автореферат диссертации по энергетике, 05.14.12, диссертация на тему:Исследование индуктированных при последующих ударах молнии перенапряжений во вторичных КЛ на объектах электроэнергетики

На правах рукописи

КОСОРУКОВ Антон Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ ИНДУКТИРОВАННЫХ ПРИ ПОСЛЕДУЮЩИХ УДАРАХ МОЛНИИ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ ВО ВТОРИЧНЫХ КЛ НА ОБЪЕКТАХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ

Специальность 05.14.12 - Техника высоких напряжений

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

2 8 НОЯ 2013

Санкт-Петербург 2013 005540748

005540748

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Научный Титков Василий Васильевич

руководитель - доктор технических наук, профессор

ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет», г. СПб

Официальные Фоминич Эдуард Николаевич

оппоненты - доктор технических наук, профессор

Военный институт (инженерно-технический) федерального государственного казенного военного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Военная академия материально-технического обеспечения имени генерала армии A.B. Хрулева»

Борисов Руслан Константинович

кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник ФГБОУ ВПО «Национальный исслеовательский университет «МЭИ», г. Москва

Ведущая ОАО «Северо-западный энергетический

организация - инжиниринговый центр»

(ОАО «СевЗап НТЦ»)

Защита состоится «20» декабря 2013 года в J_0 часов на заседании диссертационного совета Д 212.229.11 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29, главное здание, ауд. 118.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Автореферат разослан «¿¿etf* _ 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.229.11

кандидат технических наук, доцент

Попов М. Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

В настоящий момент в энергосистеме России активно внедряется микропроцессорная (МП) техника, заменяющая устройства релейной защиты и автоматики (РЗА) на электромеханической базе. Новая аппаратура позволяет быстро реагировать на аварийные ситуации, предотвращать их, регистрировать переходные процессы, вести коммерческий учет электроэнергии и автоматизировать управление сложными системами электроснабжения. Однако данные виды оборудования одновременно являются более чувствительными к воздействию электромагнитных помех, которые могут либо вывести из строя микропроцессорную технику, либо привести к сбою в ее работе (генерированию ложных команд, сбросу уставок и т.п.). Кроме того, в подавляющем большинстве случаев, МП оборудование РЗА является неремонтопригодным, что приводит к росту убытков, связанных с заменой терминалов в случаи их повреждения.

Многолетний опыт измерений показывает, что уровень электромагнитных помех, воздействующий на вторичные цепи объектов электроэнергетической системы высок, и для таких объектов характерна тяжелая электромагнитная обстановка. Иными словами, величины перенапряжений, напряженностей полей и других электромагнитных воздействий близки к допустимым (испытательным).

Перенапряжения, развивающиеся в контрольных КЛ при ударах молнии, условно можно разделить на две группы: связанные с увеличением потенциала ЗУ и индуктированные.

В теории расчета заземляющих устройств в последние годы сделан значительный шаг вперед, что отражается в большом количестве публикаций на данную тему и увеличении количества программ для расчета ЗУ. С оценкой индуктированных во вторичных цепях перенапряжений при последующих ударах молнии, обладающих коротким фронтом (0,25 мке), такого развития не

3

наблюдается. Тем не менее, на стадии проектирования объектов ЕНЭС согласно стандарту ОАО «ФСК ЕЭС» необходимо производить оценку данного вида электромагнитного воздействия.

Для открытых распределительных устройств (ОРУ) именно данный вид перенапряжений зачастую определяет конфигурацию трасс прокладки КЛ вторичных цепей и тип кабельной канализации. Таким образом, развитие методов расчета индуктированных при последующих ударах молнии перенапряжений во вторичных цепях является актуальной задачей, востребованной проектными организациями. Степень разработанности проблемы

Решением подобных задач в разные годы занимались Костенко М.В., Разевиг Д.В., Базелян Э.М., Ефимов Б.В., Шишигин C.J1., Коровкин Н.В., Гайнуллин P.A., Потапов В.В., Садовская Е.Ю., Колечицкий Е.С., Борисов Р.К. и др. Однако данный вид перенапряжений подробно не рассматривались в работах упомянутых авторов или рассматривались с существенным упрощением структуры объекта электроэнергетики. Существующее, рекомендованное нормативной документацией, программное обеспечение для оценки данного вида помех также не учитывает характерные для объектов электроэнергетики конструкции и использует упрощенные модели грунта. Цели работы

Разработка метода расчета и программного обеспечения, позволяющих выполнять оценку индуктированных при последующих ударах молнии перенапряжений, в условиях характерных для объектов электроэнергетики (наличие заземляющего устройства, металлоконструкций, неоднородной структуры грунта).

Объект исследования

Объект электроэнергетики, открытое распределительное устройство, кабельные линии вторичных цепей.

Предмет исследования

Влияние структуры объектов электроэнергетики на уровень индуктированных при последующих ударах молнии перенапряжений в кабельных линиях вторичных цепей. Метод исследования

Оценка величины индуктированных перенапряжений предполагает решение двух задач: моделирования связи источника (ток молнии) и приемника помех (кабельная линия), а также расчета переходного процесса в КЛ. Связь источника и приемника помех осуществляется через электромагнитное поле, для расчета которого используется метод конечных разностей во временной области. При расчете переходного процесса в КЛ используется метод бегущих волн.

Научная новизна

1. Разработан способ оценки индуктированных перенапряжений в кабельных линиях (КЛ) вторичных цепей при последующих ударах молнии на основе прямого решения уравнений Максвелла относительно составляющих векторов напряженностей электрического и магнитного поля (РЭТО метода). В отличие от существующих методов при выполнении оценок грунт может быть описан как среда с неоднородным распределением электрофизических характеристик общего вида (задаются параметры ц, р, с), могут быть учтены металлоконструкции сложной топологии, в том числе заземляющее устройство, принято, что скорость распространения электромагнитного поля конечна, возможен учет объемных проводящих тел в воздухе и грунте.

2. Разработанный способ расчета позволил оценить потенциал и сопротивление заземляющих устройств (ЗУ) сложной конфигурации при подаче на них высокочастотных (с фронтом или периодом менее 1 мкс) воздействий, что может быть использовано при решении задач ограничения высокочастотных помех (обеспечение ЭМС), в задачах грозозащиты, а также при проектировании ЗУ электроустановок специального назначения.

5

Практическая значимость

Разработанный метод расчета позволяют более точно производить оценку

перенапряжений при проектировании объекта, что оказывает влияние на

конфигурацию трасс вторичных цепей. В работе также показано, что:

1. Разработан программный комплекс для оценки индуктированных перенапряжений при последующих ударах молнии в КЛ вторичных цепей объекта с учетом: конфигурации заземляющего устройства, наличия объемных проводящих тел и двух видов металлических коммуникаций (по проводимости и размерам), сложной структуры грунта.

2. Показано, что применение портальных молниеотводов на ОРУ 110-220 кВ, имеющих мостовую схему, при отсутствии специальных мер по экранированию КЛ вторичных цепей приводит к нарушению требований ЭМС. Рекомендовано применять отдельно стоящие молниеотводы с обособленным заземлением, а также рассмотреть вопрос об изменении нормируемых параметров импульсов тока молнии в сторону снижения амплитуды и увеличения фронта.

3. Показано, что прокладка вдоль трассы КЛ вторичных цепей на небольшой глубине «экранирующих» заземлителей не является эффективной заменой экранов КЛ, а также может послужить причиной увеличения уровня помех.

4. Показана необходимость учета процессов распространения ЭМ возмущения по ЗУ для получения корректных оценок индуктированных перенапряжений в КЛ вторичных цепей.

5. Показано, что обособленное заземление молниеотводов согласно требованиям современной редакции ПУЭ не может обеспечить отсутствие проникновения тока молнии в ЗУ объекта. Для исключения влияния подобного явления на уровень помех необходимо увеличение расстояния между ЗУ РУ и заземляющим устройством молниеотвода.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Новый способ оценки индуктированных при последующих ударах молнии перенапряжений на основе полевого механизма связи источника и приемника помех, позволяющий гибко моделировать структуру грунта и металлоконструкции объекта электроэнергетики, производить учет конечной скорости распространения электромагнитного поля.

2. Новый способ расчета заземляющих устройств при воздействии импульсов тока с короткими (до 1 мкс) фронтами и высокочастотных воздействий.

Степень достоверности результатов

Результаты расчета заземляющих устройств, выполненных в работе, соответствуют теоретическим представлениям и данным экспериментальных исследований. Правильность работы алгоритмов, примененных в диссертации, подтверждены анализом решения модельных задач, имеющих аналитическое решение.

Апробация результатов работы

Основные положения диссертации докладывались на Третьей Российской конференции по молннезащите (СПб, 2012 год) и заседании кафедры «Электроэнергетика, техника высоких напряжений» ФГБОУ ВПО «СПбГПУ» (СПб, 2013 год).

Реализация результатов работы

Результаты работы используются при проектировании подстанций 110-330 кВ и заземляющих устройств опор ВЛ 110-330 кВ ООО «НПФ ЭЛНАП» (г. Санкт-Петербург) Публикации

По теме диссертации опубликованы 8 печатных работы, пз которых 2 в изданиях, рекомендованных ВАК. Структура диссертационной работы

Работа состоит из введения, 7 глав, заключения и списка литературы из 44 наименований. Работа включает 99 страниц машинописного текста, 41 рисунок, 8 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение

В связи с внедрением микропроцессорного оборудования в системы управления объектами электроэнергетики проблема обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) является значимой. Воздействиями, приводящими к наибольшему ущербу, являются: индуктированные перенапряжения во вторичных цепях, а также помехи, связанные с ростом потенциала заземляющего устройства (ЗУ). Теория расчета ЗУ в последние годы интенсивно развивается, в области расчета индуктированных при КЗ и ударах молнии перенапряжений такого развития не наблюдается, тем не менее нормативная документация требует проведения расчетов воздействий этого вида. Как правило, последующие удары молнии из-за более короткого фронта создают большие по величине индуктированные перенапряжения во вторичных цепях, чем первые компоненты тока молнии. Таким образом, задача совершенствования методов расчета индуктированных при воздействии импульсов тока с коротким фронтам перенапряжений является актуальной. 1. Обзор проблемы

В начале главы изложены общие сведения о проблеме электромагнитной совместимости. Приведены основные понятия, используемые в практике проектирования: электромагнитная обстановка и ее классификация, степени жесткости испытаний, также указаны критерии обеспечения ЭМС. Особое внимание уделено характерным проблемам ЭМС на объектах электроэнергетики. Отмечено, что рассмотрение вопроса об ограничении индуктированных перенапряжений при ударах молнии тесно связано с проектированием конфигурации трасс вторичных КЛ. Причем оценка данного вида воздействия важна для объектов всех классов напряжения с ОРУ.

Далее речь идет о нормированных параметрах импульса тока молнии, величинах испытательных воздействий и способах ограничения индуктированных перенапряжений.

В главе приведен общий алгоритм расчета перенапряжений. Отмечено, что при столь коротком фронте импульса тока молнии (0,25 мкс) необходимо учитывать связь источника и приемника помех при помощи излучения, а также рассматривать ЗУ объекта как систему с распределенными параметрами. Кроме того, в условиях объекта электроэнергетики программные средства для расчета перенапряжений должны позволять моделировать сложную структуру грунта (вертикальные и горизонтальные неоднородности), а также объемные проводящие тела. В главе описаны различные способы учета экранирования КЛ кабельными сооружениями.

Далее приведен краткий обзор свойств современных программных средств, показано, что они не учитывают или учитывают упрощенно отмеченные свойства объектов электроэнергетики.

В завершении высказаны общие требования к программе расчета перенапряжений при последующих ударах молнии, основные из которых: взаимодействие с инженерными графическими приложениями, простота ввода исходных данных и ограничение по продолжительности расчета.

2. Методика расчета импульспых полевых помех

В данной главе пошагово описан предложенный способ оценки перенапряжений в КЛ вторичных цепей при последующих ударах молнии. Алгоритм основан на последовательном решении двух задач: расчет электромагнитного поля источника помехи (моделирование связи источника и приемника) и расчет переходного процесса в КЛ.

Расчет электромагнитного (ЭМ) поля, наиболее сложная часть задачи, производится с помощью РПТО метода (метод конечных разностей во временной области). В работе последовательно описаны особенности РБТО метода, основой которого является специфическое расположение компонент векторов напряженностей электрического и магнитного поля. Все компоненты сдвинуты относительно друг друга на половину длины ребра элементарного объема (ячейка Уее, рис.1), на которые разбита расчетная область.

9

г .............^ Такое расположение векторов позволяет

......1

/ и* 1Нг дискретизировать систему уравнений Максвелла

Г ......Г5'»..........I А

Ы.! и перейти к ее явному решению. При этом метод

Н,1—^---р 4 I

; остается устойчивым при выполнении критерия

\ \ X"»

..............^----Куранта. В условиях объекта электроэнергетики

..................................................... характерный шаг по пространству,

позволяющий описывать

Рис. 1 Ячейка Уее

заземляющее устройство, составляет 0,25-0,5 м, что приводит к необходимости использовать шаг расчета по времени равный 0,5-1 не. Ниже приведено выражение для вычисления величин Ех и Нх:

г, 1Л+0.5 _ .-. „ 1/7-0.5 .. I .. |п .. 1/7 д. I" I" I

4../+0.5.4+0.5 _С<" -И/. ,40.5.*+0.5 ~ г1/,.;.А+0.5 + Ч. /+0.5.И ~ Н./+0.5Л+1 ](2-1)

ЯД-0,5,./+Ц+1 = Яг|;-0.5,/+и+1 + Ак(Ы-ОДУ+и+У ~Ы-ОАу+и+ОД +^1;~0.5,/+<).5Д-+1 ~£;1-0.5../+1.5,*+1) (2.2)

В данных выражениях верхние индексы определяют момент вычисления величины, например, индекс п означает момент п-с/1, где п -целое число шагов цикла, а Л — шаг расчета по времени. Нижние индексы определяют точку в пространстве, в которой находится вычисляемая величина, например, индексы к соответствуют точке пространства с координатами ¡-с1.х, у-с/у, к^г, где с1х, с)у, с]г - длины ребер ячейки Уее. Как видно, для вычисления величины компонента вектора Е или Н используются ее значения на предыдущем шаге расчета по времени и значения, окружающих ее на гране компонент вектора другой природы, вычисленные на полшага по времени ранее.

Константы С„, С/, и Д, характеризуют параметры среды в точках пространства и направлениях, соответствующих вычисляемой в данном выражении величине. Выражения для их расчета в случае кубической ячейки Уее с ребром длиной А приведены ниже:

н ^

у /■ / н у

ну

// еж

м V

с,

а

(2.5)

Метод позволяет гибко моделировать среды при помощи задания параметров |л, р и е в каждой точке пространства, в которой производится вычисление компонент векторов. Таким образом, среда может обладать самым общим распределением параметров, в том числе, анизотропным.

Моделирование тонких проводников, выполняется путем обнуления компоненты напряженности электрического поля вдоль трассы таких коммуникаций и изменения параметров среды вокруг нее. На рис. 2 показаны компоненты векторов при вычислении которых используются искусственно измененные параметры среды при различных соотношениях шага сетки А и эквивалентного радиуса проводника а.

Особое внимание уделено моделированию «открытой» границы (границы, которая не создает отраженных волн). При всех методах моделирования, величина отражения от границы составляет сотые доли процента, что приводит к появлению увеличивающей уровень перенапряжений погрешности (создается запас). В данной работе при моделировании границы используются условия Мура 1 -го порядка.

Результатом расчета ЭМ поля является величина напряженности электрического поля, приложенная к участку КЛ, которая моделируется в задаче расчета переходного процесса источником ЭДС, включенным в рассечку. Величина напряженности Е перед передачей в задачу расчета переходного процесса обрабатывается, т.к. шаги расчета по пространству и скорости распространения воздействий в задачах расчета поля и переходного процесса различны. Расчет переходного процесса производится при помощи

метода бегущих волн с учетом затухания воздействия. Каждый источник ЭДС создает две волны: прямую и обратную (рис. 3), распространяющиеся в различных направлениях вдоль КЛ.

їх і 1 _ проводник

г Л А

0,15Д<а<0,65А

0

/ ......... ■■■■■ г проводник /Г"

!> л

А

¿А-1 - 1 1 , проводник

я<0,15А д>0,65А

Рис. 2. Изменение параметров среды вокруг проводников

[

иобр

Рис. 3. Воздействия внешней напряженности электрического поля на КЛ Выражения для вычисления величины прямой и обратной волн в точке і и момент времени / приведены ниже:

ипр(і, 0 = Е ■ <И ■ 0,5 + ипр(і - 1, Ь - 1) ■ е~ай1 и0бр(І, О = -Е ■ М ■ 0,5 + {/обр(і + 1,1-1)

-ааі (2-6)

,где а - коэффициент затухания, с11 - длина участка КЛ в задаче расчета переходного процесса (шаг расчета по пространству), Е - суммарная напряженность, воздействующая на участок КЛ в момент вычисления, которая получена методом интерполяции во времени из полевой задачи.

Кроме того, отмечено, что при данном способе расчета ЭМ поля возможно измерять токи (вычисление циркуляции вектора Н) и напряжения (интегрирование Е по пространству от точки вычисления до зоны нулевого потенциала) в схеме ЗУ. Такое свойство можно использовать при расчете ЗУ при воздействии импульсов тока с фронтом менее или близким к 1 мкс и ВЧ сигналов. Подобные задачи также встречаются при решении проблем ЭМС (величины помех, вызванных протеканием ВЧ составляющей тока короткого замыкания, должны быть оценены на стадии проектирования объекта согласно СТО ОАО «ФСК ЕЭС»), а также при обеспечении грозозащиты и расчете электроустановок специального назначения.

В завершении главы описаны основные моменты программной реализации предложенного способа расчета перенапряжений. Также произведен расчет нескольких простейших схем, на примере которых показано, что расчет распространения электромагнитного поля производится корректно. 3. Расчет индуктированных при последующих ударах молнии перенапряжений в КЛ вторичных цепей для мостовой схемы ОРУ 110 кВ

В главе описаны результаты расчетов перенапряжений во вторичных цепях ОРУ 110 кВ, выполненного по схеме мост, при последующих ударах молнии. Данная схема является наиболее часто используемой в энергосистеме для РУ 110 кВ. Расчеты производятся при помощи программного комплекса, алгоритм которого приведен в главе 2. Конструкция ОРУ - типовая. При расчете принято, что КЛ экранированы и проложены в наземном ж/б кабельном лотке. Рассматривались стандартные 4 трассы КЛ и удар молнии в портальный молниеотвод (рис.4). Также был произведен расчет с варьированием размеров расчетной области.

Установлено, что:

1. Перенапряжения, в КЛ превышают максимальные испытательные. Причем в случае близко расположенных к стойкам с молниеотводом КЛ испытательное напряжение превышено в 2,8 раза.

2. Столь жесткая электромагнитная обстановка требует принятия дополнительных технических мероприятий по экранированию КЛ. В качестве мер экранирования возможно применять прокладку в стальных, гальванически цельно связанных, коробах или трубах, что является плохим решением с технологической точки зрения.

3. Оптимальным вариантом может стать использование отдельно стоящих молниеотводов, которые также могут быть применены также и для освещения ПС. В этом случае площадь территории, занятой ОРУ возрастет, однако одновременно будет решена и проблема перенапряжений, вызванных подъемом потенциала ЗУ.

4. Так как рассмотренные параметры грунта были довольно благоприятными (чем ниже удельное сопротивление грунта, тем ниже уровень перенапряжений), то можно сказать, что условия ЭМС нарушаются на многих объектах энергосистемы, особенно в случае установки микропроцессорных устройств РЗА на старых ПС при техническом перевооружении. Отметим, что на большинстве ПС верхний слой грунта, в котором лежит горизонтальный заземлитель, обладает большим удельным сопротивлением, что связано с выполнением строительной подготовки перед установкой основного оборудования. Строительная подготовка выполняется из песка и имеет удельное сопротивление порядка 1-3 кОм-м.

5. Учитывая распространенность данной схемы можно говорить о том, что защита от воздействия с данными параметрами потребует значительных капиталовложений. Кроме того, изменение конфигурации системы молниезащиты или типа кабельной канализации в условиях работы энергообъекта маловероятны. Таким образом, экономически целесообразно

изменить политику технического регулирования в данной сфере, изменив нормируемые параметры воздействия для малых по размеру электроустановок в сторону снижения амплитуды и увеличения фронта.

6. Уменьшение размеров расчетной области на четверть привело к увеличению амплитуды напряжения на КЛ №1 на 7,1% (рис. 6). Это объясняется увеличением влияния погрешности, связанной с отражением от границы. Тем не менее, изменение мало, кроме того, приводит к росту вычисляемой амплитуды, то есть не может вызвать принятие технически необоснованного решения о достаточности применяемых средств защиты.

Рис.4 Расчетная схема Рис. 5. Зависимости напряжения на

конце КЛ со стороны ОПУ от времени для разных кабельных трас

Рис. 6 Зависимости напряжения на конце КЛ со стороны ОПУ от времени при различных размерах расчетной области (65x65 м и 80x80 м)

4. Оценка влияния горизонтальных заземлителей, проложенных вдоль трассы КЛ вторичных цепей, на уровень индуктированных перенапряжений при последующих ударах молнии

В данной главе произволен анализ влияния конфигурации горизонтального заземлителя на уровень перенапряжений во вторичных цепях при последующих ударах молнии. В том числе рассмотрено и влияние на уровень перенапряжений дополнительных, прокладываемых на малой глубине вдоль кабельных трасс, «экранирующих» заземлителей. Данное техническое мероприятие в настоящий момент применяют некоторые проектные организации, в том числе и как альтернативу кабельному экрану.

В расчетной области были размещены КЛ и молниеотвод, расстояние между которыми оставалось всегда неизменным, а также ЗУ, конфигурация которого изменялась. Во всех случаях молниеотвод имел обособленное, в трактовке главы 4.2 7-го издания ПУЭ, заземление. Был произведен расчет максимальной величины напряженности электрического поля вдоль трассы КЛ. Данная величина коррелирует с уровнем перенапряжений, а с другой стороны такой подход позволил не учитывать влияние параметров конструкции КЛ. В результате расчетов установлено:

1. Экранирующая способность различных конфигураций ЗУ приблизительно одинакова. По сути это означает, что экранирующие свойства дополнительных заземлителей, которые заземлены в одной или двух точках и проложены под КЛ на малой глубине, не оказывают заметного влияния на уровень перенапряжений.

2. Величина помехи определяется соотношением объема проводящего материала «вблизи от КЛ» и проводников ЗУ, обеспечивающих отвод тока молнии в грунт. Чем больше заземленных проводников (при заземлении на удалении от молниеотвода до 30 м) около КЛ по отношению к объему проводящего материала в грунте, тем выше оказался уровень помех. Таким образом, проводники заземляющего устройства являются источником помех. Для объяснения данного результата был произведен дополнительный расчет,

16

в котором по закону полного тока была выполнена оценка тока в ближайших к молниеотводу заземлнтелелях. Суммируя мгновенные значения токов в заземлителях, можно сделать вывод, что, несмотря на «обособленное» заземление молниеотвода, до 50-70% тока молнии попадает в ЗУ, так как его проводимость гораздо выше, чем у окружающего фунта. Точную оценку выполнить затруднительно, так как речь идет об измерении токов в разных точках пространства, а ток от молниеотвода растекается во многих направлениях, т.е. «втекает» в проводники горизонтального заземлителя во многих точках. Однако столь большая доля тока в заземляющем устройстве определяет качественную картину развития процесса.

В случае присоединения молниеотвода к ЗУ напряженность электрического поля вблизи от КЛ при удельном сопротивлении грунта превышающем 500 Ом-м оказывается значительно более высокой (в 2 раза большей). Для выполнения условий ЭМС следует избегать присоединения молниеотводов к ЗУ. Таким образом, при расчете перенапряжений во вторичных КЛ при последующих ударах молнии, в случае, если КЛ располагается в непосредственной близости от молниеотвода, необходимо учитывать процессы распространения тока молнии по заземляющему устройству.

5. Оценка перенапряжений, связанных с подъемом потенциала заземляющего устройства при импульсных воздействиях, расчет зависимости сопротивления ЗУ от времени при подаче импульсов тока с малым фронтом

Современные программные средства по расчету ЗУ не позволяют учитывать конечную скорость распространения ЭМ поля в грунте, что важно при воздействиях с короткими фронтами (ВЧ перенапряжения в КРУЭ и ОРУ), а также моделировать сложную структуру грунта. Применение РБТО метода позволяет учесть данные обстоятельства и более точно моделировать объекты электроэнергетики. В данной главе произведен показательный расчет зависимости сопротивления лучевого заземлителя опоры ВЛ от времени.

17

Варьировалось удельное электрическое сопротивление верхнего слоя грунта. При этом величина стационарного сопротивления ЗУ (сопротивление за фронтом импульса) увеличилась (рис. 7), что соответствует теоретическим представлениям.

сопротивления верхнего слоя грунта При увеличении диэлектрической проницаемости верхнего слоя грунта, стационарное сопротивление не изменялось, однако сопротивление в первые моменты времени после подачи воздействия снизилось (рис. 8). Таким образом, величина диэлектрической проницаемости должна учитываться при расчете заземляющих устройств, однако в большинстве современных программ данная величина не вводиться в качестве исходных данных.

1, Ом

г 3

зо

11

О 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1, МКС

Рис. 8. Зависимость сопротивления ЗУ от времени при варьировании диэлектрической проницаемости верхнего слоя грунта

6. Проблемы и перспективы развития исследований перенапряжений в КЛ вторичных цепей, индуктированных при ударах молнии

В главе обозначены проблемы развития способов оценки индуктированных перенапряжений при последующих ударах молнии, основные из них: отсутствие данных о реальных уровнях воздействия, сложность организации экспериментальных исследований на действующих объектах.

7. Заключение

В заключении перечислены основные результаты по каждой из глав, основным из которых является разработка способа оценки индуктированных перенапряжений в кабельных линиях (КЛ) вторичных цепей при последующих ударах молнии на основе прямого решения уравнений Максвелла, что выполнено впервые. Указанный способ позволил более детально моделировать сложную структуру объекта электроэнергетики и производить расчет ЗУ при подачи высокочастотных и импульсных, с коротким фронтом, воздействий.

Список основных публикаций по теме диссертации

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Титков В.В., Косоруков A.B. Оценка влияния конфигурации заземляющего устройства на уровень помех во вторичных цепях при последующих разрядах молнии//Научно-технический журнал «Электро» №6, 2012. С.41-45.

2. Косоруков A.B. Титков В.В. Расчет перенапряжений в кабельных линиях вторичных цепей при последующих ударах молнии// Научно-технические ведомости СПбГПУ №4(159), 2012. С.73-76.

В сборнике докладов конференции:

3. Гумерова Н.И., Ефимов Б.В., Косоруков A.B., Селиванов В.Н. Расчетная оценка влияния локальных импульсных сопротивлений основного и защитного оборудования на надежность грозозащиты подстанций./ Сборник докладов десятой российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости технических средств и электромагнитной безопасности ЭМС - 2008: Санкт-Петербург, 2008, с. 67-69.

4. Косоруков A.B. Титков В.В. Применение FDTD метода при оценке влияния конфигурации заземляющего устройства на перенапряжения во вторичных цепях при последующих ударах молнии/ Сборник докладов третьей российской конференции по молниезащите: Санкт-Петербург, 2012, с. 181-190.

В иных научно-технических изданиях

5. Гумерова Н.И., Ефимов Б.В., Косоруков A.B. Анализ рекомендаций по выбору комплекса грозозащитных мероприятий с учетом реальных характеристик энергосистемы./ Сборник научных трудов. Моделирование переходных процессов и установившихся режимов высоковольтной сети. -Апатиты: Изд. Кольского научного центра РАН, 2008, с. 87-95.

6. Косоруков A.B., Гумерова Н.И. Влияние локальных импульсных сопротивлений основного и защитного оборудования на надежность

грозозащиты подстанций./ XXXVI неделя науки СПбГПУ. - СПб: Изд. Политехнического университета, 2008, с. 4-5. 7. Косоруков A.B. Анализ влияния импульсного сопротивления заземления опор BJI и аппаратов ПС на грозозащищенность оборудования./ Сборник научных трудов. Моделирование переходных процессов и установившихся режимов высоковольтной сети. - Апатиты: Изд. Кольского научного центра РАН, 2009, с. 71-77

Общий объем работ по теме диссертации - 40 печатных страниц, из которых соискателю принадлежит 31 страница.

Подписано в печать 12.11.2013. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 11223Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.:(812)550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

04201 453138 " На правах рукописи

Косоруков Антон Владимирович

Исследование индуктированных при последующих ударах молнии перенапряжений во вторичных КЛ на объектах электроэнергетики

Специальность 05.14.12 - Техника высоких напряжений

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н. Титков В.В.

Санкт-Петербург -2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.........................................................................................................................4

1. Обзор проблемы...................................................................................................6

1.1. Классификация электромагнитной обстановки.................................................6

1.2. Степени жесткости испытаний на помехоустойчивость...................................9

1.3. Перенапряжения, вызванные последующими ударами молнии, на объектах электроэнергетики.......................................................................................................10

1.4. Импульс тока последующего удара молнии и степень жесткости испытаний микропроцессорных устройств..................................................................................13

1.5. Общий подход к решению задачи расчета перенапряжений во вторичных К Л при последующих ударах молнии в условиях объекта электроэнергетики..........19

1.6. Моделирование механизмов связи источника и приемника помех...............22

1.7. Методы снижения помех, вызванных последующими ударами молнии......25

1.8. Учет экранирования при расчете индуктированных перенапряжений.........30

1.9. Современные программные средства расчета индуктированных перенапряжений при последующих ударах молнии................................................33

1.10.Физические процессы, протекающие при ударе молнии................................36

1.11 .Постановка задачи...............................................................................................38

2. Методика расчета импульсных полевых помех.........................................40

2.1. Общая схема расчета...........................................................................................40

2.2. Расчет электромагнитного поля.........................................................................42

2.2.1.БИТО метод: основы, применение в электроэнергетике................................42

2.2.2.Устойчивость вычислений, выбор шага расчета по времени........................48

2.2.3 .Моделирование проводников и задание параметров сред.............................51

2.2.4.Граничные условия - идеальный проводник...................................................55

2.2.5.Граничные условия - открытая граница..........................................................56

2.2.6.Источник воздействия........................................................................................65

2.2.7.Расчет токов и напряжений в схеме, расширенное применение программы65

2.3. Расчет переходного процесса в кабельной линии............................................66

2.4. Обеспечение взаимодействия подпрограмм расчета эм поля и переходного

процесса........................................................................................................................70

2.5. Программная реализация....................................................................................71

2.6. Заключение...........................................................................................................79

3. Расчет индуктированных при последующих ударах молнии перенапряжений в КЛ вторичных цепей для мостовой схемы ОРУ 110 кВ.80

3.1. Актуальность задачи. Расчетная схема.............................................................80

3.2. Результаты расчетов............................................................................................82

3.3. Анализ результатов.............................................................................................84

4. Оценка влияния горизонтальных заземлителей, проложенных вдоль трассы КЛ вторичных цепей, на уровень индуктированных перенапряжений при последующих ударах молнии..........................................................................86

4.1. Актуальность задачи. Расчетная схема.............................................................86

4.2. Результаты расчетов............................................................................................90

4.3. Анализ результатов.............................................................................................92

5. Оценка перенапряжений, связанных с подъемом потенциала заземляющего устройства при импульсных воздействиях, расчет зависимости сопротивления ЗУ от времени при подаче импульсов тока с малым фронтом..........................................................................................................94

5.1. Актуальность задачи. Расчетная схема.............................................................94

5.2. Результаты расчетов............................................................................................97

5.3. Анализ результатов.............................................................................................99

6. Проблемы и перспективы развития исследований перенапряжений в КЛ вторичных цепей, индуктированных при ударах молнии..............................100

7. Заключение.......................................................................................................102

Список использованных сокращений......................................................................104

Список использованной литературы.......................................................................105

ВВЕДЕНИЕ

В настоящий момент в энергосистеме России активно внедряется микропроцессорная (МП) техника, заменяющая устройства релейной защиты и автоматики (РЗА) на электромеханической базе. Новая аппаратура позволяет быстро реагировать на аварийные ситуации, предотвращать их, регистрировать переходные процессы, вести коммерческий учет электроэнергии и автоматизировать управление сложными системами электроснабжения. Однако, данные виды оборудования одновременно являются более чувствительными к воздействию электромагнитных помех, которые могут либо вывести из строя микропроцессорную технику, либо привести к сбою в ее работе (генерированию ложных команд, сбросу уставок и т.п.). Кроме того, в подавляющем большинстве случаев, МП оборудование релейной защиты и автоматики (РЗА) является неремонтопригодным, что приводит к росту убытков, связанных с заменой терминалов в случаи их повреждения.

Многолетний опыт измерений [1] показывает, что уровень электромагнитных помех, воздействующий на вторичные цепи объектов электроэнергетической системы высок, и для таких объектов характерна тяжелая электромагнитная обстановка. Иными словами, величины перенапряжений, напряженностей полей и других электромагнитных воздействий близки к допустимым (испытательным).

Можно выделить следующие каналы воздействия помех на МП аппаратуру:

- по системе электроснабжения (низкое качество показателей электроэнергии в системе, обеспечивающей питание микропроцессорного оборудования),

- через воздействия поля (поля токов молнии и силовых цепей, воздействующих на терминалы РЗА в месте их установки),

- через подходящие контрольные и сигнальные КЛ (воздействие токов КЗ, токов молнии, индуктированных перенапряжений при КЗ и ударах молнии)

Перенапряжения, развивающиеся в контрольных КЛ, приводят к наибольшему числу аварийных ситуаций. Это обстоятельство объясняется,

прежде всего, тем, что такие KJI имеют наибольшую длину и расположены ближе всего к источникам помех. По этим же причинам оценка подобных электромагнитных воздействий на стадии проектирования затруднена, так как требует анализа процессов в разветвленных сетях, а также учета их взаимодействия источника и приемника помех.

Перенапряжения, развивающиеся в контрольных KJI, условно можно разделить на две группы: связанные с увеличением потенциала ЗУ и индуктированные.

В теории расчета заземляющих устройств в последние годы сделан значительный шаг вперед, что отражается в большом количестве публикаций на данную тему и увеличении количества программ для расчета ЗУ. С оценкой индуктированных во вторичных цепях перенапряжений при ударах молнии такого развития не наблюдается.

Данный вид перенапряжений возникает во вторичных цепях довольно часто, а для открытых распределительных устройств (ОРУ) именно он зачастую определяет трассы прокладки KJI вторичных цепей.

Решением подобных задач в разные годы занимались Костенко М.В., Разевиг Д.В., Базелян Э.М., Колечицкий Е.С., Ефимов Б.В., Шишигин C.JL, Коровкин Н.В., Гайнуллин P.A., Потапов В.В., Садовская Е.Ю., и др.

Данная работа посвящена оценке индуктированных перенапряжений во вторичных KJI при последующих ударах молнии, которые подробно не рассматривались в работах упомянутых авторов или рассматривались с применением упрощенных моделей энергообъектов.

1. ОБЗОР ПРОБЛЕМЫ

В начале данной главы изложены общие сведения о проблеме электромагнитной совместимости: приведены основные понятия, используемые в практике проектирования, указаны критерии обеспечения ЭМС и классификация ЭМО. В значительной степени эти сведения соответствуют работам [2] и [3], которые, на взгляд автора, дают наиболее полное представление о проблеме ЭМС в целом. Особое внимание уделено характерным проблемам ЭМС на объектах электроэнергетики и особенностям самих объектов. Далее речь идет о проблеме перенапряжений в К Л вторичных цепей при последующих ударах молнии: нормировании воздействия, основных факторах, которые необходимо учитывать при выполнении оценок перенапряжений такого вида, а также способах их ограничения. В завершении высказаны общие требования к алгоритму решения задачи оценки величины перенапряжений.

1.1. Классификация электромагнитной обстановки

Под электромагнитной обстановкой (ЭМО) согласно [4] следует понимать совокупность электромагнитных явлений, процессов в заданной области пространства, частотном и временном диапазонах. То есть ЭМО характеризует интенсивность электромагнитных воздействий различного происхождения на какой-либо объект. В электроэнергетике под такими объектами, как правило, понимают устройства РЗА [3]. В настоящее время из-за более низкой, чем у электромеханических устройств, стойкости микропроцессорного оборудования РЗА к величинам электромагнитных воздействий под устройствами РЗА, как правило, понимают именно микропроцессорную технику. Кроме того, именно с появлением подобного оборудования в состав проектной документации был включен том «Электромагнитная совместимость».

МП оборудование эксплуатируется в системах измерения, контроля и управления во многих отраслях промышленности. Естественно, что ЭМО из-за сильного различия в условиях их эксплуатации будет значительно отличаться на

разного рода объектах. Таким образом, обеспечение одинаковой стойкости МП оборудования к электромагнитным воздействиям экономически не целесообразно. Для того чтобы сформулировать требования, предъявляемые к различным устройствам по отношению к стойкости к электромагнитным воздействиям, была принята классификация ЭМО [2]: Класс 1. Легкая электромагнитная обстановка:

- осуществлены оптимизированные и скоординированные мероприятия по подавлению помех, защите от перенапряжений во всех цепях;

- электропитание отдельных элементов устройства резервировано, силовые и сигнальные цепи выполнены раздельно;

- имеются заземляющие устройства, прокладка кабелей, экранирование произведены в соответствии с требованиями электромагнитной совместимости;

- климатические условия контролируются и приняты специальные меры по предотвращению разрядов статического электричества.

Класс 2. Электромагнитная обстановка средней жесткости:

- цепи питания и управления частично оборудованы помехозащитными устройствами и устройствами для защиты от перенапряжений;

- отсутствуют силовые выключатели, устройства для отключения конденсаторов, катушек индуктивности;

- электропитание устройств осуществляется от сетевых стабилизаторов;

- имеется тщательно выполненное заземляющее устройство;

- предусмотрено регулирование влажности воздуха, материалы, способные электризоваться трением, отсутствуют;

- применение радиопереговорных устройств, передатчиков, запрещено.

Такая ЭМО типична для диспетчерских помещений, промышленных предприятий, электростанций и подстанций. Класс 3. Жесткая электромагнитная обстановка:

- защита от перенапряжения в силовых цепях и цепях управления не предусмотрена;

- повторного зажигания дуги в коммутационных аппаратах не происходит;

- имеется заземляющее устройство;

- провода электропитания, управления и коммутационных цепей недостаточно разделены;

- кабели линий передачи данных, сигнализации, управления разделены;

- относительная влажность воздуха поддерживается в определенных пределах, нет материалов, электризуемых трением;

- использование переносных радиопереговорных устройств ограничено (установлены ограничения приближения к приборам на определенное расстояние);

Такая ЭМО характерна для индустриальных цехов, ЭС, помещения релейных панелей ПС.

Класс 4. Крайне жесткая электромагнитная обстановка:

- защита в цепях управления и силовых контурах от перенапряжения отсутствует;

- имеются коммутационные устройства, в аппаратах которых возможно повторное зажигание дуги;

- существует неопределенность в выполнении заземляющего устройства;

- нет пространственного разделения проводов электропитания, управления и коммутационных цепей;

- управление и сигнализация осуществляется по общим кабелям;

- допустимы любая влажность воздуха и наличие электризуемых трением материалов;

- возможно неограниченное использование переносных переговорных устройств;

- в непосредственной близости могут находиться мощные радиопередатчики;

- вблизи могут находиться дуговые технологические устройства (электропечи, сварочные машины и т.д.)

Типичными для этого класса являются территории вблизи промышленных предприятий, электростанций, распределительных устройств (РУ) среднего и

высокого классов напряжения, на которых не предусмотрены специальные меры по обеспечению электромагнитной совместимости.

Таким образом, для объектов электроэнергетики характерна ЭМО класса 3 и 4.

1.2. Степени жесткости испытаний на помехоустойчивость

Для того чтобы уменьшить возможный экономический ущерб от выхода из строя или неправильной работы МП его подвергают испытаниям на стойкость к воздействиям различного рода электромагнитных воздействий. Уровни помехоустойчивости соответствуют классам ЭМО и определяются степенью жесткости испытаний (по МЭК: классом стойкости) оборудования.

Уровни электромагнитных воздействий в условиях эксплуатации в общем случае являются случайными величинами с нормальным распределением вероятности появления. Действительно, уровень перенапряжений при последующих ударах молнии сильно зависит от формы импульса тока молнии, а она, в свою очередь, от большого числа случайных величин: заряда облака, проводимости канала, параметров первого удара и т.п.

С другой стороны, функция распределения вероятности нарушения помехоустойчивости (при испытаниях, фактически, нарушения работы или повреждения оборудования) начиная с некоторого уровня воздействия становится отличной от нуля и возрастает, пока не становится равной 1, то есть пока воздействие не становится абсолютно разрушительным для системы (рис. 1.1).

Рис. 1.1 Кривая плотности вероятности уровня воздействия (1) и функция распределения помеховосприимчивости к нему (2)

Полная электромагнитная совместимость МП оборудования обеспечивается в случае, если кривые 1 и 2 на рис. 1.1 не пересекаются.

Уровни испытательных напряжений выбирают таким образом, чтобы они превышали соответствующие характерные уровни воздействий для каждого класса ЭМО, а с другой стороны были меньше заданного уровня восприимчивости МП устройств. Таким образом, формируются требования к испытательным воздействиям для каждой степени жесткости испытаний.

1.3. Перенапряжения, вызванные последующими ударами молнии, на объектах электроэнергетики

Как показывает опыт эксплуатации самыми опасными для МП аппаратуры, как правило, являются перенапряжения, возникающие в контрольном кабеле, проходящем по территории РУ. Причинами таких перенапряжений являются: переходные процессы в высоковольтной сети при коммутациях и коротких замыканиях, а также удары молнии в систему молниезащиты. Можно сказать, что для К Л, проходящей по РУ, характерны следующие условия: - близость к источникам помех большой энергии,

- наименьшее экранирование (нет массивных проводящих конструкций вдоль трассы).

В общем случае можно сказать, что количество коммутаций в высоковольтной сети больше, чем количество ударов молнии (для не горных районов). Помехи, вызванные коммутациями (КЗ), возникают из-за резкого изменения напряжения на шинах высокого напряжения, которое приводит к появлению колебательных затухающих импульсов тока (или серию импульсов в случае повторных зажиганий дуги). Амплитудное значение тока в переходном процессе пропорционально изменению напряжения А1/. Так как значительная часть коммутаций и все КЗ приводят к изменению напряжения на шинах РУ от номинального до величины близкой к нулю, то амплитуда тока в высоковольтной сети, и, следственно, величина индуктированных перенапряжений в контрольном кабеле пропорциональна классу напряжения электроустановки.

Из опыта эксплуатации известно, что при отсутствии дефектов монтажа нарушение т�