CC BY
39
УДК 621.311.4:551.5
Лщак 1.В., ст.викл. каф. ЕСМ, Бшкевич Т.В., студент 2 курсу 1ЕСК © Нацюналънийутверситет «Лъв1всъкапол1технжа»,м. Лъвгв
ДОСЛ1ДЖЕННЯ НАД1ЙНОСТ1ГРОЗОЗАХИСТУ П1ДСТАНЦ1Й
Розглянута узагалънена методика / алгоритм розрахунку електромагттних хвилъових процеав / надшност1 роботи схем грозозахисту тдстанцт.
Розроблена / описана цифрова математична модель алгоритму розрахунку електромагттних хвилъових процеав / надшност1 роботи схем грозозахисту тдстанцт.
Ключое1 слова: тдстанщя, грозозахист, атмосферт перенапруги, грозовии ¡мпулъс, наб1гаючи хвиля, розрядник,обмежувач перенапруг нелшинии.
Ефектившсть функцюнування електроенергетичних систем залежить вщ багатьох фактор1в, у тому числ1 вщ грозозахисту 1х об'еклв, в першу чергу лшш електропересилання I пщстанцш. Пщстанцп е досить важливими об'ектами енергосистем, на територп яких сконцентрована велика кшькють важливого обладнання. Тому вони повинш бути надшно захищеними вщ впливу зовшшшх фактор1в, у тому числ1 вщ атмосферних перенапруг.
Атмосферш (грозов1) перенапруги - це частковий випадок перенапруг, котр1 можуть виникати пщ впливом зовшшшх ЕРС. Грозов1 перенапруги подшяються на:
- перенапруги на лшп I на пщстанцп внаслщок прямого удару блискавки;
- перенапруги на пщстанцп та електричнш машиш внаслщок надходження хвиль з лшп;
- перенапруги, шдуковаш на лшп та на ¿золяцп електрично! машини.
Для мереж високо! напруги практичне значения мають лише грозов1 розряди у вигляд1 "лшшно! блискавки", котр1 I обумовлюють грозов1 перенапруги.
Найбшьш1 грозов1 перенапруги виникають внаслщок прямого удару блискавки в лшш або пщстанцш. Струм блискавки мае малу тривалкть (1 -100 мксек), але в окремих випадках може досягати I нав1ть перевищувати 100 кА. У мкщ удару виникае короткочасна (¿мпульсна) напруга, що вим1рюеться в мегавольтах, тобто перевищуе ¿мпульсну мщшсть ¿золяци електропередач нав1ть найвищих клас1в напруги.
Внаслщок електромагштно! ¿ндукци близький удар блискавки створюе також ¿ндуковану перенапругу, котра зазвичай призводить до деякого збшьшення напруги на ¿золяцп. Вщ мюця удару блискавки вздовж лшп з1 швидюстю свила з малим спотворенням I загасанням розповсюджуються
© Лщак 1.В., Бшкевич Т.В., 2012
235
електромагштш хвилг Дшшовши до тдстанцп, щ хвил1 можуть викликати небезпечш перенапруги на ¿золяцп И обладнання.
Наявш схеми грозозахисту тдстанцш забезпечують необхщну грозостшккть. Але проблема розробки нових схем, анал1зу та удосконалення юнуючих залишаеться актуальною.
Матер1али та методи. На кафедр1 електричш системи та мереж1 НУ «ЛП» в 1974 р. була розроблена цифрова модель АСА ЕПН на алгоритм1чнш мов1 ФОРТРАН-IV. Ця модель мала обмежену кшькють шформаци для вводу, це вимагало робити багато спрощень, що приводило до збшьшення похибки розрахунку. Програма не враховувала згладження фронту хвил1 пщ впливом ¿мпульсно! корони. ВАХ розрядника апроксимували одним вщр1зком. Для зменшення кроку розрахунку схему замщення пщстанци потр1бно розбивати на пром1жш вузли, а через обмежену кшькють шформаци для вводу цього зробити не вдавалось. В1тки схеми замщення зводились до одше! довжини згщно з кроком розрахунку, що збшьшувало похибку обчислень. Вона потребувала наступних розрахунюв вручну:
- параметр1в схеми замщення;
- розбиття схеми згщно кроку розрахунку по довжини;
- задания хвил1 точками;
- вимагала ручного формування р1внянь напруг в вузл1, падаючих та вщбитих хвиль;
- задания шляху поширення хвилц
На 6a3i вище цифрово! математично! модел1 було створено програму для розрахунку електромагштних хвильових процеав на тдстанцп. Програма створювалась в програмному середовищ1 Borland Delphi 7. Це дозволило створити зручний штерфейс, спростити пщготовку до розрахунку схеми замщення пщстанци, автоматично перераховувати параметри обладнання, розширити д1апазон розрахунку, ввести ряд додаткових фактор1в, яю впливають на точшсть розрахунку, реал1зувати методи, яю потребують високого р1вня комп'ютерно! техшки i на час створення попередньо! модел1 не реал1зовувались через неприпустимо довгий час виконання.
У програму закладено наступи! алгоритми:
- алгоритм визначення шляху поширення хвил1 грозово! перенапруги;
- формал1зований алгоритм формування р1внянь вузла;
- алгоритм перерахунку вольт-секундно! характеристики лшшно! ¿золяцп;
- алгоритм деформаци хвил1 пщ впливом ¿мпульсно! корони i при перекригп лшшно! ¿золяци;
- алгоритм перерахунку параметр1в схеми замщення;
- алгоритм розбиття в1тки на пром1жш вузли для досягнення потр1бного кроку розрахунку;
- алгоритм апроксимаци ВАХ розрядника i ОПНа;
- алгоритм апроксимаци криво! небезпечних параметр1в.
236
На баз1 цих алгоритм1в складено алгоритм розрахунку хвильових процеав на тдстанци 1 алгоритм визначення кривих небезпечних параметр1в тдстанци.
Основною перевагою ново! програми е створення формал1зованого алгоритму формування р1внянь для розрахунку хвильових процеЫв методом б1жучих хвиль для довшьно! схеми. Це е основний алгоритм програми, на якому базуються вЫ розрахунки. Вш складаеться з двох взаемопов'язаних алгоритм1в:
1) алгоритм визначення шляху поширення хвил1 по тдстанци;
2) алгоритм формування р1внянь для задано! послщовност1 вузл1в.
1нтерфейс програми Для спрощення вводу даних, змши параметр1в дослщу, представления результат у зручному вигляд1 нами був розроблений штерфейс програми.
При запуску програми перед користувачем вщкриваеться головне в1кно програми (рис.1.), на якому розмщеш кнопки керування, в1кно вщображення вхщно! шформаци, вкно вщображення розрахункових даних, дв1 закладки для вибору пол1в графшв.
Рис.1. Головне вжно
1 - вжно вщображення даних вузл1в I в1ток; 2 - в1кно виводу результат розрахунюв; 3 - поле виводу графка в вузлц 4 - поле виводу граф1ка струму через ОПН; 5 - панель кнопок керування.
237
При натисненш кнопки вщкриваеться д1алогове в1кно (Рис.2.) для вводу даних необхщних для розрахунку. В1кно мштить три закладки:
- параметри хвил1 (Рис.2. а). Тут задаеться амплпуда, довжина фронту 1 загальна довжина падаючо! хвил1, а також крок розрахунку;
- параметри параметри т-р1в I ЛЕП. (Рис.2. б). Тут вводиться характеристика лшшно! ¿золяци, допустима ¿мпульсна напруга трансформатора, характеристика лши по, якш наб1гае хвиля.
- розрядник/ОПН (Рис.2 в). В цьому вшш вводяться точки ВАХ I тип захисного пристрою.
Параметри розря,дник1в
Параметри удайл; | Розрядни^ОПН Параметри Т-ркэ I ЛЕП П&рамегрм йбладнан№
Иср, м |гг,ооо РЧпр, см |о.о1 а
икЩЕ;; |ззооо,ооо
..11 1 :1 и-1 • | • • I•. ! I• I им Цт;ооо.:
В.раховувати перекриття ¡золяцм Г* Да Мах допустима напруга т^ра 840.000
Параметри ¡золяц1я
и 0.2 |г,эао
Г ' |а;'оосг
и 0.5 1,400
тх 1 0,000
238
в)
Рис.2. Вигляд в1кна вводу даних.
Алгоритм визначення шляху поширення хвил1
Схема електричних з'еднань i геометричш розм1ри кожно! пщстанцп р1зняться м1ж собою, а метод б1жучих хвиль потребуе обчислення напруги в вузлах в тш послщовност!, в якш на них Ha6irae падаюча хвиля. KpiM того до пщстанцп можуть шдходити декшька лшш i потр1бно розглянути вар1анти приходу хвил! грозово! перенапруги з кожно! з них. Виникла потреба створити ун!версальний алгоритм, який би визначав шлях поширення хвил! по пщстанцп i не вимагав проводити додаткових розрахунк!в вручну.
Для можливост! створення такого алгоритму геометричну схему пщстанцп роздшили на два типи елеменив: вузли i в!тки. 1нформац!я про структуру схеми м!стять в!тки, оскшьки в!тка задаеться номером початку i номером к!нця це дае можливють виявляти точки з'еднання сум!жних в!ток.
Для визначення шляху поширення хвил! задаеться номер першого вузла на який Ha6irae хвиля. Спочатку визначаеться к!льк!сть приеднань кожного вузла, якщо вузол мае б!льше двох приеднань, то вш вноситься в масив вузл!в з розгалуженнями. По номеру першого вузла з масиву в!ток вибираеться в!тка, яка приеднана до нього (причому номер вузла початку i к!нця в!тки задаються в довшьному порядку) . Дал! номер в!тки вноситься в масив шляху i в!дбуваеться перех!д до вузла юнця в!тки, для якого визначають приеднану в!тку. Якщо вузол мае бшьше двох приеднань, то алгоритм, прорахувавши шлях по першому приеднанш повертаеться знов до вузла з розгалуженням i так доки Bci приеднання не будуть прорахован!. Даний алгоритм формуе масив в!ток в тш посл!довност!, в як!й по них буде проходити хвиля.
При реал!заци даного алгоритму в середовищ! Borland Delphi 7 був використаний рекурсивний виклик програми. Рекурсивний виклик дозволяе програм! в к1нц1 циклу викликати саму себе, що значно спрощуе реал!зац1ю складних цикл1в.
239
Алгоритм формування р1внянь
Для вузла було складене р1вняння, яке мктить Bci можлив1 доданки, i в залежност1 вщ елемент1в яю мютить вузол, вщ кшькост1 лшш яю приеднаш до вузла i параметр1в розрахунку в р1вняння вводяться вщповщш значения. Перехщ вщ вузла до вузла вщбуваеться по масиву виок, який формуеться за допомогою алгоритму визначення шляху.
В середовищ1 Borland Delphi 7 застосовуючи методи об'ектно ор1ентованого програмування вдалося достатньо компактно i ушверсально реал1зувати цей алгоритм. Програма не загромаджуе пам'ять комп'ютера непотр1бними пром1жними даними. Даш з попереднього кроку, як1 потр1бш в розрахунку, використовують до того, як вщбуваеться ix перерахунок, a i даш потр1бн1 для виводу записуються в окремий масив i виводяться як в чисельнш, так i в граф1чнш формг
Алгоритм розбиття вггки на пром1жш вузли За методом б1жучих хвиль крок розрахунку по часу зумовлений довжинами в1ток схеми чи навпаки. Даний алгоритм дозволяе розраховувати схему, з р1зними довжинами виок, з р1зним кроком, який ор1ентований на найменшу вику. Тобто крок не може бути бшьшим вщ найменшо! вики. Якщо довжина в1тки не кратна кроку розрахунку то результат автоматично заокруглюеться до найближчого цшого числа, що дае значно меншу похибку шж зведення схеми до в1ток з однаковою довжиною.
Реал1защя цього алгоритму вщкрила бшьш широкий д1апазон дослщження хвильових процеав, дала можливкть проводити розрахунок в cxeMi при реальних геометричних розм1рах i розташуванш обладнання. Але навиь з сучасною комп'ютерною техшкою при малих кроках час розрахунку збшьшуеться, а при розрахунку кривих небезпечних параметр1в вш сягае декшькох хвилин
Алгоритми врахування деформацп хвиль грозовоТ перенапруги Для дослщження впливу р1зних фактор1в на надшшсть грозозахисту пщстанци важливим моментом було врахувати pi3Hi випадки деформацп i зр1зу. Тому для проведения розрахунку було
У процеЫ роботи програми на кожному крощ розрахунку напруга падаючо! хвил1, в м1сщ удару, пор1внюеться з ВСХ лшшно! ¿золяцп. Якщо ¿мпульсна мщшсть лшшно! ¿золяцп витримуе то вважаеться, що на пщстанцш приходить хвиля повного ¿мпульсу. У випадку коли в один момент часу напруга падаючо! хвил1 перевищуе мщшсть ¿золяцп то ампл1туда i довжина хвил1 в цей момент часу зр1заеться i на пщстанцш поширюеться хвиля неповного ¿мпульсу (Рис.3)
Вольт-секундна характеристика (ВСХ) лшшно! ¿золяци описуеться формулою Горева-Машкшейсона:
u (t) = Л • j 1 + BO
240
Параметри формули визначаються через ¿мпульсну розрядну напругу при передрозрядному час1 2 мкс та 50 %-ву ¿мпульсну розрядну напругу (при 20 мкс). (Ц1 даш беруться з характеристик лшшно! ¿золяцй).
Графк напруги
- 8ег1ез1
- 8ег1ез2
- 8ег1ез3
Рис.3. Зр1з хвиш через перекриття лшшно*1 ¡золяцй
Вольт-секундна характеристика (ВСХ) лшшно! ¿золяцй описуеться формулою Горева-Машкшейсона:
и (г) = А0 ^ 1 + В-
Параметри формули визначаються через ¿мпульсну розрядну напругу при передрозрядному час1 2 мкс та 50 %-ву ¿мпульсну розрядну напругу (при 20 мкс). (Ц1 даш беруться з характеристик лшшно! ¿золяцй).
Рис.4. Вольт-секундна характеристика лшшно! ¡золяцй'
241
На деформацш хвил1 також суттево впливае ¿мпульсна корона. На кожному крощ розрахунку напруга падаючо! хвил1, з початковими параметрами (Рис.5. крива 1), пор1внюеться з напругою виникнення корони, якщо напруга корони не задана, то вважаеться, що хвиля виникла на пщход1 до пщстанци I деформаци пщ впливом корони не вщбуваеться. В момент, коли напруга хвил1 перевищуе напругу коронного чохла, за формулою (1) визначаеться зсув фронту хвилг Шсля визначення зсуву шукаеться точка перетину нового фронту хвил1 з хвостом (Рис.5. точка Ца1). За точкою перетину визначаеться нова ампл1туда \ нова довжина фронту. Шсля визначення ново1 ампл1туди \ фронту будуеться граф1к ново1 хвил1 (Рис.5. крива 2) \ розрахунок продовжуеться по ньому. Тобто врахувавши деформацш хвил1 теля пробку задано! вщсташ Ь на вхщ тдстанци приходить хвиля з деформованим фронтом.
Рис.5. Зр1з хвил1 через ¡мпульсну корону Алгоритми аироксимащ1 ВАХ розрядника 1 ОПНа
Для дослщження надшност1 роботи силового обладнання тдстанци потр1бно обов'язково моделювати вузли з вентильними розрядниками \ ОПН-ами.
Характеристика розрядника задаеться трьома точками, яю можна взяти з будь-яко! довщково! л1тератури \ ¿мпульсною пробивною напругою. ВАХ розрядника апроксимуеться трьома дшянками, як це зазначено в пункт! . Пщ час розрахунку напруга вузла, де встановлений розрядник, пор1внюеться з пробивною напругою розрядника. Шсля перевищення пробивно! напруги розрядника в р1вняння вводиться доданок, який мктить отр I ЕРС розрядника, тим самим моделюючи його роботу. На кожнш з трьох дшянок ВАХ розрядника вш мае р1зний отр I ЕРС, тому на кожному крощ вщбуваеться перев1рка якш дшянщ ВАХ вщповщае напруга в даний момент часу. При
242
переход! напруги з одше! дшянки на шшу вщповщно змшюеться величина опору I ЕРС розрядника.
Апроксимащя розрядника трьома вщр!зками дозволяе достатньо точно врахувати вплив його спрацювання на переб1г хвильового електромагштного процесу на пщстанци, ¿, вщповщно, з бшьшою точшстю ощнити надшшсть захисту силового обладнання.
Характеристика ОПНа моделюеться аналопчно характеристик розрядника за винятком того, що ОПН постшно пщ'еднаний до шин I вш немае напруги пробою. Тому параметри замщення ОПНа враховуються з самого початку розрахунку, вщповщно до того, на якш дшянщ ВАХ перебувае напруга вузла.
Висновки:
1. Ефектившсть об'ект1в електроенергетичних систем в значнш м1р1 залежить вщ надшност! роботи схем грозозахисту. Тому розробка нових схем грозозахисту е актуальна 1 в даний час.
2. При розробщ нових схем грозозахисту чи анал1з1 роботи кнуючих постае потреба розрахунку електромагн1тних хвильових процес1в I анал1зу над1йност1. Тому розробка ушверсально! цифрово! математично! модел!, яка б дозволяла проводити так! розрахунки, е актуальним.
3. На переб!г електромагн!тних хвильових процес!в впливае багато випадкових фактор!в. Так! фактори як деформац!я хвил! п!д впливом ¿мпульсно! корони, зр!з хвил! при перекритп л!н!йно! ¿золяц!! можуть суттево м!няти результат анал!зу. Тому вказаш фактори потр!бно враховувати при розробщ цифрово! математично! модел!.
4. В данш робот! розроблена цифрова математична модель розрахунку електромагн!тних хвильових процеав ! анал!зу над!йност! схем грозозахисту пщстанци. Вона мае наступи! переваги:
- автоматичне визначення шляху поширення хвил!;
- формал!зований алгоритм формування р!внянь за методом б!жучих хвиль;
- автоматичний перерахунок параметр!в схеми при зм!н! кроку розрахунку;
- автоматичне розбиття в!ток на пром!жш вузли при зм!н! кроку розрахунку;
- можливкть моделювання роботи вентильних розрядник!в ! обмежувач!в перенапруги нел!н!йних;
- врахування деформац!! хвил! пщ впливом ¿мпульсно! корони теля пробку деяко! в!дстан!;
- побудова кривих небезпечних хвиль при р!зних комб!нац!ях випадкових фактор!в.
5. За допомогою запропоновано! модел! проанал!зовано вплив кроку розрахунку на результат обчислень ! встановлено, що задавати крок менший 510 мне доцшьно, оск!льки це не вносить суттевих покращень результат!в. При малих габаритах схеми пщстанци чи при потреб! анал!зу при реальному
243
розташуванш елеменлв схеми за крок можна вибирати довжину найменшо! вики або найбшьше спшьне кратне Bcix виок.
6. При знаходженш кривих иебезпечиих хвиль i врахуванш деформацп хвил1 змеишения кроку розрахунку не вносить поминих вщмшностей результате, а тшьки збшьшуе час обчислення. При схемах пщстанци з великою кшьюстю вузл1в час розрахунку може становити декшька хвилин.
7. Проведено пор1вняння роботи схем грозозахисту вентильними розрядниками чи обмежувачами перенапруги нелшшними. При встановленн1 на п1дстанцй' ОПН-iB потр1бно враховувати той факт, що ОПН ефективний, якщо в1н встановлений перед об'ектом захисту на шляху поширення хвил1 до нього, в шшому випадку встановлення ОПН-а недоцшьно.
Л1тература
1. Разевиг Д. В. Техника высоких напряжений. Москва, «Энергия», 1976р, с. 227.
2. Костенко М. В., Ефремов Б. В. Анал1з надежности грозозащиты подстаций. Леншград, «Наука», 1981р
3. Гольдштейн В. Г., Ефимов Б. В., Некрасов А. В. Анал1з грозозащиты подстанций от набегающих волн атмосферного перенапряжения с помощью ЦВМ «Проминь». Электрические станции, 1970г, №4
4. Руководящие указания по защите электростанций и подстанций 3-500 кВ от прямых ударов молний и волн, набегающих с линий электропередач. Москва, 1975г.
5. Александров Г.Н. Коронный разряд на линиях электропередачи. Ленинград, 1964г.
6. Кинаш Б.М. Способы расчета вероятного числа случав появления на подстанцииопасныхволнперенапряжения. Львов, 1970г.
8. РАО «ЕЭС России». Руководство по защите электрических сетей 61150 кВ от грозовых перенапряжений/Под научной редакцией H.H. Тиходеева. 2-е изд. С-П.: Изд-во ПЭИПК, 1999
9. Тиходеев H.H. , Щур С.С.Изоляция електрических сетей (методика выбора статистической координации и приведения к норме). Ленинград, «Энергия», 1979г.
Рецензент - д.т.н., професор Щж Б.Р.
244
