Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2015, № 12. Часть 2

Министерство образования и науки Российской Федерации 
 
Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования  
«Тульский государственный университет» 
 

 
 
 
16+ 
ISSN 2071-6168 
 
 
 
ИЗВЕСТИЯ  
ТУЛЬСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО 
УНИВЕРСИТЕТА 
 
 
 
 
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ 
 
 
Выпуск 12 
 
 
Часть 2 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Тула 
Издательство ТулГУ 
2015 

УДК 621.86/87                                                                             ISSN 2071-6168 
 
 
Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 12: в 2 ч. Ч. 2. Тула: Изд-во ТулГУ, 
2015. 188 с.

 
Рассматриваются научно-технические проблемы и задачи в области электро
техники, энергоэффективности, надежности и энергосбережения в системах электроснабжения и электроэнергетических системах, особенностей расчета и проектирования 
систем электроснабжения задачи, надежность технического состояния электротехнического и электроэнергетического оборудования. 
Настоящий сборник составлен по результатам и докладам конференций: XII 
Московского международного энергетического форума «ТЭК России в XXI веке», IV 
Международного Электроэнергетического форума «Электросетевой комплекс. Инновации. Развитие», Международных научно-технических конференции «Энергоэффективность-2015», «Энергосбережение-2015» и XII-ой Международной НТК - «Силовая 
электроника и энергетика». 
Материалы предназначены для научных работников, преподавателей вузов, 
студентов и аспирантов, специализирующихся в проблематике технических наук. 
 
Редакционный совет 
 
М.В. ГРЯЗЕВ – председатель, В.Д. КУХАРЬ – зам. председателя, 
В.В. ПРЕЙС – главный редактор, А.А. МАЛИКОВ – отв. секретарь, 
И.А. БАТАНИНА, О.И. БОРИСКИН, А.Ю. ГОЛОВИН, В.Н. ЕГОРОВ, 
В.И. ИВАНОВ, Н.М. КАЧУРИН, В.М. ПЕТРОВИЧЕВ  
 
Редакционная коллегия 
 
О.И. Борискин (отв. редактор), С.Н. Ларин (зам. отв. редактора), 
Б.С. 
Яковлев 
(отв. 
секретарь), 
И.Л. 
Волчкевич, 
Р.А. 
Ковалев,  
М.Г. Кристаль, А.Д. Маляренко (Республика Беларусь), А.А. Сычугов,  
Б.С. Баласанян (Республика Армения), А.Н. Чуков, С.С. Яковлев  
 
Подписной индекс 27851 
по Объединённому каталогу «Пресса России» 

Сборник 
зарегистрирован 
в 
Федеральной 
службе по надзору в сфере связи, информационных 
технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).  
ПИ № ФС77-61104 от 19 марта 2015 г.  
«Известия ТулГУ» входят в Перечень ведущих 
научных 
журналов 
и 
изданий, 
выпускаемых 
в 
Российской Федерации, в которых должны быть 
опубликованы научные результаты диссертаций на 
соискание учёной степени доктора наук 
 
© Авторы научных статей, 2015 
© Издательство ТулГУ, 2015 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2015. Вып. 12. Ч. 2 
 

 
4

электрической энергии. Отказы в системе электроснабжения приводят к 
изменению параметров, характеризующих технологический процесс предприятия. Они длительности работы технологических машин за одно включение уменьшают, а длительности и число остановок увеличивают. Затраты на неиспользование отказавшего оборудования и недовыпуск продукции из-за отказов приводит к материальному ущербу. 
Выполненные до настоящего времени исследования, посвящены в 
основном количественной оценке  безотказности систем электроснабжения 
и их оборудования. Они не учитывают воздействия отказов электрооборудования на характеристики производственных процессов и работу технологических машин. Рассматривать безотказность систем электроснабжения 
изолированно от работы других систем (технологической, релейной защиты, автоматики, вентиляции, водоотлива и т.д.) значить не использовать 
весь комплекс мероприятий, направленных на повышение надежности 
электроснабжения. В результате не может быть обеспечен оптимальный 
уровень безотказности электроснабжения. Безотказность системы электроснабжения необходимо оценивать с учетом взаимодействия электрооборудования с оборудованием всех производственных систем. Объединяющим 
для рассматриваемого случая служит, выпускаемый продукт предприятия, 
на получение которого направлено действие всех систем, в том числе и 
системы электроснабжения. Решение проблемы возможно в единстве методологического подхода к исследованию выпускаемой продукции предприятием и анализа надежности систем электроснабжения с дальнейшим 
развитием вероятностных подходов, используемых в качестве математических моделей работы систем электроснабжения и их оборудования.  
Всесторонний анализ безотказности систем электроснабжения и 
экономической эффективности мероприятий по ее повышению с учетом 
взаимодействия электрооборудования с технологическими машинами позволит обосновать и разработать методы и средства, обеспечивающие оптимизацию, повышение  эффективности функционирования систем электроснабжения предприятий.  
Это обеспечивается установлением закономерностей формирования 
информационной, структурной и временной избыточностей в многоуровневых системах  электроснабжения и зависимостей, определяющих топологию уровней и функциональные связи их с показателями надежности и 
созданием аппаратно-программного комплекса управления распределением электроэнергии, качеством и эффективностью электропотребления, путем обоснования рациональных режимных параметров и управляющих 
воздействий в электропитающих системах для ограничения динамических 
нагрузок, повышения долговечности и эффективности функционирования  
систем с снижением затрат на их эксплуатацию. 

Электротехника 
 

 
5

Для этого необходимо: 
- развитие в теоретическом и практическом плане многоуровневых 
систем электроснабжения и определение технико-экономической целесообразности применения в их структурах различных сочетаний видов избыточностей; 
- определить закономерности формирования топологии уровней и 
информационной, структурной и временной избыточностей в многоуровневых системах электроснабжения: 
- разработать классификацию внешних и внутренних возмущающих 
факторов в многоуровневых системах электроснабжения с учетом избыточностей для ограничения их воздействия на эффективность их функционирования; 
- создать аппаратно-программный комплекс для анализа, оптимизации и рационального управления распределением и эффективностью использования электроэнергии на основе обоснования рациональных режимных параметров и управляющих воздействий в многоуровневых системах 
электроснабжения для ограничения динамических нагрузок, повышения 
долговечности и эффективности их функционирования со снижением затрат на эксплуатацию систем с композицией избыточностей; 
- разработать методологию построения сложных многоуровневых 
систем электроснабжения, обеспечивающих эффективное функционирование электроприемников и учитывающих сочетание всех видов избыточностей и характеристики воздействующих внешних и внутренних факторов. 
- разработать модели  системы электроснабжения отображающей 
функциональные взаимосвязи электрооборудования с приемниками электрической энергии, отличающейся учетом влияния избыточностей на вынужденные остановки технологических машин при воздействиях в системах электроснабжения,  как отдельных возмущающих факторов, так и их 
композиций; 
- получить простые аналитические уравнения на базе теории случайных импульсных потоков в место интегрально-дифференциальных выражений, которые в зависимости от класса решаемых задач позволяют существенно упростить процедуру анализа и синтеза систем электроснабжения 
при оценке мероприятий по повышению их безотказности; 
- разработать новую методику определения коэффициента степени 
связи, позволяющего определять соотношения между вынужденными остановками электроприемников и отказами электрооборудования, упрощая 
расчеты и деля их однотипными во всех возможных случаях, не зависимо 
от использования избыточностей и воздействия негативных факторов, 
осуществлять анализ в динамике, а не по средним параметрам; 
- разработать новый теоретический прием деления систем электроснабжения на уровни с использованием методов электроценоза, позволяющего определить способы, средства и критерии по номенклатурной и 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2015. Вып. 12. Ч. 2 
 

 
6

параметрической оптимизации систем, заранее предупреждать возникновение отказов в системе и осуществлять прогнозирование их развития на 
перспективу; 
- теоретически обосновать использование параметрических распределений для доказательства того, что любые мероприятия направленные на 
повышение безотказности систем сводятся к повышению их избыточности 
и снижению воздействия негативных факторов на вынужденные остановки 
технологических машин; 
- разработать теоретический прием разделения по длительности вынужденных остановок технологических машин от отказов электрооборудования соответствующего уровня системы электроснабжения и квалификации обслуживающего персонала; 
- решить оптимальные задачи минимизации перерывов в электроснабжении, техническая реализация которой состоит в уменьшении числа 
и продолжительности отказов электрооборудования, позволяющему снизить потери не только потребляемой электрической энергии, но и выпускаемой продукции предприятием;  
- синтезировать алгоритм структурно нейронной сети мгновенной 
компенсации воздействия негативных факторов, позволяющей обеспечить 
наибольшее значение коэффициента технического использования и экономической эффективности при нагрузках произвольного вида. 
Основные направления развития теории исследований заключаются 
в разработке: 
- модели системы электроснабжения базирующейся на функциональных взаимосвязях, как между электрооборудованием, так и приемниками электрической энергии с учетом структуры системы и воздействия 
негативных возмущений, применяемой для любых производств промышленных предприятий; 
- алгебраических уравнений, отображающих вероятностные параметры системы электроснабжения и вынужденных остановок приемников 
электрической энергии, выраженных через коэффициенты связи при оценке компенсации негативных возмущающих факторов в результате использования избыточности систем;  
- методики деления системы на уровни, не зависимо от их сложности, для определения электрооборудования по номенклатурной и параметрической оптимизации используя наработки на отказ для замены в процессе эксплуатации соответствующих типов электрооборудования, приводящего к наибольшему числу остановок приемников на новый тип оборудования; 
- методики оценки квалификации обслуживающего персонала по результатам сравнения функциональных коэффициентов связи, выраженных 
через параметрические функции распределения длительностей, определяемых временем устранения отказов; 

Электротехника 
 

 
7

- методологии определения наибольшего значения коэффициента 
технического использования с обоснованием выбора мероприятий, обеспечивающих безотказность систем электроснабжения при моментальной последовательности компенсации негативных факторов в зависимости от 
возможных результатов их воздействия на вынужденные остановки электроприемников устройствами, характеризующимися структурами нейронной сети 
Это позволит получить основные  практические результаты, которые состоят в обобщении универсальных зависимостей позволяющих определить динамические свойства иерархических систем по известным их 
параметрам. Это позволяет в условиях действующих крупномасштабных 
производств посредством прогнозирования заранее выявлять электрооборудование низкой надежности, вызывающее наибольшее число вынужденных остановок приемников электрической энергии. Разработаны инженерные методы оптимизации систем посредством эффективного использования всех видов их избыточностей. Созданы предпосылки промышленного 
внедрения в России новых систем  электроснабжения, позволяющих ограничивать динамические нагрузки технологических машин, работающих в 
любых режимах посредством исключения их вынужденных остановок и 
экспериментально подтверждена их эффективность.  
Анализ показывает, что в отдельных энергетических системах число аварий в течение года составляет несколько десятков. Из-за аварий годовой недоотпуск электроэнергии достигает миллионы киловатт. В Российской Федерации имеется стандарт качества электроэнергии ГОСТ 
32144-2013. Не всегда его нормативы выполняются по ряду причин. Вызвано это тем, что электрооборудование  предприятий  в процессе функционирования  взаимодействует как между собой, так и питающей сетью. 
Часто такое взаимодействие является негативным и, в общем случае вызывает возникновение перенапряжений (рис. 1).  
В распределительных сетях происходит до 55...75% нарушений связанных с электроснабжением потребителей. Анализ аварий позволил выявить путем использования экспериментальных данных опасные феррорезонансные перенапряжения. Их причиной являются неполнофазные режимы питания и случаи смещения нейтрали. Установлено, что феррорезонансные перенапряжения служат причиной повреждений изоляции на землю, а дуговые замыкания на землю являются причиной возникновения и 
развития феррорезонансных процессов. В сетях 6...35 кВ переход замыканий в межфазные  короткие замыкания от перенапряжений составляет до 
65% , а от замыкающих дуг - 35%. Это соотношение характерно как для 
воздушных, так и кабельных сетей. Показано, что катодно- осциллографические измерения перенапряжений и кинографические исследования особенностей горения заземляющих дуг необходимы для определения форм и 
уровней перенапряжений. Перенапряжения делятся на фазные, между фаз

Известия ТулГУ. Технические науки. 2015. Вып. 12. Ч. 2 
 

 
8

ные, внутри обмоточные, межконтактные. Наибольшую значимость представляют фазные перенапряжения, воздействующие на изоляцию токоведущих  частей. Практически всегда после коммутаций в системе электроснабжения возникают коммутационные перенапряжения. При коммутациях кратности перенапряжений могут достигать 6-8 кратных значений. 
 

 
 
Рис. 1. Блок-схема классификаций причины возникновения 
перенапряжений 
 
Опасность представляют резонансные явления, которые вызывают 
не только перенапряжения, но и его провалы. Методика поиска таких режимов должна основывается на использовании аппаратно-программного 
комплекса, определяющего классификацию электроприемников относительно искажений в системе электроснабжения при анализе не только на 
частотном спектре искажений, но и фазово-частотных характеристик и 
мощности. В каждом конкретном случае для оценки функционирования 
электрооборудования отдельных уровней системы необходимо использовать модель, базирующуюся на статистических данных. Основными элементами, негативно оказывающими воздействие на показатели качества 
электроэнергии, служат преобразователи. Для оценки процессов происходящих в отдельных преобразователях можно использовать математические 

Электротехника 
 

 
9

зависимости, что нельзя применить при анализе функционирования систем, содержащих группу преобразователей. Их анализ должен основываться на имитационном моделировании с отображением управления подключения резервного оборудования, то есть использования информационной 
избыточности, что по сравнению с другими подходами обладает более широкими возможностями. Моделирование процессов в преобразователях позволят создавать устройства, управляющие  потоками энергии по требуемому закону, решая проблему высших гармонических составляющих. 
Наиболее приемлемым при компенсации высших гармоник служат активные фильтры, осуществляющие генерацию гармоник действующих в противофазе с высшими гармониками сети. Спектр высших гармоник не является величиной постоянной, он зависит от многих факторов, в первую очередь, от изменения нагрузки в результате защита от перенапряжений, не 
зависимо от вида их возникновения, должна включать комплекс мероприятий. 
Основными средствами защиты от перенапряжений служат: ограничители перенапряжений, вентильные разрядники, реакторы, защитные 
искровые промежутки, схемы управления, а также шунтирующие сопротивления в выключателях, быстродействующие выключатели без повторных зажиганий дуги с управлением моментами коммутации, устройства 
для разряда распределительных линий во время бестоковой паузы, дугогасящие катушки, RC-цепочки. Выбор параметров защит должен обосновываться на строгом технико-экономическом анализе с использованием математического моделирования как функциональных процессов в защищаемых аппаратах, так и учета вероятностных характеристик надежности элементов системы электроснабжения.  
Проведен анализ как объективных, так и субъективных причин возникновения провалов напряжения. Схематически причины провалов напряжения представлены на рис. 2. При исследованиях учитывались реальные структуры и конфигурации систем электроснабжения вплоть до подключенных шин  0,4 кВ, а также режимы работы электрооборудования. 
Наблюдались и групповые провалы напряжения от повторного включения 
нагрузки, что вызывало накопительный эффект. В  кабельных и воздушных распределительных сетях преобладают провалы напряжения глубиной 
35...99 % продолжительностью 1,5...3,0 секунд. В среднем на промышленных предприятиях в воздушных распределительных сетях происходит до 
30 провалов, а в кабельной сети - до 10 провалов. При этом до 70%  приходится на однофазные короткие замыкания, 20% - на двухфазные, а 10% - на 
трехфазные.  Соотношение параметров провалов для кабельных линий 
представлено в таблице.  
При большом числе и мощности электрических двигателей, как на 
отдельных производствах ОАО «НЛМК», их одновременное включение 
после провала напряжения во многих случаях оказывается недопустимым 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2015. Вып. 12. Ч. 2 
 

 
10

из-за возникновения нового провала напряжения. Предлагается в таких 
случаях применять специальные схемы, предусматривающие повторное 
включение электроприемников. Управление должно обеспечиваться средствами автоматики путем использования информационной избыточности. 
Результаты анализа свидетельствуют, что для сокращения провалов напряжения необходимо применять современные микропроцессорные устройства релейной защиты и средств автоматики, осуществлять секционирование шин подстанций и распределительных пунктов, снижать сопротивление заземления, использовать грозозащитные устройства, проводить 
профилактические мероприятия по чистке изоляции и замене дефектных 
изоляторов. Внешние и внутренние возмущающие факторы носят случайный характер, вызывают перенапряжения и провалы напряжения в системах электроснабжения, где их исследование в работе выполнено на вероятностной основе. 
 

 
 
Рис.2. Блок-схема классификации причины возникновения провалов 
напряжения 
 
 Параметры провалов напряжения 
для кабельных линий 
 
Глубина 
провала,% 
Доля интервалов, %, при длительности провала, с 
Всего, 
% 
0,01...0,1 
0,1...0,5 
0,5...1,0 
1,0...3,0 
3...20 
20...60 

10-30 
33 
20 
4 
0,5 
0,5 
- 
58 

30-60 
4 
15 
2 
- 
- 
- 
21 

60-95 
3 
9 
0,5 
1,5 
- 
- 
14 

100 
0,5 
0,5 
1 
- 
- 
5 
7 

Итого 
40,5 
44,5 
7,5 
2,0 
0,5 
5 
100