CC BY
193
Кривошеев Сергей Иванович,
профессор кафедры "Техника высоких напряжений, электроизоляционная и кабельная техника" Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, д.т.н. Россия, 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, дом 29, эл.почта: ksi.mgd@gmail.com
Колодкин Иван Сергеевич,
аспирант кафедры "Техника высоких напряжений, электроизоляционная и кабельная техника" Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого
Коровкин Николай Владимирович
профессор, зав. кафедрой "Теоретические основы электротехники" Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, д.т.н.
Кулигин Павел Александрович,
студент кафедры "Техника высоких напряжений, электроизоляционная и кабельная техника" Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого
Монастырский Александр Евгеньевич,
заведующий НИС кафедры кафедры "Техника высоких напряжений, электроизоляционная и кабельная техника" Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, к.т.н.
Титков Василий Васильевич,
профессор, заведующий кафедрой "Техника высоких напряжений, электроизоляционная и кабельная техника" Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, д.т.н.
УДК 621.311
В. В. Колобов, М. Б. Баранник, В. Н. Селиванов
НОВЫЙ ПРИБОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ ОПОР ВЛ ИМПУЛЬСНЫМ МЕТОДОМ
Аннотация
Представлен сравнительный обзор существующих в настоящее время готовых и разрабатываемых приборов и комплексов для измерения сопротивления заземляющих устройств опор воздушных линий электропередачи импульсным методом. Описан новый портативный измеритель сопротивления заземляющих устройств. Прибор позволяет проводить измерения сопротивления заземляющих устройств опор воздушных линий без отключения грозозащитного троса, в том числе заземляющих устройств, расположенных в грунтах с высоким удельным сопротивлением.
Ключевые слова:
импульсный метод измерения сопротивления заземляющих устройств, опоры воздушной линии электропередачи, грозозащитный трос, генератор импульсов тока, индуктивный накопитель энергии, измерительный прибор, районы с высоким удельным сопротивлением грунта.
V. V. Kolobov, M. B. Barannik, V. N. Selivanov
A NEW DEVICE FOR MEASURING TOWER GROUNDING RESISTANCE USING THE IMPULSE METHOD
Abstract
Keywords:
A comparative overview of existing and experimental instruments to measure overhead transmission lines tower grounding impedance by impulse method are presented. A new portable grounding impedance meter is described. The instrument allows measurements of tower grounding impedance without disconnecting the overhead ground wire. This meter also enables measurements in region with high soils resistivity.
impulse method of grounding resistance measuring, transmission towers, overhead ground wire, current pulse generator, inductive energy storage, measuring instrument, areas of high soil resistivity.
Значение сопротивлений заземляющих устройств (ЗУ) подстанций и опор воздушных линий (ВЛ) электропередачи является одним из факторов, определяющих надежность защиты электроустановок и, в конечном итоге, надежность функционирования энергосистемы. Для контроля состояния ЗУ проводят периодическое измерение их сопротивления. Для опор ВЛ предельно допустимые значения сопротивления ЗУ в зависимости от удельного сопротивления окружающих грунтов, перечень опор, подлежащих контролю, а также периодичность измерений устанавливаются действующими нормами. Отдельно можно выделить задачу измерения сопротивлений ЗУ опор ВЛ, на которых грозозащитный трос соединен с опорой, так как в этом случае ЗУ опор связаны через грозотрос в единую систему трос - опоры линии, а при подключении троса к ЗУ оконечных распределительных устройств (РУ), в эту систему входят также и ЗУ РУ. Для измерения сопротивления ЗУ опор, находящихся под грозотросом, используют либо специальные методики [1], либо специализированные приборы [2].
Одним из методов, позволяющих измерять сопротивления ЗУ опор ВЛ без отсоединения грозозащитного троса, является импульсный метод измерения. Импульсные измерители выполняются по схеме, соответствующей методу амперметра-вольтметра, но с использованием вместо источника переменного или постоянного тока генератора коротких импульсов, включенного между ЗУ и токовым электродом. Падение напряжения на ЗУ измеряется относительно удаленного потенциального электрода, при этом может использоваться однолучевая или двухлучевая схема измерений [2]. Пример экспериментальных кривых тока и напряжения на ЗУ приведен на рис. 1.
В настоящий момент существует два нормативных документа, относящихся к молниезащите, разработанные Международной электротехнической комиссией (МЭК), дающие определение измеряемой характеристики ЗУ при импульсном воздействии, как отношения пикового (максимального) значения напряжения на ЗУ к пиковому (максимальному) значению тока через ЗУ, которые в общем случае могут наблюдаться не одновременно (рис. 1):
<7 _ Umax
- т • (1)
max
и, I. z
Рис. 1. Экспериментальные кривые тока ВД, падения напряжения и(^) и расчетная кривая мгновенного (переходного) сопротивления Z(t)
В соответствии с определением из МЭК 61024-1-1990 [3] измеренная величина ZH является импульсным сопротивлением, а в более позднем ГОСТ Р МЭК 62305-1-2010 [4] обозначается как условный импеданс заземления (conventional earthing impedance).
Известные современные приборы и комплексы для измерения сопротивления ЗУ, основанные на импульсном методе, условно можно разделить на две группы. К первой - относятся устройства, которые определяют характеристику заземляющего устройства ZH, соответствующую приведенным выше определениям. В таких устройствах, как правило, используются стандартные грозовые импульсы, моделирующие по временным параметрам импульс молнии, но имеющие значительно меньшие энергетические характеристики.
Ко второй группе импульсных измерителей можно отнести устройства, которые, используя временные зависимости падения напряжения на ЗУ U3y(t) и тока через ЗУ I3y(t), вычисляют кривую так называемого мгновенного (переходного) сопротивления:
Z () = Ш,
I (t) (2)
и на основе полученной зависимости Z(t) (рис. 1), используя различные
алгоритмы обработки, позволяют оценить сопротивление (импеданс) ЗУ,
а в идеале - получить сопротивление ЗУ, эквивалентное стационарному
сопротивлению, измеренному на постоянном или переменном токе.
Подробный обзор приборов для получения импульсных характеристик ЗУ, информация о которых имеется в свободном доступе, проведен авторами ранее в работах [5, 6]. Здесь лишь кратко рассмотрим существующие в настоящее время приборы и комплексы, позволяющие проводить измерения сопротивления ЗУ опор ВЛ без отсоединения грозозащитного троса импульсным методом.
Измеритель импульсных сопротивлений (Earthing Impulse Meter) WG-407 польской компании «ATMOR s.c.», предназначенный для измерения
сопротивления грозозащитных заземлений любых объектов, в том числе опор ВЛ с присоединенным грозозащитным тросом, и измеряющий импульсное сопротивление Z (equivalent earth resistance) согласно [3] в соответствии с выражением (1) уже рассматривался нами ранее в [5, 6]. В настоящее время компания предлагает обновленный прибор WG-507 [7]. Изменения коснулись внешнего вида (рис. 2), дисплея и элементов питания - теперь прибор питается от 4 последовательно включенных NiMH аккумуляторов типоразмера AA емкостью 1500-2000 мАч, что теоретически увеличило время работы прибора, хотя в описании количество измерений до перезаряда осталось прежним - 1000.
Основные технические характеристики WG-507 не изменились - прибор позволяет измерять импульсное сопротивление в диапазоне до 199 Ом, при этом сопротивление потенциального и токового электродов не должно превышать 1000 Ом. Генератор прибора формирует импульсы напряжения с амплитудой до 1000 В, амплитуда тока в токовом контуре может достигать 1 А. Энергия импульса составляет 0.017 Дж. Импульсы имеют длительность фронта 4 мкс и время до полуспада 10 мкс. Частота следования - до 5 импульсов в секунду.
Результат измерения отображается на ЖК-дисплее. В памяти прибора можно сохранить до 128 результатов измерений. Генераторно-измерительный блок устройства имеет размеры 100x210x40 мм и вес 0.4 кг.
Рис. 2. Комплект измерителя импульсных сопротивлений WG-507
Не так давно польской компанией 80КЕЬ 8. был представлен измеритель параметров заземляющих устройств ЫЯи-200 (рис. 3), позволяющий проводить измерения сопротивления ЗУ импульсным методом. ЫЯи-200 является многофункциональным измерителем, в котором реализованы несколько существующих методов контроля параметров ЗУ [8]. В том числе прибор позволяет определять характеристики ЗУ импульсным методом по четырехполюсной двухлучевой схеме. Прибор измеряет, так называемый, динамический импеданс в соответствии с выражением (1).
Рис. 3. Внешний вид комплекта поставки измерителя параметров заземляющих устройств MRU-200
Для измерения используются импульсы тока грозовой формы со временем нарастания/полуспада 4/10 или 10/350 мкс. Прибор формирует в токовом контуре импульс тока амплитудой около 1 А при напряжении ЗУ до 1500 В. Диапазон измеряемых сопротивлений составляет от 0.1 до 199 Ом. Для проведения измерений необходимо, чтобы сопротивления токового и потенциального электродов не превышало 1 кОм. Таким образом, максимальное сопротивление токового контура, определяемое суммой сопротивлений ЗУ и токового электрода, не должно превышать 1200 Ом. Прибор имеет габариты 288x223x75 мм и массу около 2 кг.
Из отечественных устройств известен измерительный комплекс ИК-1, разработанный ООО «НПФ ЭЛНАП» [9]. Комплекс предназначен для определения импульсного сопротивления контуров заземления отдельно стоящих молниеотводов и опор ВЛ, в том числе опор с присоединенным грозозащитным тросом, по методу МЭИ-ЭЛНАП и рекомендован к применению в «Методических указаниях по контролю состояния заземляющих устройств электроустановок» [10].
В состав комплекса (рис. 4) входят генератор апериодических импульсов ГАИ-3ПМ и вольтметр импульсный ВИ-6М. Генератор комплекса может питаться как от сети напряжением 220 В, так и от встроенного аккумулятора. Генератор формирует импульсы напряжения нормированной грозовой формы длительностью фронт/полуспад 1.25/50 или 8/20 мкс с частотой следования примерно 3 Гц. Амплитуда импульса напряжения на холостом ходу составляет 1000 В. Пик-вольтметр измеряет амплитуду импульсов напряжения в диапазоне 0-200 В. ГАИ ИК-1 имеет габариты 465х370х120 мм и массу 11 кг.
Рис. 4. Измерительный комплекс ИК-1 для определения импульсного сопротивления контуров заземления: 1 - генератор апериодических импульсов ГАИ-3ПМ;
2 - вольтметр импульсный ВИ-6М
В паспортных данных комплекса не указан диапазон измеряемого сопротивления ЗУ, однако учитывая максимальную амплитуду напряжения генератора импульсов и диапазон измерения тока встроенного пикового амперметра - от 1 А, можно предположить, что для корректного проведения измерений, сопротивление токового контура не должно превышать 1000 Ом. Кроме того, при удельном сопротивлении грунта, окружающего исследуемое ЗУ, превышающем величину 300 Омм, рекомендуется использовать другое средство измерения [10].
С недавнего времени ООО «Молния-Белгород» выпускает практически полный аналог ИК-1 - комплекс «ГРОЗА-1» [11].
Измерения сопротивления ЗУ опор ВЛ без отсоединения грозотроса, комплексами ИК-1 и «ГРОЗА-1» проводятся по методике, приведенной в [9].
Известные измерительные приборы и комплексы, относящиеся ко второй группе - определяющие значение сопротивления (импеданса) ЗУ на основе обработки по специальным алгоритмам экспериментально полученных временных зависимостей тока через ЗУ и напряжения на ЗУ, находятся на стадии разработки. Программно-измерительный комплекс 2ЕБ-ше1ег, предназначенный для определения параметров ЗУ, в том числе заземлителей опор ВЛ, находящихся под грозотросом, разрабатываемый Институтом
электроэнергетических исследований (EPRI) с 2004 г., также подробно рассмотрен ранее в [5, 6]. Отличием комплекса является то, что генератор импульсов, входящий в состав устройства, формирует не грозовой импульс, а импульс прямоугольной формы длительностью 1.5 мкс. На этом же интервале времени производится обработка зависимостей U3y(t) и I3y(t). Комплекс вычисляет и выводит на экран кривую переходного импеданса (transient impedance) Z(t), по которой определяется сопротивление исследуемого заземляющего устройства.
Из новых устройств заслуживает интереса прототип портативного измерителя импеданса заземляющих устройств [12]. Генератор измерителя на основе емкостного накопителя, коммутируемого MOSFET транзисторами, позволяет формировать импульс напряжения с длительностью фронта от 0.1 до 10 мкс и длительностью спада от 5 мкс до 10 мс амплитудой до 500 В. Измеряемая амплитуда тока на ЗУ - до 1.5 A. Примеры импульсов напряжения, формируемых устройством, приведены на рис. 5а.
Полученные временные зависимости U3y(t) и I3y(t) оцифровываются 12-битным АЦП с частотой дискретизации 12.5 МГц и поступают на вычислительное устройство на основе DSP (digital signal processor). Результатами вычислений являются две величины - импульсный импеданс Zp, определяемый по формуле (1), и значение сопротивления ЗУ в установившемся режиме Rg, вычисляемое по определенному алгоритму на основе кривых тока и напряжения на ЗУ в спадающей части импульса (рис. 5, б). Результаты измерения и экспериментальные кривые U3y(t) и I3y(t) выводятся на жидкокристаллический дисплей (рис. 6а).
Питается устройство от двух аккумуляторных батарей напряжением 12 В, позволяющих проводить до перезарядки порядка 70 измерений. В настоящее время прототип портативного измерителя импеданса заземляющих устройств выполнен в виде макета (рис. 6, б) и находится на стадии разработки и испытаний на моделях ЗУ различной конструкции.
б
а
Рис. 5. Формы выходных импульсов напряжения (а) и характеристики ЗУ, определяемые прототипом портативного измерителя импеданса заземляющих устройств (б) [12]
а б
Рис. 6. Дисплей с измерительной информацией (а) и внешний вид макета портативного измерителя импеданса заземляющих устройств (б) [12]
ЦФТПЭС КНЦ РАН на протяжении многих лет занимается разработкой научных основ и методов диагностики заземляющих устройств объектов электроэнергетики с учетом специфики региона — районы Крайнего Севера характеризуются скалистыми плохопроводящими грунтами. В ходе научных исследований был сформулированы требования к новому генераторно-измерительному комплексу для определения импульсным методом сопротивления ЗУ опор ВЛ с грозотросом и без грозотроса, в том числе расположенных в районах с высоким удельным сопротивлением грунта, а также определены основные методы и подходы для решения поставленной задачи.
При определении требований к разрабатываемому комплексу учитывались следующие аспекты:
1. При измерениях импульсным методом грозотрос, соединяющий исследуемую опору с соседними, и контур с током обладают волновыми свойствами (рис. 7). Волновое сопротивление линии «грозотрос-поверхность» земли ZW ГТ составляет 400 Ом. Волновое сопротивление токовой линии ТК также близко к значению 400 Ом, но из-за различного расстояния от провода токового контура до поверхности земли в действительности может иметь значительную неравномерность вдоль линии.
Рис. 7. К измерению сопротивления заземляющего устройства опоры, соединенной грозозащитным тросом с двумя соседними
При длине пролета 150-250 м и скорости пробега волны по линии грозотрос-поверхность земли около 300 м/мкс в импульсе напряжения на ЗУ через 1-1.7 мкс появятся волны, отраженные от соседних опор (рис. 8), которые могут повлиять на точность измерения сопротивления ЗУ.
2. В токовой линии, в случае несовпадения волнового сопротивления и сопротивления заземляющего электрода, возникнет отраженная волна тока, время прихода которой к ЗУ зависит от длины линии и скорости распространения волны вдоль нее (обычно порядка 200 м/мкс). Так на осциллограмме тока (рис. 8) отражение от заземляющего электрода токовой линии длиной 200 м наблюдается через 2 мкс. Кроме того, возможная неравномерность распределения волнового сопротивления вдоль токовой линии приводит к дополнительным искажениям кривой тока.
3. В условиях грунтов с высоким удельным сопротивлением в начале импульсов напряжения на ЗУ возникают длительные переходные процессы (фронты регистрируемых импульсов напряжения затягиваются). Такие искажения формы анализируемых импульсов затрудняют достоверное определение сопротивления заземления.
Рис. 8. Экспериментальные осциллограммы напряжения на ЗУ и тока через ЗУ при измерении сопротивления заземлителя опоры с присоединенным грозотросом импульсным методом
4. Существующие приборы и комплексы имеют ограниченный диапазон измерения сопротивления ЗУ - допустимое суммарное сопротивление токового контура, определяемого сопротивлениями ЗУ и токового электрода, не превышает 1200 Ом. Однако, как показали практические исследования, значение сопротивления ЗУ опор ВЛ, расположенных в районах со скалистыми и плохопроводящих грунтами, а также опор, заземлители которых подверглись коррозии, может достигать нескольких сотен Ом, а обеспечение в таких районах сопротивления заземления электродов менее 1000 Ом является трудоемкой задачей.
5. При измерении сопротивления заземляющего устройства опоры с присоединенным грозозащитным тросом импульсным методом величина ZИЗм с учетом волнового сопротивления линии грозотрос-поверхность земли ZWГT будет меньше истинной ZИСТ. Так, для случая опоры с двумя присоединенными грозотросами (рис. 7) ZИЗМ будет определяться как:
_ ИСТ ' 05' ГТ )
/ ИЗМ + П5 7 ^ ' (3)
ИСТ + ' ГТ )
В данном выражении не учтены волновые сопротивления опор ZWОП и сопротивления ЗУ опор ZX+1, ЪХ1, так как на интервале обработки импульсов тока и напряжения (первые единицы микросекунд), отражения от этих элементов еще отсутствуют. Погрешность, вносимая волновыми сопротивлениями ZWГT, будет расти с увеличением значения сопротивления ЗУ исследуемой опоры. Так, при сопротивлении ЗУ опоры, равном 200 Ом (предел диапазона измерения большинства приборов), она составит 50 %. Таким образом, при измерении сопротивления заземлителей опор, расположенных в районах с высоким удельным сопротивлением грунтов, результаты измерений необходимо корректировать с учетом выражения (3). В случае, когда опора соединена с одним или более чем с двумя грозотросами, выражение для ZИЗМ будет иметь другой вид.
6. В работах, исследующих взаимосвязь между импульсными и стационарными сопротивлениями ЗУ при различных проводимостях грунтов, в частности в [13], показано, что в грунтах с хорошей проводимостью величина импульсного сопротивления ЗУ больше установившегося значения (стационарного сопротивления), а в грунтах с плохой проводимостью, наоборот -- импульсное сопротивление меньше чем стационарное. Это подтверждается экспериментами по исследованию сопротивлений ЗУ опор ВЛ, сооруженных на скалистых грунтах [14].
7. Для повышения достоверности измерений необходимо, чтобы измерительный комплекс позволял визуально контролировать форму импульсов тока через ЗУ, напряжения на ЗУ и расчетную кривую мгновенного сопротивления Z(t).
Основными методическими и техническими решениями, использованными при разработке нового генраторно-измерительного комплекса, явились:
1. Использование генератора импульсных токов (ГИТ) на основе индуктивного накопителя энергии с применением в качестве ключевых элементов высоковольтных М08БЕЕТ транзисторов. Такой ГИТ позволяет формировать импульс тока через ЗУ с длительностью фронта, не превышающей 200 нс, обеспечивает постоянство формы импульса в токовой линии независимо от ее согласования с заземляющим электродом и распределения волнового сопротивления вдоль нее. Индуктивный накопитель обладает значительно большей, по сравнению с емкостным накопителем, запасаемой удельной энергией, что позволяет при аналогичных массогабаритных параметрах генератора повысить энергию импульса тока и увеличить соотношение полезный сигнал/помеха на входе измерительной части комплекса, что, в свою очередь, делает возможным проведение измерений при размещении ЗУ и/или токового электрода в плохопроводящем грунте. Кроме того, ГИТ такого типа имеет внешнее управление, позволяет с точностью до единиц наносекунд синхронизировать момент запуска генератора и измерительной части комплекса, обеспечивает регулировку энергетических параметров выходного импульса тока.
Схемотехника разработанного источника импульсного тока на основе индуктивного накопителя энергии а также сравнительные осциллограммы тока, напряжения и расчетного мгновенного сопротивления, полученные для одного и того же ЗУ при использовании генератора импульсных токов (ГИТ) на основе емкостного и индуктивного накопителя энергии, подробно рассмотрены авторами в работах [15, 16].
2. Разработка специальных алгоритмов цифровой обработки экспериментально полученных первичных данных — временных зависимостей тока через ЗУ 1ЗУ^) и падения напряжения на ЗУ иЗУ(() — и расчетной кривой мгновенного сопротивления 2(1), позволяющих обрабатывать сигналы на интервале времени, на котором отсутствуют отражения от соседних опор и другие искажения кривых тока и напряжения, и определять стационарное (эквивалентное) сопротивления ЗУ. Для получения достоверного результата необходимо также выполнять цифровую фильтрацию первичных данных и усреднение полученных результатов измерений за несколько импульсов тока через ЗУ.
В 2015 году закончена разработка опытного образца измерителя сопротивлений заземляющих устройств импульсным методом. Применение современной микропроцессорной и аналого-цифровой элементной базы позволило выполнить генераторно-измерительный комплекс, в виде функционально законченного, портативного устройства.
Структурная схема прибора приведена на рис. 9. Устройство и принцип действия измерительного комплекса описаны ранее в работах [6, 15].
Рис. 9. Структурная схема измерителя сопротивления заземляющих устройств
импульсным методом: ЗЭ - заземляющий электрод; РД1 - регулируемый делитель напряжения, РД2 - регулируемый токовый шунт; АКБ - аккумуляторная батарея; IIII - преобразователь питания; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; МК - микроконтроллер; ЭНП - энергонезависимая память; ЧРВ - часы реального времени; НМ - навигационный модуль GPS/ГЛОНАСС; СД - сенсорный дисплей; КИ USB - контроллер интерфейса USB
Первичным результатом измерений являются экспериментальные кривые I3y(t) и U3y(t), сохраненные в цифровом виде в памяти микроконтроллера. На основе этих данных вычисляются:
• кривая мгновенного сопротивления Z(t);
• максимальные значения импульсов тока и напряжения (Umax, Imax);
• величина Rmax, равная отношению максимальных значений напряжения и тока и соответствующая определению для условного импеданса заземления согласно ГОСТ Р МЭК 62305-1-2010;
• значения элементов простейшей схемы замещения заземляющего устройства (Яэкв, Ьэкв, Сэкв).
В измерителе применен сенсорный экран, предназначенный для отображения результатов измерений, кривых I3y(t), U3y(t), Z(t), а также для управления прибором. При проведении измерений на опорах с присоединенным грозозащитным тросом, в меню прибора можно выбрать число грозотросов, подходящих к опоре. При этом полученные значения сопротивления ЗУ автоматически корректируются в соответствии с (3).
В приборе предусмотрена возможность изменять интервал обработки зависимостей I3y(t), U3y(t) за счет изменения частоты дискретизации АЦП.
После первичной оценки полученных результатов измерения, зависимости I3y(t), U3y(t) в цифровом виде могут быть сохранены в энергонезависимой памяти прибора в виде файла. В файл автоматически добавляется информация о времени и дате проведения измерений, формируемая часами реального времени, а также текущие географические координаты, поступающие из навигационного GPS/ГЛОНАСС модуля. Навигационный модуль предназначен также для коррекции часов реального времени с использованием высокоточных сигналов временной синхронизации, привязанных к шкале времени UTC с расхождением не более 1 с.
При необходимости файл может быть дополнен словесным комментарием (например, наименованием ЛЭП, номером опоры, условиями проведения измерения и т.п.), который вводится с виртуальной клавиатуры, отображаемой на сенсорном дисплее.
Разработано специализированное программное обеспечение (ПО), позволяющее считывать из памяти прибора и передавать в персональный компьютер (ПК) результаты измерений и сохранять данные на жесткий диск ПК в виде файлов (рис. 10). Для связи прибора с ПК используется интерфейс USB.
Рис. 10. Главное окно программы для передачи информации из прибора для измерения сопротивления заземляющих устройств импульсным методом в персональный компьютер
Разработанное ПО также позволяет осуществлять дистанционное управление прибором, при этом в отдельном окне программы отображается виртуальный дисплей с измерительной информацией и строкой меню (рис. 11).
в .2109375 Н(Ш)0
Г
Файл 0310 итан=0072 В Iтан-2.0 7 А Ртая— 34.7 ОМ Ьэке = 00Д мкГн Рэке=42Д Ом Сэке = 14,4 нФ Ыинп-001 Гдискр—160 МГЦ
1
Г
НАСТР ОТКР СОХР ИЗМЕР
Рис. 11. Окно программы в режиме дистанционного управления прибором
Измерения с помощью прибора выполняются по трехполюсной трехпроводной схеме при двулучевом (ортогональном) расположении токового и потенциального контура, как показано на рис. 7.
Основные технические характеристики разработанного прибора приведены в таблице 1, где для сравнения представлены характеристики существующих приборов и комплексов, измеряющих сопротивления заземляющих устройств импульсным методом.
На рисунке 12 представлен внешний вид опытного образца измерителя. Кроме самого устройства, в комплект входят: проводники из изолированного провода длиной по 50 м для токовой и потенциальной линии, набор заземляющих электродов, проводник со струбциной для подсоединения к ЗУ, зарядное устройство и интерфейсный кабель.
Рис. 12. Внешний вид измерителя сопротивления заземляющих устройств импульсным методом
Таблица 1
Сравнительные характеристики приборов и комплексов для измерения сопротивления заземляющих устройств импульсным методом
Характеристика Приборы, комплексы
ИК-1 ^^-507 MRU-200
Схема измерения сопротивления ЗУ Трехполюсная однолучевая Трехполюсная двухлучевая Четырехполюс-ная двухлучевая
Измеряемая величина Я имп, по ГОСТ Р 62305-1-2010 2ИМП, согласно 1ЕС-61024-1 2ИМП согласно IEC-61024-1
Максимальное значение измеряемого сопротивления ЗУ 1301 Ом 200 Ом 200 Ом
Требование к сопротивлению электродов Менее 450 Ом Менее 1 кОм Менее 1 кОм
Тип накопителя ГИТ Емкостной Емкостной Емкостной
Форма, длительность импульса фронт/полуспад Грозовой 1.25/50 мкс; 8/20 мкс Грозовой 4/10 мкс Грозовой 4/10 мкс; 10/350 мкс
Максимальное напряжение на ЗУ 1000 В2 1000 В 1500 В
Максимальный ток через ЗУ 25 А3 1 А 1 А
Максимальная энергия импульса 0.3 Дж 0.017 Дж 0.3 Дж
Отображение импульса тока и напряжения на ЗУ С помощью внешнего осциллографа Нет Нет
Коррекция результатов 4 с учетом грозотроса Вручную Вручную Вручную
Объем памяти Нет 128 измерений 990 измерений
Передача данных в ПК Нет Нет USB
ГЛОНАСС/ОР8 синхронизация координат и времени измерения Нет Нет Нет
Аккумулятор; время работы (число измерений) Свинцово-гелевый 12 В; Время работы до 8 ч 4хАА №Са 1.2 В 1500...2000 мАч; 1000 измерений NiMH 4.8 В 4200 мАч; 1500 измерений
Габариты, масса 360х340х165 мм не более 14 кг 100x210x40 мм 0.45 кг 288x223x75 мм 2 кг
1 Определяется диапазоном измерений амплитуды импульсов тока в нагрузке. 2Напряжение холостого хода генератора. 3Ток в режиме короткого замыкания генератора. 4В соответствии с выражением (3).
Окончание таблицы 1
Характеристика П риборы, комплексы
Прототип измерителя импеданса ZED-meter Измеритель ЦФТПЭС КНЦ РАН
Схема измерения сопротивления ЗУ Трехполюсная двухлучевая Трехполюсная двухлучевая Трехполюсная двухлучевая
Измеряемая величина 2р, согласно 1ЕС-62305-1-2010; Zg, вычисляемый на основе обработки Щ) и Щ) 2, вычисляемый обработкой зависимости Z(t) 2ЭКВ, обработкой зависимости Z(t); ZMAX в соответствии с IEC-62305-1-2010
Максимальное значение измеряемого сопротивления ЗУ 1500 Ом1 Нет информации 5000 Ом2
Требование к сопротивлению электродов Нет информации То же 5000 Ом3
Тип накопителя ГИТ Емкостной « Индуктивный
Форма импульса фронт/полуспад Регулируемый, 0.1-10/20-500 мкс Прямоугольный 1.5 мкс 0.2/50 мкс
Максимальное напряжение на ЗУ 600 В 200 В 5500 В
Максимальный ток через ЗУ 1.5 А 0.5 А 5 А
Максимальная энергия импульса 0.3 Дж 0.00015 Дж 1 Дж
Отображение импульса тока и напряжения на ЗУ Да Да Да
Коррекция результатов 4 с учетом грозотроса Нет информации Нет информации Автоматически
Объем памяти То же То же До 2000 измерений
Передача данных в ПК « ПК входит в состав комплекса USB
ГЛОНАСС/ОР8 синхронизация координат и времени измерения Нет Нет Да
Аккумулятор; время работы (число измерений) Нет информации; 70 измерений (4 ч работы) Нет информации Li-Ion 2800 мАч 10000 импульсов тока
Габариты, масса 300x250x100 мм 1.6 кг То же 195x145x67 мм, 1 кг
Максимальное из значений, измеренных прибором в ходе испытаний [12]. 2С учетом сопротивления заземляющего электрода токового контура. 3Суммарное сопротивление электрода токового контура и измеряемого ЗУ. 4Всоответствии с выражением (3).
В 2016 году прибор прошел успешные испытания на реальных опорах ВЛ, а также использовался для измерения сопротивления заземлителей различного типа при исследованиях, проводимых на полигоне [17], и показал высокую точность определения параметров заземляющих устройств.
Выводы
Существующие готовые приборы и комплексы для измерения импульсным методом сопротивления заземляющих устройств, в том числе ЗУ опор воздушных линий электропередачи, соединенных грозотросом, измеряют импульсное сопротивление в соответствии с ГОСТ Р МЭК 62305-1-2010. Как показывают теоретические и экспериментальные исследования, в зависимости от удельного сопротивления грунта, окружающего ЗУ, импульсное сопротивление может отличаться от установившегося значения (стационарного сопротивления). Кроме того, при импульсных измерениях искажения в кривых тока и напряжения на ЗУ, вызванные отражениями от соседних опор и токового электрода, могут привести к дополнительной погрешности измерений. Практически все готовые приборы не позволяют проводить измерения, если суммарное сопротивление токового контура превышает 1200 Ом.
Известные измерительные комплексы, определяющие сопротивление ЗУ импульсным методом на основе обработки по определенным алгоритмам кривой мгновенного (переходного) сопротивления 2(1) на интервале времени, на котором отсутствуют отражения от соседних опор и другие искажения кривых тока и напряжения на ЗУ, находятся на стадии разработки. Исключением является измеритель сопротивления заземляющих устройств импульсным методом, работа над опытным образцом которого закончена в ЦФТПЭС КНЦ РАН в 2015 году.
Прибор обеспечивает получение характеристик, адекватно отражающих поведение заземляющего устройства при грозовом воздействии, определяет параметры элементов простейшей схемы замещения ЗУ при импульсном воздействии, вычисляет импульсное сопротивление, соответствующее определению 1ЕС 61024-1 и ГОСТ Р МЭК 62305-1-2010. Измеритель, являясь функционально насыщенным программно-измерительным комплексом, имеет компактные размеры и малый вес.
Разработанный прибор может быть использован в научно-исследовательских целях при решении задач молниезащиты — экспериментальных исследованиях заземлителей различной конфигурации, совершенствовании методов определения импульсных (переходных) характеристик заземляющих устройств, развитии методов экспериментального определения параметров элементов простейших схем замещения ЗУ.
С точки зрения практического применения разработанный измеритель может быть использован для экспериментального определения и исследования сопротивления ЗУ опор линий электропередачи (с грозозащитным тросом и без него) и ЗУ защитных аппаратов.
Широкий диапазон измеряемых сопротивлений — суммарное сопротивление токового контура до 5 кОм — позволяет использовать прибор для измерения сопротивления ЗУ, расположенных в плохопроводящих грунтах, и снижает требования к сопротивлению заземляющих электродов.
Литература
1. Методические указания по измерению сопротивлений заземления опор ВЛ без отсоединения грозозащитного троса. М.: СПО Союзтехэнерго, 1981.
2. Целебровский, Ю. В. Измерение сопротивлений заземления опор ВЛ / Ю. В. Целебровский, М. М. Микитинский. М.: Энергоатомиздат, 1988. 48 с.
3. IEC-61024-1 (1990-04): Protection of structures against lightning - Part 1: General principles.
4. ГОСТ Р МЭК 62305-1-2010 Менеджмент риска. Защита от молнии. Ч. 1. Общие принципы.
5. Джура, Д. А. Приборы для измерения импульсного сопротивления заземляющих устройств / Д. А. Джура, В. Н. Селиванов // Труды КНЦ РАН. Энергетика. 2013. Вып. 7. С. 56-65.
6. Колобов В. В. Разработка прибора для измерения импульсных характеристик заземляющих устройств объектов электроэнергетики арктического региона / В. В. Колобов, М. Б. Баранник, В. Н. Селиванов // Труды КНЦ РАН. Энергетика. 2014. Вып. 8. С. 33-45.
7. UDAROWY MIERNIK UZIEMIEN WG-507. URL: http://metris.abc24.pl/default.asp?kat=54990&pro=851066 (дата обращения 10.10.16).
8. MRU-200 Измеритель параметров заземляющих устройств. Руководство по эксплуатации. URL: http://www.sonel.ru/common/files/manual/MRU200.pdf (дата обращения 24.03.16).
9. Измерительный комплекс для определения импульсного сопротивления контуров заземления ИК-1. URL: http://elnap.ru/index.php?option=com_content&task=view&id=12&Itemid=47 (дата обращения 24.03.16).
10. РД 153-34.0-20.525-00. Методические указания по контролю состояния заземляющих устройств электроустановок. М.: Изд. СПО ОРГРЭС, 2000.
11. Комплекс измерительный «ГРОЗА-1». URL: http://molnia-lab.ru/groza-1.html (дата обращения: 27.06.2016).
12. Rodrigues, D. B. Portable Grounding Impedance Meter Based on DSP /
D. Rodrigues, S. Visacro // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2014. Vol. 63, N 8. Р. 1916-1925.
13. Герасимович, Д. А. Математическое моделирование импульсных характеристик вертикальных стержневых заземлителей / Д. А. Герасимович,
E. А. Дерюгина // Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. Энергетика: международный научно-технический журнал. 2012. № 1. С. 5-8. URL: http: //rep.bntu.by/bitstream/data/2857/1/9-16.pdf.
14. Данилин, А. Н. Импульсные измерения заземлителей аппаратов высоковольтных подстанций и опор ВЛ на подходах / А. Н. Данилин, Д. В. Куклин // Труды 8-го международного симпозиума по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии. Санкт-Петербург, 16-19 июня 2009 г. СПб., 2009. С. 54-57.
15. Баранник, М. Б. Разработка источника тока с индуктивным накопителем энергии для измерения импульсных сопротивлений заземляющих устройств / М. Б. Баранник, В. В. Колобов // Труды КНЦ РАН. Энергетика. 2013. Вып. 7. С. 101-107.
16. Колобов, В. В. Источник тока с индуктивным накопителем энергии для измерения импульсных сопротивлений заземляющих устройств / В. В. Колобов, М. Б. Баранник, В. Н. Селиванов, Д. В. Куклин // Приборы и техника эксперимента, 2014. № 5. С. 61-67
17. Ивонин, В. В. Исследование распределения потенциалов на поверхности грунта вокруг протяженного заземлителя / В. В. Ивонин, А. Н. Данилин // Труды КНЦ РАН. Энергетика. 2015. Вып. 8. Апатиты: Изд-во Кольского научного центра РАН. С. 5-8.
Сведения об авторах:
Колобов Виталий Валентинович
ведущий научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера Федерального государственного бюджетного учреждения науки Кольского научного центра Российской академии наук, к.т.н.
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А эл.почта: 1_i@mail.ru
Баранник Максим Борисович
научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера Федерального государственного бюджетного учреждения науки Кольского научного центра Российской академии наук, Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А эл.почта: maxbar@ien.kolasc.net.ru
Селиванов Василий Николаевич,
заместитель директора Центра физико-технических проблем энергетики Севера Федерального государственного бюджетного учреждения науки Кольского научного центра Российской академии наук, к.т.н.
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А эл. почта: selivanov@ien.kolasc.net. ги
УДК 697.328 А. В. Бежан
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ВОДЯНОГО АККУМУЛЯТОРА ТЕПЛА ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ
Аннотация
Рассмотрен водяной тепловой аккумулятор (ТА) цилиндрической формы. Предложен способ математического моделирования работы такого аккумулятора. На примере аккумулятора объёмом 100 м представлены результаты математического описания работы аккумулятора в режиме ожидания тепловой нагрузки. Ключевые слова:
тепловой аккумулятор, теплопередача, математическая модель.
