CC BY
13
Електричнi станцп, мережi i системи
УДК 621.316.9
Д.Г. Колiушко, С.С. Руденко, А.В. Плiчко, В.1. Щербiнiн
10.20998/2074-272Х.2019.3.09
МОДЕРН1ЗАЦ1Я КОМПЛЕКСУ ТИПУ 1К-1У ДЛЯ ВИМ1РЮВАННЯ ОПОРУ ЗАЗЕМЛЮВАЛЬНОГО ПРИСТРОЮ БЛИСКАВКОВ1ДВОД1В ТА ОПОР ЛЕП
Метою роботи е створення вимiрювaльного приладу для визначення опору заземлювальних пристрою (ЗП) блискавковд вод'ш та опор повiтряних лшш електропередачi (ЛЕП) при ди аперюдичних тпульав напруги з параметрами 1,2/50 мкс та струму з параметрами 8/20 мкс i 10/350 мкс. Для цього використано теорю електротехнжи, программ засоби моде-лювання перех1дних процеав та методи натурного моделювання. Було визначено параметры елементгв електричного кола додаткового формуючого блоку для створення грозових тпульав струму з параметрами 10/350 мкс за допомогою вимгрювального комплексу типу 1К-1У. Вдосконалено комплекс типу 1К-1У, що дозволило визначати тпульсний отр ЗП блискавковiдводiв та опор ЛЕП при ди тпульав струму 10/350 мкс, 8/20 мкс та напруги 1,2/50 мкс. Модернизований при-лад дозволяепроводити вим1рювання вiдповiдно з сучасними м1жнародними вимогами Бiбл. 9, табл. 1, рис. 3. Ключовi слова: ошр, заземлювальний пристрш, грозовий iмпульс струму (напруги), вимiрювальний комплекс.
Целью работы является создание измерительного прибора для определения сопротивления заземляющих устройств (ЗУ) молниеотводов и опор воздушных линий электропередачи (ЛЭП) при воздействии апериодических импульсов напряжения с параметрами 1,2/50 мкс и тока с параметрами 8/20 мкс и 10/350 мкс. Для этого использовано теорию электротехники, программные средства моделирования переходных процессов и методы натурного моделирования. Были определены параметры элементов электрической цепи дополнительного формирующего блока для создания грозовых импульсов тока с параметрами 10/350 мкс с помощью измерительного комплекса типа ИК-1У. Усовершенствован комплекс типа ИК-1У, что позволило определять импульсное сопротивление ЗУ молниеотводов и опор ЛЭП при воздействии импульсов тока 10/350 мкс, 8/20 мкс и напряжения 1,2/50 мкс. Модернизированный прибор позволяет проводить измерения в соответствии с современными международными требованиями. Библ. 9, табл. 1, рис. 3. Ключевые слова: сопротивление, заземляющее устройство, грозовой импульс тока (напряжения), измерительный комплекс.
Постановка проблеми. Забезпечення допустимых значень параметрiв заземлювальних пристро1'в (ЗП) електричних станцш та шдстанцш, окремо вста-новлених блискавковiдводiв та опор повиряних лшш в межах, визначених нормативними документами, е необхщною умовою надшносп роботи коштовного обладнання та електробезпеки персоналу. Для контролю стану ЗП електричних станцш та шдстанцш в Укрш'ш найбшьше розповсюдження отримала методика електромагнино! дiагностики [1, 2]. Одшею з процедур 11 експериментального етапу е визначення опору ЗП блискавковiдводiв, що встановлеш окремо, та опор повиряних лшш з грозозахисним тросом. У вичизняному нормативному документ [3] вщсутне поняття «импульсного опору ЗП», проте у м1жнарод-них вимогах, зокрема у [4-6], отр ЗП блискавковвдво-дiв та опор повиряних лшш визначаеться як «ввдно-шення шкового значення напруги на ЗП до шкового значення струму, що протжае по ЗП, при ди iмпульсу струму з заданими часовими параметрами».
У свт юнуе низка приладiв, яш дозволяють ви-значити iмпульсний ошр ЗП. В [7] описано потужний стацюнарний генератор, що створюе iмпульси струму штучно! блискавки амплиудою ±(100-200) кА для фундаментальних та прикладних дослщжень. В [8, 9] представлено детальний аналiз юнуючих найпошире-шших переносних приладiв, серед яких: польсьш WG-407, WG-507 та МЯИ-200, японський РЕТ-7, гББ-шйег виробництва США, украшський 1К-1У та росш-ський вимiрювач iмпедансу [8]. При цьому, слад за-значити, що серед перелiчених приладiв лише три дозволяють проводити вимiрювання при iмiтацil грозового iмпульсу, а саме: WG-507 з iмпульсом 4/10 мкс, МЯи-200 - 4/10 мкс i 10/350 мкс, та 1К-1У з iмпульсами 1,2/50 мкс i 8/20 мкс. Iншi прилади дозволяють виконувати вимiрювання при ди iмпульсiв струму або напруги з ненормованими параметрами з
тривалiстю шпульсу в1д кiлькох до сотень мшросе-кунд та фронтом ввд десятшв наносекунд до мжросе-кунди. Наприклад, РЕТ-7 генеруе iмпульс з часом наростання 1 мкс та тривалютю 256 мкс або 2ЕБ-ше1ег - iмпульс прямокутно! форми тривалютю 1,4 мкс. Серед перелiчених вище комплекс 1К-1У мае найбiльший вимiрювальний струм, значення якого в режимi короткого замикання становить 25 А в той час, як у шших вимiрювальний струм знаходиться в дiапазонi вiд 0,5 А до 5 А. Максимальна енерпя вимь рювального iмпульсу приладу 1К-1У, яка складае 0,3 Дж, лежить в середин дiапазону в порiвняннi з шшими приладами, для яких вона змшюеться вiд 0,017 Дж до 1 Дж [8].
Розроблений спещалктами НДПК1 «Молшя» НТУ «ХП1» комплекс 1К-1У призначений для вимь рювання iмпульсного опору ЗП блискавковiдводiв, що стоять окремо, та опору лшш електропередачi без вщключення грозозахисного тросу. Прилад 1К-1У введений до державного реестру i складаеться з генератору аперюдичних iмпульсiв ГАИ-3 (див. поз. 1 на рис. 1) та iмпульсного вольтметру ВИ-6М (див. поз. 2 на рис. 1). Ввдповщно до сучасних м1жнародних ви-мог [4-6] для моделювання прямого удару блискавки необхвдно перевiряти реакцш ЗП на iмпульс напруги 1,2/50 мкс та iмпульс струму 10/350 мкс, а для iмiтацil iмпульсних струмiв, наведених в металевих констру-кцiях та комушка^х об'екту при ввддалених ударах блискавки - 8/20 мкс. Проведений аналiз показуе, що в свт ввдсутш прилади, яш здатнi проводити ушвер-сальнi вимiрювання в усiх трьох вказаних вище режимах.
Метою роботи е створення вимiрювального приладу для визначення опору ЗП блискавковiдводiв та опор повиряних лiнiй при ди аперiодичних iмпульсiв струму 8/20 мкс, 10/350 мкс та напруги 1,2/50 мкс.
© Д.Г. Кол1ушко, С.С. Руденко, А.В. Пл1чко, В.1. Щербшш
а б
Рис. 1. Схема проведення вимiрювань (а) та зовшшнш вигляд (б) комплексу типу 1К-1У
Матерiали дослiдження. 1снують два шляхи до-сягнення поставлено! мети:
• розробка нового приладу, який зможе працювати в трьох режимах формування вказаних iмпульсiв;
• вдосконалення iснуючого приладу.
Перший шлях передбачае необхiднiсть розробки нового схемотехнiчного рiшення. При цьому у випадку генераци iмпульсу струму амплитудою 25 А при часо-вих параметрах 10/350 мкс, як в прилащ 1К-1У для режиму 8/20 мкс, емнють конденсатор!в приладу мае збь льшитися з 2,35 мкФ до 7500 мкФ при збереженш ро-бочо! напруги 1 кВ з ввдповвдною змшою формуючих елеменгiв. Тобто, новий прилад матиме так! масогаба-ритнi розм!ри, що буде або стацiонарним, або монтува-тися на автомобiльнiй баз! Це значно ускладнюватиме його використання в польових умовах в рамках вико-нання електромагштно! дiагностики ЗП.
Другий шлях - вдосконалення юнуючого комплексу типу 1К-1У за рахунок «розтягування^> тривалостi !мпульсу струму в режим 8/20 мкс при зменшеш його амплiтуди. Це можливо досягти за рахунок розробки спещального формуючого блоку та розширення д!апа-зону вимiрювання !мпульсного вольтметру. Кр!м того, це дозволить мiнiмiзувати витрати за рахунок збере-ження основних схемотехшчних рiшень генератору.
Формуючий блок приладу запропоновано вико-нати у вигляд! набору КЬС- елементiв, який мае тд'еднуватися до виходу генератора комплексу 1К-1У в режим! 8/20 мкс, що дозволить використовувати вже вироблеш комплекси без 1х доопрацювання. Для оцшки параметр!в елеменпв формуючого блоку комплексу було зроблено наступш допущения: у зв'язку з тим, що перюд слщування !мпульав 1К-У значно пе-ревищуе необхвдну тривалють !мпульсу 350 мкс (частота слщування близько 3 Гц), можемо розглядати генератор 1К-1У як емнюний накопичувач енергп С1 з вщомим розрядним контуром (див. рис. 2,а). В режим! 8/20 мкс емнють складае 2,35 мкФ, початкова напруга на конденсатор! С1 - 1000 В, !ндуктившсть Ь1 = 56 мкГн, а отр Я1-Я4 становить 1 Ом, 7,5 Ом, 6 Ом та 9 Ом ввдповщно. У якосл навантаження виступае рези-
стор R1. Визначення napaMCTpiB елементiв формуючого блоку комплексу виконувалося на основi розра-хунково! моделi в демоверси програмного комплексу MicroCap. Для збiльшення тривалост iмпульсу струму до 350 мкс використано високоiндуктивний дро-сель L2, для забезпечення фронту тривалютю 10 мкс, введено формуючий конденсатор C2 та резистор R5, а резистор R6 згладжуе коливальш процеси, що вини-кають в розрядному контурi.
Номiнaльнi значения елементiв L2, C2 та R6 були визначеш в режимi aиaлiзу перехщних процесiв (Transient Analysis), з урахуванням iснуючих номша-л1в реальних елеменпв. Результати моделювання ро-боти комплексу 1К-1У з формуючим блоком в режимi 10/350 мкс (див. рис. 2,б,в) показують вiдповiднiсть поставленим умовам щодо часових пaрaметрiв, при цьому амплттуда струму буде не перевищувати 1,1 А, а максимальна напруга на елементах блоку буде ста-новити: L2 та R6 по 600 В, С2 - не бшьше 10 В, а на R5 - не бшьше 5 В. Отримаш значення було використано при виборi юнуючих елеменпв. У якосп С2 використано два послщовно з'еднаних полярних кон-денсатори з eмнiстю 47 мкФ та робочою напругою 25 В кожен, резистор R6 - 1,2 кОм типу МЛТ-0,125, дросель власного виготовлення (через вiдсутнiсть промислових з iндуктивнiстю 18 мГн), опором менше 0,5 Ом, робочою напругою до 500 В та струмом 1,1 А.
Як видно з результапв моделювання iмпульсу, тривaлiсть iмпульсу складае 341 мкс при aмплiтудi 1,04 А, фронт iмпульсу близько 12,8 мкс, що з враху-ванням допуску ±20 % [5] практично вщповшае поставленим вимогам. Таким чином, за допомогою моделювання визначено параметри елеменпв формуючого блоку для iмпульсу струму 10/350 мкс при вико-ристанш стандартного генератора вимiрювaльного комплексу 1К-1У. О^м того, пропонуеться при ви-робнищга нових комплексiв на основi приладу 1К-1У використати сучaснi елементи живлення та типи кон-денсaторiв, вщповщно вдосконалити блок заряду та додати модуль контролю напруги живлення. Це дозволить зменшити кшьшсть габаритних конденсaторiв
з 21 до чотирьох, подовжити термш служби акумуля-торного блоку 1К-1У, тдвищить легшсть монтажу та замши акумулятор!в. Запропоноваш змши дозволя-ють значно зменшити загальну вагу комплексу (з 14
кг до 5,5 кг). Кр!м того, перехщ на бшьш сучасну елементну базу дозволяе зв!льнити мюце в корпус! й вмонтовувати формуючий блок 10/350 мкс в юную-чий комплекс 1К-1У, як його неввд'емний модуль.
1 ООО 0.900 0.800 0.700 0.600 0.500 0.400 0.300 0.200 0.100 0.000
.....[-1
1
1
1
0.353т, 1 .503[,
г-
1
1
1
О.ОООт 0.200т 0.400т
б в Рис. 2. Електрична схема розряду 1К-1У з формуючим блоком (а) та результат моделювання фронту !мпульсу струму (б)
! його тривалоста (в) у програмному комплекс! МюгоСар
В табл. 1 наведено техшчш характеристики вдо-сконаленого комплексу 1К-1У з формуючим блоком.
Таблиця 1
Характеристики комплексу 1К-1У
Найменування параметру або характеристики Значення
Фронт !мпульсу (за ршнями 0,1-0,9 вщ амплпуди), мкс 1,2 + 0,1; 8 + 0,8; 10+ 2,0
Тривалгсть !мпульсу (за ршнем 0,5 вщ амплпуди), мкс 50 + 5; 20 + 4; 350 + 35
Максимальна амплпуда !мпульав напруги, що генеруються, (в режим! 10/350 мкс), В 1000 (600)
Д!апазон вим!рювання амплпуди !мпульсш напруги, В вщ 0,5 до 200
Максимальна амплпуда !мпульав струму, що генеруються (в режим! 10/350 мкс), А 25 + 5 (1±0,05)
Д!апазон вим!р!в амплпуди !мпульсш струму, А ввд 0,1 до 25
Ввдносна похибка вим!рювання ампль туди !мпульав струм!в та напруги %, не бшьше 10
Живлення вщ мереж!; вщ вбудованого акумулятору
лення (див. рис. 3,а). На рис. 3,б та в наведено осци-лограми фронту та тривалосп !мпульсу струму.
Зазначений макет пройшов тестування при вико-нанш електромагштно! д!агностики стану ЗП понад 100 дшчих електричних пвдстанцш Украши.
За результатами моделювання було створено макет формуючого блоку приладу у вигляд! приставки та комплекс 1К-1У з модершзованою системою жив-
КМП-Щ«« б
Рис. 3. Зовншнш вигляд формуючого блоку у вигляд приставки з 1К-1У (а) та осцилограми фронту !мпульсу струму (б) ! його тривалосп (в)
а
в
Таким чином, використання формуючого блоку в комплекс 1К-1У дозволяе отримати iмпульс струму з наступними часовими параметрами: тривалють фронту - 10±2 мкс за рiвнем 0,1-0,9 ввд амплiтуди та три-валiсть iмпульсу - 350±35 мкс за рiвнем 0,5 вiд ампль туди. Виконання модершзацп комплексу типу 1К-1У дозволило отримати необхщний результат при rnm-мальних затратах з можливiстю використання вже юнуючих комплексiв. Висновки.
1. Проведено аналiз iснуючих приладiв для вимь рювання опору ЗП та показана необхвдшсть створення приладу з випробувальними iмпульсами струму 8/20 мкс, 10/350 мкс та напруги 1,2/50 мкс.
2. Визначено параметри елеменпв формуючого блоку для iмпульсу струму 10/350 мкс при викорис-танш iснуючого стандартного генератора вимiрюва-льного комплексу типу 1К-1У.
3. Виконано практичну реалiзацiю формуючого блоку та комплексу типу 1К-1У з сучасною елемент-ною базою. Проведено тестування 1х роботи на бiльш шж 100 дшчих енергооб'ектах Укра1ни.
4. Модершзовано блок автономного живлення, що значно зменшило масу та габаритш розмiри комплексу, а також дозволить вмонтовувати формуючий блок безпосередньо в корпус комплексу 1К-1У.
СПИСОК Л1ТЕРАТУРИ
1. Випробування та контроль пристрогв заземления елект-роустановок. Типова iиструкцiя. СОУ 31.2-2167768119:2009. - К.: Мшпаливеиерго Укра1ии, 2010. - 54 с.
2. Ю^ушко Д.Г., Руденко С.С. Анатз методш контролю стану заземлювальних пристро1в дтачих еиергооб'ектiв на сучасному етапi // Електротехнжа i електромехаиiка. - 2019.
- №1. - С. 67-72. doi: 10.20998/2074-272X.2019.1.11.
3. Правила улаштування електроустаиовок. - X. : «Форт», 2017. - 760 с.
4. IEC 61024-1:1990. Protection of structures against lightning. Part 1: General principles.
5. IEC 62305-1. Risk management. Protection against lightning. Part 1. General principles.
6. IEC 61643-1:2005 Low-voltage surge protective devices -Part 1: Surge protective devices connected to low-voltage power distribution systems - Requirements and tests.
/Баранов М.И., Колиушко Г.М., Кравченко В.И., Рудаков С.В. Мощный высоковольтный генератор апериодических импульсов тока искусственной молнии с нормированными по международному стандарту IEC 62305-1:2010 амплитудно-временными параметрами // Електротехика i елекгромеханжа.
- 2015.- №1.- С. 51-56. doi: 10.20998/2074-272X.2015.1.10.
8. Колобов В.В., Баранник М.Б., Селиванов В.Н. Новый прибор для измерения сопротивления заземляющих устройств опор ВЛ импульсным методом // Труды Кольского научного центра РАН. - 2016. - №5. - С. 38-55.
9. Джура Д.А., Селиванов В.Н. Приборы для измерения импульсного сопротивления заземляющих устройств // Труды Кольского научного центра РАН. - 2013. - №4. - С. 56-66.
REFERENCES
1. Natsional'nyy standart Ukrayiny. SOU 31.2-2167768119:2009. Viprobuvannya ta kontrol' prystroyiv zazemlennya elektroustanovok. Tipova instruktsiya [National Standard of Ukraine SOU 31.2-21677681-19:2009. Test and control devices, electrical grounding. Standard instruction]. Kyiv, Minener-govugillya Ukrayiny Publ., 2010. 54 p. (Ukr).
2. Koliushko D.G., Rudenko S.S. Analysis of methods for monitoring of existing energy objects grounding devices state at
the present stage. Electrical engineering & electromechanics, 2019, no.1, pp. 67-72. doi: 10.20998/2074-272X.2019.1.11.
3. Pravyla ulashtuvannja elektroustanovok [Electrical Installation Regulations]. Kharkiv, Fort Publ., 2017. 760 p. (Ukr).
4. IEC 61024-1:1990. Protection of structures against lightning. Part 1: General principles.
5. IEC 62305-1. Risk management. Protection against lightning. Part 1. General principles.
6. IEC 61643-1:2005. Low-voltage surge protective devices -Part 1: Surge protective devices connected to low-voltage power distribution systems - Requirements and tests.
7. Baranov M.I., Koliushko G.M., Kravchenko V.I., Rudakov S.V. A powerful high-voltage generator of aperiodic impulses of current of artificial lightning with the peak-temporal parameters rated on an international standard IEC 62305-1-2010. Electrical Engineering & Electromechanics, 2015, no.1, pp. 51-56. doi: 10.20998/2074-272X.2015.1.10.
8. Kolobov V.V., Barannik M.B., Selivanov V.N. A new device for measuring tower grounding resistance using the impulse method. Trudy Kolskogo nauchnogo tsentra RAN, 2016, no.5, pp. 39-55. (Rus).
9. Djura D.A., Selivanov V.N. Instruments to measure impulse response of grounding Trudy Kolskogo nauchnogo tsentra RAN, 2013, no.4, pp. 56-66. (Rus).
Поступила (received) 18.02.2019
Колиушко Денис Георгтович1, к.т.н., с.н.с., Руденко Сергей Сергшович1, к.т.н., с.н.с., Плiчко Андрт Валертович1, м.н.с., ЩербШн1 В.1., к.ф.-м.н., с.н.с.
1 Нацюнальний техшчний ушверситет «Харювський полггехтчний шститут», 61002, Харюв, вул. Кирпичова, 2,
тел/phone +380 57 7076671, e-mail: [email protected]
2 Нацюнальний науковий центр «Харювський фiзико-технiчний шститут», 61108, Харюв, вул. Академiчна, 1
D.G. Koliushko1, S.S. Rudenko1, A.V. Plichko1, V.I. Shcherbinin2
1 National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute», 2, Kyrpychova Str., Kharkiv, 61002, Ukraine.
2 National Science Center «Kharkov Institute of Physics and Technology»,
1, Akademicheskaya Str., Kharkov, 61108, Ukraine. Modernization of the complex type IK-1U for measuring the impedance of the grounding device of a lightning arrester and supports of transmission lines.
Purpose. The creation of a measuring device for determining the impedance of the grounding of lightning arresters and supports of overhead lines under the influence of aperiodic pulses with the parameters 1.2/50 /is, 8/20 /is and 10/350 ¡us. Methodology. For this purpose, electrical engineering theory, transient modeling software and natural modeling methods are used. Results. The parameters of the electrical circuits of the additional forming unit were determined to create lightning current pulses with parameters of 10/350 ¡s using the IK-1U measuring complex. According to the simulation results, a layout of the forming unit in the form of an attachment and the IK-1U complex with the upgraded power supply system were created. Oscillograms of the front and pulse duration are obtained. The specified model was tested when performing electromagnetic diagnostics of the state of the RFP for more than 100 operating electrical substations. Originality. The measuring complex IK-1U was improved, which made it possible to determine the impulse impedance of the grounding device of lightning arresters when exposed to a current of 10/350 ¡us, 8/20 /us and of voltages 1.2/50 /us. Practical value. Upgraded device allows measurements in accordance with modern international requirements. References 9, tables 1, figures 3. Key words: impedance, grounding device, lightning current (voltage) pulse, measuring complex.
