CC BY
122
УДК 621.311
А.В.Колычев, А.Н.Боровских
РЕГИСТРАТОР СРАБАТЫВАНИЙ НЕЛИНЕЙНЫХ ОГРАНИЧИТЕЛЕЙ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ НА ОСНОВЕ ПОЯСА РОГОВСКОГО
Аннотация
Разработан регистратор срабатываний импульсных токов через нелинейные ограничители перенапряжений на базе пояса Роговского, легко устанавливаемый на данных ограничителях, позволяющий сохранять и дистанционно передавать информацию о срабатывании ОПН.
Ключевые слова:
ограничитель перенапряжений, регистратор срабатываний, радиоканал
A.V.Kolychev, A.N.Borovskykh THE SURGE ARRESTER COUNTER BASED ON THE ROGOWSKI COIL
Abstract
The counter is to operate impulse current from surge arrestor based on the Rogowski coil is developed. It easily established on surge arrestor, allowing to keep and to transfer the information on operation surge arrestor by radio channel.
Keywords:
surge arrester, counter, Rogowski coil, radio channel
В России, а также странах СНГ для защиты ВЛ 110-500 кВ от грозовых перекрытий все большее применение находят линейные защитные аппараты (ЛЗА). В качестве ЛЗА применяются подвесные нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН) и линейные разрядники (ЛР, ОПН с искровыми промежутками). Опыт эксплуатации ЛЗА во многих странах мира (Японии, США и др.) на линиях класса напряжения от 6 до 500 кВ, за редким исключением, оценивается как положительный. Они подтвердили свою надежность и эффективность в качестве радикального средства защиты ВЛ от грозовых перекрытий и аварийных отключений. Первый опыт применения ЛЗА в России - грозозащита двухцепной ВЛ 400 кВ «Линке-1,2» (МЭС Северо-Запада), который можно признать положительным. За истекший период с 2004 г. линия не имела ни одного аварийного отключения.
К сожалению, на данном этапе нет разработанной и утвержденной универсальной методики применения ЛЗА для ВЛ различных классов напряжения. Поэтому эксплуатационные организации, которым принадлежат ВЛ (МЭС, Энергосистемы), испытывают определенные затруднения в разработке технических мероприятий по защите проблемных ВЛ. Необходимо отметить, что исследования по применению ЛЗА для молниезащиты ВЛ проводятся ведущими научными центрами России в области электроэнергетики, такими как СибНИИЭ, НИИПТ, СПбГПУ, НГТУ. При этом одним из главных вопросов молниезащиты ВЛ с помощью ЛЗА является экономическая обоснованность такого типа молниезащиты. Она определяется количеством ЛЗА, которые должны быть установлены. Поэтому сбор информации по работающим ВЛ с уже установленными ЛЗА является актуальной задачей.
Анализ данной информации позволит разработать методику по эффективному применению ЛЗА.
В качестве примера в таблице представлены результаты регистрации импульсных токов через подвесные ОПН, установленные на ВЛ 400 кВ «Линке-1,2». Всего на линии было установлено 102 фазы ОПН на 40 опорах [1]. Все ограничители были снабжены устройствами мониторинга работы ОПН Excount-И, которые позволяют регистрировать импульсные. Как видно из таблицы, за 2 года наблюдений датчики фиксировали протекание импульсных токов на
4 опорах из 40.
Процедура регистрирования импульсов тока как грозовых проведена по дате и значению тока. К сожалению, информация по грозовой деятельности на время регистрации импульсов тока отсутствует. Согласно расчетам, проведенным специалистами НИИПТ [2], число импульсных воздействий на ОПН, установленных на 40 опорах, в год составит в среднем 4. Согласно таблице, от 25 до 50% грозовых поражений в год приходится на 3 опоры.
Таблица зафиксированных в 2009 г. перенапряжений
ВЛ Номер опоры, фаза Дата срабатывания Время срабаты- вания Ток, А Вероятная причина импульсного тока
ЛЛн-1 29с 26.03.2008г. 16:37:00 10-99 Комутац. перен.
28с 20.05.2008г. 0:51:05 10-99 Комутац. перен.
ЛЛн-2 29в 22.03.2007г. 7:11:17 1000-4999 -
46в 01.05.2008г. 5000-9999 Грозов. перен
45в 20.04.2008г. 12:23:56 >10000 Грозов. перен
45с 06.04.2008г. 18:34:50 10-99 Комутац. перен.
29в 16.03.2009г. 21:04:37 1000-4999 -
29в 08.09.2009г. 9:54:40 1000-4999 Грозов. перен
Необходимо отметить, что при монтаже датчиков Excount-II и их первичной эксплуатации были проблемы по передаче данных. Передача данных от сенсора, установленного у ОПН, на трансивер (устройство для приема данных), которым управляет оператор на земле, осуществляется на частоте 868.35 МГц. Данная частота попадает в частотную область радиопомех ВЛ. Еще одним недостатком системы мониторинга Excount-И является ее достаточно высокая стоимость. В зависимости от номинального напряжения цена может составлять до 50% от стоимости ОПН.
В настоящее время в России для учета срабатываний подстанционных ОПН, установленных на шинах подстанций в ОРУ, используются импульсные регистраторы с числовой индикацией срабатываний, например, регистраторы срабатываний типа РС-1, РС-2, РС-3 производства «ЗЭТО» (Россия), DC-904 фирмы «ELPRO» (Индия), а также других производителей. У большинства производителей регистраторов принцип работы основан на использовании дополнительного нелинейного резистора (обычно металлоксидного варистора), устанавливаемого в разрыв шины заземления ОПН, конденсатора и индуктивности, образующих колебательный контур LC (рис.1). Протекающий импульсный ток через ОПН приводит к повышению напряжения на нелинейном
резисторе и зарядке импульсного конденсатора. В дальнейшем конденсатор разряжается на индуктивность, что приводит к срабатыванию механического счетчика. Информация на регистраторах отображается в виде цифр на панели или стрелочном индикаторе, поэтому считывание информации персоналом подстанции происходит с помощью визуального наблюдения.
Рис.1. Принципиальная схема регистратора срабатываний типа РС:
С - импульсный конденсатор; Ь - электромагнитный счетчик;
В - диодный мост; Я1 - нелинейный резистор; Я2 - резистор
Использование данных типов регистраторов для регистрации срабатываний ЛЗА на ВЛ имеет ряд недостатков и трудностей. Во-первых, затруднения вызывает считывание информации с регистратора, который должен быть установлен на достаточно большой высоте у ОПН или на теле опоры. Во-вторых, регистратор фиксирует также импульсные токи, вызванные коммутационными перенапряжениями. В-третьих, не происходит регистрация времени срабатывания ОПН и максимальной амплитуды импульса тока.
Применение дополнительного варистора приводит к увеличению остающегося напряжения, а также требует согласования его энергетических характеристик с параметрами ЛЗА.
Исходя из вышесказанного, технические специалисты ОАО «Позитрон» разработали регистратор срабатываний РС-ОПН на базе пояса Роговского (ПР).
Для измерения больших импульсных токов на практике широко применяются воздушные трансформаторы тока, имеющие название пояс Роговского, представляющий собой тороидальную катушку.
С изменяющимся во времени импульсным током связано образование вблизи проводников электромагнитного поля. Магнитное поле индуцирует в витках катушки, охватывающей провод с током, э.д.с. е2(1), пропорциональную производной тока [2 ]. С помощью интегрирующей схемы, на которую
подается сигнал с катушки, можно получить импульс напряжения ии(1), пропорциональный измеряемому току 71(1).
Обмотка пояса вместе с ЯС интегрирующей цепочкой представляет собой колебательный контур с затуханием, последовательно с которым включена внешняя э.д.с. е(1). Уравнение, связывающее напряжение и ток в ПР, имеет следующий вид:
Ь • ^ + (г + Я) • 72 + ис = ^(0 , м
где г и Ь - внутреннее сопротивление и индуктивность пояса Роговского, 72 -ток, протекающий в контуре ПР.
і2 ■ А.
Напряжение на конденсаторе определяется, как 1
~ . Ь (?)
Э.д.с., индуцируемая в катушке, - в2(ґ) =----.
N Ж
Ток і , (1) является импульсным током, протекающим через нелинейный ограничитель перенапряжений. По своей форме ток через ОПН совпадает с током молнии, отличается лишь амплитудой, которая меньше амплитуды тока молнии, и зависит от места установки ОПН, их количества, места удара молнии (опора, фазный провод), сопротивления заземления опоры. Поэтому ток
і, (?) = і от (?) = kм ■ ім (?), где км < 1 - коэффициент, учитывающий снижение тока
через ОПН по сравнению с током молнии.
Проведенные расчеты позволили определить характеристики ПР для регистрации импульсных токов молнии. На рис.2 представлена структурная схема регистратора импульсных токов ОПН (РС-ОПН) производства ОАО «Позитрон». Регистрация импульсов тока происходит при превышении напряжения на конденсаторе свыше 1 В, что соответствует протеканию через ОПН тока с амплитудой 150 А. Минимальное напряжение срабатывания 1 В позволяет «отстроиться» от возможных наводок на ПР от внешних электрических полей.
Рис.2. Структурная схема регистратора срабатываний ОПН (РС-ОПН), для определения числа срабатываний ОПН при протекании импульсных токов грозовых перенапряжений:
1 - нижний модуль подвесного ОПН-500; 2 - пояс Роговского (ПР); 3 - дифференциальная ЯС-цепочка; 4 - ЦПУ (микропроцессор);
5 - ограничитель напряжения (мощность 120 Вт); 6 - преобразователь сигнала из аналогового в цифровой; 7 - приемопередающий модуль (РМ) с частотой 2,4 ГГц; 8 - усилитель мощности РМ; 9 - менеджер питания; 10 - источник питания, напряжение 3.6 В, емкость - 6.5 А/ч; 11 - флеш-память (ПЗУ); 12 - часы реального времени; 13 - антенна;
14 - регистрирующий модуль;15 - заземляющий провод ОПН
РС-ОПН состоит из пояса Роговского, который изготавливается намоткой медной проволоки ^=1100 витков) на изоляционную оправку, модуля регистрации и базового модуля, соединенного с персональным компьютером. Пояс Роговского вместе с регистрирующим модулем без затруднений крепится между ребрами ОПН с помощью специальных винтов. РС-ОПН позволяет регистрировать импульсные токи, протекающие через ОПН, в диапазоне амплитуд от 150 А до 100 кА, фиксирует время и дату прохождения импульса через ОПН, накапливает информацию о количестве импульсов тока.
Передача информации от модуля регистрации, установленного на ОПН, к базовому модулю осуществляется на частоте 2.4 ГГц при дальности радиосвязи 250 м. Управление, обработка, прием и передача данных осуществляется с помощью программного обеспечения на персональном компьютере.
Для получения информации достаточно с персональным компьютером (ноутбуком) расположиться вблизи опоры. Программное обеспечение с помощью интерфейса позволяет установить радиосвязь с ближайшими регистрирующими модулями (ОПН), получить информацию о номерах опор, номере и типе ОПН, дате и времени каждого срабатывания, количестве срабатываний между измерениями и уровне тока через ОПН. Отображение получаемой информации на экране монитора происходит в виде таблиц, удобных для восприятия. В приборе также отображается уровень заряда батареи и уровень радиосвязи.
Литература
1. Шваб А. Измерения на высоком напряжении: Измерительные приборы и способы измерения. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1983. 264 с.
2. Модернизация системы грозозащиты ВЛ 400 кВ ПС «Выборгская -Госграница» с использованием ОПН / А.Н.Новикова, О.В.Шмараго, А.Н.Лубков, Л.И.Галкова,Е.А.Макашин, В.Р.Бельцер // Известия НИИ постоянного тока. 2007. № 62.
Сведения об авторах:
Колычев Александр Валерьевич,
доцент кафедры «Электроэнергетика и техника высоких напряжений» Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, к.т.н.
Россия, 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29 эл. почта: kolychev@positron.spb.ru
Боровских Андрей Николаевич,
начальник сектора электронных устройств НПК ОАО «Позитрон», инженер Россия, 194295, г. Санкт-Петербург, ул. Ивана Фомина, д. 6 эл. почта: a_borovskikh@positron.spb.ru
