CC BY
85
Данилин Аркадий Николаевич,
заведующий лабораторией высоковольтной электроэнергетики и технологии центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, д.т.н.
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А Эл. почта: danilin@ien.kolasc.net.ru
Селиванов Василий Николаевич,
ведущий научный сотрудник лаборатории высоковольтной электроэнергетики и технологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к.т.н. Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А Эл. почта: selivanov@ien.kolasc.net.ru
Прокопчук Павел Иванович,
ведущий инженер лаборатории высоковольтной электроэнергетики и технологии Центра
физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А
Колобов Виталий Валентинович,
старший научный сотрудник лаборатории высоковольтной электроэнергетики и технологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к.т.н. Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А Эл. почта: 1 i@mail.ru
Баранник Максим Борисович,
ведущий инженер лаборатории высоковольтной электроэнергетики и технологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к.т.н.
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А Эл. почта: maxbar@ien.kolasc.net.ru
УДК 621.311
Д.И.Власко, А.О.Востриков, А.П.Домонов, Ю.М.Невретдинов
ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ РЕГИСТРАЦИИ ГРОЗОВЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В ДЕЙСТВУЮЩЕЙ СЕТИ*
Аннотация
В статье приведены результаты экспериментов по генерированию импульсных напряжений в ОРУ 110 кВ подстанции с одновременной регистрацией токов и напряжений в нейтрали трансформатора. Показана перспективность регистрации токов в нейтралях для локализации точки поражения ВЛ молнией и контроля грозовых перенапряжений. Выявлены проблемы обработки регистраций в нейтрали с помощью частотных передаточных функций трансформатора и датчика тока.
Ключевые слова:
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 11-08-00690).
подстанция, грозовые перенапряжения, нейтраль трансформатора, эксперимент, регистрация токов в нейтрали, передаточная функция.
D.I.Vlasko, A.O. Vostrikov, A.P. Domonov, Y.M.Nevretdinov
THE PROBLEMS AND PROSPECTS OF LIGHTNING OVERVOLTAGES REGISTRATION IN THE OPERATING NETWORK
Abstract
The experiment results according to generation of pulse voltages in the OSG 110 kV substation with simultaneous registration of currents and voltages at the transformer neutral has been examined in the article. The availability of currents registration at the neutrals for localization of overhead line affection point by lightning overvoltages control has been shown. The registrations elaboration problems at the neutral by means frequency transmission functions of transformer and current sensor has been discovered.
Keywords:
substation, lightning overvoltages, transformer neutral, experiment, current registration in the neutral, transmission function.
Введение. Линии электропередачи являются самыми протяженными элементами электрических систем, поэтому они наиболее часто подвергаются воздействию атмосферных перенапряжений. Образовавшись на линии, перенапряжения могут привести не только к перекрытию линейной изоляции, но в виде блуждающих волн доходят до подстанций и являются одной из возможных причин повреждения изоляции подстанции.
Повышение эффективности электрооборудования подстанции зависит от размещения и характеристик защитных аппаратов, условий формирования атмосферных перенапряжений на подходах воздушных линий (ВЛ) к подстанциям, включая импульсные характеристики заземлителей опор ВЛ, конструктивного исполнения линии и т. п.
В работах по исследованию систем показано, что применение стандартных мероприятий по ПУЭ [1] не всегда эффективно. В частности, в статье [2] показано, что даже при применении ОПН и размещении их в соответствии с требованиями ПУЭ возможно появление опасных грозовых перенапряжений от волн, набегающих по ЛЭП.
При этом их число увеличивается вследствие повышения вероятности обратных перекрытий с опоры на провод и перекрытиями на нескольких фазах.
Расчетная оценка показателей надежности грозозащиты базируется на большом числе исходных данных, основными из которых являются информация об интенсивности грозовой деятельности и данные о поражаемости элементов электрической сети.
Объективной информацией для корректировки исходных данных и методов расчета является данные эксплуатации о нарушениях в работе электрических сетей. Краткая характеристика информативности данных эксплуатации приведена в табл.1.
Таблица 1
Характеристика информативности данных эксплуатации
Данные эксплуатации Прямая информация Косвенная информация
Отключения ЛЭП Повреждаемость оборудования Срабатывание защитных Интенсивность грозовой деятельности Состояние оборудования Число атмосферных перенапряжений; Параметры токов молнии; региональные особенности Обобщенные характеристики перенапряжений; качество обслуживания и ремонта Эффективность защиты подходов ЛЭП;
аппаратов
интенсивность грозовой деятельности____________
характеристики атмосферных перенапряжений на оборудовании
Для сопоставления поражаемости подстанций и подходов ВЛ на рис.1 приведены сведения о зависимости относительной поражаемости, полученные для подстанций с ОРУ 110-330 кВ различных типов и конструктивного исполнения [2].
1,0
од
0,01
А №ш* 1 гр. час
^—-
ч. і ГТ /Ч А [Чум в подход
г* 11
0,04 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Длина подхода 1п, км
Рис.1. Зависимость относительной поражаемости подходов ВЛ от длины подходов
Из рис.1 видно, что число ударов молнии в подходы в подавляющем большинстве превышает число ударов молнии в ПС уже при длине подхода
0.3 км и увеличивается до 2-7.5 раза при длине подходов 1 км. Таким образом, число грозовых перенапряжений на оборудовании подстанций определяется разрядами молнии в прилегающие участки подключенных ВЛ. Отметим, что, согласно ПУЭ, длина опасной зоны (подходов) достигает 2 км [1], а карта распределения интенсивности грозовой деятельности составлена по данным 1960-х гг. Необходимость уточнения характеристик грозовой деятельности и поражаемости разрядами молнии элементов сети, а также статистические распределения параметров тока молнии отмечена в докладах на 2-й Российской конференции по молниезащите, где приводились примеры разработки аппаратуры дистанционной регистрации разрядов молнии [3].
Повышение достоверности информации о характеристиках электромагнитных воздействий в высоковольтной сети позволит оптимизировать системы грозозащиты, а также повысить эффективность конструирования электрооборудования и надежность работы электрических сетей.
В ЦФТПЭС КНЦ РАН длительное время разрабатывается метод регистрации токов в заземленных нейтралях силовых трансформаторов и автотрансформаторов в целях контроля распределения токов при экспериментальных исследованиях в действующей сети. Этот метод предполагает применение бесконтактных датчиков тока, накладываемых на шины заземления аппаратов или нейтралей трансформаторов и последующую интерпретацию результатов регистрации. Для регистрации низкочастотных токов использованы датчики тока на эффекте Холла [4, 5] с разъемной конструкцией магнитопровода.
С целью развития этого метода для контроля характеристик перенапряжений в действующей сети выполнены эксперименты на участке РУ
с подключенной ЛЭП с одновременной регистрацией тока в заземленных нейтралях силовых трансформаторов.
Экспериментальное моделирование импульсных процессов на ПС-15.
ОРУ 110 кВ подстанции переведено в режим раздельной работы со снятием рабочего напряжения с одной из систем шин с подключенными трансформатором (Тгр-1) и воздушной ЛЭП (ВЛ). Схема ОРУ 110 кВ ПС-15 в экспериментальном режиме с выведенной из работы для генерирования импульсных напряжений линией Л-107 приведена на рис.2.
Рис. 2. Принципиальная схема ОРУ 110 кВ ПС-15 при проведении экспериментов:
ДН- делитель напряжения; ЭМДТ- электромагнитный датчик тока
Для экспериментов выделена ЛЭП Л-107, заземленная на противоположном конце, 1-я система шин с ТН, защитным аппаратом ОПН 110 и силовой трансформатор Тгр-1. Нагрузка Тгр-1 на сторонах 35 и 6 кВ отключена, выводы 35 и 6 кВ не заземлены. Генератор импульсных напряжений (ГИН) подключен к фазе А Л-107 на удалении около 3 км от ПС-15. Импульсные напряжения подавались от ГИН по фазе А линии Л-107 на 1 сш ОРУ 110 кВ и далее на трансформатор Тгр-1. Удаление по ошиновке ОПН 110 от Тгр-1 составило около 20 м, ответвления ошиновок от 1 сш отключены разъединителями. Таким образом, условия формирования импульсных напряжений на Тгр-1 в экспериментах и в нормальных режимах работы ОРУ 110 кВ ПС-15 существенно отличаются.
В экспериментах выполнялись регистрации напряжения на вводах трансформатора Тгр-1 и в разземленной нейтрали обмотки 110 кВ (с помощью делителей напряжения (ДН)) и тока в заземленной нейтрали (с помощью электромагнитного датчика тока (ЭМДТ)) (см. рис.2).
Кроме того, эксперименты выполнялись в двух вариантах формирования импульсных процессов: с моделью ОПН-110 и без этой модели. Модель ОПН-110 подключалась в месте размещения защитного аппарата ОПН-110 1-й системы шин только на фазе А, на которой формировался импульс напряжения. Моделирование вольт-амперной характеристики ОПН 110 кВ выполнено в масштабе 1:44 по току и напряжению.
Для иллюстрации информативности регистраций в нейтрали трансформаторов приведены осциллограммы напряжений (рис.3 и 4) на вводе Тгр-1 (фаза А) и с выхода датчика тока в заземленной нейтрали обмотки 110 кВ для опыта 1 (без ОПН) и опыта 2 (с моделью ОПН-110).
10 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Время, мкс
Рис.3. Осциллограммы напряжений на фазе А Тгр-1 и с выхода датчика тока в заземленной нейтрали трансформатора
Аналогичные осциллограммы для опытов 3 и 4 в режиме изолированной нейтрали Тгр-1 приведены на рис.4. Здесь также показаны напряжения в нейтрали Тгр-1.
На рис.3 отмечены моменты времени появления отражений в точке регистрации (на Тгр-1) от срабатывания модели ОПН (11), от точки подключения ГИН к Л-107 (12) и от противоположного конца Л-107, заземленного в экспериментах (13 и 14). Точка 13 характеризует отражение волны, приходящей при срабатывании ГИН, а 14 - волны, отраженной от ПС-15. Таким образом, регистрации электромагнитным датчиком тока могут быть использованы также для определения места подключения ГИН (удара молнии) на ВЛ. При этом
видно, что прямая регистрация напряжения на проводе не дает этой информации вследствие влияния защитных аппаратов (опыт с ОПН).
Время, МКС
Рис. 4. Осциллограммы напряжений на фазе А Тгр-1 и в изолированной нейтрали
трансформатора
Регистрации напряжения на изолированной нейтрали Тгр-1 практически не дают непосредственной информации о процессе формирования перенапряжений (см. рис.4), так как начальная часть напряжения (0...20 мкс) сильно сглажена за счет влияния емкости обмоток 110 кВ трансформатора и волновых сопротивлений ошиновки и ВЛ фаз В и С. Это снижает информативность регистраций на разземленной нейтрали трансформаторов.
Как видно из рис.3, сигнал с выхода ЭМДТ (опыт с заземленной нейтралью) в начальной части имеет наложение колебательного процесса, обусловленного колебаниями тока в нейтрали и соответственно связанного с колебательной составляющей импульса напряжения на Тгр-1. Это повышает информативность сигнала с ЭМДТ для определения параметров перенапряжений.
Результаты экспериментов в опытах с изолированной нейтралью (см. рис.4) показали, что уровень напряжения на изоляции нейтрали достигает максимума со значительным запаздыванием по времени - в опытах через 70 мкс. При расчетных исследованиях грозовых перенапряжений на подстанциях такой интервал времени не рассматривается.
Следует отметить, что в экспериментах уровень напряжения в нейтрали превысил остающееся напряжение на модели ОПН, что объясняется отсутствием этих моделей на фазах В и С. В нормальном режиме работы ОРУ перенапряжения в разземленной нейтрали будут ограничены за счет действия ОПН 110 и узлов разветвления ошиновки на фазах В и С.
На рис.5 представлены осциллограммы напряжений по рис.3 с разверткой до 10 мкс.
Как видно из осциллограмм рис.3, действие ОПН в экспериментальном участке ОРУ не эффективно. Наибольшее снижение напряжения на вводе трансформатора происходит после первого пика, и значительного ограничения первого максимума напряжения на Тгр-1 от действия модели ОПН не происходит. Это объясняется значительным удалением ОПН 1 сш от Тгр-1 (146 м по ошиновке) и отсутствием защитного действия узлов разветвления ошиновки к ВМШ и другим ВЛ в режиме раздельной работы ОРУ 110 кВ (см. рис.2). В результате произошло увеличение колебательной составляющей напряжения.
Осциллограммы напряжений на вводе Тгр-1 (см. рис.5) дают
информацию о величине импульсного напряжения на трансформаторе и защитном действии ОПН. Время 11 характеризует момент срабатывания ОПН от набегающей с Л-107 волны напряжения, а время 12 - момент прихода на ОПН отражения от Тгр-1 волны (в обоих случаях с учетом времени распространения волны от ОПН до Тгр-1 по ошиновке). Соответствующие осциллограммы с выхода датчика тока также позволяют определить указанные моменты времени 11 и 12, т.е. характеристики действия схемы защиты.
* —' * ’Т* 11 & х Н
И
5 3
Сі м
= 2. « -9-
И
и
ч
о
•у,
3 И И « Е о
4* Н
14
12
10
8
6
4
2
0
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0,2
1
1 1 ,** \ 1пыт 1 (без ОІ
0 Ш)
кКУ
/ "Л
І її \ Эпыт 2
/ і 12 (сОГЕ В)
і
Опыт 1 (без ОПН) #**+**
/
й / *•*■* л «, ^
1 г? 1 / І Г ят*
. 1 /
и . в ¥• / і *
і /
ииьы х ^ шш; і і і
-1
4 5
Время, мкс
10
Рис.5. Осциллограммы напряжения на вводе трансформатора и на выходе датчика тока (ЭМДТ) в нейтрали Интерпретация результатов регистрации. Решение задач диагностики электрооборудования часто выполняется с помощью передаточных функций в виде частотных характеристик оборудования. Рассмотрим возможность использования этого метода для контроля импульсных перенапряжений.
Для этого выполнены спектральные преобразования Фурье цифровых регистраций напряжений на вводах 110 кВ трансформатора и с выхода датчика ЭМДТ в опытах 1 (без ОПН) и 2 (с ОПН). Передаточные функции системы «Тгр - датчик ЭМДТ» в комплексной форме получены из выражений:
Ктдд (/) =
СУД//).
Ктд,2 (I) =
СУД 2 (I)
(1)
сиг//; сит2(/)
где СиТ1(/) и СиТ2(/) - векторы гармоник напряжения на вводе 110 кВ Тгр-1 в опытах 1 и 2 соответственно; СиД1(/ и СиД2(/) - векторы гармоник напряжения на выходе датчика тока в опытах 1 и 2 соответственно.
Сопоставление амплитудных (АЧХ) и фазовых (ФЧХ) спектров передаточных функций КТд,1 и КТд ,2 для двух вариантов формирования импульсных напряжений представлены на рис.6.
а) амплитудочастотные характеристики
0,001
н 0,0008
* 0,0006 р
= 0,0004
Е
м
<
0,0002
без опн
Ктд,2
1 105 5 105
1*10 1,5*10 2*10
Частота,Гц
б) фазочастотные характеристики
25(Ь
200
150
ч. я 100
& и 50
я 0
« -50
е -100
-150
-200
-740 -
\ >1 /
Ц— ОД МГц Л
\ ■ 1 .. /г *—1,1 МГц
\ А 3 ; 1
? 1 — ^гВ#-
г т_ 1 . N ^ . Л [ 1ЖШ ПУ—еТ"1У ■ ^ ■ ■
/ У ' / V „птттт
без ОПН И г 1 ; 4 С ШШ
Ктд,2 КтдД
110 510 110 1,5*10 2*10
Частота, Гц
Рис.6. Сопоставление частотных характеристик передаточных функций
х - в опыте 1(КТд,1 с ОПН) и □ - в опыте 2 (КТд,2 без ОПН)
Как видно из рис.6, спектры передаточных функций системы «Тгр - датчик ЭМДТ» существенно отличаются в опытах 1 и 2, т.е. зависят от формы импульсных напряжений. Так АЧХ значительно различаются в диапазоне 1^1.5 МГц, ФЧХ - в диапазоне 0.1^ 1.1 МГц. В проведенных экспериментах наибольшее различие между характеристиками составило:
1) по модулю относительное А|КТд |* = |КТд ,1|/|КТд ,2| = 1.71 на частоте 1.1 МГц;
2) по фазе Аа^(КТд (0.1 МГц)) = 255° на частоте 0.1 МГц;
3) Аа^(КТд (1.1 МГц)) = 284о на частоте 0.1 МГц.
Рассмотрим возможность восстановления напряжений на вводе трансформатора с помощью полученных частотозависимых передаточных функций. Проверку выполним для обеих передаточных функций КТд,1(£) и КТД ,2(£). Варианты спектров восстанавливаемых напряжений для опыта 1 - СТТи(£) и СТТи(Г), а также для опыта - 2 СРТ2л(Г) и СГТг.гф определены путем обратного преобразования:
СУТ11(П = СиД1(/); СУТ12 (/) = СиД1(/);
^ 1Г / /* ) 1,2 1Г / /* )
КТД,1(/^ КТД,2 \] )
(2)
СКГ 21(/) = СиД/ СП 22 (/) = СиД 2(/). )
2^ ^ ^ ) 2,2 ^ IГ //')
КТД,1(// КТД,2 (/)
Восстановление осциллограмм напряжений выполнено по формуле:
М , ,
UVuo.uk«) = £ С' \СУТжж(Си{ • ( • тт • /к-1 + агвС^ык(/Щ (3)
к=0
где ^ - интервал времени восстановления от 1 до 10 мкс; N0 и ЫК - индексы номера опыта и номера передаточной функции КТд, КК.
Результаты восстановления напряжений на Тгр-1 и их сопоставления представлены на рис.7.
а) опыт 1 с моделью ОПН
б) опыт 2 без ОПН
Рис.7. Сопоставление экспериментальной регистрации и восстановлений с помощью передаточных функций по опыту 1 (КТд,1) и опыту 2 (КТд,2)
Как видно из рис.7, применение передаточных функций в виде частотных характеристик для восстановления грозовых перенапряжений дает значительную погрешность, как в сторону занижения амплитуды (см. рис.7а), так и в сторону завышения амплитуды перенапряжений (см. рис.7б). Можно отметить, что применение передаточной функции из опыта 2 КТд,2(£) для восстановления напряжения в опыте 1 позволяет воспроизвести форму напряжения, но с изменением соотношений первого и второго максимумов. В варианте восстановления напряжения по опыту 2 с помощью КТд,1(1} получено значительное искажение формы напряжения. Таким образом, применение передаточных функций системы «трансформатор - датчик ЭМДТ» в представленном виде не позволяет получить удовлетворительное восстановление характеристик перенапряжений.
Выводы
1. Выполненные экспериментальные исследования показали, что регистрации токов в нейтрали позволяют получать информацию о процессах формирования грозовых перенапряжений на ВЛ, в том числе о месте поражения ВЛ молнией или возникновения обратного перекрытия. Применение передаточных функций в виде частотных характеристик дает значительные погрешности при восстановлении формы перенапряжений.
2. Выявлена возможность появления опасных грозовых перенапряжений на изоляции изолированных нейтралей силовых трансформаторов с запаздывание на десятки мкс.
Литература
1. Правила устройства электроустановок. 6-е изд. / Госэнергонадзор. М., Энергосервис, 2002. 608 с.
2. Исследование защиты подстанции 150 кВ от грозовых волн с учетом реальных заземлителей опор ЛЭП на подходах / Д.И.Власко, Ю.М.Невретдинов // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. 2011. № 1, вып. 2. С.79.
3. Проблема дистанционного измерения тока молнии / Э.М.Базелян, М.И.Чичинский // Труды Второй росс. конф. по молниезащите. 2010.
4. Совершенствование методов генерирования СНЧ-КНЧ электромагнитных полей с использованием промышленных ЛЭП и контроля влияния на действующую высоковольтную сеть и кабели связи / Ю.М.Невретдинов, И.М.Зархи, А.А.Жамалетдинов, Г.П.Фастий, И.Е.Кабеев, А.В .Бурцев. 2005. 68 с.
5. Расчетно-экспериментальные исследования влияния высоковольтной сети на кабельные линии связи / Ю.М.Невретдинов, А.С.Карпов, Г.П.Фастий // Моделирование переходных процессов и установившихся режимов в высоковольтных сетях. Апатиты: Изд-во Кольского научного центра РАН, 2008. 205 с.
Сведения об авторах Власко Денис Игоревич,
стажер-исследователь лаборатории надежности и эффективности оборудования энергосистем Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А Эл. почта: den-energy@yandex.ru
Востриков Александр Олегович,
лаборант лаборатории надежности и эффективности оборудования энергосистем Центра
физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А
Эл. почта: vostrik-aleksandr@yandex.ru
Домонов Александр Петрович,
младший научный сотрудник лаборатории надежности и эффективности оборудования энергосистем Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А
Эл. почта: domonovap@mail.ru Невретдинов Юрий Масумович,
заведующий лабораторией надежности и эффективности оборудования энергосистем Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к.т.н.
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А Эл. почта: ymnevr@mail.ru
УДК 621.311
Б.В.Ефимов, Н.И.Гумерова, А.Н.Данилин, Т.К.Кузнецов, В.Н.Селиванов
ЧИСЛЕННЫЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РАЗВИТИЯ ГРОЗОВЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ НА ПОДСТАНЦИЯХ *
Аннотация
В статье выполнен численный анализ результатов экспериментального исследования грозовых перенапряжений на высоковольтных подстанциях при ударах молнии в ВЛ. Выполнена оценка влияния различных упрощений и допущений в физической модели на развитие грозовых перенапряжений.
Ключевые слова:
моделирование, молния, грозовые перенапряжения, надежность.
B.V.Efimov, N.I.Gumerova, A.N.Danilin, T.K.Kuznezov, V.N.Selivanov
NUMERICAL AND EXPERIMENTAL ANALYSIS OF THE DEVELOPMENT OF lightning OVERVOLTAGES ON THE SUBSTATIONS
Abstract
The article presents numerical analysis of the experimental investigations of the lightning overvoltage's on the high voltage substations at lightning strikes in transmission line. It was carry out the estimation of influence of different simplifications in the physical model on the development of lightning overvoltages.
Keywords:
modeling, lightning, lightning overvoltages, reliability.
Проблема грозозащиты оборудования открытых распределительных устройств (ОРУ), которая имеет место в воздушных линиях электропередачи (ВЛ), не теряет своей актуальности, так как появляется новое оборудование, новые защитные
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 11-08-00690).
