Вестник Южно-Уральского государственного Университета. Серия: «Энергетика»

НЕПРЕРЫВНЫЙ КОНТРОЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ ВЕДЕНИИ РАБОТ НА ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

А.А. Красных — 2025-12-30

В статье представлены результаты анализа травматизма в электрических сетях страны. Несмотря на снижение количества смертельных электротравм, риск ее получения остается на неприемлемо высоком уровне. Стабильной остается высокая тяжесть последствий – около половины электротравм заканчивается смертью работника. Наиболее травмоопасными постоянно являются воздушные линии электропередачи напряжением 6-35 кВ. Тяжесть последствий электротравм объясняется, в частности, неожиданностью попадания под напряжение, наличие которого на токоведущих частях никак внешне не проявляется. Для его контроля применяются указатели и сигнализаторы напряжения. К сожалению, значительная часть их имеет существенные недостатки, а операция проверки отсутствия напряжения проводится одноразово перед началом работ.

Авторами статьи проведены исследования, направленные на определение мест наилучшего расположения измерительных и индикаторных частей указателей и сигнализаторов напряжения. Предложена новая технология их применения с заменой одноразового контроля на непрерывный в течение всего времени работы. Для реализации этого метода разработаны конструкции и методики применения новых типов указателей напряжения, касочного и стационарного сигнализаторов напряжения, система контроля напряжения и положения дверок ячеек распредустройств. Получено 4 патента РФ. Два устройства промышленно производятся и применяются в электросетевых предприятиях страны.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРИКЛАДНЫЕ АСПЕКТЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ТЕПЛОВОГО НАКОПИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ ГРАФИТОВОГО МАТЕРИАЛА

В.Э. Зинуров — 2025-12-30

Актуальность исследования данной проблемы обусловлена тем, что классические теплоизоляционные материалы обладают ограниченной теплостойкостью, что затрудняет их применение для систем накопления энергии с теплоносителями, работающими при температурах до 2000°С. Разработка конструктивных решений тепловых накопителей энергии с многослойной теплоизоляцией обеспечивает оптимальный баланс между уровнем теплопотерь и экономической эффективностью. В связи с этим целью настоящей статьи является проведение технико-экономического анализа конструктивных решений теплового накопителя энергии с высокотемпературным рабочим телом. В статье предложен алгоритм расчета конструкции накопителя, основанный на решении уравнений теплопередачи в цилиндрической геометрии с учетом кондукции, радиационного обмена и конвекции в межслойных зазорах. Алгоритм позволяет комплексно оценивать теплопотери и совокупную стоимость материалов (графит, вольфрам, базальтовая вата, аргон) в зависимости от температуры графитового аккумулирующего материала, толщины теплоизоляции и требуемой тепловой емкости накопителя. Для повышения точности расчетов используется итерационная процедура, учитывающая температурные зависимости теплофизических свойств материалов. В рамках исследования проведен сравнительный анализ трех типоразмеров теплового накопителя энергии «М», «С» и «Б» с запасаемой тепловой энергией от 805 до 39680 МВт. Установлено, что при значительных теплопотерях в виду использования тонкого слоя изоляции, наиболее целесообразной является эксплуатация накопителя при температуре графитового цилиндра 1800–2000°С. Для устранения теплопотерь увеличиваем толщину теплоизоляции, используя преимущественно базальтовую вату, также экономически выгодно снизить температуру графита до 800–1200°С. Практическое использование предлагаемого алгоритма расчета позволяет определить оптимальные соотношения между объемом графита, рабочей температурой эксплуатации и совокупной стоимостью теплонакопителя заданной емкости. Введенный безразмерный параметр, показывающий соотношение внешнего радиуса теплоизоляции к радиусу графитового цилиндра, определяет ключевые диапазоны оптимальной температуры для накопителей различных габаритов.

PАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ГОРЕЛОЧНОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ КИСЛОРОДНО-ТОПЛИВНОЙ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ

С.К. Осипов — 2025-12-30

Одним из способов снижения вредных выбросов от тепловых электрических станций является переход к эксплуатации кислородно-топливных энергетических комплексов, эффективно производящих электроэнергию при нулевых выбросах. Одним из ключевых элементов кислородно-топливных комплексов является камера сгорания, в которой происходит горение природного газа в среде чистого кислорода и диоксида углерода. Важной задачей при разработке конструкции камеры сгорания является проектирование горелочного устройства, c помощью которого осуществляется подача топлива и окислителя в объем камеры сгорания. Главными требованиями для углекислотных горелочных устройств являются: обеспечение устойчивого горения и низкий уровня недожога. В настоящей работе с применением численного моделирования разработана конструкция горелочного устройства, при использовании которой удается организовать устойчивое горение при широком диапазоне значений массовой доли диоксида углерода в смеси окислителя и разбавителя. Помимо этого, были определены пропорции компонентов горения, при которых образуется минимальное количество несгоревших углеводородов и монооксида углерода в дымовых газах на выходе из камеры сгорания.

ОБЗОР РАСЧЕТНЫХ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭМИССИИ ОКСИДОВ АЗОТА NOx ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК В РЕАЛЬНОМ МАСШТАБЕ ВРЕМЕНИ

А.Н. Саженков — 2025-12-30

Требования по охране окружающей среды обусловливают актуальность определения выбросов NO_X турбомашин в реальном масштабе времени. В настоящей статье представлен обзор литературы по расчетным методам непрерывного определения эмиссии NO_X в газотурбинном двигателестроении. Установлено, что в мире определение выбросов NO_Х по математическим моделям применяют в газотурбинных установках с 1990 года. При эксплуатации авиационных двигателей технологии расчета NO_Х в полете пока не используются. Но, в связи с постоянно ужесточающимися требованиями ИКАО, такая необходимость может возникнуть в ближайшее десятилетие. Для мониторинга эмиссии применяют три типа математических моделей - фундаментальные, основанные на базовых физических законах и химической кинетике, а также нейросетевые и статистические модели. В статье рассмотрены наиболее значимые работы по трём указанным направлениям, а также выполнена оценка достоинств и недостатков расчетных способов определения NO_Х, проведен анализ применимости этих способов и определены основные возможные направления развития методов оценки эмиссии вредных веществ в масштабе реального времени, предложены наиболее эффективные технологии для использования в газотурбинной энергетике и авиадвигателестроении РФ.

МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ АКТИВНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ В ИНТЕГРИРОВАННОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПРИ КООПЕРАЦИИ

Е.А. Барахтенко — 2025-12-30

В настоящее время происходит развитие технологий распределенной генерации в том числе возобновляемых источников энергии, таких как солнечные, ветровые и комбинированные системы выработки тепла и электроэнергии, что соответствует переходу к безуглеродной энергетики. Развитие распределенных источников энергии приводит к распространению активных потребителей, которые могут как производить, так и потреблять энергию. Таким образом из-за усложнения условий взаимодействия в современных системах энергоснабжения: наличия разнонаправленных интересов и неполной информации о состоянии всей системы у всех участников процесса энергоснабжения, активно развиваются новые методы моделирования, в том числе использующие подходы из теории игр. В статье разработана математическая постановка задачи оптимального взаимодействия централизованной системы и активных потребителей в интегрированной энергетической системе. Предложена модель, реализующая взаимодействие между централизованными и распределенными источниками энергии при объединении активных потребителей в кооперации внутри многоуровневой интегрированной энергетической системы. Разработана мультиагентная система, реализующая предложенную модель, на которой проведены вычислительные эксперименты на тестовой схеме интегрированной энергетической системы. Полученные результаты экспериментов продемонстрировали возможности обеспечения оптимального взаимодействия между участниками процесса энергоснабжения в интегрированной энергетической системы с учетом их интересов при формировании коалиций активных потребителей.

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В ЯЧЕЙКАХ МАЛОГО ОБЪЁМА

А.В. Прокудин — 2025-12-30

Работа посвящена разработке, валидации и оценке границ применимости методики определения электрической прочности образцов изоляционных материалов с объёмом несколько миллилитров. Для проведения экспериментов с микроячейками использовался источник питания СКАТ-70М со заданной скоростью подъёма выходного испытательного напряжения 0,5 кВ/с в автоматическом режиме, что обеспечивало неизменный температурный режим для исследуемых образцов в различных экспериментах. Ограничение объёма разрушения структуры образца достигалось путём снижения среднего значения тока через канал пробоя, для чего использовался токоограничивающий резистор с сопротивлением 100 МОм. Статистически (с уровнем значимости 0,05) доказано, что испытания в микроячейках предложенной конструкции эквивалентны аналогичным испытаниям по требованиям ГОСТ 6581-75 для полиметилсилоксана ПМС-10000 и трансформаторного масла. Методика испытаний в микроячейках позволяет существенно (от 0,3 л до нескольких мл) уменьшить объем исследуемого материала для жидких и гелеобразных диэлектриков. Рассмотрены основные требования к геометрическим размерам микроячейки и материалам, применяемым при изготовлении их конструкции. В частности, обсуждается вопрос о 3D-печати микрикроячеек. Для прозрачных материалов дополнительно существует возможность видеофиксации процессов в проходящем свете, происходящих в материале во время и после электрического пробоя. Основным применением методики являются проведение испытаний новых материалов в лабораторных условиях, когда уменьшение объёма образцов становится критически важным.

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОНТРОЛЬ ОПЕРАТИВНЫХ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЙ В ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСАХ И СИСТЕМАХ НА ОСНОВЕ МАШИННОГО ЗРЕНИЯ

П.В. Лонзингер — 2025-12-30

Обеспечение безопасности при проведении оперативных переключений в электроустановках является критически важной задачей. Действующие нормативные требования предусматривают применение механических и электрических блокировок, однако сохраняется риск их обхода или неисправности, что может привести к тяжелым последствиям. В статье рассматривается подход к созданию дополнительного, независимого средства контроля на основе технологии машинного зрения. Объектом исследования выступил процесс оперативных переключений и ремонтных работ на ячейках комплектных распределительных устройств (КРУ) напряжением 10 кВ. Цель работы – разработка и экспериментальная апробация прототипа системы для автоматизированного контроля корректности действий персонала. Система включает камеру, установленную на каске рабочего, алгоритм стабилизации изображения панели управления на основе фидуциальных маркеров, нейросетевой модуль детекции элементов (на базе архитектуры YOLOv11) и логический модуль анализа последовательности действий в реальном времени. В работе рассмотрены последовательности операций, которые необходимы для вывода в ремонт выключателя КРУ, а также возвращения его в рабочее положение после ремонта. В ходе экспериментальных исследований были обучены модели YOLOv11m и YOLOv11l на собственном размеченном датасете изображений элементов управления КРУ. Наилучшая точность распознавания (до 97%) достигнута для состояния световых индикаторов, удовлетворительная точность (78–84%) – для детекции факта нажатия кнопок. Апробация программно-аппаратного прототипа, интегрированного с модифицированной каской с электронным блоком на базе Arduino Nano, подтвердила принципиальную работоспособность подхода. В статье представлен анализ полученных результатов, а также сформулирован план дальнейших работ, направленных на повышение точности и быстродействия системы для её последующего внедрения в качестве средства дублирующего контроля безопасности.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И МЕТОДЫ ДЕТЕРМИНАЦИИ ОБРЫВА СТЕРЖНЕЙ РОТОРА АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

С.В. Деркачёв — 2025-12-30

В работе представлены результаты исследований направленные на повышение надежности асинхронного электропривода, за счёт своевременной детерминация оборванных стержней короткозамкнутого ротора в самом начале развития повреждения, что позволяет предотвратить полный выход из строя асинхронного электродвигателя, поскольку длительная работа с оборванными стержнями может привести к задеванию ими обмоток и магнитопровода статора.

Предложена математическая модель асинхронного электродвигателя, которая позволяет выполнить моделирование обрыва стержней короткозамкнутой обмотки ротора в любом количестве, а также методы детерминации обрыва стержней короткозамкнутой обмотки ротора асинхронного электродвигателя безразборным способом в режиме реального времени на основе измерений фазных токов статора и питающего напряжения в рабочем режиме, без его вывода из эксплуатации. С помощью предложенной математической модели выполнено моделирование работы разработанных методов детерминации обрыва стрежней короткозамкнутой обмотки ротора асинхронного электродвигателя и подтверждена эффективность их применения.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЯ ЭЛЕКТРОМОБИЛЯ ДЛЯ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗАМЕНЫ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ НА ФЕРРИТОВЫЕ МАГНИТЫ

А.Р. Сафин — 2025-12-30

В статье анализируется возможность применения ферритовых магнитов в электродвигателях для электромобилей в качестве альтернативы дорогим неодимовым магнитам. Основной целью исследования является определение оптимальной конфигурации ротора двигателя с ферритовыми магнитами и оценка её эффективности относительно стандартной конфигурации с неодимовыми магнитами. Моделирование проведено с использованием COMSOL Multiphysics, где рассмотрено четыре варианта конструкции ротора: один с неодимом и три с ферритовыми магнитами, различающимися формой и размещением магнитов. Результаты показывают, что оптимизированные ферритовые конфигурации могут достигать до 81% от крутящего момента двигателя с неодимом, что делает их подходящими для электромобилей с умеренной нагрузкой. Таким образом, использование ферритовых магнитов позволяет снизить себестоимость производства, уменьшить зависимость от импорта редкоземельных материалов и создать условия для разработки более доступного электротранспорта, особенно для общественного и коммерческого городского транспорта.

АДДИТИВНО ИЗГОТОВЛЕННАЯ КАТУШКА ИЗ АЛЮМИНИЕВОГО ПОРОШКА AlSi10Mg И ЕЁ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

А.И. Шайхлисламов — 2025-12-30

В данной статье представлены результаты экспериментальных исследований по проверке электрических характеристик аддитивно изготовленной катушки из алюминиевого порошка AlSi₁₀Mg. Измерения проводились до отжига, после отжига и после повторного отжига. Выявлено, что до проведения отжига катушки электрические характеристики AlSi₁₀Mg значительно хуже расчетных значений. Установлено, что после проведения отжига катушки фактическое сопротивление катушки, удельное сопротивление и электропроводность AlSi₁₀Mg достигли до 76,2% от показателей чистого алюминия. Также был выполнен повторный отжиг для подтверждения стабильности ранее описанных характеристик после этой процедуры. После проведения повторного отжига электрические характеристики изменились на 0,39%, приблизив до 76,5% от показателей чистого алюминия. Результаты данной работы открывают перспективы для дальнейших исследований в сфере аддитивной печати обмоток электрических машин методом селективного лазерного плавления.

АНАЛИЗ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В СПЕЦИАЛЬНОМ СИЛОВОМ МАСЛЯНОМ ТРАНСФОРМАТОРЕ

А.В. Сериков — 2025-12-30

При модернизации силового электрооборудования необходима оценка его теплового состояния в различных режимах работы. Точность определения температурных параметров в значительной степени влияет на срок службы и надежность нового устройства, а также позволяет оценить правильность выбора электромагнитных нагрузок в активных частях. В статье рассмотрена проблема оценки теплового состояния силового масляного трансформатора специальной конструкции, в котором, наряду с магнитопроводом и силовыми обмотками, имеется блок теплообмена, позволяющий использовать часть потерь трансформатора на нагрев теплоносителя. Описана конструкция такого трансформатора с блоком теплообмена трубчатого типа. Проанализированы основные тепловые потоки и приведены эквивалентные тепловые схемы замещения активной части с учетом блока теплообмена и упрощенная тепловая схема всего трансформатора. Выявлена необходимость точного определения тепловых сопротивлений на пути теплового потока от трансформаторного масла в нагреваемый теплоноситель. С этой целью решена полевая задача методом конечных элементов в модуле Flow Simulation программного комплекса системы автоматизированного проектирования SolidWorks. Результаты компьютерного моделирования для различных параметров теплоносителя позволили получить рекомендации по определению искомых тепловых сопротивлений для различных режимов работы теплообменного оборудования в конструкции силового трансформатора специального назначения.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ РЕКОНСТРУКЦИИ И ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЯ НА ОСНОВЕ СТРУКТУРИРОВАННОГО СВЕТА И БИНОКУЛЯРНОГО ВСЕНАПРАВЛЕННОГО ЗРЕНИЯ

Чжан Цзыхань — 2025-12-30

В исследованиях и практическом применении всенаправленных систем зрения традиционные эксперименты часто сталкиваются с такими проблемами, как сложная конфигурация оборудования, трудоёмкие процедуры калибровки и недостаточная адаптивность к различным условиям окружающей среды. Для повышения практической применимости системы и точности измерений в данной работе предлагается метод реконструкции данных и определения расстояния, основанный на интеграции бинокулярного всенаправленного зрения со структурированным светом. Предлагаемый подход использует два всенаправленных изображения для высокоточной реконструкции контуров сложных препятствий, а также для точного определения положения цели и оценки расстояния до неё. Система обладает простой архитектурой, допускает гибкую настройку параметров установки камер для различных сценариев применения и одновременно снижает зависимость от строгой физической калибровки. Экспериментальные результаты показывают, что по сравнению с монокулярной всенаправленной системой зрения предложенный метод демонстрирует существенные преимущества как в точности реконструкции, так и в корректности измерения расстояний, сохраняя при этом высокую надежность при различных конфигурациях размещения камер. Дополнительные эксперименты в реальных условиях подтвердили эффективность данного подхода в практических сценариях, что свидетельствует о его значительном потенциале для применения в области всенаправленного визуального восприятия.