CC BY
16
УДК 621.311
Д. В. Куклин
ОЦЕНКА ДЛИТЕЛЬНОСТИ РАССЧИТАННОГО ВОЛНОВОГО ПРОЦЕССА ПРИ УДАРЕ МОЛНИИ В ОПОРУ, ДОСТАТОЧНОГО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕРОЯТНОСТЕЙ ПЕРЕКРЫТИЯ ИЗОЛЯЦИИ ОПОР ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
Аннотация
При использовании методов, учитывающих волновые процессы, требуется длительное время расчета. Поэтому необходимо определить, какого минимального времени рассчитанного волнового процесса достаточно для приемлемой точности расчета вероятности перекрытия изоляции. В работе показано, что это время составляет около 40 мкс. Ключевые слова:
метод конечных разностей во временной области, заземлитель, опора линии электропередачи, вероятность обратного перекрытия.
D. V. Kuklin
ESTIMATION OF TIME DURATION OF TRANSIENT PROCESS SUFFICIENT FOR DETERMINATION OF BACK FLASHOVER PROBABILITY
Abstract
For the calculations of back flashover probability values, it is important to determine sufficient time duration of the transient process. It is shown in the work that the time duration is about 40 us.
Keywords:
finite-difference time-domain method, grounding, transmission line tower, back flashover probability.
Расчетные методы определения эффективности конструкций заземлителей. Значение вероятности перекрытия изоляции является важным для расчета удельного числа отключений линий электропередачи. Это значение также может служить основой для выбора оптимальной конструкции заземления [1].
Так, сравнивая конструкции заземлителей только на основе напряжений на них при заданном токе, трудно заключить, какая конструкция более предпочтительна: для заземлителей разной конструкции, но при одинаковом затраченном количестве металла приходится сравнивать заземлители с большим импульсным сопротивлением, но меньшим стационарным сопротивлением и заземлители с противоположными характеристиками.
Вероятно, выбор оптимальной длины лучей заземлителя также возможен на основе т.н. эффективной длины [2] зазмелителя. Однако такой подход затруднительно применять для заземлителей более сложной формы (и для заземлителей в неоднородных грунтах).
Более оптимальными являются расчеты с учетом затрат на монтаж заземлителей [3], однако учет волновых процессов при таких расчетах требует продолжительных расчетов.
Чтобы избежать данных (и прочих [1]) трудностей, существует возможность выбирать заземлитель на основе значения вероятности перекрытия изоляции. Однако на рассчитанное значение вероятности перекрытия изоляции влияет множество факторов: учет перекрытий на спаде тока [4], вероятностные данные о токах молнии, выбор функции формы тока молнии, учет частотной зависимости параметров грунта.
Помимо этого, необходимо выяснить, какого времени волнового процесса достаточно для определения вероятности перекрытия изоляции. Это можно осуществить путем сравнения кривых опасных параметров и значений вероятности для различных значений рассчитанного времени волнового процесса.
Оценка времени процесса, достаточного для расчета вероятности перекрытия изоляции опор линий электропередачи. Вначале необходимо выполнить расчеты для ступенчатой формы тока. Расчеты проведены с опорами ПС110-10 и П330-2. Значения удельного сопротивления грунта — 300 Ом-м и 5000 Ом-м. Заземлитель состоит из четырех лучей диаметром 12 мм и длиной по 50 м. Фундаменты учитывались для грунта с удельным сопротивлением 300 Ом-м.
Расчеты проведены методом коечных разностей во временной области (РБТО) [5]. Шаг расчетной сетки — 0.25 м. Поглощающие граничные условия — CPML. Проводники моделировались при помощи ступенчатой аппроксимации и метода [6].
После этого, применяя интеграл Дюамеля, можно рассчитать напряжение на изоляции для произвольного тока. Затем осуществляется расчет кривой опасных параметров, которая показывает сочетания амплитуд и крутизн тока, приводящих к перекрытию изоляции. Для определения перекрытия изоляции использовался метод, изложенный в работе [7]. Для опоры ПС110-10 изоляционный промежуток принят равным 1.14 м, для опоры П330-2 равным 2.6 м.
На рисунках 1-3 показаны кривые опасных параметров для различных времен расчета. Из рисунков видно, что при увеличении времени расчета, кривая опасных параметров стремится к определенной форме, причем это происходит тем быстрее, чем форма тока более крутая. Это объясняется тем, что перекрытия изоляции происходят в более ранние моменты времени при большой крутизне тока.
120
„ 100
У
I 80
<
ч 60
X
40
о.
^
20 0
Рис. 1. Опора ПС110-10 с сопротивлением 300 Омм: а - первый компонент, б - последующий компонент
160 2ÜÜ Амплитуда (кА)
а
120 100
| 80 <
'я 60 х
>. 40 а
20 0
1 1 1 1 20 мкс -
60 мкс L
■ -
1 1
Ü0 120 160 200 Амплитуда (кА) б
240
Рис. 2. Опора П330-2 с сопротивлением 300 Ом-м: а - первый компонент, б - последующий компонент
Рис. 3. Опора П330-2 с сопротивлением 5000 Ом-м: а - первый компонент, б - последующий компонент
В расчетах была использована максимальная крутизна тока Sm. Для первого компонента разряда молнии время полуспада принято равным 77.5 мкс; для последующих компонентов — 30.2 мкс. Параметры токов молнии, использованные в расчетах [8], даны в таблице 1.
Таблица 1
Вероятностные параметры токов молнии
Параметры Первый компонент Последующий компонент
медиана средне-квадратическое отклонение медиана средне-квадратическое отклонение
Ii (Initial peak of current) 27.7 0.461 11.8 0.530
S10/90 24.3 0.599 39.9 0.852
Вероятность перекрытия изоляции рассчитывается путем численного интегрирования функции двумерной плотности вероятности сочетания амплитуд и крутизн по области справа от кривой опасных параметров [9]. Рассчитанные значения вероятностей даны в таблице 2.
Таблица 2
Значения вероятностей перекрытия изоляции
Удельное
Опора сопротивление, Омм Компонент 20 мкс 40 мкс 60 мкс
ПС110-10 300 Первый 0.186 0.193 0.194
Последующий 0.195 0.195 0.195
300 Первый 2.503-10"5 2.96110-5 3.00110-5
П330-2 Последующий 2.760-10"5 2.760-10"5 2.760-10"5
5000 Первый 0.148 0.195 0.199
Последующий 0.010 0.010 0.010
Выводы
По всей видимости, для большей части расчетов достаточно 40 мкс
рассчитанного времени волнового процесса. В некоторых случаях может быть
достаточно 20 мкс. Однако не исключено также, что могут быть случаи,
требующие более продолжительного времени.
Литература
1. Kuklin, D. Choosing configurations of transmission line tower grounding by back flashover probability value / D. Kuklin // Front. Energy. 2016. Vol. 10, № 2. P.213-226.
2. Alipio, R. Frequency Dependence of Soil Parameters: Effect on the Lightning Response of Grounding Electrodes / R. Alipio, S. Visacro // IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. 2013. Vol. 55, № 1. P. 132-139.
3. Khodr, H. M. Optimal Design of Grounding System in Transmission Line / H. M. Khodr, A. Machado e Moura, V. Miranda // International Conference on Intelligent Systems Applications to Power Systems, 2007. P. 1-9.
4. Куклин, Д.В. Расчет кривых опасных параметров при высоких сопротивлениях заземлений опор линий электропередачи / Д.В. Куклин, Б.В. Ефимов // Электричество. 2016. № 6. С. 16-21.
5. Taflove, A. Computational electrodynamics: the finite-difference time-domain method / A. Taflove, S. C. Hagness // Boston: Artech House, 2005.
6. Railton, C. J. The treatment of geometrically small structures in FDTD by the modification of assigned material parameters / C. J. Railton et al. // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2005. Vol. 53, № 12. P. 4129-4136.
7. Pigini, A. Performance of large air gaps under lightning overvoltages: experimental study and analysis of accuracy predetermination methods / A. Pigini et al. // IEEE Transactions on Power Delivery. 1989. Vol. 4, № 2. P. 1379-1392.
8. Rakov, V. A. Lightning parameters for engineering applications / V. A. Rakov et al. // CIGRE Technical Brochure. 2013. № 549.
9. Корсунцев, А. В. Кривые опасных параметров и расчет вероятности перекрытия изоляции воздушных линий при ударах молнии / А. В. Корсунцев, К. И.Покровская // Известия НИИПТ. 1963. № 10. С. 3-17.
Сведения об авторах:
Куклин Дмитрий Владимирович,
научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра
физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН.
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А
эл. почта: [email protected]
УДК 621.311
Ю. Э. Адамьян, Ю. Н. Бочаров, С. И. Кривошеев, И. С. Колодкин, Н. В. Коровкин, П. И. Кулигин, А. Е. Монастырский, В. В. Титков
ЗАВИСИМОСТЬ УРОВНЯ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ ОПН РАЗНЫХ КЛАССОВ НАПРЯЖЕНИЯ ОТ ПАРАМЕТРОВ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ. ЭКСПЕРИМЕНТ И МОДЕЛИРОВАНИЕ
Аннотация
Экспериментально показано, что при подключении ограничителя перенапряжений к системе заземления уровень ограничения перенапряжения зависит от индуктивной части импеданса заземления. Экспериментальное исследование влияния RL параметров эквивалентной схемы на параметры волны напряжения выявило наличие высокочастотной компоненты напряжения с характерным периодом 1-3 мкс. В зависимости от индуктивности заземляющего устройства уровень ограничения перенапряжения повышается на 20-40% по сравнению с идеальным. Этот факт может существенно повлиять на уменьшение ресурса защищаемого оборудования. Ключевые слова:
ограничитель перенапряжений, заземляющее устройство, перенапряжение, переходная характеристика.
Yu. E. Adamyan, Yu. N. Bocharov, S. I. Krivosheev, I. S. Kolodkin, N. V. Korovkin, P. I. Kuligin, A. E. Monastyrski, V. V. Titkov
DEPENDENCE OF OVERVOLTAGE LEVEL ON PARAMETERS OF A GROUNDING DEVICE FOR SURGE ARRESTERS OF DIFFERENT VOLTAGE CLASSES. EXPERIMENT AND SIMULATION
Abstract
It is demonstrated experimentally that at overvoltage arrester connection to grounding system overvoltage limitation level depends on inductive part of the grounding impedance. Experimental study of RL equivalent circuit parameters effect on voltage pulse shape has shown presence of high frequency voltage component with characteristic period 1-3 |js. Depending on the grounding inductance the overvoltage limitation level rises up to 20-40% comparing with ideal grounding. Also the relative overvoltage level is higher for higher overvoltage arrester voltage class. It can substantially reduce the protected equipment life time. Keywords:
overvoltage arrester, grounding system, overvoltage, transient characteristic.
