автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Совершенствование расчетных методов молниезащиты и заземляющих устройств в неоднородных грунтах

Зубов Кирилл Николаевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАСЧЕТНЫХ МЕТОДОВ МОЛНИЕЗАЩИТЫ И ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ В НЕОДНОРОДНЫХ ГРУНТАХ

Специальность 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы» ■

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 <Н,йР-2оп

Липецк-2011

4840235

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Вологодский государственный технический

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Немировский Александр Емельянович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Гамазин Станислав Иванович •.

кандидат технических наук, доцент Захаров Кирилл Дмитриевич

Ведущая организация

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тульский государственный университет» (г. Тула).

Защита диссертации состоится 8 апреля 2011 года в 14- на заседании диссертационного совета Д 212.108.01 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет» по адресу: 398600, г. Липецк, ул. Московская, 30, административный корпус, ауд. 601.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет».

университет» на кафедре «Электрооборудования»

Автореферат разослан « » февраля 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

В.И. Бойчевский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Надежное и бесперебойное функционирование высоковольтных электроустановок во многом зависит от грамотно спроектированных систем молниезащиты и заземления. Высокая чувствительность автоматизированных систем технологического управления к импульсным токам молнии заставляет располагать молниеотводы по периметру или за пределами открытых распределительных устройств (ОРУ) для увеличения расстояния от трасс прокладки вторичных цепей. Такой подход требует детальной проработки всех возможных вариантов расположения отдельно стоящих или тросовых молниеотводов при их минимальном количестве. Одной из основных проблем при расчете параметров внешней молниезащиты является малая информативность используемых методик, их ограниченность по высоте и количеству исследуемых молниеотводов. На практике это отражается в необоснованном увеличении числа элементов молниезащиты в ущерб требованиям по прокладке вторичных цепей на ОРУ.

Существующие методы расчета систем заземления позволяют моделировать их электромагнитные поля с учетом гальванических, емкостных и индуктивных связей между элементами системы при стационарных и импульсных воздействиях. Превалирующая часть алгоритмов расчета сложных заземляющих устройств (ЗУ) позволяет рассчитывать их характеристики в земле с двухслойной или эквивалентно однородной структурой, что является источником отклонений результатов расчета от эксплуатационных характеристик ЗУ в реальном многослойном грунте.

В связи с этим исследования, направленные на совершенствование существующих методик расчета внешней молниезащиты и разработку метода расчета характеристик ЗУ в многослойном грунте, являются весьма актуальными.

Цель работы. Повышение качества и эффективности проектирования сложных систем заземления и молниезащиты посредством разработки нового метода расчета электрических характеристик заземлителей в многослойном, горизонтально-слоистом грунте и исследования особенностей, и совершенствования методик расчета параметров смежной зоны защиты систем разновысоких молниеотводов.

Идея работы заключается в развитии теоретического метода расчета заземлителей в неоднородном грунте, основанного на решении краевой задачи об электрическом поле точечного источника тока с последующей аппроксимацией полученных данных в виде многочлена, старшая степень которого равна количеству слоев рассматриваемой модели земли, и в совершенствовании существующих методик расчета молниезащиты, основанных на использовании оригинальных аналитических выражений, позволяющих определять радиусы зоны защиты одиночных молниеотводов.

Научная новизна работы:

- разработан метод расчета потенциала точечного источника тока в многослойной плоскопараллельной модели земли, отличающийся от известных,, аналогов, реализованных преимущественно медленно сходящимися рядами,',

быстродействием при сохранении точности расчета путем аппроксимации частных решений подынтегральной функции граничных условий в уравнении Лапласа экспоненциальным многочленом со старшей степенью, равной количеству слоев рассматриваемой модели грунта;

- разработаны математическая и расчетная модели заземляющих устройств для определения потенциала в расчетных узлах посредством решения задачи токораспределения по элементам заземлителя, отличающиеся от аналогов поправкой на неоднородность структуры грунта в виде коэффициентов экспоненциальной аппроксимации;

- получены оригинальные аналитические выражения, расширяющие возможности стандартов IEC 62305-3 (Международная электротехническая комиссия) и DIN VDE 0101 (Союз немецких электротехников), для определения радиуса зоны защиты одиночных стержневых молниеотводов;

- разработана методика расчета смежной зоны защиты системы молниеотводов согласно стандарта DIN VDE 0101, не имеющая ограничений, как по высоте, так и по количеству молниеотводов.

Практическая ценность определяется возможностью использования разработанных методов и программ в практике проектирования высоковольтных электроустановок, а именно:

- создана и внедрена в практику проектирования компьютерная программа «Щит-М» расчета внешней молниезащиты ЭС и ПС с учетом оценки рисков, соответствующих специфике объекта проектирования, удовлетворяющая требованиям отечественной и международной нормативной документации;

- создана и внедрена в практику проектирования компьютерная программа «Erdung» расчета ЗУ в горизонтально-слоистом грунте, позволяющая проводить расчет электрических характеристик ЗУ в стационарном режиме;

- программы реализованы в наиболее употребляемой проектировщиками системе компьютерной математики (СКМ) MathCAD, обладают широкими функциональными возможностями с использованием экспорта данных геометрии исследуемых объектов из dxf-файлов (Drawing Exchange Format - формат обмена графической информацией) систем автоматизированного проектирования (AutoCAD, BricsCAD и др.) и современной трехмерной графикой, что позволяет оперативно проводить расчеты и получать проектную документацию.

Методы исследования. Поставленные в работе задачи решены методами математического моделирования с использованием теории электрических цепей, заземления, молниезащиты, линейного предсказания, численных методов, алгоритмизированы и реализованы в виде программ для ЭВМ в СКМ MathCAD.

Объектом исследования является высоковольтная электроустановка с системой заземления сложной конфигурации, расположенной в многослойном горизонтально-слоистом грунте и с системой молниезащиты, организованной разновысокими молниеотводами.

Достоверность результатов и выводов обеспечивается корректным применением фундаментальных законов и методов теории электрических цепей,

использованием стандартных вычислительных средств СКМ, расчетами ЗУ и молниезащиты различными методами, сравнением с результатами расчета других авторов и измерений ЗУ BJI и ПС.

Реализация работы. С использованием разработанных программ для ООО «ВСЭП» были выданы рекомендации к проектированию ЗУ и молниезащиты ПСИО/ЮкВ «Волошка», ПС 110/10 кВ «Мирный» (Архэнерго), ПС 110/10 кВ «Стеклозавод», ПС 110/35/10 кВ «Луговая» (Вологдаэнерго), ПС 110/ЮкВ «Валим» (Ленэнерго), ПС 110/35/10 кВ «Олонец» (Карелэнерго). Результаты исследований включены в лекционные курсы и послужили основой для подготовки лабораторных работ в Вологодском государственном техническом университете (ВоГТУ). Предлагаемые программы позволяют повысить качество и эффективность проектирования ЗУ и молниезащиты за счет полной автоматизации расчета. Использование данных программ позволяет ускорить процесс оформления проектной документации до двух дней, в то время как работа с субподрядными организациями затягивает этот процесс до трех недель.

Апробация работы. Основные положения докладывались и обсуждались на 5-й Международной научно-технической конференции «ИНФОС-2009» (Вологда 2009 г.), на семинарах стипендиатов DAAD по программе «Михаил Ломоносов II» (Бонн 2008 г, Москва 2009 г.), на 3-й Международной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань 2009 г.), на Всероссийских научных конференциях студентов и аспирантов «Молодые исследователи регионам» (Вологда 2005, 2006, 2007 гг.), на региональном студенческом конкурсе компьютерных программ «Молодежь и высокие технологии» (Вологда 2006 г.), на кафедре электрооборудования ВоГТУ в 2008-2010 гг. Диссертационная работа выполнена в рамках научно-исследовательского фанта Германской службы академических обменов (DAAD) и Министерства образования и науки Российской Федерации «Михаил Ломоносов II» на базе FH Münster (г. Мюнстер) при поддержке энергетической компании RWE (г. Дортмунд, г. Эссен), а так же в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в числе которых 3 статьи, 7 докладов на конференциях. Четыре печатные работы опубликованы в изданиях, включенных в список ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка использованных источников из 105 наименований, в том числе 14 на иностранных языках и 5 приложений; общий объем диссертации 158 страниц машинописного текста, 33 рисунка и 11 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы задачи и цели исследования, отмечены научная новизна и практическая ценность результатов работы, представлены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена обзору и качественному сравнению методов рас-

чета наиболее широко используемых при проектировании систем заземления и молниезащиты. Выявлены наиболее слабые стороны нормативно-технической документации (НДТ) по молниезащите. В частности, методика, изложенная в СО 153-34.21.122-2003, распространяется только на двойные равновысокие молниеотводы, так же слабо проработаны вопросы определения смежной зоны защиты. Недостатки основного НДТ заставляют при проектировании обращаться к РД 34.21.122-87 или инструкции НИИ «Энергосетьпроект» (1977 г.), не действующие в настоящее время на территории РФ. Внедрение в процесс проектирования метода «фиктивной сферы» (IEC 62305-3) осложнено отсутствием в нормативе расчетных формул, а задача определения координат центра сферы, опирающейся на тройку молниеотводов, не имеет аналитического решения. Стандарт союза немецких электротехников (DIN VDE 0101) ориентирован на равновысокие молниеотводы высотой не более 25 м.

Аналитические выражения, предлагаемые в НТД для определения зоны защиты одиночного молниеотвода, дают несопоставимые решения (рис. 1). Указанные недостатки в НДТ зачастую приводят к затруднениям при проектировании.

Н,м I 25

20

15

10

0

Л W Л JJ-J1.H.IÜ.-1WJ 4 1 РД 34.21.122-87 Рч=0,95 :

/ 1 1 1 ЕС 62305-3 Рч=0.91

\ X I проев я»Р3 =0.9

1 1 1 НИИ «Энергосеть

\ к / \\ 1 1"1 1 ...... DIN VDE 0101 Рз=0,9 гаров аРг4 195

/ 1 Метод Г. I. Алексам

X 1 kV N4Q

1 \ N -ч

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Rx,m

Рис. 1. Зоны защиты стержневого молниеотвода высотой 25м (Р3 - уровень надежности защиты)

Определение потенциала, создаваемого точечным источником тока, является ключевой задачей любых методов расчета ЗУ. Метод конечных разностей или метод конечных элементов (МКЭ) позволяют рассчитать потенциал: точечного источника в многослойной горизонтально-слоистой модели грунта, однако данные методы применимы лишь для простейших заземлителей в связи с необходимостью выполнения большого объема вычислений. Модифицированный метод оптической аналогии (МОА), суть которого заключается в замене исходного источника двумя «вторичными» отражениями от первых границ слоев, по-

зволяет рассчитать потенциал медленно сходящимся рядом. Отказ от ввода фиктивной границы позволяет сократить число членов ряда в 10 раз по сравнению с классическим MOA. Несмотря на это временные затраты в расчетах электрических характеристик сложных ЗУ остаются большими, так как значение старшей степени многочлена остается велико (более тридцати). В свете сказанного представляется актуальной разработка современных методов расчета сложных систем молниезащиты и ЗУ, свободных от указанных недостатков, создание на их основе программ для ЭВМ с максимальным быстродействием.

Вторая глава посвящена разработке методов определения параметров внешней молниезащиты для расширения возможностей действующих НТД. В соответствии со стандартом IEC 62305-3 зоны защиты с первого по четвертый уровень строят «обкатыванием» системы молниеотводов сферами радиусов Rcu>=20, 30, 45, 60 м соответственно. Для решения практических задач определены формулы расчета радиуса зоны защиты Rx стержневого молниеотвода на высоте защищаемого оборудования hx. Если h> Re®, то (1), если h < R«,, то (2).

Математическое моделирование зоны защиты тройки молниеотводов представим в виде системы уравнений относительно неизвестных координат центра сферы в точке 0 (Х,У,2), выполненных исходя из условий равенства модулей разности векторов между трехмерными координатами вершин молниеотводов М1, М2, МЗ и искомой координатой центра сферы. Возможны следующие варианты: сфера лежит на вершинах трех молниеотводов (3); на вершинах двух и упирается в третий (4); на вершине одного и упирается в два других (5)

(1)

Rx = д/h • (2 ■ R-c® - h) - ->/hx • (2 • Rc„ - hx).

(2)

¡MI, - X| + |M12 - Y| + |M13 - Z| = Rca);' |M2, - X| + |M22 - Y| + |M23 - Z| = Rca>; • |M3, - X| + |M32 - Y| + |M33 - Z\ = Rca,,

(3)

|M1, - X| + |M12 - Y| + |M1, - Z| = R№;' |M2, -X| + |М22 - Y| + |M23 - Z| = Rco; •

(4)

|M3,-X|+|M32-Y| = R,

|Ml,-X| + lMlJ-Y| + |Ml,-Z| = Rlw;' |М2, - X| + |M22 - Y| = Rca,; |M3,-x|+|M32-Y|=Rco.

(5)

Вариант системы уравнений из (3)-(5) определяется системой условий

между радиусом сферы и радиусом окружности описанной через вершины треугольника образованного координатами вершин молниеотводов. Численное решение (3)-(5) выполнено итерационным методом Ньютона. В качестве начального приближения принимается половина высоты наименьшего молниеотвода, что обеспечивает сходимость метода.

Для расширения возможностей методики DIN VDE 0101 определены расчетная формула (6) и значения коэффициента сферы К (рис. 2)

Rx = V(2-K-l)-h-Vhx-(2-K-h-hx).

(6)

В этом случае моделирование смежной зоны защиты тройки разновысоких молниеотводов - частное решение метода «фиктивной сферы». Согласно DIN VDE 0101, сфера радиусом Rc<p=K-h всегда опирается на вершины молниеотводов. Запишем систему уравнений (3) в векторной форме, учитывая, что аппликата сферы определяется как среднее арифметическое между аппликатами тройки молниеотводов

|м, -(X,Y,Z)TI+|M2-(X,Y,Z)T|+|M5-(X,Y,Z)TI=

м,

X.Y.-

к-Кмд

• (?)

К

3

2.8 2.6 2.4 22 2 1.8 1.6

—\

\

\

\

у

N V

Ч| N

Решение (7) выполнено итерационным методом Ньютона. Для реализации трехмерного изображения использованы обратные формулы по определению параметра Их. В этом случае Ьх функция, а 11х переменная. Результаты работы доведены до реализации в системе МаЛСАЭ в виде программы «Щит-М», которая может быть полезна инженерам-проектировщикам, научным работникам и студентам.

Третья глава посвящена методу

10 30 50 70

90h,M

расчета потенциала точечного источника тока произвольно ориентированного в пространстве п-слойной плоскопараллельной модели грунта. Метод основан на решении уравнения Лапласа (8) путем аппроксимации подынтегральной функции Ф(А.,20,г) = а-еХгэкспоненциальным многочленом по методу Прони, что позволяет произвести взятие несобственного интеграла, используя тождество Вебера-Липшица:

Рис. 2. Зависимость коэффициента сферы от высоты молниеотвода

ф=/ 10(Хг) • Ф(А, 20,7)са « ]}0(1г) ■ ХЛе-^са =£-

(8)

где N - старшая степень аппроксимирующего многочлена соответствует количеству слоев исследуемой модели грунта; 10(Яг) - функция Бесселя первого рода

нулевого порядка; А5, В5 - коэффициенты аппроксимации; г = [(х - х„) +

+ (у- у,)2]3 ; х, у, ъ - координаты точки, где вычисляется поле; Хо, уо, г0 - координаты источника тока.

В предлагаемом методе точечный источник тока, находящийся в ьм слое п-слойного грунта, заменяется системой фиктивных зарядов величиной Аз, расположенных в однородном грунте с удельным сопротивлением ьго слоя на расстоянии друг от друга В5 (рис. 3).

•т (0,-го)

¡77V С1[

X

О т.

77777 7777777

р2=сош1

р0=ш

77777777777"—V

•М1(Г,2) (1а(0,2о) р1=сош1

-777-

pI1=const

т(0,го) А, т (0,В,)

.А2-т (О.В2) о Р1=С0Ш1

Апт(0,В„)

Рис. 3. Приведение п-слойного грунта с источником тока в первом слое (а) к однородной среде (б)

Метод Прони, основанный на аппроксимации данных с использованием детерминированной экспоненциальной модели, наиболее эффективный и устойчивый при расчете потенциала точечного источника в многослойном грунте в сравнении с методом представления функции Ф(Х,го,г) в виде суммы экспонент с предварительно выбранными показателями. Алгоритм расчета коэффициентов аппроксимации состоит из трех этапов: определение корней разностного уравнения за счет подгонки N экспонент к 2N отчетам данных через обратную матрицу тёплицевой структуры; формирование полинома из полученных коэффициентов линейного предсказания и определение его экспоненциальных корней р=е"ш; решение системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ), сформированной корнями полинома в виде матрицы Вандермонда относительно коэффициентов Ав- Коэффициенты В8 знакопостоянны и положительны, что является основным условием использования тождества Вебера-Липшица в (8).

Реализован алгоритм расчета значений подынтегральной функции Ф(л,гд,г) однозначно определяющий математическую модель слоистой среды. В

общем случае для п-слойной модели грунта формируется система 2(п-1) уравнений относительно искомых постоянных а: и Ь; исходя из условий непрерывности потенциала и нормальной составляющей плотности тока на границе раздела слоев. Для автоматизации расчета на первом этапе формируется блочная двухдиагональная матрица (9), преобразуемая впоследствии в системную матрицу (10). Два недостающих уравнения получены посредством граничного условия земля-воздух и стремления потенциала к нулю при неограниченном возрастании аппликаты. Данные уравнения в (10) представлены в виде первой строки и последнего столбца системной матрицы соответственно.

еш' е~Ш|

0 0 о о

-еш' -е"

—еш' —е

Рг Р2

~еш>

ш,

ш,

о о

о о

о о' о о

о о о о

о о о о

о о о о

1 -1 0 0 0 0

еШ, 0 0

еШ| -й-е"1' Р-е^' 0 0

Р2 Р2

0 0 -еШг

0 0 еШ2

Рз Рз

0 0 0 0 0

0 0 0 0 0

-е

-ш -е

ш Р,-г -

— е -

-1 Р.-,

Г ш, . „-ал. >

е ■1 е ■1

е -е

0

0

0

0

0

Вм( р„

(9)

= & (10)

8 = [-С1е^ -С.е**-*' С^"1"2»1 0 ... О 0 о]1;

0 ... С/1

ЛСНЫ-ЗД Рк-1 сшу,-г,) _г.0-цн>-ад Г д-м^-ад

Рк

Ске-

О 0 0 0 ... О Се1|М) Р=аС е1(Н-"ад

Р„

.. О

(П)

и

где Ск=1-рк/4и; 2$ — аппликата точечного источника электрического тока I; рк -удельное электрическое сопротивление к-го слоя; Нк - толщина к-го слоя.

Матрица-столбец 8 (11) характеризует потенциал в окрестностях источника тока в однородном проводящем пространстве. В зависимости от аппликаты 2о источника тока она формируется по одному из трех вариантов.

Разработанный алгоритм автоматизированного расчета значений функции Ф(к,20,г) для п-слойной модели земли позволяет отказаться от вывода громоздких расчетных формул.

Эффективность предлагаемого метода подтверждается вычислительным экспериментом. На рис. 4 представлено отклонение результатов расчета сопротивления полупогруженной сферы по предлагаемому методу относительно результатов метода интегральных уравнений (МИУ) в трехслойной модели земли.

Рис. 4. Расхождения результатов расчета сопротивления полупогруженной сферы в трехслойной среде предлагаемым методом и

МИУ р!=100 Ом-м

Так же выполнены сравнительные расчеты потенциала точечного источника, расположенного не на границе слоев трехслойного грунта, предлагаемым методом и модифицированным МОА. Отклонение результатов составляет не более 16 %. Для расчета потенциала классическим МОА необходимо около 300 членов бесконечного ряда, его модификация позволяет сократить их число до 30-ти. В предлагаемом методе старшая степень многочлена равна трем (N=3), то есть количество математических операций для трехслойной модели уменьшено в 10 раз. С усложнением структуры грунта наблюдается дальнейшее сни-

жение количества математических операций относительно модифицированного MOA. Использование разработанного метода экспоненциальной аппроксимации оправдывается значительным сокращением числа членов ряда (N равно количеству слоев модели грунта), что при прочих равных условиях позволяет на десятичный порядок сократить время, затрачиваемое на расчет потенциалов точечных источников тока другими методами.

Потенциал стержня в однородной среде определяется координатами его крайних точек, его расчет сводится к векторным операциям в виде функции (12). Для горизонтальных элементов ЗУ интегрирование по длине стержня выполняется в плоскости XoY, поправка на неоднородность структуры грунта учитывается выражением (13). Поправка на неоднородность в расчёте потенциала вертикального стержня определяется методом прямоугольников, произведением потенциала точечного источника на длину отрезка дробления (14).

a(p,q,l) =

471

In

(q + l-p)-l+|q + l-p|-(q-p)-l + |q-^|l|

(12)

9k>,q,l,i,j) = ¿[(Ajma[(xp,yp,0)T,(xq,yq,(Bü)n)T,(xl,yl,0)TJ (13)

<p(p.q,i,j)=Z

(A,l

•dl„

(14)

где p=(xp,yp,Zp)T - координаты точки, где вычисляется поле, q=(xq,yq,Zq)T - координаты начала стержня, l=(xi,ybZ|)T - вектор оси стержня.

Аппликата трехмерной координаты расчетной точки р в выражении (13) равна нулю не случайно, данный параметр учитывается в значении коэффициентов аппроксимации Ay, By, а вектор оси стержня 1 всегда находится в плоскости XoY, поэтому его аппликата так же равна нулю.

В расчетной модели ЗУ исключены повторные итерации для идентичных аппликат источников тока (z0) и расчетных точек (z), благодаря чему выполняется плотная дискретизация ЗУ исходя из условия постоянства плотности тока, что повышает точность расчета, не вызывая усложнения расчетной модели.

В заключение главы проведено исследование модели ЗУ. Отклонение результатов предлагаемого метода от данных СО 34.35.311-2004 (табл. ПЕ.4) для вертикального электрода в двухслойном грунте не превышает 6%. Дополнительно проведено сравнение потенциалов вертикального электрода в пятислой-ном грунте предлагаемым методом, МКЭ и MOA. Максимальное отклонение результатов относительно MOA составляет 10%, относительно МКЭ - 9%.

В четвертой главе приведены примеры практического применения разработанных программ. В первой части главы показан принцип адаптации данных dxf-файлов графических редакторов (AutoCAD, BricsCAD) для автоматизиро-

ванного ввода геометрии исследуемых объектов в разработанных программах «Щит-М» и «Erdung».

Приведены примеры разработки эскизного проекта молниезащиты для ПС 110/35/10 кВ «Олонец» и ПС 110/10 кВ «Валим» (рис. 5), которые легли в основу проектов, выполненных ООО «Вологдасельэнергопроект». Представлены результаты анализа нескольких вариантов комбинаций молниеотводов для данных энергообъектов, выполнена процедура оценки рисков прямого удара молнии, определена ожидаемая амплитуда тока молнии.

ПС 110/35/10кВ «Олонец» ПС 110/10кВ «Валим»

Рис. 5. Расчетные параметры внешней зоны защиты системы молниеотводов

Так же приведен пример разработки эскизного проекта ЗУ ПС 110/35/10 кВ «Олонец», который лег в основу проекта, выполненного ООО «ВСЭП». Представлен сравнительный анализ электрических характеристик ЗУ ПС 110/10 кВ «Волошка» (рис. 6) и ПС 110/10 кВ «Стеклозавод» в разработанной программе «Erdung» с данными, предоставленными ООО «НПФ ЭЛНАП» для ООО «ВСЭП». Отклонение результатов менее 5 %, что показывает хорошее совпадение.

Приведены результаты расчета параметров ЗУ при однофазном КЗ на ОРУ 110 кВ. Отмечены особенности расчета ЗУ крупных энергообъектов, в частности учет системы «трос-опоры».

В заключении главы представлен расчет сопротивления растеканию тока ЗУ на примере опор ВЛ 330 кВ в скальном грунте Карельского перешейка. Применение инженерной методики расчета ЗУ на основе однослойной модели приводит к возрастанию погрешности при усложнении структуры земли. Использование численных методов, основанных на приведении многослойной модели земли к эквивалентной однородной или двухслойной, также ведет к возрастанию погрешности. Предлагаемая программа «Erdung» позволяет выполнить расчет электрических характеристик ЗУ в модели грунта, максимально приближенной к её реальной структуре.

I ипрз 20 40 60 Х.Ы

а б

Рис. 6. Распределение напряжения прикосновения по ЗУ ПС 110/10 кВ «Волош-ка»: а - трёхмерное изображение в относительных единицах, приведенное к максимально допустимому Шр=500В согласно ГОСТ 12.1.038-82; б - контурный график в абсолютных единицах

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведенных исследований были решены актуальные задачи проектирования сложных систем заземления и молниезащиты посредством развития метода наведенного потенциала применительно к расчету сложных заземлителей в многослойном, горизонтально-слоистом грунте, а также исследования особенностей и совершенствования методик расчета параметров смежной зоны защиты систем разновысоких молниеотводов.

Материалы работы позволяют сформулировать следующие основные выводы:

1. Разработана расчетная модель, определяющая параметры внешней молниезащиты ЭС и ПС с учетом требований отечественной и международной нормативной документации. Получены оригинальные аналитические выражения, расширяющие возможности стандартов 1ЕС 62305-3 и ОТМ УВЕ 0101 для определения радиуса зоны защиты одиночных стержневых молниеотводов.

2. Разработана методика расчета смежной зоны защиты системы молниеотводов согласно стандарта ОГЫ УВЕ 0101, снимающая ограничение как по высоте молниеотводов (более 25 м), так и по их количеству (более двух молниеотводов).

3. Разработан метод расчета потенциала точечного источника тока в многослойной плоскопараллельной модели земли, основанный аппроксимации частных решений подынтегральной функции в уравнении Лапласа экспоненциальным многочленом по методу Прони для взятия несобственного интеграла тождеством Вебера-Липшица. Предлагаемый метод замены подынтегральной

функции комплексными коэффициентами аппроксимации позволяет повысить быстродействие при сохранении точности расчета в сравнении с методами, реализованными медленно сходящимися рядами, посредством снижения старшей степени аппроксимирующего многочлена до значения равного количеству слоев грунта. На примере трехслойной среды в разработанном методе количество математических операций снижено в 10 раз в сравнении с существующими методами расчета.

4. Разработаны математическая и расчетная модели ЗУ в многослойном горизонтально-слоистом грунте, позволяющие в результате алгебраизации интегрального уравнения получить СЛАУ. Разработанная математическая модель задает потенциал на поверхности заземлителя как наведенный стекающим с элементов заземлителя током. Поправка на неоднородность структуры грунта при расчете потенциальных коэффициентов определяется комплексными коэффициентами аппроксимации Прони. В расчетной модели ЗУ исключены повторные итерации для идентичных аппликат, благодаря чему выполняется плотная дискретизация ЗУ исходя из условия постоянства плотности тока.

5. Алгоритмизация разработанных методов выполнена в СКМ MathCAD в виде программ «Щит-М» и «Erdung», для которых выполнен автоматизированный ввод геометрии исследуемых объектов экспортом данных dxf-файлов графического редактора (AutoCAD, BricsCAD), что позволяет одновременно проводить расчеты и получать проектную документацию.

6. Расчеты с применением программ «Щит-М» и «Erdung» использованы при выдаче рекомендаций по проектированию молниезащиты и ЗУ ПС 110 кВ для ООО «Вологдасельэнергопроект», а так же для анализа методики измерений сопротивления опор ВЛ при отсутствии грозотроса. Использование данных программ позволяет ускорить процесс разработки и оформления проектной документации до двух дней, тогда как срок выполнения договорных обязательств субподрядной организацией, реализующей данную работу, составляет три недели. Минимальный ожидаемый экономический эффект от использования предлагаемых алгоритмов расчета при разработке проектной документации одного объекта электросетевого хозяйства составляет сорок тысяч рублей.

Работы, опубликованные по теме диссертации:

1. Зубов, К.Н. Эффективность решения проблем электробезопасности и электромагнитной совместимости на стадии проектирования энергообъекта [Текст] / К.Н. Зубов // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. Спец. выпуск. - Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2007. - С. 77-78.

2. Немировский, А.Е. Проектирование молниезащиты энергообъекта [Текст] / А.Е. Немировский, К.Н. Зубов // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. — Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2009. - № 6. - С. 55-60.

3. Зубов, К.Н. Математическая модель и программа для расчета зон защиты от прямых ударов молнии [Текст] / К.Н. Зубов // Информационные

технологии в проектировании и производстве. - М.: ФГУП «ВИМИ», 2010. -№1.-С. 84-89.

4. Зубов, К.Н. Метод расчета заземляющих устройств произвольной конфигурации в неоднородных грунтах [Текст] / К.Н. Зубов, À.E. Немиров-ский // Вести высших учебных заведений Черноземья. - Липецк: ЛГТУ, 2010. - № 2(20). - С. 21-26.

5. Зубов, К.Н. Проектирование заземлителя подстанции с нормировкой напряжения прикосновения в программе MathCAD [Текст] / К.Н. Зубов // Молодежь и высокие технологии: материалы регион, студен, конкурса компьютер, программ. - Вологда: ВоГТУ, 2006. - С. 53-55.

6. Зубов, К.Н. Проектирование заземлителя подстанции с нормировкой напряжения прикосновения [Текст] / К.Н. Зубов // Молодые исследователи -регионам: Материалы всероссийской научной конференции студентов и аспирантов. В 2-х. т. - Вологда: ВоГТУ, 2006. - T.I. - С. 69-70.

7. Зубов, К.Н. Расчет конструктивных параметров заземляющих устройств на основе требований по электробезопасности и электромагнитной совместимости [Текст] I К.Н. Зубов, Е.П. Жильчиков И Молодые исследователи -регионам: Материалы всероссийской научной конференции студентов и аспирантов. В 2-х. т. - Вологда: ВоГТУ, 2007. - T.I. - С. 105-107.

8. Зубов, К.Н. Эффективность решения проблем электробезопасности и электромагнитной совместимости на стадии проектирования подстанции [Текст] / К.Н. Зубов // Материалы докладов III молодежной Международной научной конференции «Тинчуринские чтения» посвященной 40-летию КГЭУ/ Под общ. ред. д-ра физ-мат. наук, проф. Ю.Я. Петрушенко. В 4 т.; Т.1. - Казань: Казан, гос. энерг. ун-т, 2008. -216 с. С. 29-30.

9. Зубов, К.Н. Автоматизированное проектирование зон защиты системы молниеотводов [Текст] / К.Н. Зубов // Информатизация процессов формирования открытых систем на основе СУБД, САПР, АСНИ и систем искусственного интеллекта: Материалы 5-й межд. научно-техн. конф. Вологда: ВоГТУ. - 2009. -С. 107-110.

10. Zubov, K.N. Berechnvmgsverfahren fur die Planung von Blitzschutz- und Erdungssystemen fur Kraftwerke / K.N. Zubov // Materialien des wissenschaftlichen Seminars von Stipendiaten der Programme «Michail Lomonosov II» und «Immanuil Kant II» 2008/09. - Moskau: DAAD, 2009. - S. 258-261.

Личный вклад автора в работах, написанных в соавторстве, заключается в следующем: в [2] предложены компактные математические выражения и зависимости для определения радиуса зон защиты одиночных молниеотводов, предложен метод расчета минимальной высоты защитного промежутка для трех стержневых молниеотводов; в [4] предложен метод расчета потенциала точечного источника тока в многослойной плоскопараллельной модели земли; в [7] представлена методика расчета электрических характеристик заземляющих устройств в однородной среде.

Подписано в печать 18.02.2011 . Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Ризография. Объем 1 пл. ТиражЮО экз. Заказ № 112 Полиграфическое подразделение Издательства Липецкого государственного технического университета 398600 Липецк, ул.Московская, 30.

ВВЕДЕНИЕ.:.

1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ПОСТРОЕНИЯ РАСЧЕТНЫХ МОДЕЛЕЙ СИСТЕМ МОЛНИЕЗАЩИТЫ И ЗАЗЕМЛЕНИЯ ЭНЕРГООБЪЕКТОВ, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ НАУЧНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Анализ нормативной документации и методов расчета параметров внешней молниезащиты энергообъектов.

1.2 Обоснование роли заземляющего устройства в обеспечении требований электробезопасности.

1.3 Основные требования к алгоритмам расчета электрических характеристик заземляющих устройств.

1.4 Основные принципы расчета заземлителей в многослойных грунтах.

1.5 Анализ существующих методов расчета заземлителей в неоднородных грунтах.

1.6 Основные задачи исследования.

2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАСЧЕТА ЗОН ЗАЩИТЫ ОТ ПРЯМЫХ УДАРОВ МОЛНИИ.

2.1 Автоматизация существующих методов расчета.

2.2 Модификация существующих методов расчета.

2.3 Реализация метода защитного угла.

2.4 Надежность молниезащиты и оценка рисков.

2.5 Метод определения ширины смежной зоны защиты парных молниеотводов.

2.6 Трехмерное моделирование внешней зоны защиты.

Выводы.

3 МЕТОД РАСЧЕТА СИСТЕМ ЗАЗЕМЛЕНИЯ ПРОИЗВОЛЬНОЙ КОНФИГУРАЦИИ В НЕОДНОРОДНЫХ ГРУНТАХ.

3.1 Граничные условия для определения постоянных коэффициентов а;, Ь; подынтегральной функции в уравнении Лапласа в общем виде.

3.2 Потенциальные коэффициенты для двухслойной электрической структуры земли.

3.3 Алгоритм расчета подынтегральной функции для n-слойной среды.

3.4 Экспоненциальная аппроксимация подынтегральной функции-Ф(^,го,-г).

3.5 Представление функции в виде суммы экспонент с неизвестными и предварительно выбранными показателями.

3.6 Оценка эффективности использования методов экспоненциальной аппроксимации для расчета потенциальных коэффициентов точечных источников тока.

3.8 Моделирование электрических полей заземлителей произвольной конфигурации. Организация расчетной модели.

3.9 Исследование расчетной модели. Сравнение с результатами других методов.

Выводы.

4 ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИЛОЖЕНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ.

4.1 Программная реализация разработанных методов.

4.2 Расчет параметров внешней молниезащиты электроустановок.

4.4 Расчет сопротивления заземлителей опор В Л.

Выводы.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

Надежное и бесперебойное функционирование высоковольтных объектов электросетевого хозяйства, а также безопасность их эксплуатации во многом определяется грамотной организацией системы заземления и молниезащиты [1]. Современное ЗУ есть сложная многофункциональная система [2], характеристики которой должны обеспечивать в нормальных и аварийных условиях выполнение эксплуатационных параметров электроустановки регламентированных в [3]. Наряду с основными группами функций систем заземления (рабочее, защитное и молниезащитное) в НДТ за последние годы уделяется большое внимание к «помехозащитным» свойствам заземлителей [4]. И это не удивительно, проектирование современных ЭС и ПС уже невозможно представить без применения МП устройств, реализующих основные типы защит, автоматики, связи и т.п. Несмотря на их высокую производительность, данные аппараты имеют низкий уровень «помехозащищенности» от электромагнитных воздействий [5]. Сбои в работе электронных устройств или их полное разрушение влечет за собой не только экономический ущерб, но и является потенциальной угрозой здоровью рабочего персонала [6].

По статистике более 10 % от всех случаев неправильной работы современных устройств РЗА происходит из-за недостаточной проработки вопросов ЭМС [4, 7]. Это связано с тем, что применявшиеся ранее методы защиты от электромагнитных помех вполне оправдывали себя в работе со старой элементной базой, но оказались непригодными при переходе на современную элементную базу интегральных микросхем [5]. Начиная с середины 90-х, наблюдается активное внедрение МП устройств в основные процессы энергетических предприятий [8], при этом проектирование ЭС и ПС до сих пор выполняется по типовым проектам, которые разработаны ещё в эпоху электромеханических реле [4, 9]. Дилетантство в вопросах ЭМС, на этапе принятия проектных решений обычно приводит к выполнению дорогостоящих мероприятий по реорганизации системы заземления и молниезащиты уже эксплуатируемого энергообъекта. Типичной ошибкой является заземление молниеприемников вблизи кабельных каналов [9]. Как показывает практика, значительную часть проблем ЭМС можно решить на стадии проектирования ЭС и ПС благодаря грамотной компоновке ЗУ, оптимального расположения системы молниезащиты и кабельной канализации [10].

В классической схеме организации системы внешней молниезащиты ЭС и ПС в качестве опор для молниеприемников используются порталы, что позволяет использовать большое число таких молниеотводов без существенного удорожания проекта [11]. Основной недостаток данной схемы нашел отражение в [12, 13], где указано минимальное расстояние (10 метров) от основания стоек молниеотводов до трасс прокладки вторичных цепей. Смысл данного требования заключается в снижении влияния импульсных токов молнии на работоспособность МП аппаратуры. Ранее воздействие вторичных проявлений молнии практически не учитывалось в нормативной документации [14]. К слову, в ПУЭ [15] отсутствует даже упоминание об ЭМС [4]. Нормируемые [15] изоляционные расстояния (3-5 м) между заземлителем отдельно стоящего молниеотвода и коммуникациями ОРУ не гарантируют защиты от прорыва тока молнии по каналам искровых разрядов [16] и не соответствуют требованиям [13].

Основной целью проектирования молниезащиты является процедура сведения к минимуму вероятности прорыва лидера молнии к силовому оборудованию проектируемого энергообъекта. В результате трассы вторичных кабелей, ТТ и ТН часто оказываются рядом с молниеприемниками и ОПН. Известный факт, при стекании импульсного тока молнии на ЗУ возникает зона повышенного импульсного потенциала, вынос которого возможен через заземление вторичных обмоток измерительных трансформаторов по кабелям - на входы МП аппаратуры [14]. Электромагнитные поля, возникающие при ударе молнии, за счет индуктивной и емкостной связи ЗУ и молниеотвода так же способны индуцировать помехи в близко расположенные цепи вторичной коммутации.

Безусловно, степень таких помех во многом зависит от специфики проектируемого объекта, его географического положения и геоэлектрического строения грунта, однако в первом приближении для создания удовлетворительной ЭМО в проектировании необходимо учитывать требования [12, 13]. При таком подходе молниеприемные мачты необходимо располагать по периметру ячеек ОРУ, а чаще всего за его пределами. В качестве таких элементов молниезащиты могут выступать концевые опоры ВЛ, радиомачты, мачты освещения или отдельно стоящие молниеотводы, которые, зачастую, имеют собственное изолированное ЗУ. Такой метод требует детальной проработки всех возможных вариантов расположения отдельно стоящих или тросовых молниеотводов при их минимальном количестве, поскольку данная схема удорожает проект. Использование территории под молниеотводы за пределами подстанции так же ведет к удорожанию проекта.

Следует заметить, ЗУ во многом определяет эффективность системы молниезащиты энергообъекта [17]. Не случайно в [15] рекомендуется устанавливать вертикальные электроды- вблизи оснований фундаментов молниеотводов, поскольку при молниевом разряде роль локального заземлителя резко возрастает [6].

Расчет систем заземления и молниезащиты необходим при их проектировании, модернизации или ремонте, а так же при анализе условий электробезопасности и ЭМС ЭС и ПС. Реконструкция ЗУ и молниезащиты приводит к необходимости приведения их параметров современным нормам, что так же требует предварительных расчетов.

Таким образом, для отрасли электроэнергетики задача расчета характеристик систем заземления и молниезащиты объектов электросетевого хозяйства высокого напряжения актуальна как никогда. Безусловно, в её решении неоценим вклад ведущих организаций по созданию и совершенствованию алгоритмов различной сложности. Однако работы в данном направлении считать завершенными нельзя, так как большинство алгоритмов расчета молниезащиты разработаны для решения какой-то в большей или меньшей степени ограниченной задачи, а превалирующая часть существующих алгоритмов расчета ЗУ имеет ограничение по расчетной модели грунта. Снижение погрешности возможно при использовании модели земли максимально приближенной к её реальной слоистой структуре с различным удельным сопротивлением и толщиной каждого слоя. В связи с этим исследования, направленные на совершенствование существующих методик расчета внешней молниезащиты и на разработку метода расчета характеристик ЗУ в многослойном грунте, являются весьма актуальными.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Повышение качества и эффективности проектирования сложных систем заземления и молниезащиты посредством разработки нового метода расчета электрических характеристик заземлителей в многослойном, горизонтально-слоистом грунте и исследования особенностей, и совершенствования методик расчета параметров смежной зоны защиты систем разновысоких молниеотводов.

Для достижения данной цели в работе поставлены следующие задачи:

- разработка оптимальных математических моделей сложных систем молниезащиты и заземления;

- выбор и алгоритмизация методов расчета, исследование и оптимизация используемых в алгоритмах методов с целью повышения их эффективности;

- разработка алгоритма и его программная реализация в математическом редакторе;

- исследование систем заземления и молниезащиты ЛЭП и ПС, разработка рекомендаций по их конструктивному выполнению.

ИДЕЯ РАБОТЫ заключается в развитии теоретического метода расчета заземлителей в неоднородном грунте, основанного на решении краевой задачи об электрическом поле точечного источника тока с последующей аппроксимацией полученных данных в виде многочлена, старшая степень которого равна количеству слоев рассматриваемой модели земли и в совершенствовании существующих методик расчета молниезащиты, основанном на использовании оригинальных аналитических выражений, позволяющих определять радиусы зоны защиты одиночных молниеотводов.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ:

- разработан метод расчета потенциала точечного источника тока в многослойной плоскопараллельной^модели земли, отличающийся от известных аналогов, реализованных преимущественно медленно сходящимися рядами, быстродействием при сохранении точности расчета, путем решения системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) граничных условий и аппроксимации частных решений подынтегральной функции в уравнении Лапласа экспоненциальным многочленом со старшей степенью равной количеству слоев рассматриваемой модели грунта;

- разработаны математическая и расчетная модели заземляющих устройств, основанные на решении системы уравнений для определения потенциала в расчетных узлах посредством решения задачи токораспределения по элементам за-землителя, отличающиеся от аналогов поправкой на неоднородность структуры грунта в виде коэффициентов экспоненциальной аппроксимации;

- получены оригинальные аналитические выражения, расширяющие возможности стандартов IEC 62305-3 (Международная электротехническая комиссия) и DIN VDE 0101 (Союз немецких электротехников), для определения радиуса зоны защиты одиночных стержневых молниеотводов;

- разработана методика расчета смежной зоны защиты системы молниеотводов, согласно стандарта DIN VDE 0101, снимающая ограничение, как по высоте, так и по количеству молниеотводов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ определяется возможностью использования разработанных методов и программ в практике проектирования высоковольтных энергообъектов, а именно:

- создана и внедрена в практику проектирования компьютерная программа «Щит-М» для расчета внешней молниезащиты системы молниеотводов с учетом оценки рисков, соответствующих специфике объекта проектирования, удовлетворяющая требованиям отечественной и международной нормативной документации; создана и внедрена в практику проектирования компьютерная программа «Erdung» для расчета ЗУ в многослойном, горизонтально-слоистом грунте, позволяющая проводить расчеты напряжения прикосновения и сопротивления растеканию тока;

- программы реализованы в наиболее употребляемой проектировщиками системе компьютерной математики (СКМ) MathCAD, обладают широкими функциональными возможностями с использованием экспорта данных геометрии исследуемых объектов из dxf-файлов САПР (AutoCAD, BricsCAD и др.) и современной трехмерной графикой, что позволяет проводить расчеты и получать проектную документацию.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Поставленные в работе задачи решены методами математического моделирования с использованием теории электриче-^ ских цепей, заземления, молниезащиты, линейного предсказания, численных методов, алгоритмизированы и реализованы в виде программ для ЭВМ в СКМ MathCAD.

ОБЪЕКТОМ ИССЛЕДОВАНИЯ являлась высоковольтная электроустановка с системой заземления сложной конфигурации, расположенной в многослойном горизонтально-слоистом грунте и с системой молниезащиты, организованной разновысокими молниеотводами.

ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ И ВЫВОДОВ обеспечивается: корректным применением фундаментальных законов и методов теории электрических цепей; использованием стандартных вычислительных средств СКМ; сравнительными расчетами ЗУ и молниезащиты различными методами; сравнением с результатами расчета других авторов и измерений ЗУ ВЛ и ПС.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. С использованием разработанных программ для ООО «ВСЭП» были выданы рекомендации к проектированию систем заземления и молниезащиты ПС 110/10 кВ «Волошка», ПС 110/10 кВ «Мирный» (Архэнерго), ПС 110/10 кВ «Стеклозавод», ПС 110/35/10 кВ «Луговая» (Воло-гдаэнерго), ПС 110/10кВ «Валим» (Ленэнерго), ПС 110/35/10 кВ «Олонец» (Ка-релэнерго). Результаты исследований включены в лекционные курсы, послужили основой для подготовки лабораторных работ в Вологодском государственном техническом университете (ВоГТУ). Предлагаемые программы позволяют повысить качество и эффективность проектирования ЗУ и молниезащиты за счет полной автоматизации расчета. Использование данных программ позволяет ускорить процесс оформления проектной документации до одного - двух дней. Работа с субподрядными организациями затягивает этот процесс до трех недель.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения докладывались и обсуждались на 5-й Международной научно-технической конференции «ИНФОС-2009» (Вологда 2009 г.), на вводном и заключительном семинарах стипендиатов DAAD по программе «Михаил Ломоносов II» (Бонн 2008 г, Москва 2009 г.), на 3-й Международной научно конференции' «Тинчуринские чтения» (Казань 2009 г.), на Всероссийских научных конференциях студентов и аспирантов «Молодые исследователи регионам» (Вологда 2005, 2006, 2007 гг.), на региональном студенческом конкурсе компьютерных программ «Молодежь и высокие технологии» (Вологда 2006 г.), на кафедре электрооборудования ВоГТУ в 2008-2010 гг. Диссертационная работа выполнена в рамках научно-исследовательского гранта Германской службы академических обменов (DAAD) и Министерства образования и науки Российской Федерации «Михаил Ломоносов II» на базе FH Münster (г. Мюнстер) при поддержке энергетической компании RWE (г. Дортмунд, г. Эссен), а так же в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)».

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ СЛЕДУЮЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ: - математическая модель и программа, определяющая внешнюю зону защиты системы молниеотводов, оригинальные аналитические выражения для определения радиуса зоны защиты и метод расчета смежной зоны защиты для тройки стержневых молниеотводов;

- алгоритм расчета электрических параметров ЗУ с использованием векторной формы записи наведенного потенциала и метода прямоугольников в многослойном, горизонтально-слоистом грунте;

- метод определения параметров подынтегральной функции в уравнении Грина с их последующей экспоненциальной аппроксимацией по методу Прони для реализации тождества В ебера-Липшица;

- алгоритмизация разработанных методов расчета и реализация алгоритмов в СКМ М^сЬСАО.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в числе которых 3 статьи, 7 докладов на конференциях. Четыре печатные работы опубликованы в изданиях, включенных в список ВАК РФ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка использованных источников из 105 наименований, в том числе 14 на иностранных языках и 5 приложений; общий объем диссертации 158 страниц машинописного текста, 33 рисунка и 11 таблиц.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

На основании проведенных исследований были решены актуальные задачи проектирования сложных систем заземления и молниезащиты посредством развития метода наведенного потенциала применительно к расчету сложных заземлителей в многослойном, горизонтально-слоистом грунте и исследования особенностей, и совершенствования методик расчета параметров смежной зоны защиты систем разновысоких молниеотводов.

Материалы работы позволяют сформулировать следующие основные выводы:

1. Разработана расчетная модель определяющая параметры внешней молниезащиты ЭС и ПС с учетом требований отечественной и международной нормативной документации. Получены оригинальные аналитические выражения, расширяющие возможности стандартов 1ЕС 62305-3 и БШ УБЕ 0101, для определения радиуса зоны защиты одиночных стержневых молниеотводов.

2. Разработана методика расчета смежной зоны защиты системы молниеотводов, согласно стандарта БШ \Т)Е 0101, снимающая ограничение, как по высоте молниеотводов (более 25 м), так и по их количеству (более двух молниеотводов).

3. Разработан метод расчета потенциала точечного источника тока в многослойной плоскопараллельной модели земли основанный на решении СЛАУ граничных условий и аппроксимации частных решений подынтегральной функции в уравнении Лапласа экспоненциальным многочленом по методу Прони для взятия несобственного интеграла тождеством В ебера-Липшица. Предлагаемый метод замены подынтегральной функции комплексными коэффициентами аппроксимации позволяет повысить быстродействие при сохранении точности расчета в сравнении с методами, реализованными медленно сходящимися рядами, посредством снижения старшей степени аппроксимирующего многочлена до значения равного количеству слоев рассматриваемой модели грунта. На примере трехслойной среды в разработанном методе количество математических операций снижено в 10 раз в сравнении с существующими методами расчета.

4. Разработаны математическая и расчетная модели ЗУ в многослойном горизонтально-слоистом грунте, позволяющие в результате алгебраизации интегрального уравнения получить СЛАУ. Разработанная математическая модель задает потенциал на поверхности заземлителя как наведенный стекающим с элементов заземлителя током. Поправка на неоднородность структуры грунта в расчете потенциальных коэффициентов определяется комплексными коэффициентами аппроксимации Прони. В расчетной модели ЗУ исключены повторные итерации для идентичных аппликат, благодаря чему выполняется плотная дискретизация ЗУ исходя их условия постоянства плотности тока.

5. Алгоритмизация разработанных методов выполнена в СКМ MathCAD в виде программ «Щит-М» и «Erdung», для которых выполнен автоматизированный ввод геометрии исследуемых объектов экспортом данных dxf-файлов графического редактора (AutoCAD, BricsCAD), что позволяет одновременно-проводить расчеты и получать проектную документацию.

6. Расчеты с применением программ «Щит-М» и «Erdung» использованы при выдаче рекомендаций по проектированию молниезащиты и ЗУ ПС 110 кВ для ООО «Вологдасельэнергопроект», а так же для анализа методики измерений сопротивления опор ВЛ при отсутствии грозотроса. Использование данных программ позволяет ускорить процесс разработки и оформления проектной документации до двух дней. В свою очередь, срок выполнения договорных обязательств субподрядной организации, реализующей данную работу, составляет три недели. В соответствии с данными ООО «Вологдасельэнергопроект», минимальный ожидаемый экономический эффект от использования предлагаемых алгоритмов расчета при разработке проектной документации одного объекта электросетевого хозяйства составляет сорок тысяч рублей.

1. Целебровский, Ю.В. Вопросы модернизации нормативной документации по заземляющим устройствам Текст./ Ю.В. Целебровский // Третья российская конференция по заземляющим устройствам. Сборник докладов. Новосибирск. -2008.-С. 9-14.

2. РД 153-34.0-20.525-00. Методические указания по контролю состояния заземляющих устройств электроустановок. Введ. 2000.09.01. - М. ЕЭС России, 2000. - 33 с.

3. Борисов, Р.К. Невнимание к проблеме ЭМС может обернуться катастрофой Электронный ресурс. / Р.К. Борисов, Ю.Н. Алимов // Новости электротехники. 2001. - № 6 (12). - Режим доступа: http:// www.news.elteh.ru/arh/2001/12/07.php. — Загл. с экрана.

4. Костенко, М.В. Электроэнергетика. Электромагнитная совместимость. Часть I Текст.: Учебное пособие. / М.В. Костенко, Ю.А. Михайлов, Ф.Х. Халиков. СПб.: Изд-во СПб ГТУ, 1997. - 104 с.

5. Матвеев, М.В. ЭМС цифровой аппаратуры диктует новые требования к заземляющим устройствам Текст./ М.В. Матвеев // Новости электротехники. — 2003.-№6(24).-С. 50-53.

6. Вербин, В. С. Защита от электромагнитных влияний цифровых информационных систем: опыт обследования Текст. / B.C. Вербин, В.Х. Ишкин, М.К. Костин и др. // Энергетик. 2003. - № 10. - С.2-6.

7. Матвеев, М.В. Электромагнитная обстановка на объектах определяет ЭМС цифровой аппаратуры Текст./ М.В. Матвеев // Новости электротехники. -2002. -№ 1 (13).-С. 22-24.

8. Матвеев, М. В. Обеспечение ЭМС современных систем РЗА и АСУ на электрических станциях и подстанциях Электронный ресурс. / М.В. Матвеев // Вести в электроэнергетике. — 2004. № 4. - Режим доступа: 11йр://\у\улу. егор.ги/1есЬ.111т?1ё=12. — Загл. с экрана.

9. Кузнецов, М. Б. Защита микропроцессорной аппаратуры и ее цепей на электрических станциях и подстанциях от вторичных проявлений молниевых разрядов Текст./М.Б. Кузнецов// Электро. 2007. - № 6. - С. 10-15.

10. РД 34.20.116-93. Методические указания по защите вторичных цепей электрических станций и подстанций от импульсных помех. Введ. 01.09.1993. - М.: ЕЭС России, 1993. - 4 с.

11. СТО 56947007-29.240.043-2010. Руководство по обеспечению электромагнитной совместимости вторичного оборудования и систем связи электросетевых объектов. Введ. 21.04.2010 - М.: ОАО «ФСК ЕЭС», 2010.-25 с.

12. Правила устройства электроустановок. Раздел 1: утв. М-вом энергетики Рос. Федерации 8.07.2002: ввод. В действие с 01.01.2003. М.: НЦ ЭНАС, 2004.- 176 с.

13. Базелян, Э.М. Особенности работы заземлителей молниеотводов в грунтах низкой проводимости Текст./ Э.М. Базелян, М.И. Чичинский // Электрические станции. 2005. - № 8. - С. 75-82.

14. Борисов, Р.К. Исследование импульсных характеристик заземляющих устройств Текст./ Р.К. Борисов, Е.В. Коломиец, Г.М. Колиушко // Третья российская конференция по заземляющим устройствам. Сборник докладов. — Новосибирск. 2008. - С. 61-64.

15. Раков, В.А. Обзор исследований молнии и молниезащиты за последние 10 лет Текст./ В.А. Раков, Ф. Рашиди // Энергетика. Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2010. №1. С. 24-47.

16. Кузнецов, М.Б. Инструкция по устройству молниезащиты добавила проблем проектировщикам Текст./ М.Б. Кузнецов, М.В. Матвеев // Новости электротехники. 2008. - № 5(53). - С. 116-120.

17. СО 153-34.21.122-2003. Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций. М.: ОАО «НТЦ «Промышленная безопасность», 2003. 38 с.

18. РД 34.21.122-87. Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений. М.: МЭИ 67 с.

19. Салин А. Г. Совместное использование ElectriCS Storm и ElectriCS Light при проектировании молниезащиты и наружного освещения Текст. / А.Г. Салин//CADmaster. 2008. - № 42.2. С. 88 - 91.

20. СТО Газпром 2-1.11-170-2007. Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и коммуникаций ОАО «Газпром». М.: ООО «ВНИИГАЗ». 2007.-51 с.

21. Письмо № 10-03-04/182, Федеральная служба по экологическому, технологическому и атомному надзору. — 01.12.2004. 1 с.

22. Руководящие материалы по проектированию электроснабжения сельского хозяйства. М.: Сельэнергопроект, 1977. 65 с.

23. Александров Г.Н. Защита объектов ограниченной площади и протяженных объектов от прямых ударов молнии Текст./ Г.Н. Александров // Электричество. 2008. №1.-С. 31-40.

24. DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3) Blitzschutz Teil 3: Schutz von baulichen Anlagen und Personen. - Berlin, 2006 - 151 s.

25. DIN VDE 0101. Starkstromanlagen mit Nennswechselpannungen über 1 kV.

26. Deutsche Fassung HD 637 S1.1999. Berlin, 1999. - 140 s.

27. DIN EN 62305-1 (VDE 0185-305-1) Blitzschutz Teil 1: Allgemeine Grundsatze. — Berlin, 2006 - 66 s.

28. Бургсдорф, B.B. Заземляющие устройства электроустановок / B.B. Бургс-дорф, А.И. Якобе. М.: Энергоатомиздат, 1987.- 400 с.

29. Куликов, В.Н. Рефлекторный механизм поражения человека электрическим током Текст./ В.Н. Куликов // Промышленная энергетика. 2006. - №2. -С. 49-50.

30. Манойлов, В. Е. Основы электробезопасности. — 5-е изд., перераб. и доп./ В.Е. Манойлов. — JL: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1991 — 480 с.

31. Куликов, В.Н. Основные механизмы поражения человека электрическим током Текст./ В.Н. Куликов // Промышленная энергетика. 2006. - №12. —1. С. 36-38.

32. Познанская, Н. Б. Топографическое распределение сопротивления человеческого тела Текст. / Н. Б. Познанская// Физиотерапия. 1940. — №1. — С. 58-66.

33. Еллинек, С. Несчастные случаи от электричества/ С. Еллинек М.: Вопросы труда, 1927.

34. Орлов, А.Н. Электротравма/ А.Н. Орлов, М. А. Саркисов, М. В. Бубенко. -М.: Медицина. 1977. 152 с.

35. Киселёв, А.П. Опасность поражения токами различного вида, величины и длительности Текст. / А.П. Киселёв // Профиздат. 1967. - С. 32.

36. Киселёв, А.П. К вопросу о критериях электробезопасности Текст./ А.П. Киселёв // Промышленная энергетика. — 1967. №5. — С. 39 - 43.

37. Коструба, С.И. Стохастическое моделирование систем обеспечения электробезопасности Текст. / С.И. Коструба // Электричество. 2003. — №6. - С. 66 -70.

38. Hosemann, G. Grundlagen der elektrischen Energietechnik: Versorgung, Betriebsmittel, Netzbetrieb, Überspannungen und Isolation, Sicherheit / G. Hosemann,

39. Воеск. ВегНп.:8рпп§ег, 1979. - 230 е.

40. ГОСТ 12.1.038-82. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов. -Введ. 01.07.83. М.: Изд-во стандартов, 1982.

41. СО 153-34.20.122-2006. Нормы технологического проектирования подстанций переменного тока с высшим напряжением 35-750 кВ. М.: ОАО «ФСК ЕЭС», 2006.

42. Нормы технологического проектирования подстанций переменного тока с высшим напряжением 35-750 кВ. М.: ОАО «ФСК ЕЭС», 2009. 96 с.

43. Вишняков, Г. К. Справочник по проектированию подстанций 35-500кВ / Г.К. Вишняков, Е.А. Гоберман, С.Л. Гольцман и др.; Под ред. С.С. Рокотяна и Я.С. Самойлова. -М.: Энергоатомиздат, 1982. 352 с.

44. Рябкова, Е.Я. Заземления в установках высокого напряжения / , , Е.Я. Рябкова. М.: Энергия, 1978. - 224 с.

45. Первая Российская конференция по заземляющим устройствам: Сборник докладов / Под ред. Ю.В. Целебровского Новосибирск: Сибирская энергетическая академия, 2002. - С. 256.

46. Вторая Российская конференция по заземляющим устройствам: Сборник докладов / Под ред. Ю.В. Целебровского Новосибирск: Сибирская энергетическая академия, 2005. - С. 248.

47. Первая Российская конференция по молниезащите: Сборник докладов / Под ред. Ю.В. Целебровского — Новосибирск: Сибирская энергетическая академия, 2007. С. 480.

48. Технический циркуляр №11/2006. О заземляющих электродах и заземляющих проводниках от 16.10.06. Ассоциация «Росэлектромонтаж». С.4.

49. СО 34.35.311-2004. Методические указания по определению электромагнитной обстановки и совместимости на электрических станциях и подстанциях. М.: ОАО РАО «ЕЭС России». 2004 - 38 с.

50. Дьяков, А.Ф. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике и электротехнике/Под общ. ред. А.Ф. Дьякова. М.: Энергоатомиздат, 2003.-768с.

51. Шишигин, С.Л. Математические модели и методы расчета заземляющих устройств Текст./ С.Л. Шишигин // Электричество. 2010. - №1. - С. 16-23.

52. Шишигин, С.Л. Векторная форма записи потенциала стержневого заземлителя в однородной и двухслойной земле Текст./ C.JL Шишигин // Электричество. 2007. - №7. - С. 22-27.

53. Ослон, А.Б. Применение оптической аналогии к расчету электрических полей в многослойных грунтах Текст./ А.Б. Ослон, И.Н. Станкеева // Электричество. 1977. -№11. - С. 77-79.

54. Technische Mitteilung Nr.230a. Erdungsanlagen in 380-/220-/110-kV-Stationen. RWE WWE Netzservise: 2005.- 43 s.

55. Niemand, Th. Errichten von Starkstromanlagen mit Nennspannungen über 1 kV/ Th. Niemand, P. Sieper. Berlin: VDE VERLAG GMBH, 2002.- 208 s.

56. Biegelmeier, G. Schutz in elektrischen Anlagen: Band 2, Erdung, Berechnung, Ausfuhrung und Mesung / G. Biegelmeier, G. Kiefer, K.-H. Krefter. Berlin, Offenbach.: VDE-VERLAG GMBH, 1996. - 99 s.

57. Оллендорф, Ф. Токи в земле. Теория заземлений / Ф. Оллендорф. ОГИЗ -ГНТИ, 1932.-214 с.

58. Найфельд, М.Р. Защитные заземления в электротехнических установках. -М.: Государственное энергетическое издательство, 1959. -214 с.

59. Циркулярное письмо № 7/Ш. О применении временной инструкции по определению эквивалентного удельного сопротивления многослойного грунта. НИИ «Сельэнергопроект». 28.01.77. - 28 с.

60. Якобе, А.И. Приведение многослойной электрической структуры земли кэквивалентной двухслойной при расчете сложных заземлителей Текст./ А.И. Якобе // Электричество. 1970. - №8. - С. 19-23.

61. Новикова, А.Н. Анализ результатов измерений сопротивления заземления опор BJI с тросом при модернизации заземляющих устройств Текст. / А.Н.Новикова, А.Н.Лубков, О.В. Шмараго //Электрические станции. — 2007. -№9. С. 53-59.

62. Заборовский, А.И. Электроразведка / А.И. Заборовский. М.: Гостоптех-издат, 1963.-423 с.

63. Корн, А.Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров / А.Г.Корн, Т.М. Корн. СПб.: Лань, 2003.- 831 с.

64. Конников, И.А. Взаимовлияние объектов малых размеров в микросхеме Текст./ И.А. Конников // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2006. - №6. - С. 9-14.

65. Карц, Е.Л. Учет действительной плотности тока при расчете вертикальных заземлителей Текст./ Е.Л. Карц //Изв. СО АН СССР. 1986. - №10, вып. 2. -С. 118-123.

66. Меньшов, Б.Г. Приближенно-аналитический метод решения краевой задачи теории заземлений в неоднородной структуре грунта Текст./ Б.Г. Меньшов, Е.Д. Захаров, Э.Б. Альтшулер // Изв. Вузов. Энергетика. 1982. №5.-С. 18-21.

67. Takahashi, Т. Calculation of Earth Resistance for a Deep- Driven Rod in a Multi-Layer Earth Structure Text./ T.Takahashi, T.Kawase, // ШЕЕ Trans, on Power Delivery, Vol.6 No.2, Apr. 1991, pp. 608-614.

68. Делянов, А.Г. Расчет поля в многослойной среде методом оптической аналогии Текст./ А.Г. Делянов, А.Б. Ослон //Энергетика и транспорт. 1984. -№2.-С. 146-153.

69. Базелян, Э.М. Анализ исходных посылок и конкретных рекомендаций стандарта МЭК 62305 по защите от прямых ударов молнии Текст./ Э.М. Базелян. // Первая Российская конференция по молниезащите: сборникдокладов. Новосибирск. - 2007. - С. 129-139.

70. DIN EN 62305-2 (VDE 0185-305-2). Blitzschutz Teil 2: RisikoManagement. - Berlin, 2006 - 122 s.

71. Sen P.K. Understanding Direct Lightning Stroke Shielding of Substations // PSERC Seminar Golden, Colorado, November 6, 2001. Colorado School of Mines, 2002.

72. Кужекин, И.П. Молния и молниезащита Текст./ И.П. Кужекин, В.П. Ларионов, E.H. Прохоров. М.: Знак, 2003.-330 с.

73. Зубов, К.Н. Математическая модель и программа для расчета зон защиты от прямых ударов молнии грунтах Текст./ К.Н. Зубов // Информационные технологии в проектировании и производстве. М.: ФГУП «ВИМИ», 2010. - № 1. -С. 84-89.

74. Немировский, А.Е. Проектирование молниезащиты энергообъекта Текст./ А.Е. Немировский, К.Н. Зубов // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. — Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2009. № 6. - С. 55-60.

75. Трубицын, С . Сложность и комплексы или простота и комплексность? Электронный ресурс. / С. Трубицын // CADmaster, 2004, № 3. М.: Consistent Software. Режим доступа: http://www.cadmaster.ru/articles/article16840.html. — Загл. с экрана.

76. Самарский, А. А Уравнения математической физики / А.А. Самарский,

77. A.Н. Тихонов. М.: Наука, 1999. - 736 с.

78. Sunde, Е. D. Earth Conduction Effects in Transmission Systems / E.D. Sunde. New York.: Dover, 1968. - 400 s.

79. Бургсдорф, В.В. Расчеты заземлителей в неоднородных грунтах Текст./

80. B.В. Бургсдорф // Электричество. 1954. - № 1. - С. 15-25.

81. Марпл, С. JI. Цифровой спектральный анализ и его приложения / СЛ. Марпл. М: Мир, 1990. - 548 с.

82. Chow, Y. L. Complex images of a ground electrode in layered soils / Y. L. Chow, J. J. Yang, K. D. Srivastava // Journal of Applied Physics. 1992. - No.2. - s 569-574.

83. Конников, И.А. Вычисление квазистационарного поля в слоистой среде Текст. / И.А. Конников // Журнал технической физики. — 2007. том 7, вып. 4. —1. C. 138-140.

84. Hamming, R. W. Numerical Methods for Scientists and Engineers / R. W. Hamming. New York.: Dover, 1973. - 400 s.

85. Быковский, Ю.А. Определение рекомбинационных параметров полупроводникового материала с помощью метода Прони Текст. / Ю.А. Быковский, К.В. Колосов // Журнал технической физики. 1999. том 69, вып. 4. - С. 54-59.

86. Слюсар, В.И. Интерпретация метода Пронидля решения дальномерных задач Текст./ В.И. Слюсар // Радиоэлектроника. 1998. №1. - С. 61-67.

87. Конников, И. А. Емкостные наводки полупроводниковых микросхем Текст. / И.А. Конников // Петербургский журнал электроники. 2005. - № 4. -С. 73-76.

88. Нестеров, С.В. Метод расчета заземляющих систем произвольной конфигурации в неоднородных грунтах Текст. / С.В. Нестеров: Дис. канд. техн. наук: 05.14.12 : Новосибирск, 2005 128 с. РГБ ОД, 61:05-5/3537

89. Колечицкий, Е.С. Расчет электрических полей высокого напряжения / Е.С.Колечицкий. М. Энергоатомиздат, 1983. 168 с.

90. Зубов K.H. Метод расчета заземляющих устройств произвольной конфигурации в неоднородных грунтах Текст./К.Н. Зубов, А.Е. Немировский// Вести высших учебных заведений Черноземья. — Липецк: ЛГТУ, 2010. № 2(20). - С. 21-26.

91. Шишигин, С.Л. Математическое моделирование и расчет сопротивления железобетонных фундаментов опор высоковольтных линий Текст./ С.Л. Шишигин // Научно-технические ведомости СПбГПУ: Моделирование. Математические методы. 2009. № 4-2. С. 143-149.