственных решений.

Проведены экспериментальные исследования уровня искажений геомагнитного поля в частотном диапазоне 0-1000Гц на рабочих местах 8 диспетчерских пунктов электростанций и высоковольтных подстанций электроэнергетической системы Украины. Их результаты подтвердили наличие в помещениях стационарных техногенных искажений МП, существенно ослабляющих ГМП, а также незначительный уровень искажений на частоте 50 Гц, не превышающий 0,3 мкТл.

Обоснован эффект ослабления геомагнитного поля на диспетчерских пунктах электроэнергетических объектов, который объясняется магнитостатическим экранированием ГМП протяженными ферромагнитными строительными, технологическими и инженерными конструкциями, окружающими эти помещения, что приводит на электростанциях к существенному (более 80%) ослаблению геомагнитного поля с превышением уровня санитарных норм.

Предложен метод общей компенсации малоградиентных искажений ГМП на основе использования системы распределенных компенсационных обмоток, охватывающих помещение, а также метод локальной компенсации градиентных искажений геомагнитного поля в помещениях на основе использования системы локальных дипольных электромагнитных компенсаторов, совместное применение которых позволяет скомпенсировать как общее ослабление геомагнитного поля, созданное протяженными конструктивными элементами здания и технологическим оборудованием, так и градиентные искажения от скрытых локальных источников, расположенных в стенах и межэтажных перекрытиях помещения.

Синтезирована структура построения нерегулируемой системы компенсации (СК), реализующая метод общей компенсации малоградиентных искажений ГМП в помещениях в однокомпонентной структуре с однокомпонентной наклонной компенсационной обмоткой (КО), охватывающей помещение, и предложен метод оптимизации ее параметров по критерию максимума эффективности компенсации фактических искажений ГМП, что позволяет достичь эффективности компенсации не менее 3 единиц при горизонтальной КО и не менее 10 единиц при наклонной КО.

Проведен синтез структуры нерегулируемой СК с системой локальных дипольных ЭМК, реализующей метод локальной дипольной компенсации градиентных искажений ГМП и показано, что при ограничении количества ЭМК на уровне 3 эффективность компенсации градиентных искажений от скрытых источников составляет не менее 3.

Выполнен синтез структур замкнутых систем автоматической компенсации с распределенными ЭМК, осуществляющих автоматическую компенсацию как стационарных искажений ГМП, так и нестационарных составляющих искажений на частоте 50 Гц.

Проведены экспериментальные исследования физических макетов СК с общей компенсационной обмоткой и СК на основе системы локальных электромагнитных компенсаторов, которые подтвердили результаты теоретических исследований. Создан и испытан на ЦЩУ ОАО «Харьковская ТЭЦ-5» макетный образец системы компенсации, позволяющий обеспечить уровень санитарных норм на рабочих местах оперативного персонала электростанции.

Основные результаты выполненных в диссертации исследований и практических разработок использованы при выполнении плановых работ по измерению уровня искажений геомагнитного поля на электроэнергетических объектах Украины; при компенсации искажений геомагнитного поля на рабочих местах оперативного персонала электростанций; при разработке «Государственных санитарных правил и норм защиты населения от влияния электромагнитных излучений».

Ключевые слова: ослабление геомагнитного поля, компенсационная обмотка, электромагнитный компенсатор, система компенсации магнитного поля.

Annotation

Pelevin D.E. Systems of compensation of technogenic distortions of the geomagnetical field on working places of operative personnel of electrical-power objects. - Manuscript.

The thesis for technical sciences candidate's degree, specialty 05.09.03 - electrical engineering complexes and systems. - Magnetism of Technical Objects Science and Technology Center of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kharkiv, 2010.

The dissertation work is devoted to the development of methods and facilities of compensation of technogenic distortions of the geomagnetical field in the apartments of operative personnel in power-stations and high-voltage substations. for diminishing them to the level of sanitary norms. The experimental researches of the geomagnetical field are executed in 8 apartments of controller's points of different electroenergy objects of Ukraine. These studies confirmed the presence of substantial stationary distortions, which weaken the geomagnetical field considerably. These distortions are caused by the prolonged ferromagnetic elements of technological and build constructions surrounding an apartment. The methods of general and local indemnification of small-gradient and gradient distortions of the geomagnetical field are suggested. The synthesis of unregulated and automatic systems of indemnification of both stationary and non-stationary distortions is performed. Their parameters are optimized using the criterion of maximal efficiency of indemnification.

The experimental verification of the developed systems was performed. It confirmed the theory and possibility of diminishing biotropic distortions of the geomagnetical field to the level of sanitary norms,

Keywords: weakening of the geomagnetical field, compensative coil, electromagnetic compensator, systems of indemnification of magnetic-field.

Размещено на Allbest.ru

...