CC BY
182
УДК 621
С.И.Кривошеев, Ю.Н.Бочаров, Н.В.Коровкин, К.И.Нетреба, С.Л.Шишигин
ИДЕНТИФИКАЦИЯ RLC ПАРАМЕТРОВ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ ОПОР ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ С ТРОСОМ ИМПУЛЬСНЫМ МЕТОДОМ
Аннотация
Предложена методика определения эквивалентных электромагнитных параметров заземляющих устройств (ЗУ) опор воздушных линий (ВЛ) при действии грозовых импульсов, основанная на использовании экспериментальных данных, полученных с помощью оригинальной мобильной экспериментальной установки
Ключевые слова:
Идентификация параметров, заземление опор ЛЭП, сопротивление заземления, сопротивление фундамента опоры
S.I.Krivosheev, Yu.N.Bocharov, N.V.Korovkin, K.I.Netreba, S.L.Shisheegin
THE IDENTIFICATION OF RLC PARAMETERS OF GROUNDING RESISTANCE OF TRANSMISSION TOWER WITH A LIGHTNING GUARD ROPE BY USING PULSING METHOD
Abstract
The identification of RLC parameters of grounding resistance of transmission tower with a lightning guard rope by using pulsing method are analyzed. An examples of resistance definition of the transmission tower foundation and grounding conductors of transmission tower with the lightning guard rope are given.
Keywords:
Identification of RLC parameters, grounding of transmission tower, resistance of grounding, resistance of the transmission tower foundation.
Стационарное сопротивление, определяемое экспериментальным или расчетным путем, - основная интегральная характеристика ЗУ как в России, так и в других странах. На частотах грозового импульса существенное влияние на процессы растекания тока оказывает индуктивность ЗУ, а при высоком удельном сопротивлении грунта - и его емкость. В подобных задачах широкое распространение нашло понятие "импульсного" сопротивления
Ли=шах(и)/шах(/) или ги (і)=и(і)И(і) (последнее точнее назвать мгновенным сопротивлением). "Импульсное" сопротивление Ди - чисто расчетная величина, зависящая от частоты, поэтому при изменении длительности входного импульса для него вводятся поправочные коэффициенты [1]. Существуют проблемы и с измерением "импульсного" сопротивления. В работах [2, 5] показано, что между "импульсными" сопротивлениями, полученными при апериодическом и затухающем колебательном воздействиях, корреляции не наблюдается. В статье предлагается методика построения КЬС моделей ЗУ, позволяющих анализировать импульсные режимы работы этих устройств в системах грозозащиты на строгой теоретической основе.
Вместо «импульсного» сопротивления, ЗУ характеризуется реакцией на скачкообразную функцию (переходное сопротивление). Понятие переходной
характеристики позволяет записать выражение для напряжения (тока) на ЗУ при произвольном токе (напряжении). С помощью переходного сопротивления z(t), напряжение н(0 ЗУ может быть выражено через его ток г(^ с помощью интеграла Дюамеля:
і
u (t) = i (0) • z (t) + | z (t - x) • i'( x) dx
(1)
Последнее соотношение, рассматриваемое как интегральное уравнение для z(t), дает возможность определить по экспериментально полученным u(t) и i(t) величину z(t) ЗУ. Найденная таким образом величина z(t) инвариантна к форме и длительности импульса тока молнии, а её реализация методами синтеза электрических цепей позволяет определить схему замещения и электромагнитные параметры ЗУ.
Для проведения исследований сопротивления заземления в условиях импульсных воздействий микросекундной длительности разработан
специальный генератор ГИ 1,2/50-10, формирующий на активном
сопротивлении 100 Ом импульс напряжения, близкий к стандартному грозовому с амплитудой до 10 кВ. Схема разрядного контура генератора приведена на рис.1. На рисунке в качестве нагрузки изображено разрядное сопротивление, используемое для калибровки генератора. Измерения тока проводились
с помощью пояса Роговского, обеспечивающего измерения тока в диапазонах чувствительности 1; 7,2 и 40 А/В. Измерения импульса напряжения
осуществлялись омическим делителем с передающим трактом длиной 100 м (коэффициент деления - 1:770). Запись импульсов производилась на цифровой осциллограф Tektronix TDS 2022.
Рис.1. Разрядный контур генератора ГСС-1,2/50-10, нагруженный на калибровочное сопротивление Як . Расстояние между точками В и С - 100 м. ИВД - высоковольтный импульсный делитель; Точка А - подключение к выходу ЗУ
Задача синтеза схемы замещения и подбора её параметров относится к классу обратных задач электротехники [4] и сведена к задаче поиска минимума функционала при линейных ограничениях на параметры минимизации. Для решения этой задачи были изучены и реализованы такие «мягкие методы вычисления» как генетические алгоритмы, метод «искусственной пчелиной колонии» и метод имитации отжига, позволившие решить проблему поиска глобального минимума функции.
Разработанная методика определения электромагнитных параметров ЗУ была апробирована для синтеза схем замещения ЗУ опор ВЛ. Для фундамента опоры № 27 ВЛ 110 кВ Каменногорск-Светогорск (при отсоединенном тросе) результаты расчетов приведены на рис.2.
140
120
100
^^/10, B (эксперимент) '■■■' !^), A (эксперимент)
!^), A (схема замещения)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Рис. 2. Осциллограммы тока и напряжения, схема замещения
Для определения влияния модели ЗУ на величину перенапряжений, возникающих на ПС и её подходах, рассмотрим развитие процесса при ударе молнии в опору 150 кВ. На рис.3 приведена модель системы для определения влияния параметров ЗУ на уровни перенапряжений, возникающих на защищаемом объекте (ЗО). На установившийся синусоидальный режим сети в момент максимума напряжения накладывается стандартный грозовой импуль с 1,2/50 мкс с амплитудой 350 кВ. Волна перенапряжения распространяется к защищаемому объекту по линии Л1. Длина Л1 взята такой, чтобы волновые процессы между ЗО и ОПН успели затухнуть до прихода отраженной от источников напряжения волны по Л1. ЗО представляет собой трансформатор, работающий на активно-индуктивную нагрузку. Активное сопротивление нагрузки принято равным волновому сопротивлению (^=300 Ом). Таким образом, при рассмотрении волновых процессов ЗО можно считать подстанцией. ОПН, представленный своей вольт-амперная характеристикой, установлен на расстоянии 450 м (линия Л2) от ЗО и соединен с ЗУ.
Рассмотрим несколько вариантов схем замещения ЗУ. В первом случае (схема а, рис.4) пренебрежем активно-индуктивным сопротивлением заземлителя, приняв за его значение сопротивление полной схемы в установившемся режиме (резистивная модель ЗУ). Во втором случае (схема б, рис.4) ЗУ эквивалентируется упрощенно, частью полной схемы замещения. В третьем случае (схема в, рис.4) используем полную схему замещения ЗУ, полученную в результате применения методики, описанной выше. Результаты расчетов представлены на рис.4.
Рис. 3. Влияние параметров ЗУ на уровни перенапряжений, возникающих на ЗО
Рассмотрим общие положения развития волнового процесса между ОПН и ЗО на примере резистивной модели ЗУ (кривые 1, 5). Как видно из графиков, напряжение на ЗО может значительно превышать напряжение на ОПН. Действительно, при подходе к трансформатору волна напряжения отражается без перемены знака, приводя к удвоению напряжения на трансформаторе по сравнению с напряжением набегающей волны (при длительности фронта волны грозового перенапряжения порядка нескольких микросекунд трансформатор эквивалентен конденсатору).
Согласно результатам, приведенным на рис.4, схема замещения ЗУ оказывает большое влияние на максимальные уровни перенапряжений, возникающих на ЗО и на ОПН. Использование в качестве ЗУ ЯЬС схем замещения приводит к появлению выраженных максимумов при возникновении любых возмущений. Так, для резистивной модели при первом срабатывании ток через ОПН моментально увеличился, ограничив напряжение. Для ЯЬС схемы из-за наличия индуктивности ток через ОПН не может измениться моментально (см. рис.5), вследствие чего возникает переходный процесс, определяющий более высокое максимальное значение перенапряжения. Как видим, максимальное напряжение на ОПН занижено на 10,3%, что является существенным. Для ЗО погрешности для первых максимумов будут еще больше из-за удвоения максимума, обусловленного переходным процессом и не описываемым в рамках резистивной модели (см. таблицу рис.4). При использовании резистора в качестве ЗУ максимальный уровень перенапряжения на ЗО занижен на 13,8% по сравнению с перенапряжением, возникающим при использовании полной схемы. В качестве компенсации активно-индуктивного характера ЗУ иногда предлагается просто увеличить величину активного сопротивления. Такой подход, как показывают расчеты, не дает должной качественной и количественной корреляции. При увеличении активного сопротивления заземлителя в десять раз (с 1,28 Ом до 12,8 Ом) разница в максимумах перенапряжений остается довольно существенной (см. кривые 2, 3 и 6, 7 рис.4). В тоже время, приближенный учет индуктивного характера заземлителя дает искаженные результаты. В данном случае результат завышен (кривые 4, 8 рис.4).
ЗУ и£Ч и£>* и> 0?> и£Ч и‘>
1*1 -10.3 -13. в -12.4 2.5 -4.9 9.1
^■10 -6.6 -9.3 -6.1 3.0 0.5 5.9
Р!1_ 6.9 9.1 17.94 9. В -6.2 9.7
Рис. 4. Напряжения на ОПН (1,2,3,4) и ЗО (5,6,7,8), таблица отклонения максимумов (относительно полной схемы замещения), варианты схем замещения ЗУ
Из проведенных расчетов следует, что причина возникновения перенапряжений, доходящих до ЗО, несмотря на установку таких защитных аппаратов как ОПН, в данном случае не зависит от характеристик самого аппарата. Погрешность в определении реальных уровней перенапряжений, возникающих при различного рода коммутациях, определяется погрешностью в измерении переходного сопротивления ЗУ. В настоящее время, как отмечалось выше, вместо переходного сопротивления используется «импульсное» сопротивление Я и=шах(н)/шах(/). Корреляция между таким сопротивлением при измерениях под воздействием апериодических и колебательных импульсов, как показано в работе [2], не наблюдается. Разработанная авторами методика моделирования ЗУ позволят более точно оценить параметры ЗУ, и при необходимости определять какие корректировки необходимо вносить в систему грозозащиты для её надёжного функционирования.
Рис. 5. Ток через ОПН Выводы
Переходное сопротивление дает полную информацию о характеристиках ЗУ при импульсных воздействиях, и его измерение импульсным методом с осциллографированием тестовых сигналов целесообразно рекомендовать для практического использования и включить в действующие Руководящие Документы (РД).
Литература
1. Рябкова Е.Я. Заземления в установках высокого напряжения М.: Энергия, 197S.
2. Целебровский Ю.В., Нестеров С.В., Цилько В.А. Импульсные сопротивления заземления молниеотводов ОРУ подстанций / Первая Российская конференция по молниезащите: Сборник докладов Сибирская энергетическая академия. Новосибирск, 2007. С. 243-24S
3. Ю.С.Завьялов, Б.И.Квасов, В. Л.Мирошниченко, Методы сплайн-функций. -М.: Наука. 19S0.
4. N.V.Korovkin, V.L.Chechurin, M.Hayakawa, Inverse problems in electric circuits and electromagnetics, USA, Springer, 2006.
5. Анализ результатов измерений сопротивления заземления опор ВЛ с тросом при модернизации заземляющих устройств / А.Н.Новикова, А.Н.Лубков, О.В.Шмараго, Л.И.Галкова, В.Р.Бельцер, О.А.Прохореня, С.И.Кривошеев, А.П.Ненашев, А.А.Парфентьев // Электрические станции. -2007. - № 9
Сведения об авторах Бочаров Юрий Николаевич
д.т.н., проф., академик РАЭН, декан ЭлМФ, СПбГПУ, 195251, Санкт-Петербург, Политехническая 29,
(S12) 247 2146
Коровкин Николай Владимирович
д.т.н., проф., академик РАЭН, зав. Каф. ТОЭ, ЭлМФ, СПбГПУ, 195251, Санкт-Петербург, Политехническая 29, (812)552 7572, S 921 303 4064 [email protected]
Кривошеев Сергей Иванович, д.т.н., проф . каф Э,ТВН, ЭлМФ, СПбГПУ, 195251, Санкт-Петербург, Политехническая 29, (812)555 42S6, S 911 247 0703 [email protected]
Нетреба Кирилл Иванович, студент ЭлМФ, СПбГПУ, 195251, Санкт-Петербург, Политехническая 29
Шишигин Сергей Леонидович, к.т.н., доц, докторант Каф. ТОЭ, ЭлМФ, СПбГПУ, 195251, Санкт-Петербург, Политехническая 29, S 921 231 579S [email protected]
