CC BY
8
НАУЧНО-ПОПУЛЯРНЫЕ СТАТЬИ
001:10.37614/2307-5228.2021.13.3.001
УДК 621.316.99
НЕКОТОРЫЕ ПРОБЛЕМЫ ГРОЗОЗАЩИТНЫХ ЗАЗЕМЛЕНИЙ ДЛЯ ОБЪЕКТОВ ЭНЕРГЕТИКИ
Д.В. Куклин
Центр физико-технических проблем энергетики Севера ФИЦ КНЦ РАН, kuklindima@gmail.ru
В работе обозначены некоторые проблемы, возникающие при измерениях и расчетах, относящихся к грозозащитным заземлителям энергетических объектов. Отмечен недостаточный уровень изученности некоторых явлений (искрообразование в грунте, частотная зависимость электрических свойств грунта, параметры тока молнии и др.). Перечислены основные расчетные и измерительные методы для электрических параметров заземлителей.
Ключевые слова:
заземление, параметры тока молнии, частотно-зависимые свойства грунта, удельное сопротивление грунта, диэлектрическая проницаемость грунта, вертикальное электрическое зондирование
SOME PROBLEMS OF GROUNDING SYSTEMS FOR ELECTRICAL GRID OBJECTS
Dmitry V. Kuklin
Northern Energetics Research Centre of the Kola Scientific Centre of the Russian Academy of Sciences, kuklindima@gmail.ru
This work covers some problems in measurements and calculations related to lightning protection grounding systems of electrical grid objects. An insufficient understanding of some phenomena (soil ioni-zation, frequency dependence of electrical soil properties, lightning parameters, etc.) is marked out. The main calculation and measuring methods for electrical parameters of earth electrodes are listed.
Keywords:
grounding, lightning current parameters, frequency dependent electrical soil properties, soil resistivity, soil permittivity, vertical electrical sounding
Введение
Существует несколько основных видов заземления: защитное — с целью обеспечения безопасности людей, рабочее заземление и заземление грозозащиты. Причем один и тот же заземлитель может выполнять несколько функций.
Защитное заземление служит для обеспечения безопасного для людей потенциала на электрических частях установок, рабочее
служит для заземления нейтралей трансформаторов, заземления фазы при использовании земли в качестве рабочего провода и др. Заземление грозозащиты необходимо для отвода тока молнии в землю с целью защиты оборудования подстанций и линий электропередачи. Данный тип заземления требует рассмотрения относительно высокочастотных процессов (до нескольких мегагерц) и больших токов (десятки килоампер). Это сказывается на особенностях методов измерения и расче-
та электрических параметров заземлителеи, а также на выборе их конструкций.
При проектировании заземления одной из основных задач является достижение наибольшей его эффективности при разумных трудозатратах и количестве используемого металла. Эта задача особенно важна для грунтов с высоким удельным сопротивлением. Предпочтительная конструкция в некоторой степени может зависеть от заземляемого объекта (например, от высоты опоры линии электропередачи или линейной изоляции), а также от точки присоединения заземления. Поэтому выбор заземлителей может производиться совместно с учетом заземляемого объекта. Данная задача обычно решается расчетными методами, но нуждается в применении множества экспериментальных данных и моделей.
Параметры разряда молнии и модели перекрытия изоляции
Проектирование заземления грозозащиты зависит от параметров разряда молнии. Вследствие непредсказуемости мест ударов молнии измерения этих параметров затруднены. Поэтому они получены преимущественно с применением средств и объектов, удобных для молниевых измерений. Но эти объекты, как правило, отличаются от тех, что применяются в энергетике.
К примеру, измерения импульса тока молнии проведены в основном на высоких башнях. И не вполне ясно, будет ли справедливым применять те же параметры тока, например, на опорах линий электропередачи или схожих объектах?
Также стоит отметить, что разряд молнии обычно имеет несколько компонентов. Известно, что для молний отрицательной полярности число компонентов близко к трем, а молнии положительной полярности чаще всего содержат один компонент. Однако более точных вероятностных данных о компонентах молнии также недостаточно для объектов, схожих с используемыми в энергетике (существующие данные, полученные при помощи видеокамер, не являются достаточными для текущей цели).
Не так много информации даже о тех искровых разрядах, которые можно получить в лаборатории. Существующие модели перекрытия изоляции подходят лишь для определенных форм напряжений и разрядных промежутков. Но напряжения на изоляции могут отличаться очень существенно (в зависимости от зазем-лителя, грунта, опоры и проч.). Также могут различаться и разрядные промежутки. Иными словами, не хватает моделей, охватывающих достаточно широкий диапазон напряжений и разрядных промежутков.
Методы расчета
Наиболее точный подход при моделировании заземлителей заключается в учете процессов электродинамики (в случае больших токов может быть необходимость в моделировании дополнительных физических процессов). И в настоящее время вычислительные возможности компьютеров позволяют моделировать электродинамические процессы с высокой точностью (но могут требовать продолжительного времени расчета). В некоторых случаях, однако, возможно применять и упрощенные модели с использованием электрических цепей (обычно это происходит, когда модель имеет крупные размеры).
Среди точных расчетных методов часто используется один из четырех: метод моментов, близкий к нему метод PEEC (partial element equivalent circuit), метод конечных разностей во временной области и метод конечных элементов. Существует также множество других, схожих с перечисленными. Различные методы накладывают свои ограничения на то, какие детали возможно включать в модель (неоднородности грунта, протяженные проводники и др.). При этом даже среди точных методов нет универсальных, пригодных для всех необходимых случаев, поэтому постоянно появляются новые методы (или изменяются существующие), способные учитывать все большее число процессов (например, искро-образование в грунте, коронный разряд, частотную зависимость электрических свойств грунта и др.).
Различаются также методики расчета. В некоторых случаях заземлитель моделируют отдельно от заземляемого объекта, в других моделируется и заземляемый объект. При втором подходе может понадобиться использование более точных параметров молнии и методов перекрытия изоляции, о которых говорится выше.
Также в тех случаях, когда моделируется в том числе и канал молнии, не всегда ясно, как его следует моделировать: достаточно ли точной является модель, использующая прямой проводник с источником у основания или нужны более сложные подходы?
Методы расчета также накладывают отпечаток на то, какие параметры заземлителей рассчитываются (сопротивление, импеданс, напряжение на заземлителе и др.).
Таким образом, даже при текущем изобилии расчетных методов, в связи с неизученностью некоторых процессов и ограниченностью компьютерных ресурсов, проблема разработки расчетных методов далека от завершения.
Методы измерения
При измерениях электрических параметров заземлений имеется меньше свободы, чем при расчетах: не всегда можно точно задать необходимую форму импульса тока (или напряжения), ограничены длина и расположение измерительных проводников, зачастую нет точной информации об электрических параметрах грунта и др.
Измерительная установка для электрических параметров заземлителя состоит, как правило, из токового и потенциального проводников (обычно, заземленных на концах), генератора и цепей измерения тока и напряжения. Поскольку проводники имеют конечные размеры, могут возникать отражения от их концов и искажать результаты измерений.
Импульс тока молнии имеет довольно специфичную форму и большую амплитуду. Технически источник тока создать обычно сложнее, чем источник напряжения, особен-
но для больших амплитуд и определенных форм импульса. Поэтому проблема создания импульсных генераторов также является актуальной.
Между электрическими цепями - как при расчетах, так и при измерениях - существует взаимное электромагнитное влияние, которое существенно проявляется на высоких частотах и влияет на результаты. Во многих случаях измерительные проводники невозможно расположить таким образом, чтобы его избежать.
Также заземляемый объект нередко вносит большой вклад в результаты измерений электрических параметров заземлителей. Для минимизации этого влияния в некоторых случаях помогает использование импульсов с коротким фронтом. Но и это нередко лишь частично устраняет проблему, особенно в случае крупных объектов.
Электрические свойства грунта и бетона
Электрические параметры заземлителей помимо их конструкции зависят от электрических свойств грунта, в котором они расположены. Удельное сопротивление и диэлектрическая проницаемость грунта зависят от частоты и на относительно высоких частотах (в первые микросекунды или десятки микросекунд действия тока молнии) оказывают существенное влияние на электрические характеристики за-землителей. Они также не изучены в необходимой степени: существующие для одних типов грунта модели зачастую неточны для других типов грунта.
Можно выделить три основных метода полевых измерений: с использованием полусферического электрода, при помощи вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) и с применением крупных образцов грунта (что также можно отнести и к лабораторному методу измерения). При лабораторных измерениях (для частотного диапазона до нескольких мегагерц), как правило, применяется двух- или четырехэлектродный метод.
Применение вертикального электрического зонирования (ВЭЗ) является, пожалуй, наиме-
Рис. 1. Установка ВЭЗ для измерения электрических свойств грунта на частотах от сотен герц до нескольких мегагерц. Обозначения на рисунке: э — электроды; п — пробник измерения напряжения; г — блок генератора и измерения; о — оптоволоконный кабель
нее трудоемким и наиболее точным на данный момент полевым методом измерения.
Можно выделить три основных метода полевых измерений: с использованием полусферического электрода, при помощи ВЭЗ, а также с применением крупных образцов грунта (что также можно отнести и к лабораторному методу измерения). При лабораторных измерениях (для частотного диапазона до нескольких мегагерц), как правило, применяется двух- или четырехэлектродный метод.
Вертикальное электрическое зондирование является, пожалуй, наименее трудоемким и наиболее точным на данный момент полевым методом измерения.
Пример использования установки ВЭЗ показан на рис. 1. Блок генератора (г) изолирован от пробника измерения напряжения (п) при помощи оптоволокна (о) для минимизации электромагнитного влияния между измерительными цепями на высоких частотах. Также для уменьшения данного влияния цепи измерения тока и напряжения расположены перпендикулярно.
При применении ВЭЗ, однако, на частотах, достигающих нескольких мегагерц, возможно проводить измерения лишь до определенных глубин исследования вследствие запаздывания распространения сигнала в грунте.
Существенной проблемой является также учет неоднородностей грунта при измерениях на высоких частотах. Если для слоистой модели грунта измерительные методы существуют, то для более сложных неоднородностей точных методов пока нет.
Частью заземления нередко оказываются железобетонные конструкции (это так называемые естественные заземлители), например, фундаменты установок часто используются как часть заземлителя. Поэтому для корректного моделирования зазем-лителей помимо электрических параметров грунта также нужно знать и об электрических параметрах бетона (с учетом того, что он расположен в грунте). Недостаточно данных и об электрических свойствах бетона, который используется в естественных заземлителях.
Рис. 2. Высоковольтная генераторно-измерительная установка
Искрообразование
Другое недостаточно изученное явление -искрообразование в грунте, которое возникает при больших токах и также оказывает влияние на электрические параметры заземлителей. В особенности это сказывается на заземлите-лях относительно небольших размеров в вы-сокоомных грунтах.
Одной из особенностей данной проблемы является то, что ее изучение требует применения крупных высоковольтных генераторов и трудозатратных исследований (рис. 2).
Заключение
Подводя итоги, можнем сказать, что простая, казалось бы, задача о выборе зазем-
лителя раскрывает множество нерешенных проблем как в технических, так и в естественных науках.
При этом здесь отмечены лишь некоторые проблемы, но существует множество и других: контроль состояния заземления (и соответствующие измерительные методы), сезонные изменения электрических параметров зазем-лителей, выбор грозозащитных заземлителей с учетом дополнительных факторов (например, совместно с линейной изоляцией или с учетом защитной функции заземления) и др.
с
£ са с!
