3840

УДК 621.37

Д.Ю.Страмок, Ю.В.Никитенко

РАЗРАБОТКА СХЕМЫ ИМИТАТОРА РАДИОАКТИВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ

Применение радиоактивных источников в учебном процессе крайне затруднено в связи с их опасностью для здоровья обучающихся. Однако в некоторых случаях есть необходимость обучения работе с этими источниками, например, при поверке некоторых средств измерения, где кроме теоретической подготовки важно привитие практических навыков. В таких случаях сам источник можно заменить устройством, позволяющим полностью имитировать воздействие радиации на средство измерения.

Ключевые слова: ионизирующее излучение, источник, имитатор, практические навыки.

Известно, что после чтения и прослушивания человек запоминает гораздо меньше информации, чем после зрительного ее восприятия, и тем более, имитации опыта или реальной работы [1-10]. Поэтому для усвоения материала обучающимся, необходимо давать материал максимально наглядно. На рис. 1 представлен так называемый конус обучения Эдгара Дейла, наглядно отражающий восприятие информации психикой человека [1, 4].

Рис.1. Конус обучения Эдгара Дейла

Кроме того, при обучении студентов и курсантов по специальным дисциплинам крайне важным является привитие практических навыков. Однако бывают ситуации, когда практическая отработка изучаемого вопроса затруднена, из-за невозможности установить в вузе соответствующее оборудование. Причинами этого могут быть его массогабаритные показатели, высокая стоимость, сложность безопасной эксплуатации[3]. Примером такой ситуации является использование радиоактивных источников [5].

Проблема использования радиоактивных источников в учебном процессе решается в различных вузах по-разному в зависимости от цели их применения. В каких-то случаях не представляет трудностей оборудование помещений в соответствии с требованиями руководящих документов [6]. В других, наоборот, данный вопрос решить практически невозможно. Так, например, при подготовке специалистов-метрологов в военном вузе и обучению их поверке средств измерений характеристик ионизирующих излучений кроме теоретического материала можно использовать компьютерные программы, позволяющие при помощи 3D-моделирования продемонстрировать весь процесс поверки [8].

290

Оборудование рабочего места предполагает закупку очень дорогостоящей установки, для размещения которой необходимо отдельное помещение, соответствующее требованиям норм радиационной безопасности. Существует порядка десяти нормативно-правовых актов, требования которых необходимо соблюдать при размещении и эксплуатации поверочного оборудования для средств измерений характеристик ионизирующих излучений и ядерных констант [7].

Кроме того, хранение источников в специальных сейфах, медицинский допуск личного состава к работе с радиоактивными веществами, предполагающий определенные денежные выплаты, постоянные проверки контролирующих органов, – все это создает практически невозможные условия для использования реальной поверочной установки с обучающей целью.

Однако учебная программа подготовки метрологов требует привития практических навыков, чего невозможно достичь с помощью применения даже самых современных методов обучения.

Решением данной проблемы может быть создание лабораторной установки с заменой радиоактивного источника электрической схемой, установка которой в дозиметрическом приборе вызывает отклонение стрелки подобно воздействию радиоактивного источника [2].

Как известно, ионизирующее излучение представляет собой поток элементарных частиц или квантов электромагнитного излучения, образующихся при радиоактивном распаде или ядерных превращениях. Проходя через вещество, ионизирующее излучение приводит к возбуждению атомов и молекул среды.

Процесс ионизации заключается в том, что заряженная частица с достаточной кинетической энергией при движении взаимодействует с электрическим полем атомов и выбивает электроны с оболочек атомов, теряя при этом часть энергии. Ионизировать могут только частицы, имеющие заряд, нейтральные частицы и электромагнитное излучение могут только ионизировать среду косвенно, через процессы передачи своей энергии с образованием вторичного излучения в виде положительно или отрицательно заряженных частиц. Схема взаимодействия гамма-излучения с веществом представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема взаимодействия гамма-излучения с веществом

Источники радиоактивного излучения, использующиеся для поверки средств измерений характеристик ионизирующего излучения – это в основном гамма-источники, а,

291

как известно, именно гамма-излучение обладает наибольшей проникающей способностью. Основной способ защиты от гамма-лучей – это преграда между человеком и источником излучения (в идеале – свинец или бетон). Логично предположить, что в учебной аудитории создать такую конструкцию весьма затруднительно. В поверочных лабораториях гаммаустановки находятся в отдельной комнате, там изначально конструктивно предусмотрена защита [9].

Мы предлагаем при проведении практических занятий использовать имитатор, работа которого будет практически полностью воспроизводить работу реальной поверочной гамма-установки. Электрическая схема предлагаемого устройства представлена на рис. 2. При включении устройства (имитация открывания радиоактивного источника) будет подаваться сигнал на поверяемый прибор, в котором встроен «ответчик». Стрелка прибора будет отклоняться до необходимого значения, что позволит курсантам увидеть принцип действия и механизм работы гамма-поверочной установки.

Рис. 3. Схема электрическая принципиальная источника излучения радиоволн

Данная схема представляет собой кварцевый генератор, предназначенный для генерации импульсов определенной частоты. Генератор – это электронное устройство, которое преобразует электрическую энергию постоянного тока в энергию переменного тока определенной частоты и формы.

Так как устройство представляет собой экспериментальный проект, были выбраны следующие тактико-технические характеристики:

1.Питание от источника постоянного тока 12 В.

2.Выходная мощность 600 мВт.

3.Потребляемый ток 50 мА.

4.Несущая частота 433 МГц.

В устройстве предполагается изучение сигнала высокой частоты. Также устройство имеет возможность работать в качестве передатчика.

Схема работает по следующему принципу. На кварце Q1 появляется напряжение, что заставляет его колебаться с частотой 433Мгц, который в свое время задает рабочую частоту транзистору VT1. Резистор R1 ограничивает ток на базе транзистора VT1 и задает режим его работы. На конденсаторах C1 и резисторе R2 собрана цепь смещения. Катушка индуктивности L1 и конденсатор С2 представляют собой колебательный контур, работающий на частоте 433МГц. Конденсатор С3 является фильтром по питанию. Транзистор VT2 усиливает сигнал, поступивший с транзистора VT1. Катушка индуктивности L2 и конденсаторы С4, С5 повторяют колебательный контур. Антенна Ant1 является

292

излучателем радиоволн.

Данная схема электронного устройства не является универсальным имитатором радиоактивного излучения, и может быть изменена или дополнена в соответствии с конструкторской мыслью разработчика [10].

Таким образом, имитатор радиоактивного излучения, необходимый для привития навыков поверки дозиметрических приборов и созданный на основе данной схемы, позволит избежать сложностей, связанных с использованием источников ионизирующих излучений в учебном процессе.

Литература

1.URL: http://kobmedia.ru (дата обращения 21.01.2021 г.)

2.Амалицкий М. В. Основы радиотехники. М.: Радиотехника, 1949. 241 с.

3.Авдюшина А. Е., Звягинцева А. В. Система видеонаблюдения и локализация природных объектов / Вестник Воронежского государственного технического университета. 2010. Т. 6. №12. С. 107-109.

4.Чабала Л. И., Звягинцева А. В., Чабала В. А. Экологическая безопасность человека /Вестник Воронежского государственного технического университета. 2010. Т. 6. №2. С. 100-102.

5.Брегадзе Ю. И., Степанов Э. К., Ярына В. П. Прикладная метрология ионизирующих излучений. М.: Энергоатомиздат, 1990. 264 с.

6.Болдырева О. Н., Звягинцева А. В. Регулирование технологического риска посредством оптимизации программы технического обслуживания оборудования /Вестник ВГТУ. Воронеж: ГОУВПО «ВГТУ», 2009. Т. 5. №12. C. 76-78.

7.Авдюшина А. Е., Звягинцева А. В. Автоматизированная информационная система контроля параметров безопасности тепловых энергоустановок/Информация и безопасность. 2009. Т. 12. №4. С. 585-592.

8.Авдюшина А. Е., Звягинцева А. В. Локализация объектов в распределенной системе видеонаблюдения /Информация и безопасность. 2010. Т. 13. № 4. С. 583-586.

9.СанПиН 2.6.1.2523–09 «Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009)». М.: Центр санитарно-эпидемиологического нормирования, гигиенической сертификации и экспертизы Минздрава России.

10.Бауман В.Ф., Жданов В.И. Радиоприемные устройства. М.: Радиотехника, 1956. 186 с.

ФГКВОУ ВО «Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «ВоенноВоздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации», (ВУНЦ ВВС «ВВА»), Воронеж, Россия

D.Yu. Stramok, Yu.V. Nikitenko

DEVELOPMENT OF RADIATION SIMULATOR DIAGRAM FOR USE IN THE TRAINING

PROCESS

The use of radioactive sources in the educational process is extremely difficult due to their danger to the health of students. However, in some cases there is a need to learn how to work with these sources, for example, when checking some measuring instruments, where in addition to theoretical training, it is important to instill practical skills. In such cases, the source itself can be replaced with a device that allows you to fully simulate the effects of radiation on the measuring instrument.

Keywords: ionizing radiation, source, simulator, practical skills.

Federal State State-Owned Military Educational Institution of Higher Education «Military Training and Research Center of the Air Force «Air Force Academy named after Professor N.E. Zhukovsky and Yu.A. Gagarin» (Voronezh) of the Ministry of Defense of the Russian Federation, (VUNTS Air Force «VVA»), Voronezh, Russia

293

УДК 621.316.925

М.Ю. Пустоветов

ВАРИАНТ ПОСТРОЕНИЯ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ СЕТЕВОЙ СОЛНЕЧНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Солнечные электростанции на основе фотоэлектрических преобразователей являются современным направлением в энергетике, они экологичны: не требуют добычи и сжигания органических топлив, не вызывают химического и теплового загрязнения окружающей среды. Характерной чертой солнечных электростанций является совмещение в их структуре устройств, работающих на постоянном токе и на переменном токе. В статье предложен вариант укомплектования сетевой солнечной электростанции релейными защитами различного назначения: максимального тока, минимального напряжения, максимального напряжения, продольной и поперечной дифференциальными токовыми.

Ключевые слова: сетевая солнечная электростанция, фотоэлектрический преобразователь, короткое замыкание на шинах постоянного тока, инвертор напряжения, релейная защита.

Благодаря тому, что для своей работы солнечные электростанции (СЭС) не требуют добычи и сжигания органических топлив, они не вызывают химического и теплового загрязнения окружающей среды, то есть являются экологически чистой разновидностью электрической генерации. Одной из характерных тенденций современной российской электроэнергетики является существенный рост строительства СЭС на основе фотоэлектрических преобразователей (ФЭП). Численность крупных СЭС в России в 2019 году достигла 51 (более 1МВт) [1]. В работах [2-5] даны варианты архитектуры построения различных СЭС, в том числе пригодных для работы параллельно с сетью переменного тока. Поскольку ФЭП являются источниками постоянного напряжения, а электрические сети работают на частоте 50 Гц, то необходимым элементом СЭС является автономный инвертор напряжения (АИН) [3].

Разумеется, при работе параллельно с сетью необходимо согласование АИН с энергосистемой по величине, частоте и фазе напряжения. Достаточная величина постоянного напряжения на входе трехфазного АИН с действующим значением напряжения фазы 220 В обоснована в [4] как 650 В.

Современные АИН, принцип действия, которых основан на формировании прямоугольных импульсов напряжения [6], не позволяют получать синусоидальную форму напряжения на выходе. Для улучшения электромагнитной совместимости АИН с сетью и потребителями переменного тока включают на выходе АИН синус-фильтр, сглаживающий форму выходного напряжения до практически синусоидальной фазы [7].

Практика показывает, что фотоэлектрические панели большинства СЭС не имеют электропривода изменения ориентации на солнце. Снижая выработку электроэнергии, это обстоятельство, с другой стороны, упрощает функционирование СЭС, повышает надежность и снижает эксплуатационные затраты на ремонт и обслуживание. Будем рассматривать СЭС с нерегулируемым положением фотоэлектрических панелей.

Для обеспечения достаточной величины переменного напряжения на выходе АИН необходимо преобразование постоянного напряжения, снимаемого с ФЭП, в стабилизированное постоянное напряжение более высокого уровня на входе АИН. Установленная мощность АИН ограничивает, таким образом, мощность и ток секции СЭС. В свою очередь, установленная мощность СЭС может наращиваться по секционно.

Рассмотрим целесообразный, по мнению автора, вариант построения релейной защиты СЭС, показанный на рис. 1.

Увеличенные фрагменты схемы рис. 1 показаны на рис. 2–5. Термин «релейный» означает «двухпозиционный» согласно [8]. Реле может пребывать в одном из устойчивых

294

состояний: включено либо выключено. Релейная защита работает на отключение аварийных устройств.

На рис. 1–3 приняты следующие обозначения:

1.LV1 – LV3 – датчики напряжения.

2.LT1 – LT7 – датчики тока.

3.РТ1 – РТ5 – реле максимального тока.

4.РН1, РН2 – реле максимального напряжения.

5.РН3 – реле минимального напряжения.

6.DIFF1 – DIFF5 – узлы сравнения.

7.ТТ1 – ТТ4 – измерительные трансформаторы тока.

8.GB1 – GB300 – батареи из n ФЭП, соединенных последовательно (для примера принято n = 40 штук для ФЭП с рабочим напряжением 16…16,5 В.

9.Количество параллельных цепочек GB зависит от номинальной мощности (номинального выходного тока) АИН.

10.VD1 – VD300 – диоды силовые низкочастотные;

11.QF1 – QF305 –автоматические выключатели.

12.FU1+, FU1-, FU2+, FU2-, FU3+, FU3- - быстродействующие плавкие предохранители.

13.UZ1 – повышающий преобразователь постоянного напряжения (ПППН) [9].

14.UZ2 – трехфазный АИН.

15.ФНЧ - трехфазный фильтр нижних частот (синус-фильтр).

16.Т1, Т2 – трехфазный силовой трансформатор.

17.F1, F2 – двухполюсный искровой разрядник.

18.F3.1 – F3.3, F4, F5 – нелинейные ограничители перенапряжений (варисторы). Исходя из структуры СЭС, изображенной на рис. 1-3, максимальная токовая защита

будет применяться для:

1.Каждой цепи последовательного соединения ФЭП.

2.Входа ПППН и АИН.

3.Перед обмоткой НН трансформатора Т2.

4.После обмотки НН трансформатора Т1 (защита нагрузки переменного напряжения).

5.После обмотки ВН Т1.

6.После обмотки ВН Т2.

Защита максимального напряжения (разрядники или ограничители перенапряжений, замыкающие на себя цепь тока в случае недопустимого повышения в ней напряжения) будет использована:

1.На входе ПППН и АИН.

2.На выходе АИН (между выходом синус-фильтра и обмоткой НН Т2).

3.На входе нагрузки переменного тока; 4) в точке подключения обмоток ВН трансформаторов к электросети.

295

Рис. 1. Схема электрическая структурная релейной защиты сетевой СЭС

Релейная защита максимального тока срабатывает в случае достижения током недопустимых значений, поэтому является последним рубежом обороны: в случае ее несрабатывания по какой-либо причине оборудование СЭС (в особенности электронное) может получить тяжелые повреждения.

Поэтому, целесообразно использовать способы реагирования релейной защиты на развивающиеся аварийные ситуации, позволяющие селективно отключать цепи, до того, как токи войдут в область недопустимых значений.

Распространенной аварийной ситуацией является внешнее короткое замыкание на шинах постоянного тока (на входе АИН или на входе ПППН). Результаты компьютерного моделирования такого режима работы представлены в [10, 11].

При возникновении внешнего короткого замыкания напряжение начинает падать напряжение звена постоянного тока на входе АИН. Так как емкость звена постоянного тока через реактор и автоматический выключатель разряжается в цепь короткого замыкания, то ток через контакты QF301 сначала спадает до нуля, а затем возрастает с противоположной полярностью. Признак смены направления тока может быть использован в качестве индикатора внешнего короткого замыкания на шинах постоянного тока наряду с признаком скоротечного исчезновения (глубокого снижения) входного напряжения АИН и ПППН.

296

Рис. 2. Схема электрическая структурная релейной защиты сетевой СЭС: часть постоянного тока

297

Рис. 3. Схема электрическая структурная релейной защиты сетевой СЭС: преобразователь постоянно-переменного тока и часть переменного тока

Таким образом, может быть организована продольная дифференциальная токовая защита полупроводниковых преобразователей в составе СЭС.

Дополнительно рассмотрим способ увеличения быстродействия отключения коротких замыканий на стороне групп фотоэлектрических панелей за счет применения поперечной дифференциальной защиты. Как видно рис. 1-2, выделены три группы из 100 параллельных цепей ФЭП каждая.

В свою очередь, каждая цепь является двухпроводной линией постоянного тока (проводники положительной и отрицательной полярности). Датчики тока, регистрирующие изменение направление тока, который в нормальном режиме направлен по положительным проводам от ФЭП к ПППН, а в режиме короткого замыкания одной из групп ФЭП – уже от

ПППН к точке короткого замыкания, должны быть расположены попарно на положительных проводах смежных линий электропередачи от групп ФЭП.

Способ встречно-последовательного включения датчиков тока в каждой паре таков, что в нормальном режиме работы СЭС токи через датчики направлены встречно и компенсируют друг друга: суммарный ток будет равен нулю. В случае же короткого замыкания в одной из контролируемых линий ток в ней меняет направление, что нарушает баланс токов через датчики – суммарный ток уже не будет равен нулю, что является сигналом для срабатывания релейной защиты на отключение преобразователя постоянного напряжения от питания.

Проблема практической реализации заключается в том, что абсолютная компенсация токов через датчики тока поперечной дифференциальной защиты в нормальном режиме работы СЭС является идеальным случаем, который недостижим, как в силу разброса параметров электрооборудования, так и, в большей степени, из-за неравномерной освещенности (затененности) в каждый момент времени фотоэлектрических модулей, разнесенных в пространстве. То есть, всегда будет присутствовать ненулевой

298

дифференциальный ток. Чтобы отстроить релейную от эффекта затенения части ФЭП, используем уставку порогового значения дифференциального тока, например 30 % от тока номинального одной защищаемой линии, совместно с длительной выдержкой времени, например 5 минут. При увеличении дифференциального тока происходит пропорциональное уменьшение длительности выдержки времени таким образом, что при дифференциальном токе равном номинальному току одной защищаемой линии происходит отключение силового выключателя QF301 без выдержки времени.

Одновременно с защитой от короткого замыкания рассмотренная поперечная дифференциальная защита способна реагировать на ситуацию с обрывом некоторого количества параллельных цепей ФЭП внутри одной из защищаемых групп. В этой ситуации ненулевой дифференциальный ток будет появляться из-за неодинаковости остающихся в работе генерирующих мощностей ФЭП в смежных группах.

Целесообразно совместно с QF301 на входе ПППН отключать также QF 305 на выходе АИН. Такое действие полностью изолирует полупроводниковые преобразователи СЭС от электричества, позволяя провести необходимые операции по их техническому обслуживанию. Однако, следует предусмотреть задержку отключения QF305 на время торможения электромашинных нагрузок переменного тока во избежание возникновения на них коммутационных перенапряжений.

Выводы

1.Отметим, что предупреждение возможных внутренних повреждений и сбоев управления ключами АИН и ПППН возложено на драйверы полупроводниковых ключей. Драйверами называют платы управления силовыми ключами, то есть устройства, осуществляющие согласование слаботочных цифровых выходов контроллера и аналоговых входов силовых ключей преобразователя. Драйверы выполняют функции быстродействующей релейной силовых ключей по каналу управления последними.

2.С наступлением ночного времени суток размыкание цепи питания от ФЭП к входу

ПППН может быть осуществлено по суммарному сигналу независимых датчиков освещенности, размещенных в разных точках поля ФЭП. Либо для ночного отключения (отключения при снижении генерируемой мощности) может быть использована уставка постоянного тока на входе ПППН, например, ниже 10 % от номинального значения, с длительной выдержкой времени 10 минут.

Литература

1. Основные характеристики российской электроэнергетики. Минэнерго России. [Электронный ресурс]. Режим доступа:https://minenergo.gov.ru/node/532. Дата обращения 5 декабря 2020.

2. Лобов Б. Н., Колпахчьян П. Г., Белокопытов С. А., Аль Джурни Рагхад Али Маджид. Выбор структуры фотоэлектрической системы электроснабжения //

моделирование процессов в автономном инверторе напряжения // Известия вузов. Электромеханика. 2015. №4(540). С. 38-41.

4.Колпахчьян П.Г., Аль Джурни Рагхад А.М. Выбор величины напряжения во вспомогательной линии постоянного тока фотоэлектрической системы // Известия вузов. Электромеханика. 2015. №2(538). С. 53-55.

5.Басмановский М. А., Кропотин В. О., Сержанский В. П. Обзор инверторного оборудования на объектах электрогенерации гетероструктурными солнечными модулями //

299