CC BY
82
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: kuklindima@gmail.com
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.
Практика выбора защитных аппаратов, в частности ограничителей перенапряжений, основывается на подходящем выборе защитного уровня — остающемся напряжении на ОПН при стандартном воздействии перенапряжения. При этом расчетные значения напряжений, воздействующих на изоляцию оборудования при грозовых перенапряжениях, оцениваются
формулой ив03дгр03 = кгр0Р0стгр03, где ив03йгр03 -- остающееся напряжение на
разряднике (ОПН) при токе координации [1]. При надлежащем ограничении крутизны набегающей волны и рациональном расположении разрядников на подстанциях для силовых трансформаторов принимается к = 1. 2, для
остального оборудования к = 1.3 -1 . 4. В настоящее время при
проектировании схем защиты от перенапряжений широко применяются методы прямого моделирования переходных процессов в цепях подстанций и линий электропередач, позволяющие найти условия выполнения описанных выше требований. При этом адекватность результатов такого анализа, очевидно, определяется необходимой точностью задания параметров расчетных схем замещения. Это обстоятельство справедливо, в частности, в отношении параметров заземляющих устройств (ЗУ). Несмотря на то, что ранее обращалось внимание на качество и способ подключения ОПН к контуру заземления, непосредственно влияющие на уровень перенапряжений на защищаемом оборудовании [2], количественные характеристики такого влияния изучены слабо. В частности, руководство по проектированию ЗУ [2] предписывает выполнение заземления с организацией растекания тока по нескольким направлениям, что позволяет снизить индуктивность подключения ОПН к земле и обеспечить более глубокое ограничение перенапряжений.
Постановка задачи и пути решения проблемы. В рамках данной работы выполнено экспериментальное лабораторное исследование влияния предвключенной к ОПН индуктивности на максимальное остающееся напряжение при воздействии стандартного грозового импульса.
При разработке защитных мероприятий для защиты линий электропередач и высоковольтного оборудования подстанций одним из основных параметров, требующих учета, является сопротивление растеканию тока ЗУ. В руководящих документах величина активного сопротивления ЗУ, определяемая стационарными измерениями, используется для расчета грозоупорности и выбора защитных мероприятий путем введения коэффицента импульсности. Использование этого коэффициента позволяет производить выбор защитного оборудования для импульсных режимов, в частности для защиты от грозового воздействия. Однако в ряде работ [3-6] по результатам анализа экспериментальных и расчетных данных показано, что при импульсном воздействии необходимо учитывать реальную импульсную/переходную характеристику сопротивления ЗУ. Измерения сопротивления ЗУ по методике, изложенной в работе [3], позволяют получить переходную характеристику и синтезировать схему замещения [4].
Анализ реакции типового ЗУ на импульсное воздействие разной длительности приведен в работе [7]. Наиболее сильно влияние реактивных компонент сопротивления ЗУ проявляется при воздействии импульсов с коротким фронтом, в том числе и для стандартного грозового импульса. При
этом нельзя исключать влияния переходного процесса, обусловленного параметрами ЗУ, и на эффективность работы защитных устройств (ОПН), в частности, на мгновенные значения остающегося напряжения. В рамках данной работы было проведено экспериментальное исследование и разработка расчетной модели для определения влияния реактивных составляющих импеданса ЗУ на режимы работы ОПН двух классов напряжения (10 и 35 кВ) с использованием простой схемы замещения ЗУ.
Методика проведения эксперимента. Выбор оборудования, средств и метода исследований произведен с учетом указаний соответствующих документов [8, 9]. Экспериментальные исследования проводились на кафедре Техника высоких напряжений, электроизоляционная и кабельная техника в СПбПУ с использованием генератора импульсных напряжений ГИН-600 (рис. 1), формирующего стандартный грозовой импульс 1.2/50. В качестве объекта исследования выступала цепь (рис. 1, поз. 1), состоящая из ОПН фирмы ООО «Позитрон» - нелинейного сопротивления Zarr и схемы замещения контура сопротивления ЗУ (рис. 2, поз. 2) в виде последовательно включенных изменяемых индуктивности £ ^ 0 -10 ¡Н и сопротивления ^ о - 48 О.
Рис.1. Разрядный контур ГИН-600: 1 - исследуемый объект, 2 - эквивалентная модель сопротивления ЗУ, ИУБ-высоковольтный импульсный делитель (собственные индуктивности ГИН не показаны)
Измерения проводились с использованием омического делителя с регистрацией на осциллографе Tektronix DPO2012. Калибровка тракта производилась по рекомендациям [9]. Типичные осциллограммы работы ГИН
в различных режимах приведены на рис. 2.
Рис. 2. Осциллограммы импульса напряжения: 1 - холостой ход ГИН; 2 - напряжение на ОПН; 3 - напряжение на ОПН при Ь ^ 0; = 0; 4 - напряжение на ОПН при Ь = 10 И; Я = 0 .
Уровень ограничения напряжения после включения ОПН во временном интервале, соответствующем спаду воздействующего импульса, полностью совпадал с паспортным значением и не превышал иагг. Однако, как видно из
рисунка 2 (кривые 3 и 4), при наличии в эквивалентной схеме растекания тока в ЗУ индуктивной компоненты, на фронтальной части импульса формируются высокочастотные колебания. Амплитуда этих колебаний существенно превышает паспортный уровень ограничения напряжения исследуемых ОПН, а их период определяется параметрами схемы замещения ЗУ и ударной емкостью генератора импульсных напряжений. Основные параметры ОПН, использованных в эксперименте, приведены в таблице 1.
Анализ результатов. Результаты экспериментального исследования и численного моделирования получены при измерениях напряжения в точке Магг
(см. рис. 1). Переходной процесс разряда ГИН на ОПН моделировался в программе OrCAD с учетом параметров разрядников генератора [10] и реальных вольтамперных характеристик ОПН [7, 11].
Таблица 1
Паспортные данные испытанных ОПН
№ п/п Параметр ОПН-П-10 ОПН-П-35
1 Класс напряжения, кВ 10 35
2 Наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение, кВ действ 13.5 42
3 и^ — номинальное напряжение ОПН, кВ - ^-^деиств 17.0 52.5
4 Номинальный разрядный ток (амплитуда импульса тока 8/20 мкс), А 10000 10000
5 Остающееся напряжение при импульсном токе 8/20 мкс с амплитудой, не более:
3000 А, кВ 35.4 109.2
5000 А, кВ 37.4 115.5
10000 А, кВ 41.1 126.9
20000 А, кВ 46.4 143.4
6 Остающееся напряжение при импульсном токе 1/10 мкс с амплитудой 10000 А, кВ, не более 43.6 134.6
7 Удельная рассеиваемая энергия ограничителем одного импульса на 1 кВ по п. 2, кДж/кВ, не менее 2.5 2.5
Индуктивность £ изменялась от 0 до 10 /Н с шагом 5 /Н, сопротивление ^ выполнено из сопротивлений типа ТВО-60, имеющих
пренебрежимо малую собственную индуктивность. Значения сопротивления варьировались в диапазоне 0 - 48 О, характерном для сопротивления растекания тока ЗУ в элементах подстанций и линий электропередач.
Сопоставление экспериментальных и расчетных данных показывает, что при малых сопротивлениях схемы замещения ЗУ (рис. 1, выделение 2) имеет место соответствие как в характере реакции системы, так и в абсолютных значениях основных параметров импульса, а именно: совпадают амплитудные и временные параметры высокочастотной составляющей отклика.
На рисунке 3 приведены расчетные и экспериментальные данные, иллюстрирующие изменение уровня перенапряжений в точке М при
изменении параметров схемы. Следует отметить, что при малых значениях активной компоненты импеданса схемы замещения ЗУ наличие индуктивной составляющей приводит к существенному увеличению уровня перенапряжений, особенно в сетях низкого класса напряжения.
В случае малых активных сопротивлений уровень напряжений может превышать напряжение ограничения ОПН-П-10 на 30-40%, а ОПН-П-35 в 1.7-2 раза.
Ограничители перенапряжения устанавливаются в различных местах энергосистем для защиты различного энергооборудования. В практике установки ОПН не исключены случаи, когда защитное устройство подключено
к линии с помощью высоковольтного спуска, длина которого может достигать 10 м и более. В этом случае напряжение в точке МНпе (см. рис. 1) с учетом
индуктивности подключения выхода генератора Ьсоп к ОПН может превышать уровень номинального напряжения ОПН более чем в 2 раза.
Рис. 3. Относительный уровень перенапряжений на фронте импульса в зависимости от активной и индуктивной компоненты импеданса ЗУ: 1 - ^ = 0; 2 - Ь^ = 5 ¡Н; 3 - Ь^ = 10 ¡И
Исследование проведено с использованием конкретных элементов и простейшей схемы замещения ЗУ с сосредоточенными параметрами. Специально следует отметить, что с увеличением класса напряжения уровень высокочастотных перенапряжений существенно возрастает. Так как при проведении исследования рассмотрено одно из типовых схемных решений подключения ОПН, то результаты исследований могут быть распространены на элементы оборудования различных классов напряжения. Для повышения точности расчетов переходных процессов в высоковольтных энергосетях с защитным оборудованием, имеющим нелинейные характеристики (ОПН), необходимо наличие экспериментально полученных вольт-амперных характеристик в широком диапазоне определяющих параметров с малой дискретизацией.
Влияние высокочастотных составляющих на надежность и ресурс основного оборудования. Осциллограммы, полученные в ходе экспериментов, показывают наличие относительно высокочастотной компоненты перенапряжений, кратность которой может на 20-40% превосходить величину, соответствующую «идеальному» заземлению. Несмотря на то, что длительность существования этих пиков перенапряжений существенно ниже характерного времени процесса, они могут представлять существенную опасность для изоляции защищаемого оборудования. Это обусловлено тем, что электрическая прочность твердой и жидкой изоляции слабо зависит от времени приложения напряжения в интервале воздействий более 0.1 мкс [12-14].
Такая форма воздействующего напряжения наиболее опасна для оборудования с полимерной изоляцией. Примером такого оборудования могут быть полиэтиленовые кабели, высоковольтные вводы с RIP-изоляцией, опорные и подвесные полимерные изоляторы и др. Такие воздействия провоцируют образование в полимерной изоляции первичных каналов электрических триингов [15], которые впоследствии при воздействии рабочего напряжения промышленной частоты достаточно быстро развиваются за счет частичных разрядов и приводят к пробою всей изоляции. Время развития триингов несоизмеримо меньше, чем время до их зарождения, поэтому ресурс изоляции определяется временем до зарождения [16]. На рисунке 4 приведены функции распределения времени до зарождения триингов от амплитуды электрического поля в изоляции кабеля с полиэтиленовой изоляцией.
Как видно из рисунка 4, увеличение напряженности электрического поля на 40 % приводит к снижению требуемого количества импульсов до зарождения триинга на два с половиной порядка.
F(n) -,-,-----
0.1 0.06 0.04
0.02 0.01
10 100 1000 10000 "
Рис. 4. Функции распределения количества импульсов n до зарождения триингов в полиэтиленовой изоляции кабелей при напряженности электрического поля, кВ/мм: 1 - 33; 2 - 36; 3 - 42; 4 - 48
Для высоковольтных вводов с RIP-изоляцией, у которых в силу конструктивных и технологических причин максимальная напряженность поля на выступе алюминиевой обкладки при воздействии расчетной кратности перенапряжения достигает значения 50 кВ/мм, увеличение этой величины за счет высокочастотной составляющей на 40 % приводит к величине напряженности 70 кВ/мм, что вплотную приближается к импульсной прочности эпоксидной изоляции. А это обуславливает достаточно высокую вероятность либо пробоя слоя изоляции остова ввода при импульсном воздействии, либо к зарождению триингов на краю алюминиевой обкладки. И в том и в другом случае это приведет к быстрому пробою всей изоляции ввода.
Не менее опасны такие воздействия и для маслонаполненного оборудования. Под воздействием импульса напряжения с высокой крутизной происходит пробой масляного промежутка, который оставляет необратимый след на твердой изоляции, что приводит к последующему развитию скользящих или ползущих разрядов под действием рабочих напряжений.
Наличие высокочастотной составляющей в импульсе напряжения, амплитуда которой существенно превышает ожидаемый уровень ограничения напряжения при использовании ОПН, обуславливает необходимость учета этого фактора не только при выборе защитных мероприятий и решений, но и при контроле оборудования в процессе эксплуатации. Следует отметить, что контроль характеристик ЗУ стационарными измерениями не позволяет обнаруживать наличие индуктивного сопротивления в цепях ЗУ, которое может появляться в процессе эксплуатации в связи, например, с земляными работами, коррозией в заземляющем контуре и другими причинами. Поэтому для оценки импеданса ЗУ целесообразно выполнение измерение с помощью генераторов импульсных воздействий, позволяющих получить переходные характеристики соответствующего участка цепи (ЗУ) или синтезировать его схему замещения.
Кроме этого, необходимо иметь реальные параметры ЗУ в виде переходных/импульсных характеристик или синтезированных по ним схем замещения, позволяющие описать реакцию заземлителя на импульсное воздействие.
Выводы
Экспериментально и расчетным путем показано наличие существенного влияния реальных параметров импеданса цепи заземления на остающееся напряжение на оборудовании, защищаемом от перенапряжений с помощью ОПН.
Влияние импеданса цепи заземления выражается в существенном увеличении остающегося напряжения по сравнению с паспортными данными защитного аппарата в результате переходного процесса с участием цепи заземления.
Увеличение остающегося напряжения сопровождается воздействиями напряжения с высокой крутизной нарастания, что является опасным фактором для некоторых широко применяемых типов внутренней изоляции высоковольтного оборудования.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 20142020 годы», грант № 14.584.21.0019.
Литература
1. Кучинский, Г. С. Изоляция установок высокого напряжения / Г. С. Кучинский, В. Е. Кизеветтер, Ю. С. Пинталь. М.: Энергоатомиздат. 1987.
2. СТО 56947007-29.130.15.114-2012. Руководящие указания по проектированию заземляющих устройств подстанций напряжением 6-750 кВ.
3. Novikova, A. N. Analysis of measuring results of ground resistance of OHL towers equipped with earth wire when updating grounding systems / A. N. Novikova, A. N. Lubkov, O. V. Shmarago, L. I. Galkova, V. R. Beltzer, O. A. Prohorenya, S. I. Krivosheev, A. P. Nenashev, A. A. Parfentiev // Electric power plants. 2007. N 9.
4. Boronin, V. N. Mathematical modelling of grounding systems under pulse currents impact / V. N. Boronin, N. V. Korovkin, S. I. Krivosheev, S. L. Shishiguin, T. G. Minevich, K. I. Netreba // Proceeding of the Russian Academy of Sciences. Energetika. 2013. N 6. Р. 80-89.
5. Korovkin, N. V. Computational methods in grounding theory / N. V. Korovkin, S. L. Shishiguin // Scientific and technical reports of SPbSPU. 2013. No. 166. Р. 74-79.
6. Grcev, L. Comparison between simulation and measurement of frequency dependent and transient characteristics of power transmission line grounding / L. Grcev, V. Arnautovski // Proc. of 24-th International Conference on Lightning protection (ICLP'98), Birmingham, U.K., 14-18 Sept. 1998, Vol. 1. Р. 524-529.
7. Адамьян, Ю. Э. Influence of overvoltage arrester connection circuit parameters on its operation efficiency / Ю. Э. Адамьян, С. И. Кривошеев, И. С. Колодкин, П. И. Кулигин, В. В. Титков // Pros. "NDT-2015", Sozopol, Bulgaria. Р. 384-386.
8. ГОСТ 1516.2-97. Электрооборудование и электроустановки переменного тока на напряжение 3 кВ и выше. Общие методы испытаний электрической прочности изоляции / Electrical equipment and installations for AC voltages 3 kV and higher. General methods of dielectric tests. URL: www.gosthelp.ru/text/GOST1516297Elektrooborudo.html
9. ГОСТ Р52725-2007. Ограничители перенапряжений нелинейные для электроустановок переменного тока напряжением от 3 до 750 кВ / Surge arresters for a.c. electrical installations for voltage from 3 kV to 750 kV. General specifications. URL: www.gosthelp.ru/text/GOSTR527252007Ogranichite.html
10. Адамьян, Ю. Э. Моделирование газоразрядного промежутка как элемента электрической цепи с помощью схем замещения полупроводниковых элементов / Ю. Э. Адамьян. ЭЛЕКТРО. 2014. № 2. C.7-13.
11. Адамьян, Ю. Э. Влияние характеристик заземляющего устройства на эффективность работы нелинейных ограничителей напряжений: Сб. докл. VI Междунар. научно-технической конференции «Полимерные и керамические изоляторы и изоляционные конструкции высокого напряжения. Воздействие перенапряжений на твердую изоляцию ВЛ и подстанций» / Ю. Э. Адамьян, С. И. Кривошеев, И. С. Колодкин, П. И. Кулигин, А. Е. Монастырский, В. В. Титков. СПб., 2016. С. 137-143.
12. Воробьев, А. А. Электрический пробой и разрушение твердых диэлектриков / А. А. Воробьев, Г. А. Воробьев. М.: Высшая школа, 1966. 224 с.
13. Месяц, Г. А. О природе "эффекта Воробьевых" в физике импульсного пробоя твердых диэлектриков / Г. А. Месяц // Письма в ЖТФ, 2005. Т. 31. Вып. 24. C. 51-59.
14. Усов, А. Ф. Полувековой юбилей электроимпульсного способа разрушения материалов / А. Ф. Усов // Вестник Кольского научного центра РАН, 2012. № 4. C. 166-192.
15. Мендельсон, А. Мировой опыт применения изоляции из триингостойкого сшитого полиэтилена для кабелей среднего напряжения с длительным сроком эксплуатации / А. Мендельсон, М. Аартс // Кабели и провода. 2005. № 5 (294). С. 23-29.
16. Лапшин, В. А., Лысаковский Г. Г. Статистические характеристики времени до зарождения дендритов в полиэтиленовой изоляции / В. А. Лапшин, Г. Г. Лысаковский // Известия вузов. Энергетика. 1977. № 12.
Сведения об авторах:
Адамьян Юрий Эдуардович,
доцент кафедры "Техника высоких напряжений, электроизоляционная и кабельная
техника" Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, к.т.н.
Бочаров Юрий Николаевич,
профессор кафедры "Техника высоких напряжений, электроизоляционная и кабельная
техника" Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, д.т.н.
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.
