CC BY
46
УДК 621.311
В. В. Колобов, М. Б. Баранник, В. Н. Селиванов, П. И. Прокопчук
РЕЗУЛЬТАТЫ ПОЛЕВЫХ ИСПЫТАНИЙ НОВОГО ПРИБОРА
ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ ОПОР
ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ИМПУЛЬСНЫМ МЕТОДОМ
Аннотация
Рассмотрен новый прибор для измерения стационарного сопротивления заземляющих устройств опор воздушных линий электропередачи (ВЛ) импульсным методом. Приведены результаты испытаний (в том числе сравнительных) опытного образца прибора на моделях заземлителей различной конфигурации и на заземляющих
12
устройствах опор ВЛ (с грозозащитным тросом и без), расположенных в грунтах с различным удельным сопротивлением.
Ключевые слова:
импульсный метод измерения сопротивления заземляющих устройств, импульсное сопротивление, стационарное сопротивление, опоры воздушной линии электропередачи, грозозащитный трос, результаты полевых испытаний, различное удельное сопротивление грунта.
V. V. Kolobov, M. B. Barannik, V. N. Selivanov, P. I. Prokopchuk
RESULTS OF FIELD TEST OF A NEW DEVICE FOR MEASURING TOWER GROUNDING RESISTANCE USING THE IMPULSE METHOD
Abstract
A new device for measuring grounding resistance using the impulse method, has been described. Field test results of impulse impedance and low-frequency grounding resistance, obtained for different concentrated electrodes, 150 kV towers with or without overhead ground wires in the areas with different soil resistivity, are presented.
Keywords:
impulse method of grounding resistance measuring, impulse impedance, low-frequency grounding resistance, transmission towers, overhead ground wire, field test results, different soil resistivity.
Уже много лет Центр физико-технических проблем энергетики Севера
(ЦФТПЭС) КНЦ РАН занимается исследованиями по разработке методик
и комплексов для измерения сопротивлений заземляющих устройств (ЗУ) опор
ВЛ импульсным методом [1]. С 2014 г. разрабатываются научные основы
и методы диагностики ЗУ объектов электроэнергетики с использованием компактных
импульсных источников на основе индуктивных накопителей энергии (ИНЭ).
Исследования в рамках данной НИР проводились по двум направлениям.
Первое — проведение теоретических и экспериментальных
исследований по разработке генераторов импульсных токов (ГИТ) малой
мощности на основе ИНЭ. Определяющим фактором применения ГИТ на основе
ИНЭ при диагностике ЗУ является описываемый законами коммутации принцип
непрерывности во времени потокосцепления в индуктивности, согласно
которому запас энергии магнитного поля в катушке индуктивности и ток
в индуктивности не могут измениться скачком. Следовательно, ГИТ на основе
ИНЭ способен обеспечить постоянство амплитуды импульса в токовом контуре
(линии с током) на интервале времени, достаточном для проведения измерений,
при изменяющихся параметрах нагрузки, т. е. независимо от согласования
волнового сопротивления линии с заземляющим электродом и распределения
волнового сопротивления вдоль нее.
Индуктивный накопитель энергии обладает значительно большей
по сравнению с емкостными накопителями запасаемой удельной энергией,
что позволяет при аналогичных массогабаритных параметрах ГИТ повысить
энергию импульса тока через ЗУ и увеличить соотношение полезный
сигнал/помеха на входе измерительной части устройства, что, в свою очередь,
делает возможным проведение измерений при размещении ЗУ и токового
электрода в плохо проводящих грунтах.
Кроме того, ГИТ с ИНЭ имеет внешнее управление, позволяет
с точностью до единиц наносекунд синхронизировать момент запуска
генератора и измерительной части комплекса, обеспечивает регулировку
энергетических параметров выходного импульса тока.
В ходе выполнения НИР были проведены:
• анализ конструкционных и технологических факторов, влияющих на параметры индуктивных накопителей;
• исследования различных схемных решений импульсных источников тока с ИНЭ и способов накачки и отведения энергии от индуктивного накопителя;
• анализ типов и параметров ключевых элементов коммутаторов ИНЭ с целью разработки оптимальной схемы ГИТ на основе новейших типов ЮВТ- и MOSFET-транзисторов;
• исследования магнитных материалов для сердечника индуктивного накопителя, обеспечивающих максимальную удельную энергоемкость и высокую добротность ИНЭ.
На основе проведенных исследований была разработана схема ГИТ с ИНЭ и выбрана элементная база основных узлов и блоков. Результаты проведенных исследований опубликованы, в частности, в работах [2, 3].
Второе направление выполненных исследований — разработка алгоритмов, позволяющих на основе экспериментально полученных временных зависимостей тока через ЗУ /ЗУ(0, падения напряжения на ЗУ VЗУ(У) и расчетной кривой мгновенного сопротивления Z(t) (рис. 1, а), определять параметры элементов простейшей схемы замещения сосредоточенного ЗУ при импульсном воздействии (рис. 1, б), в частности, эквивалентное сопротивление Я Э, соответствующее стационарному сопротивлению ЗУ, измеренному на переменном токе.
Рис. 1. Экспериментальные кривые тока через ЗУ ДО, напряжения на ЗУ Ц(У)
и мгновенного (переходного) сопротивления Z(t) (а) и простейшая схема замещения сосредоточенного заземлителя при импульсном воздействии (б)
На основе объединенных результатов проведенных исследований по перечисленным направлениям были разработаны принцип действия, функциональная и принципиальная схемы генераторно-измерительного комплекса для экспериментального определения параметров заземляющих устройств импульсным методом с использованием генератора импульсных токов на основе ИНЭ [4].
Одним из возможных вариантов практического применения разработанного измерительного комплекса является его использование для измерения сопротивления ЗУ опор ВЛ, находящихся под грозозащитным тросом. В 2016 г. был получен патент Российской Федерации на полезную модель «Устройство для измерения сопротивлений заземляющих устройств опор воздушных линий электропередачи без отсоединения грозозащитного троса» [5]. Основным отличием заявленного устройства является использование ГИТ на основе ИНЭ с применением в качестве ключа-коммутатора ИНЭ высоковольтного ЮБТ- или М08РЕЕТ-транзистора. Вследствие преимуществ ГИТ с ИНЭ, рассмотренных выше, заявленное устройство снижает требования к качеству заземления (сопротивлению) токового электрода и позволяет проводить измерения сопротивления ЗУ опор ВЛ, расположенных в районах с высоким удельным сопротивлением грунтов, характерных, в частности, для арктических регионов России.
Также в 2016 г. были закончены работы над опытным образцом прибора для измерения сопротивления заземляющих устройств импульсным методом. Структурная схема устройства приведена на рис. 2.
Рис. 2. Структурная схема измерителя сопротивления ЗУ импульсным методом: РТШ — регулируемый токовый шунт; РДН — регулируемый делитель напряжения; БУ1, 2 — буферные усилители; АЦП — аналого-цифровой преобразователь; МК — микроконтроллер
Первичным результатом измерений, выполняемых прибором, являются экспериментальные кривые /ЗУ(0 и иЗУ(0, сохраненные в цифровом виде в памяти микроконтроллера.
На основе этих данных вычисляются: • кривая мгновенного сопротивления Z(t);
• максимальные значения импульсов тока и напряжения (Umax, 7max);
• значения элементов простейшей схемы замещения ЗУ (ЛЭКВ, £ЭКВ, СЭКВ);
• величина Rmax, равная отношению пикового (максимального) значения напряжения на ЗУ к пиковому (максимальному) значению тока через ЗУ, которые в общем случае наблюдаются неодновременно (рис. 1, а), и соответствующая определению для условного импеданса заземления согласно [6] или импульсному сопротивлению в соответствии с [7].
Основные технические характеристики опытного образца прибора, разработанного в ЦФТПЭС КНЦ РАН, приведены в табл. 1.
Так как при импульсных измерениях токовый контур обладает волновыми свойствами, далее для краткости проводники, соединяющие измерительный прибор с токовым и потенциальным электродами, будем обозначать как токовая и потенциальная линии. Измерения выполняются прибором по двухлучевой схеме при ортогональном расположении токовой и потенциальной линии, как показано на рис. 3, а.
Таблица 1
Основные технические характеристики опытного образца прибора для измерения сопротивления ЗУ импульсным методом
Характеристика Численное значение
Параметры импульса тока
энергия импульса 1 Дж
амплитуда импульса До 5 А
длительность фронта 0.1-0.2 мкс
длительность до полуспада 50 мкс (при сопротивлении токового контура 1 кОм)
Амплитуда напряжения на ЗУ До 5.5 кВ
Диапазон измерения сопротивления ЗУ 0-5000 Ом
Рабочий диапазон температур от -20 до +50 °С
Размеры / масса 195 х 145 х 67 мм / 1 кг
а б
Рис. 3. Схема проведения измерений (а) и внешний вид опытного образца прибора для определения сопротивления ЗУ импульсным методом (б)
На рисунке 3, б приведен внешний вид опытного образца прибора для измерения сопротивления ЗУ импульсным методом.
В 2015-2016 гг. были проведены испытания опытного образца разработанного в ЦФТПЭС КНЦ РАН измерителя сопротивления ЗУ импульсным методом на моделях заземлителей различной конфигурации и испытания в условиях, имитирующих реальные условия эксплуатации. В ходе последних измерялись сопротивления ЗУ опор ВЛ, находящихся под грозозащитным тросом, и опор без грозотроса, расположенных в грунтах с различным удельным сопротивлением. Часть результатов испытаний была представлена в докладе «Полевые испытания прибора для измерения сопротивления заземляющих устройств опор ВЛ без отсоединения грозозащитного троса» на V Международной конференции по молниезащите, проходившей 17-19 мая 2016 г. в Санкт-Петербурге [8].
В данной статье более подробно рассмотрим проведенные испытания опытного образца измерителя сопротивления ЗУ импульсным методом и их результаты.
Согласно «Методическим указаниям по контролю состояния заземляющих устройств электроустановок» [9] в случае невозможности или нецелесообразности отсоединения от тела опоры грозозащитного троса, измерение сопротивления заземлителя опоры может выполняться тремя методами: 1) с помощью токоизмерительных клещей (трансформаторов тока); 2) методом СибНИИЭ; 3) импульсным методом МЭИ — ЭЛНАП.
Из-за отсутствия соответствующего оборудования первый метод в ходе испытаний не использовался.
Были проведены измерения сопротивления заземлителя опоры ВЛ 150 кВ, соединенной грозотросом с соседними опорами. Измерения ЗУ опоры с помощью прибора, разработанного в ЦФТПЭС КНЦ РАН, проводились по схеме, приведенной на рис. 3, а. Длины токовой и потенциальной линии составляли 50 м (рис. 4, а). В качестве электродов использовались стальные стержни диаметром 20 мм и длиной 120 см, которые погружались на глубину до 100 см. Сопротивление электродов измерялось относительно опоры двухточечным методом приборами ИСЗ-2016 и Ф4103-М1.
Рис. 4. Схема проведения измерений сопротивления ЗУ опоры ВЛ, соединенной грозозащитным тросом с двумя соседними с помощью прибора ЦФТПЭС КНЦ РАН (а) и комплекса «ИК-1» ООО «НПФ ЭЛНАП» (б)
Измеритель сопротивления заземления ИСЗ-2016 позволяет проводить измерения сопротивления в диапазоне до 1999 Ом. Тестовый ток и напряжение составляют 10 мА и 25 В соответственно (среднеквадратическое значение). Частота тестового синусоидального сигнала составляет 125/75/41.66 Гц [10].
Цифровой измеритель сопротивления заземления Ф4103-М1 предназначен для измерения сопротивления ЗУ и удельного сопротивления грунтов по двухточечной или трехточечной схеме в диапазоне 0-15 кОм. Прибор позволяет проводить измерения при высоких значениях сопротивления электродов — до 12 кОм для потенциальных и до 6 кОм для токовых. Частота измерительного тока находится в пределах 265-310 Гц. Переменное напряжение на выходных зажимах Ф4103-М1 при разомкнутой внешней цепи составляет 36 В [11].
С учетом формулы для расчета сопротивления Я одиночного заземлителя в виде вертикального электрода круглого сечения диаметром й и длиной /, верхний конец которого находится на поверхности грунта с удельным сопротивлением р[12]:
Я = -Р- 1п « ,
2 п / й
(1)
можно записать выражение для удельного сопротивления окружающего электрод грунта:
2 п /
р = (2)
С учетом параметров электродов, использовавшихся при измерениях (ё = 0.02 м, I = 1 м), можно записать:
р = 1.186 Я .
(3)
Таким образом, удельное сопротивление грунта, окружающего электрод, численно примерно равняется сопротивлению электродов. Измеренные величины сопротивлений токового и потенциального электродов составляли 1000 и 3800 Ом соответственно (рис. 4, а).
В ходе измерений токовая и потенциальная линии менялись местами — токовый электрод использовался как потенциальный и наоборот.
На рисунке 5 приведен пример экспериментальных зависимостей тока через ЗУ, напряжения на ЗУ, временной зависимости мгновенного (переходного) сопротивления и результаты измерения, полученные для исследуемой опоры при использовании электрода с сопротивлением 1000 Ом в качестве токового (ТЭ на рис. 4, а). На осциллограмме напряжения при временах от 1 мкс и выше наблюдаются отражения от соседних опор, соединенных грозотросом с исследуемой, а на осциллограмме тока при ^ = 0.5 мкс — отражение от конца линии с током (токового электрода).
В качестве одного из сравнительных методов использовался импульсный метод МЭИ — ЭЛНАП. Измерения этим методом проводились с помощью комплекса «ИК-1» [13]. 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» [9].
Т-1
Файл 0302 итак=0022 Б 1иах=0,49 А
К*а*=45,7 Ом 1.зка=00,4 мкГн 1Ька-59,9 Ом Сэкв=11,8 нФ Ыим11=001 Рдискр= 160 МГц
Рис. 5. Экспериментальные зависимости тока через ЗУ, напряжения на ЗУ, расчетная кривая мгновенного сопротивления Z(t) (а) и результаты измерений параметров ЗУ (б), полученные с помощью прибора ЦФТПЭС КНЦ РАН для опоры, соединенной грозозащитным тросом с двумя соседними, при суммарном сопротивлении токового контура 1000 Ом
В состав комплекса (рис. 6, а) 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 1.2/50 или 8/20 мкс с частотой следования около 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 465 х 370 х 120 мм и массу 11 кг.
эаэемпяюшее устройство
а б
Рис. 6. Внешний вид измерительного комплекса «ИК-1» (а) и схема измерения сопротивления ЗУ опоры ВЛ импульсным методом МЭИ — ЭЛНАП (б): 1 — генератор апериодических импульсов ГАИ-3ПМ; 2 — вольтметр импульсный (пик-вольтметр) ВИ-6М Измерения сопротивления ЗУ опор ВЛ без отсоединения грозотроса комплексом «ИК-1» рекомендуется проводить по методике, приведенной в [9].
Для измерений используется однолучевая схема (рис. 6, б). Токовый электрод забивается на глубину 0.5 м в грунт на расстоянии 50 м от объекта измерений. С помощью пик-вольтметра ВИ-6М измеряется напряжение между потенциальным электродом и ЗУ опоры ВЛ при различных расстояниях между ними. По результатам измерений строится потенциальная кривая и(1), по которой определяется установившееся значение напряжения иУСТ. Импульсное сопротивление опоры определяется по формуле К зУ имп = иУСТ / 1ИЗМ, где 1ИЗМ — измеренное значение импульсного тока.
В паспортных данных комплекса «ИК-1» не указан диапазон измеряемого сопротивления ЗУ, однако, с учетом максимальной амплитуды напряжения генератора импульсов 1000 В и диапазона 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, согласно [9], при удельном сопротивлении грунта, окружающего исследуемое ЗУ, превышающем величину 300 Ом-м, рекомендуется использовать другое средство измерения.
В описываемых опытах измерения с помощью комплекса «ИК-1» проводились по упрощенной методике: токовый электрод с сопротивлением около 1000 Ом размещался на расстоянии 50 м от объекта измерений,
а потенциальный — на половине этого расстояния и имел сопротивление 2000 Ом (рис. 4, б).
Результаты измерения сопротивления ЗУ опоры, полученные по методике МЭИ — ЭЛНАП, корректировались с учетом параллельно подключенных к ЗУ двух волновых сопротивлений участков грозотроса до соседних опор [14]:
К = 1 (4)
(V^ИЗМ - 2/^»т )
где ЛИЗМ — измеренное, а ЛИСТ — истинное значение сопротивления ЗУ;
— волновое сопротивление «грозотрос — поверхность земли», которое численно принималось равным 400 Ом.
При проведении измерения сопротивления ЗУ опоры ВЛ, соединенной грозотросом с соседними, прибором ЦФТПЭС КНЦ РАН такая корректировка происходит автоматически: перед проведением измерений в настройках прибора указывается количество грозотросов, подходящих к исследуемой опоре, и на экран выводятся уже истинные значения результатов измерения стационарного (ЛЭКВ) и импульсного (Лмах ) сопротивлений ЗУ.
Сопротивления заземлителя опоры измерялось также методом СибНИИЭ [15], при этом в качестве измерителя применялся прибор Ф4103-М1, уже упомянутый выше.
После проведения измерений и вычисления сопротивления ЗУ опоры по методу СибНИИЭ проводилась коррекция результата с учетом поправочного множителя, предложенного С. В. Нестеровым. Корректирующий множитель учитывает размер заземлителя и то, что потенциальный электрод при измерении по методу СибНИИЭ не находится на достаточном расстоянии от ЗУ, чтобы обеспечить нулевую ошибку. Значение множителя зависит как от размеров заземлителя, так и от величины коэффициента отсоса [16].
Результаты измерений сопротивления ЗУ опоры ВЛ 150 кВ, находящейся под грозозащитным тросом, полученные с помощью описанных выше методов и приборов, приведены в табл. 2. Как видно из результатов проведенных измерений, в нашем случае методика СибНИИЭ дает завышенное значение сопротивления ЗУ опоры. Аналогичные результаты были получены в работе [17], в которой приведены результаты измерения сопротивления ЗУ опоры ВЛ на переменном токе до присоединения грозозащитного троса и результаты, полученные методом СибНИИЭ после подключения грозотроса.
Таблица 2
Результаты измерений сопротивления ЗУ опоры, соединенной грозозащитным тросом с двумя соседними, полученные с помощью различных методов и приборов при удельном сопротивлении окружающего грунта
около 2000 Ом-м
Метод, прибор Сопротивление ЗУ Примечание к результатам измерения
Импульсный, измеритель сопротивлений ЗУ импульсным методом Яимп = 39-46 Ом ЯЭКВ = 53-60 Ом В зависимости от частоты дискретизации и использования одного и того же электрода в качестве
ЦФТПЭС КНЦ РАН токового или потенциального
Импульсный МЭИ — ЭЛНАП, «ИК-1» ^ИМП = 48.5-54.5 Ом В зависимости от взаимного расположения токового и потенциального контуров
СибНИИЭ, Ф4103-М1 77 Ом Стационарное сопротивление
С поправкой Нестерова к методу СибНИИЭ 60 Ом Стационарное сопротивление
С учетом поправки, предложенной Нестеровым, значение сопротивления корректируется. Измеритель ЦФТПЭС КНЦ РАН для импульсного сопротивления ЗУ показал значения (39-46 Ом) ниже, чем комплекс «ИК-1» (48.5-54.5 Ом), а для эквивалентного сопротивления ЗУ (53-60 Ом) — результаты, близкие к полученным по методу СибНИИЭ с учетом поправки Нестерова (60 Ом).
Также были проведены измерения сопротивления ЗУ опоры ВЛ 150 кВ, не имеющей грозотроса.
Измерения прибором ЦФТПЭС КНЦ РАН и комплексом «ИК-1» проводились по методикам и схемам измерения, приведенным выше. Сопротивления заземляющих электродов составляли 600 и 300 Ом. Так как грозозащитный трос на исследуемой опоре отсутствовал, коррекция результатов в соответствии с выражением (4) не выполнялась.
Кроме уже описанных выше методов и приборов измерения сопротивления ЗУ опоры без грозозащитного троса проводились по трехполюсной трехпроводной схеме на переменном токе приборами Ф4103-М1, ИСЗ-2016, рассмотренными выше, и комплексом КДЗ-2. Измерительный комплекс для диагностики качества контуров заземления КДЗ-2 представляет собой генератор, позволяющий формировать через ЗУ периодический сигнал напряжением до 80 В и током до 0.2 А. Селективный вольтамперметр комплекса работает на номинальной частоте 57 Гц [18].
Результаты измерений сопротивления ЗУ не имеющей грозотроса опоры ВЛ 150 кВ, полученные с помощью различных методов и приборов, приведены в табл. 3.
Таблица 3
Результаты измерений сопротивления ЗУ опоры без грозозащитного троса, полученные с помощью различных методов и приборов при удельном сопротивлении окружающего грунта около 450 Ом-м
Метод, прибор Сопротивление ЗУ Примечание к результатам измерения
Импульсный, измеритель ^имп = 35-38 Ом В зависимости от частоты
сопротивлений ЗУ дискретизации и использования
импульсным методом ЯЭКВ = 43-44.7 Ом одного и того же электрода в качестве
ЦФТПЭС КНЦ РАН токового или потенциального
Импульсный, ^ИМП = 36.2-39.6 Ом В зависимости от взаимного
МЭИ — ЭЛНАП, «ИК- расположения токового
1» и потенциального контуров
СибНИИЭ, Ф4103-М1 55.9 Ом Стационарное сопротивление
С поправкой Нестерова к методу СибНИИЭ 45 Ом То же
ИСЗ-2016 46 Ом »
Ф4103-М1 46 Ом »
КДЗ-2 45.6 Ом »
Анализ результатов измерений позволяет отметить, что метод СибНИИЭ, как и в предыдущем опыте, завышает значение сопротивления ЗУ. С учетом поправки, предложенной Нестеровым, значение сопротивления ЗУ корректируется в сторону уменьшения. В данном случае результаты измерений импульсного сопротивления ЗУ опоры, выполненные комплексом «ИК-1» и прибором ЦФТПЭС КНЦ РАН, практически совпадают (35-39 Ом), но меньше стационарного сопротивления, измеренного традиционными методами на переменном токе (45 Ом).
В то же время результаты измерения Я ЭКВ (43-44.7 Ом), вычисляемого на основе кривой Z(t) по оригинальному алгоритму, примененному в приборе ЦФТПЭС КНЦ РАН, практически совпадают со стационарным сопротивлением ЗУ опоры, измеренном на переменном токе.
В ходе описанных испытаний нового прибора кроме двухлучевой схемы расположения токового и потенциального электрода использовалась и однолучевая. Показательны экспериментальные зависимости тока через ЗУ, напряжения на ЗУ (а) и результаты измерений параметров ЗУ (б), полученные с помощью прибора ЦФТПЭС КНЦ РАН и приведенные на рис. 7. Вследствие взаимного влияния контуров на кривых тока и напряжения присутствуют сильные искажения. При расчете импульсного сопротивления ЗУ опоры прибор показал завышенное значение: Ямах = 161 В / 2.06 А = 78.2 Ом. В то же время результат измерения эквивалентного сопротивления, полученного на основе обработки кривой 2(() (ЯЭКВ = 44.7 Ом), совпадает с результатами, полученными при измерении стационарного сопротивления ЗУ опоры другими приборами на переменном токе (табл. 3).
200
120
Мтахг 161 в 1тах=г.«А Ток- Напряжение-
и 1
2.5
1.5
Файи 0320 Ии=0Ш Б 1ад=2,0« А Бвак-78.2 Ом £ 1*6=01.1 мкГБ 1Ц=Н7 0« Сэ*г=Ш НФ Нщ=001 Р*юф=160 КГц
о.г о.4 о.б о.в 1 12 1.4 1.6 1.8 г г. г г.4
Время, мке
Рис. 7. Временные зависимости тока и напряжения на ЗУ опоры без грозотроса (а) и результаты измерения (б), полученные с помощью прибора ЦФТПЭС КНЦ РАН при однолучевом расположении токового и потенциального контуров
Были проведены испытания опытного образца прибора, разработанного ЦФТПЭС КНЦ РАН, на опоре ВЛ 150 кВ, соединенной грозотросом с соседними, ЗУ которой расположено в грунте с низким удельным сопротивлением (опора находится в заболоченной местности). Кроме разработанного прибора в испытаниях использовался измерительный
комплекс «ИК-1». Экспериментальные зависимости тока через ЗУ, напряжения на ЗУ, временная зависимость мгновенного (переходного) сопротивления и результаты измерения, полученные прибором ЦФТПЭС КНЦ РАН, приведены на рис. 8. Из-за малого активного сопротивления ЗУ исследуемой опоры на фронте импульса наблюдается индуктивный выброс напряжения. Измеренное импульсное сопротивление с учетом волновых сопротивлений линии «грозотрос — поверхность земли» составило 14.9 Ом, тогда как величина ЛЭКВ — 10.3 Ом.
по на
Рис. 8. Экспериментальные кривые тока через ЗУ I(t), падения напряжения на ЗУ U(t), расчетная кривая мгновенного сопротивления Z(t) (а) и результаты измерения сопротивления ЗУ (б), полученные прибором ЦФТПЭС КНЦ РАН при исследовании опоры с присоединенным грозотросом, ЗУ которой расположено в хорошо проводящем грунте Измерения сопротивления ЗУ опоры ВЛ комплексом «ИК-1» проводились методике, приведенной в [9]. Токовый электрод был установлен расстоянии 50 м от исследуемой опоры. Потенциальный электрод последовательно устанавливался на расстоянии от 5 до 50 м от ЗУ опоры с шагом в 5 м (l = 5, 10, 15, 45, 50 м). С помощью пик-вольтметра измерялось напряжение между потенциальным электродом и ЗУ. Построенная по результатам измерений потенциальная кривая U(l) не имела области установившегося значения напряжения (иУСТ). Так как не было возможности увеличить расстояние токового электрода от ЗУ опоры, а расположить электроды в другом направлении от ЗУ не позволял рельеф местности, то в соответствии с [9] была построена кривая R(L) зависимости значения измеренного сопротивления от расстояния до ЗУ опоры (рис. 9). Кривая R(L) построена уже с учетом волновых сопротивлений линии «грозотрос — поверхность земли». Кривая имеет в средней части небольшой горизонтальный участок с сопротивлением 20 Ом. Согласно [9], за истинное значение сопротивления принимается значение R при L = 0.5 L ТЭ, где L-I3 — расстояние до токового электрода (50 м). Сопротивление на расстоянии 25 м от ЗУ, найденное по кривой R(L), составляет 18.1 Ом. Таким образом, можно считать, что сопротивление ЗУ опоры, измеренное комплексом «ИК-1», составляет 18-20 Ом, что превышает как стационарное сопротивление (10.3 Ом), так и импульсное сопротивление ЗУ (14.9 Ом), измеренные прибором ЦФТПЭС КНЦ РАН.
Я, Ом
25
15
10
5
0 -------'-—1—------■
5 10 15 20 25 30 35 40 45 Ь, м
Рис. 9. Зависимость измеренного сопротивления ЗУ от расстояния потенциального электрода до ЗУ, полученная с помощью комплекса «ИК-1» при исследовании опоры, ЗУ которой расположено в хорошо проводящем грунте (расстояние от ЗУ до токового электрода 50 м)
Так как одним из преимуществ разработанного в ЦФТПЭС КНЦ РАН измерителя сопротивления ЗУ импульсным методом является широкий диапазон измеряемых сопротивлений ЗУ (суммарное сопротивление токового контура до 5 кОм), то были проведены испытания прибора на опоре, ЗУ которой расположено в скалистом плохо проводящем грунте. Исследуемая опора ВЛ 150 кВ не имеет грозозащитного троса. На рис. 10 приведены кривые IзУ(0, иЗУ(0, Z(t) и результаты измерений сопротивления ЗУ. За счет значительного удельного сопротивления грунта кривые импульсов тока и напряжения имеют ярко выраженный емкостной характер. Фронт импульса напряжения значительно затянут. Значение импульсного сопротивления ЗУ данной опоры составило 284 Ом, тогда как измеренная прибором величина Я ЭКВ оказалась значительно больше — 429 Ом. По предварительным оценкам, полученным в процессе проведения измерений, суммарное сопротивление токового контура составляло около 3000 Ом.
Ом
и Z
1
t МКС 1
Файл 1262 LW0167 В 1ш=0,59 А Fm«=284 Ом L3Ke=00,0 мкГн Еэяб-429 Ом Сэкб=0Э,2 нФ Нта-001 ^=040 МГц
Рис. 10. Экспериментальные кривые тока через ЗУ I(t), падения напряжения на ЗУ U(t), расчетная кривая мгновенного сопротивления Z(t) (а) и результаты
измерения сопротивления ЗУ (б), полученные при исследовании опоры без грозотроса, ЗУ которой расположено в скалистом плохо проводящем грунте
Опытный образец прибора для измерения сопротивления заземляющих устройств импульсным методом был испытан на моделях заземлителей различного типа на полигоне, предназначенном для проведения экспериментальных исследований высоковольтных процессов в подземных проводниках [19]. Так, на рис. 11 приведен пример полученных с помощью разработанного прибора экспериментальных кривых тока через ЗУ и напряжения на ЗУ, расчетной кривой Z(t) и результатов измерений для протяженного подземного горизонтального проводника — трубы диаметром 12 мм и длиной 13.5 м, расположенной на глубине 0.5 м в грунте с удельным сопротивлением около 2400 Ом-м. Измеренное эквивалентное сопротивление заземлителя составило 291 Ом. На рис. 12 приведены те же данные для заземлителя в виде сферы диаметром 340 мм, наполовину погруженного в грунт. Эквивалентное сопротивление, измеренное прибором, составило 2882 Ом.
Результаты измерений стационарного сопротивления заземлителей на переменном токе, выполненные прибором ИСЗ-2016, составили около 300 Ом для горизонтального проводника и 3000 Ом для полусферы.
Рис. 11. Экспериментальные кривые тока через ЗУ I(t), падения напряжения на ЗУ U(t), расчетная кривая мгновенного сопротивления Z(t) (а) и результаты измерения сопротивления ЗУ (б), полученные при исследовании модели протяженного горизонтального заземлителя
Рис. 12. Экспериментальные кривые тока через ЗУ I(t), падения напряжения на ЗУ U(t), расчетная кривая мгновенного сопротивления Z(t) (а) и результаты измерения сопротивления ЗУ (б), полученные при исследовании заземлителя в виде сферы, наполовину погруженного в грунт
Выводы
В целом результаты испытаний опытного образца разработанного в ЦФТПЭС КНЦ РАН измерителя сопротивлений ЗУ импульсным методом, проведенных на моделях заземлителей различной конфигурации и ЗУ опор ВЛ, находящихся под грозозащитным тросом, и опор без грозотроса, расположенных в грунтах с различным удельным сопротивлением, а так же сравнительные испытания прибора можно считать успешными.
По результатам проведенных испытаний можно отметить, что применение приборов, основанных на импульсном методе как одном из методов, позволяющих определять сопротивления заземляющих устройств опор ВЛ без отсоединения грозотроса, оправдано с точки зрения их компактности и относительной простоты проведения измерений. В то же время, несмотря на то что импульсный метод МЭИ — ЭЛНАП приведен в «Методических указаниях по контролю состояния заземляющих устройств электроустановок», комплекс «ИК-1» имеет ряд недостатков:
• в соответствие с методикой конечный результат получается после выполнения многократных измерений сопротивления ЗУ на разных расстояниях от опоры;
• как показали испытания, измерения, проводимые с помощью комплекса, очень чувствительны к взаиморасположению измерительных проводников и электродов;
• результатом измерения является импульсное сопротивление ЗУ, определяемое, согласно [6, 7], как отношение максимума напряжения на ЗУ к максимуму тока через ЗУ. При определении импульсного сопротивления на результат могут влиять искажения импульса напряжения на ЗУ, возникающие из-за отражений от соседних опор, и искажения импульса тока через ЗУ, вызванные отражением от токового электрода [4]. Кроме того, измеренное импульсное сопротивление ЗУ в общем случае не совпадает со стационарным сопротивлением, которое приводится в нормативных документах, определяющих допустимое значение сопротивления ЗУ. Степень различия импульсного и стационарного сопротивлений для одного и того же ЗУ, определяется, в частности, амплитудой, формой и длительностью импульса, формируемого измерительным устройством, конструкцией заземлителей, а также удельным сопротивлением грунта, окружающего ЗУ.
Испытания опытного образца измерителя сопротивлений ЗУ импульсным методом, в том числе сравнительные, проведенные на ЗУ опор ВЛ, расположенных в районах с различным удельным сопротивлением грунта, подтвердили выводы, сделанные ранее в опубликованных теоретических и экспериментальных работах, исследующих взаимосвязь между импульсными и стационарными сопротивлениями ЗУ при различных проводимостях грунтов, в частности в [20], а именно: в грунтах с хорошей проводимостью величина импульсного сопротивления ЗУ больше стационарного сопротивления, а в грунтах с плохой проводимостью, наоборот, импульсное сопротивление меньше, чем стационарное.
Проведенные испытания опытного образца прибора показали, что:
• величина угла между токовой и потенциальной линией незначительно влияет на результат измерения эквивалентного сопротивления ЗУ;
• результат измерения ЯЭКВ практически не зависит от сопротивления токового и потенциального электродов.
Объединение в одном устройстве двух новых подходов — методологического, заключающегося в определении на основе обработки кривой мгновенного сопротивления Z(t) параметров элементов простейшей схемы замещения сосредоточенного ЗУ при импульсном воздействии, и схемотехнического, заключающегося в применении генератора импульсных токов на основе индуктивного накопителя энергии, позволили разработать прибор, который определяет импульсным методом стационарное сопротивление ЗУ.
С точки зрения практического применения разработанный измеритель, по нашему мнению, может быть особенно востребован для экспериментального определения стационарного сопротивления ЗУ опор ВЛ (с грозозащитным тросом и без него) и сосредоточенных ЗУ защитных аппаратов в районах с высоким удельным сопротивлением грунта.
Литература
1. Методика импульсных измерений сопротивления растеканию заземлителей опор высоковольтных линий электропередачи под грозозащитным тросом /
A. Н. Данилин, В. В. Колобов, В. Н. Селиванов, П. И. Прокопчук // Технико-экономические и электрофизические проблемы развития энергетики Севера: сб. науч. тр. / Кольский научный центр РАН; Центр физико-технических проблем энергетики Севера. Апатиты, 2007. С. 79-86.
2. Колобов В. В, Баранник М. Б., Селиванов В. Н. Разработка прибора для измерения импульсных характеристик заземляющих устройств объектов электроэнергетики Арктического региона // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. 2014. Вып. 8. С. 33-45.
3. 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.
4. 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. Энергетика. 2016. Вып. 13. С. 38-54.
5. Пат. 166566 Рос. Федерация, МПК G01R27/20. № 2016124832/28. Устройство для измерения сопротивлений заземляющих устройств опор воздушных линий электропередачи без отсоединения грозозащитного троса /
B. В. Колобов, В. Н. Селиванов, А. Н. Данилин, Б. В. Ефимов, М. Б. Баранник; заявитель и патентообладатель ФГБУН Кольский научный центр РАН; заявл. 21.06.16; опубл. 10.12.16, Бюл. № 34.
6. ГОСТ Р МЭК 62305-1-2010. Менеджмент риска. Защита от молнии. Ч. 1. Общие принципы. М.: Стандартинформ, 2011. 46 с.
7. IEC-61024-1 (1990-04): Protection of structures against lightning - Part 1: General principles.
8. Колобов В. В., Ефимов Б. В., Баранник М. Б. Полевые испытания прибора для измерения сопротивления заземляющих устройств опор ВЛ без отсоединения грозозащитного троса // Доклады V Международной конференции по молниезащите (Санкт-Петербург, 17-19 мая 2016 г.). СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2016. С. 150-166.
9. Методические указания по контролю состояния заземляющих устройств электроустановок: РД 153-34.0-20.525-00. М.: СПО ОРГРЭС, 2000.
10. Описание типа средства измерений [Электронный ресурс] // Справочник измерительного оборудования: сайт. URL: http://www.kip-guide.ru/docs/ 30407-05.pdf (дата обращения: 03.03.2017).
11. Измеритель сопротивления заземления Ф4103-М1. Паспорт [Электронный ресурс] // Электронприбор: сайт. URL: http://www.electronpribor.ru/ files/products/f4103_p_mp.pdf (дата обращения: 03.03.2017).
12. Цирель Я. А. Заземляющие устройства воздушных линий электропередачи. Л.: Энергоатомиздат, 1989. 160 с.
13. Измерительный комплекс для определения импульсного сопротивления контуров заземления ИК-1 [Электронный ресурс] // ЭЛНАП: сайт. URL: http://elnap.ru/index.php?option=com_content&task=view&id=12& Itemid=47 (дата обращения: 03.03.2017).
14. Целебровский Ю. В., Микитинский М. Ш. Измерение сопротивлений заземления опор ВЛ. М.: Энергоатомиздат, 1988. 48 c.
15. Методические указания по измерению сопротивлений заземления опор ВЛ без отсоединения грозозащитного троса. М.: СПО Союзтехэнерго, 1981. 20 с.
16. Нестеров С. В. Метод расчета заземляющих систем произвольной конфигурации в неоднородных грунтах: автореф. дис. канд. техн. наук / науч. рук. Ю. В. Целебровский; Новосиб. гос. техн. ун-т. Новосибирск, 2005. 20 с.
17. Анализ результатов измерений сопротивления заземления опор ВЛ с тросом при модернизации заземляющих устройств / А. Н. Новикова, А. Н. Лубков, О. В. Шмараго, Л. И. Галкова, В. Р. Бельцер, О. А. Прохореня, С. И. Кривошеев, А. П. Ненашев, А. А. Парфентьев // Электрические станции. 2007. № 9. С. 53-59.
18. Вольтамперметры селективные для контроля и диагностики заземляющих устройств КДЗ-2. Описание типа средства измерений [Электронный ресурс]. URL: http://pdf.reestrsi.ru/file/35201-07.pdf (дата обращения: 03.03.2017).
19. Ивонин В. В., Данилин А. Н., Куклин Д. В. Экспериментальные исследования высоковольтных импульсных процессов в подземных проводниках // Доклады IV Международной конференции по молниезащите (Санкт-Петербург, 27-29 мая 2014 г.). СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2014. С. 141-154.
20. Герасимович Д. А., Дерюгина Е. А. Математическое моделирование импульсных характеристик вертикальных стержневых заземлителей // Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ — Энергетика: междунар. науч.-технич. журн. 2012. № 1. С. 5-8.
Сведения об авторах
Колобов Виталий Валентинович,
ведущий научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии
Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, 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 КНЦ РАН, 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 КНЦ РАН, к. т. н.
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А Эл. почта: selivanov@ien.kolasc.net.ru
Прокопчук Павел Иванович,
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: prokop@ien.kolasc.net.ru
