CC BY
113
6. Правила проектирования, строительства и эксплуатации волоконно-оптических линий связи на воздушных линиях электропередачи напряжением 0.4-35 кВ: СО 153-34.48.519-2002. М., 2004 .
7. Спирин А.А. Введение в технику волоконно-оптических сетей [Электронный ресурс] // СГГ FORUM: сайт. URL: http://www.citforum.ru/nets/optic/optic1.shtml
8. Межотраслевые правила по охране труда (правила безопасности) при эксплуатации электроустановок. Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2007. 176 с.
Сведения об авторах
Бабарыгина Елена Сергеевна,
инженер электротехнического бюро отдела главного энергетика ЗАО «Северо-Западная фосфорная компания»
Россия, 184227, Мурманская обл., пос. Коашва, д. 26 эл. почта: BOBRIK-lenor@mail.ru
Веселов Анатолий Евгеньевич,
ведущий научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии
Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А
Токарева Евгения Александровна,
младший научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии
Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А
Фастий Галина Прохоровна,
научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А эл. почта: fastiy@ien.kolasc.net.ru
УДК 621.311 Д.В.Куклин
СРАВНЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ НА ВЕРХНЕЙ ФАЗЕ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ЗАЗЕМЛИТЕЛЕЙ ПРИ УДАРЕ МОЛНИИ В ЛИНИЮ С ГРОЗОТРОСОМ*
Аннотация
Представлены результаты расчетов напряжений на верхней фазе опоры линии с грозотросом и различными конструкциями заземлителей для разных параметров грунта.
Ключевые слова:
грозовые перенапряжения, опора линии электропередачи, заземлитель, метод конечных разностей во временной области.
D.V.Kuklin
COMPARISON OF VOLTAGES ON UPPER PHASE FOR DIFFERENT GROUNDINGS IN CASE LIGNTNING STRIKES TRANSMISSION LINE WITH GROUND WIRE
Abstract
The article presents calculation results of voltage on upper phase of transmission line tower with ground wire for different grounding constructions and soil parameters.
Keywords:
lightning overvoltages, transmission line tower, grounding, finite-difference time-domain method.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Мурманской области (проект N° 14-08-98803р_север_а).
В ПУЭ верхний предел допустимых сопротивлений заземлений опор линий электропередачи рассчитывается через значение удельного сопротивления грунта [1]. Исходя из предложенного в ПУЭ способа расчета, для обеспечения необходимого сопротивления заземления в районах с высоким значением удельного сопротивления грунта требуется сооружение заземлителей с размерами, экономическая оправданность которых сомнительна. Так, согласно требованиям, общая длина проводников лучевого заземлителя может значительно превысить длину пролета. Из-за отсутствия ссылок на литературу в ПУЭ источник этих требований неясен.
В зарубежных работах можно найти методики, в которых сопротивление заземления не привязано к значению удельного сопротивления грунта, а лишь является одним из факторов, влияющих на более важные показатели: цену на монтаж заземлителей и число отключений линии [2], которые и являются основными при выборе заземлителей.
Такой подход особенно важен в районах с высоким удельным сопротивлением грунтов, так как в этом случае больше диапазон возможных значений сопротивлений опор (и, соответственно, размеров заземлителей), вследствие чего выбор целесообразных конструкций заземлителей более сложен.
Для обеспечения подобного подхода важно было бы знать, какие конструкции заземлителей более эффективны и насколько. Чтобы понять, что оказывает влияние в большей степени, а что в меньшей, полезно рассмотреть множество случаев с различными вариантами заземлителей, опор, мест удара молнии, грунтов и пр., учитывая при этом волновые процессы (по причине большей точности). В данной статье будет рассмотрен случай удара молнии в вершину опоры для линии с грозотросом.
В качестве расчетного метода используется метод конечных разностей во временной области [3], для которого относительно недавно появился метод, позволяющий моделировать произвольно ориентированные проводники, диаметр которых не задается размером расчетной сетки [4]. С помощью данного метода можно моделировать заземлители и опоры любой конструкции. Этот метод был использован в данной статье, что позволило провести расчеты с лучевыми заземлителями.
Расчеты проведены для однородного грунта, а также для случая, когда поражаемая опора находится на участке с более низким удельным сопротивлением. Случай удара молнии в грозотрос не рассмотрен.
Участок модели показан на рис.1, из которого видно, что в модели использована упрощенная модель опоры, не включающая всех подробностей конструкции, которые, однако, могут быть учтены в дальнейшем. Основные параметры опоры близки к параметрам опоры ПС110-10.
Рис.1. Участок модели
Размер расчетной сетки - 0.5 м. Поглощающие граничные условия - CPML [3]. Длина пролета - 300 м. Диаметр проводников опоры - 0.1 м. Диаметр грозотроса - 10 мм. Диаметр фазных проводов - 20 мм. Диаметр лучей заземлителя - 12 мм. Амплитуда тока для случая с фронтом 1 мкс - 30 кА, время полуспада - 200 мкс. Амплитуда тока для случая с фронтом 0.25 мкс - 15 кА (хотя тот факт, что токи последующих компонентов в среднем примерно в 2 раза меньше, не означает, что для конкретного разряда ток последующего компонента окажется меньше тока первого, так как нет данных корреляции между токами компонентов), время полуспада - 100 мкс. Фундаменты опор не моделировались. Канал молнии смоделирован в виде вертикального проводника диаметром 0.1 м с идеальным источником тока у основания. Проводник канала молнии, а также фазные провода доходят до границы области вычислений, что обычно применяется для моделирования проводников бесконечной длины.
Важно отметить, что к представленным результатам расчетов нужно относиться осторожно, так как использованный метод моделирования проводников нужно изучить более тщательно. Несмотря на то что данный метод был проверен для моделирования проводников конечной длины, примененный в статье способ моделирования проводников бесконечной длины, подходящий для других методов, может оказаться неточным для данного метода. Также в связи с особенностями метода для измерения разности потенциалов приходится располагать фазные провода близко к траверсам опоры (но, конечно, без электрического контакта). В том числе здесь учтены только две соседние опоры, в реальном же случае будут влиять и другие опоры, и напряжения будут отличаться от рассчитанных примерно после четвертой микросекунды при сохранении той же длины пролета. То есть нужно учитывать, что более точные расчеты могут скорректировать сделанные выводы.
В случае с однородным грунтом удельное сопротивление грунта принято равным 2000 Ом-м, относительная диэлектрическая проницаемость - 7. Для случая с неоднородным грунтом средняя опора находится на участке с более низким удельным сопротивлением, равньгм 500 Ом-м (рис.2), относительная диэлектрическая проницаемость - 12.
110 м
2000 Ом-м О О Ом-м 2000 Ом-м
Рис. 2. Параметры грунта для рассмотренного случая с неоднородным грунтом.
Пропорции не соблюдены
Результаты расчетов для однородного грунта представлены на рис.3 и 4. По характеру напряжения схожи с теми, что были получены ранее для похожей модели [5]. Из результатов расчетов видно, что напряжение для четырехлучевого заземлителя для большей части рассмотренного временного промежутка ниже напряжения для других заземлителей, а напряжение для шестилучевого заземлителя ниже напряжения для восьмилучевого заземлителя практически на всем промежутке. Таким образом, по крайней мере для данной конфигурации и данного грунта, число лучей больше четырех-шести стоит увеличивать только в том случае, если это более удобно с точки зрения монтажа.
Рис.3. Напряжение на верхней фазе для импульса тока с фронтом 1 мкс. Однородный грунт
Рис.4. Напряжение на верхней фазе для импульса тока с фронтом 0.25 мкс.
Однородный грунт
Результаты расчетов для неоднородного грунта представлены на рис.5 и 6. Область с относительно низким удельным сопротивлением стала определяющей для значений напряжений. Второе замечание: при относительно низком удельном сопротивлении разница между вариантами заземлителей мала (при сравнении с первым индуктивным всплеском напряжения), следовательно, в таком случае число лучей имеет меньшее значение, чем при большем сопротивлении грунта. Конечно, не стоит автоматически распространять данные результаты и на все случаи с похожим (или меньшим) удельным сопротивлением грунта, но для схожих конструкций опор и размеров заземлителей можно ожидать близкие результаты.
Рис.5. Напряжение на верхней фазе для импульса тока с фронтом 1 мкс. Неоднородный грунт
Рис.6. Напряжение на верхней фазе для импульса тока с фронтом 0.25 мкс.
Неоднородный грунт
Также были проведены расчеты для грунта с удельным сопротивлением 10000 Ом-м. На рис.7 и 8 представлены результаты этих расчетов, а также даны для сравнения результаты с грунтом 2000 Ом-м. Характер напряжений для разных грунтов различается сильно. Можно заметить, что в случае с большим удельным сопротивлением при фронте 1 мкс разница между напряжениями для разного числа лучей меняется менее значительно от одного момента времени к другому.
Конечно, более точным было бы сравнивать заземлители не по значению напряжений для конкретного тока, а по какому-либо более показательному параметру, например по вероятности перекрытия изоляции. Но для этого потребуются методы, определяющие перекрытие изоляции при напряжениях, подобных рассмотренным. Можно применить уже существующие методы для импульсов сложной формы [6], но их точность для напряжений именно такой сложности (с практически произвольной формой напряжения, несколькими изменениями полярности) под вопросом.
Рис. 7. Напряжение на верхней фазе для импульса тока с фронтом 1 мкс (10000 Омм)
Рис.8. Напряжение на верхней фазе для импульса тока с фронтом 0.25мкс (10000 Омм)
Помня об оговорках относительно точности моделирования проводников, по расчетам можно наметить вывод, что при высоких значениях удельного сопротивления грунта для проводников с длиной, близкой к рассмотренной, и схожими параметрами опоры разница между конструкциями заземлителей более заметна, чем при низких удельных сопротивлениях и предпочтительное число лучей при одинаковых условиях монтажа заземлителей - около четырех. Но для большей определенности необходимо использовать методы определения перекрытия изоляции при сложной форме напряжений и учесть хотя бы приближенно нелинейные процессы.
Литература
1. Правила устройства электроустановок. СПб.: ДИАН, 2013. 1168 с.
2. Khodr H.M., Machado e Moura A., Vladimiro M. Optimal design of grounding system in transmission line // The 14th International Conference on Intelligent System Applications to Power Systems, ISAP 2007.
3. Taflove A., Hagness S.C. Computational electrodynamics: the finite-difference time-domain method. Third edition. Artech House, 2005. 1006 p.
4. Guiffaut C., Reineix A., Pecqueux B. New oblique thin wire formalism in the FDTD method with multiwire junctions // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2012. Vol. 60. P. 1458-1466.
Куклин Д.В., Селиванов В.Н. Численный анализ влияния параметров опоры ЛЭП на уровень перенапряжений при прямом ударе молнии // Труды КНЦ РАН. Энергетика. 2014. Вып. 8. С. 46-54.
Chisholm W.A. New challenges in lightning impulse flashover modeling of air gaps and insulators // IEEE Electrical Insulation Magazine. 2010. Vol. 26, N° 2. P. 14-25.
Сведения об авторах
Куклин Дмитрий Владимирович,
научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21 А эл. почта: kuklindima@gmail.com
5.
6.
