Исследования опасности однофазных замыканий в сети 35 кВ Мурманского региона

ФИЗИКО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ

УДК 621.311

Ю. М. Невретдинов, Г. П. Фастий, А. Н. Данилин, В. В. Колобов, В. Н. Селиванов, П. И. Прокопчук

ИССЛЕДОВАНИЯ ОПАСНОСТИ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ В СЕТИ 35 КВ МУРМАНСКОГО РЕГИОНА

Аннотация

Приведены результаты экспериментальных исследований однофазных замыканий в городской сети 35 кВ при низкой электропроводности грунта. Показаны проблема реализации эффективных заземлений опор линий электропередачи, а также потенциальная опасность электропоражения в зонах доступности для населения.

Ключевые слова:

однофазное замыкание, заземление опор, опасность электропоражения.

Yu. M. Nevretdinov, G. P. Fastiy, A. N. Danilin, V. V. Kolobov, V. N. Selivanov, P. I. Prokopchuk

RESEARCH OF DANGERS OF SINGLE-PHASE SHORT CIRCUITS IN 35 KV NETWORKS OF THE MURMANSK REGION

Abstract

The article presents the results of experimental studies of single-phase short circuits in the urban 35 kV networks at the low conductivity of the soil. The problem of effective transmission towers grounding realization, as well as the potential danger of electrocution in the areas accessible to the public, have been shown.

Keywords:

single-phase circuit, grounding of supports, danger of electrocution.

Режим заземления нейтрали сети 6 - 35 кВ в настоящее время, в основном, выбирается по критерию повышения надежности электроснабжения потребителей. В сетях среднего напряжения в России применяют режимы изолированной нейтрали, заземленной через дугогасящий реактор или через высокоомный резистор. Общей особенностью таких режимов является возможность работы сети при однофазных замыканиях на землю (ОЗЗ) в течение длительного времени [1]. Это в ряде случаев создает потенциальную опасность электропоражения для населения. В первую очередь это относится к сети 35 кВ, включающей доступные для населения воздушные ЛЭП на металлических опорах. Так, в большинстве случаев нарушений, связанных с однофазным замыканием на опорах, возможно опасное повышение напряжения. В данной ситуации основным защитным средством является заземление опор ЛЭП. Однако одной из специфических особенностей Мурманского региона является аномально низкая электропроводность грунта, затрудняющая и исключающая создание заземлений подстанций

и опор ВЛ [2]. Для примера в табл.1 представлены результаты измерений на линиях 35 кВ, расположенных в окрестностях г. Мурманск. Измерено сопротивление 6 опор двухцепной линии 35 кВ в обе стороны от места пересечения ЛЭП с автодорогой на Териберку. Для обследованных опор характерным является их расположение на скальном грунте.

Таблица 1

Результаты измерений заземлений опор двухцепной линии 35 кВ на участке без грозозащитного троса

Номер опоры 48 49 50 51 52 53

Высота над уровнем моря, м 101.5 87.6 111.4 150.6 179.7 180.4

Яоп, Ом 155 650 581 336 348 256

Приведенные результаты измерений подтверждают ранее сделанные выводы о проблемах реализации эффективных заземлений опор линий электропередачи, а также потенциальную опасность электропоражения в зонах доступности для населения, особенно в населенных пунктах.

Для исследования опасности однофазных замыканий в сети 35 кВ Мурманского региона выполнены натурные эксперименты на участке действующей сети 35 кВ, расположенной на территории г. Мурманск. Для экспериментов выделялась линия (обозначение в тексте ВЛ-1), находящаяся в режиме резервирования между двумя питающими подстанциями 150 кВ/35 кВ/6 кВ (ПС-1 и ПС-2), которая являлась единственной для рассматриваемого секционированного участка сети. Схема участка сети 35 кВ, выделенного для проведения экспериментов, дана на рис.1.

Рис. 1. Схема участка сети 35 кВ, выделенная для экспериментальных

исследований

Линия 35 кВ протяженностью 11.51 км является одной из цепей двухцепной линии ВЛ-1/2. Число опор 45 (включая опору на вводе ПС-1). Грозозащитный трос установлен на участках ВЛ-1/2 ПС-2 - опора № 15, опора № 36 - № 44, ВЛ-2 опора № 45 - № 46. Подвеска троса имеет глухое заземление на опорах. Расположение грозозащитных тросов на линии ВЛ-1/2 показано на рис.2.

ПС-1

ПС-2

вл- 1

оц.1 оп.15 оп.16 оп.35 оп.36 -\ оп.44

грозозащитным трос

грозозащитный трос

оп.45 оп.46

ПС-3

ВЛ-2

Рис. 2. Расположение грозозащитных тросов на линии ВЛ-1/2 35 кВ

Характер изучаемых процессов определяется тем, что наибольшую опасность представляют длительные воздействия, т. е. установившийся процесс. Поэтому регистрации напряжений и токов выполнены для установившегося рабочего режима с частотой 50 Гц.

Экспериментально исследовались режимы однофазного замыкания в пределах ОРУ питающей подстанции ПС-1 (опыт 1) и на опоре ВЛ-1 (опыт 2).

Моделирование замыкания выполнялось подачей напряжения на линию ВЛ-1 со стороны ПС-2 выключателем ВТ-35-1 (рис. 1) после заземления одной из фаз (фазы С) в предполагаемом месте замыкания. Схема моделирования замыканий в ОРУ и на линии дана на рис. 3а и б.

Рис. 3. Схема экспериментов при моделировании однофазного замыкания на подстанции ПС-2 (а) и на опоре ВЛ-1 (б): 1 - переносной заземлитель; 2 - осциллограф АКИП-4113/2; 3 - токоизмерительные клещи КЭИ-М, 20 А; 4 - заземляющий спуск разъединителя на контур заземления подстанции (5); 6 - изолирующая опора измерительной площадки с приборами и оператором; 7 - высоковольтный щуп ТТ-НУР 15 ОТ TESTEC с Кд = 1000; 8 - потенциальный электрод на удалении 50 м от опоры

Результаты измерений при однофазном замыкании на контур ПС-2

Пример осциллограмм фазных токов 1а, 1ь, 1С, а также тока 310 и напряжения 3и0 нулевой последовательности на подстанции ПС-1 при замыкании фазы С на контур подстанции ПС-2 приведен на рис.4а. Здесь же даны результаты аналогичных регистраций на подстанции ПС-1 при замыкании на опоре № 36 линии ВЛ-1 (рис.4б).

а

^ тт \ Т

А

2 .4 1.8 1.2 0.6 О -0.6 -1.2 -1.8 -2.4

"3 ' 0 4 8 12 16 20 24 28 32

б

Рис. 4. Осциллограммы фазных токов и 3и0, а также расчетное значение 310.

Измерения на ПС-1 при замыкании фазы С на контур ПС-2: а - замыкание на подстанции ПС-2; б - замыкание на опоре № 36 линии ВЛ-1

Сопоставление первых гармоник токов и напряжений для опытов 1 и 2 представлено в табл.2.

Таблица 2

Сопоставление результатов экспериментов с однофазными замыканиями на подстанции

Номер опыта Амплитуда гармоники

3По, В 1а, А /ь, А 4 А 3-/0, А

1 147.5

2 147.6

Из приведенных данных видно, что по сравнению с опытом 1 (для замыкания на контур подстанции) величина тока ОЗЗ практически не изменилась. Разность фаз между 3/0 и 3и0 составила Аф3ио,3/о = 72.30 (при замыкании на опоре ВЛ-1). В опыте с замыканием на контур подстанции Аф3ио,3/о = 70.10, т. е. отклонение 2.2о - в пределах погрешности измерений. Таким образом, изменения сопротивлений заземления в точке замыкания в экспериментах провода поврежденной фазы С от питающего трансформатора до точки замыкания практически не повлияли на величину тока ОЗЗ.

Фаза тока замыкания по отношению к напряжению нулевой последовательности составила около 82.4о, т. е. ток имеет емкостно-активный характер с преобладанием емкостной составляющей. Активная составляющая сопротивления контура замыкания равна 3.4 %.

Осциллограммы тока в точке замыкания фазы С на опору ВЛ-1 и падения напряжения на заземлении в точке измерений показаны на рис.5.

/, и,

А В 3.2 120

-2.4 I- -90 — -3.2 -120

4^ 141 *,мс.

О 4 3 12 16 20 24 23 32 36

Рис. 5. Осциллограммы тока замыкания фазы С на опору № 36 ВЛ-1 и напряжения в точке измерений относительно удаленной земли

Отметим, что заземление в точке измерения включает несколько элементов:

1) заземляющее устройство опоры № 36 ВЛ-1, на которой моделируется замыкание,

2) опору № 36 от точки измерений до места крепления грозозащитного троса,

3) грозозащитный трос, соединяющий опору № 36 с двухцепными опорами № № 37 - 44 линии ВЛ-1/2, а также с опорами № 45 и № 46 линии ВЛ-2 35 кВ,

4) заземляющие устройства опор № № 37 - 44 линии ВЛ-1/2 и опор № 45, № 46 линии ВЛ-2.

Фактически напряжение в точке измерения (относительно потенциального зонда) соответствует падению напряжения на заземляющем устройстве опоры № 36 при стекании через него части тока ОЗЗ и падению напряжения на опоре № 36 с грозозащитным тросом, соединяющим параллельно заземляющие устройства 10 опор (с учетом влияния соединений через трос). Грозозащитный трос отходит от опоры в одну сторону. Разность фаз между током 1ОЗЗ и напряжением на опоре £/опоры составила Дф = 2.20, т. е. эквивалентное сопротивление заземления в точке измерений имеет практически активный характер.

Гармонический состав сигналов приведен в табл.3.

Таблица 3

Гармонический состав тока ОЗЗ и напряжения на опоре ВЛ-1 35 кВ с грозозащитным тросом и эквивалентного сопротивления

заземления в точке замыкания

Номер гармоники Амплитуды гармоник Эквивалентное сопротивление, Ом

^опоры, В IОЗЗ, А

1 64.59 2.024 32

2 0.548 0.0275 19.9

3 0.867 0.0212 40.9

5 1.515 0.0496 30.4

7 1.03 0.0355 28.6

Эквивалентное сопротивление растеканию в точке замыкания на опоре № 36 ВЛ-1 не превышает 32 Ом. Среднее значение сопротивления заземления опоры (при отсоединении троса от опор) на участке измерений (от опоры № 36 до опоры № 46) составило около 320 Ом. Емкостное сопротивление линии ВЛ-1 на землю на промышленной частоте составляет около 14 кОм, т. е. более чем в 400 раз превышает сопротивление растеканию заземлений 10 опор, соединенных тросом.

В растекании тока однофазного замыкания участвуют заземления 10 опор, соединенных грозозащитным тросом. Повышение потенциала опор, соединенных тросом, при однофазном замыкании на одной из опор составило около 46 В (действующее значение). Напряжение прикосновения к опоре превышает допустимый уровень 20 В для времени воздействия свыше 1 с [3]. Отметим, что экспериментально полученное значение тока однофазного замыкания соответствует значению тока ОЗЗ (1ОЗЗ), выделенного для экспериментов участка, так как он включает только одну линию.

Для оценки потенциальной опасности однофазных замыканий в сети 35 кВ в табл.4 приведены уровни допустимых напряжений промышленной частоты [3].

Таблица 4

Уровни предельно допустимых напряжений и токов промышленной частоты при аварийном режиме электроустановок выше 1000 В с изолированной нейтралью

Нормируемая величина Предельно допустимые значения, не более, при продолжительности воздействия тока с

0.01-0.08 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Свыше 1.0

и, В 550 340 160 135 120 105 95 85 75 70 60 20

I, мА 650 400 190 160 140 125 105 90 75 65 50 6

ПРИМЕЧАНИЕ. Род тока - переменный 50 Гц.

Для выделенного участка рассчитано изменение напряжения на опорах в точке замыкания в зависимости от эквивалентного сопротивления заземления ЛЗэ этих опор (рис.6, зависимость для 1ОЗЗ = 1.4 А).

Рис. 6. Зависимость напряжения на опорах от эквивалентного сопротивления заземления в точке однофазного замыкания

Как видно, для выделенного для экспериментов участка сети 35 кВ с емкостью участка на землю около 0.23 мкФ с током ОЗЗ около 1.4 А снижение напряжения на опоре до 20 В достигается лишь при эквивалентном сопротивлении в точке замыкания не более 15 Ом. При замыкании на опоре без грозозащитного троса с сопротивлением заземления около 300 Ом напряжение на опоре при 1ОЗЗ ~ 1.4 А превышает 400 В.

Соответственно, потенциальная опасность повышается при увеличении емкости сети на землю и, соответственно, с увеличением тока ОЗЗ. Для примера на рис.6 даны зависимости напряжений на опорах линий 35 кВ участков сети с емкостью сети около 0.4 мкФ (1ОЗЗ ~ 2.5 А) и участка с протяженностью воздушных ЛЭП до 56 км (1ОЗЗ ~ 7 А). Как видно, необходимого снижения напряжений на опорах при однофазных замыканиях достичь практически невозможно.

Выводы

1. В растекании тока однофазного замыкания на выделенном для экспериментов участке участвуют заземления 10 опор, соединенных грозозащитным тросом. Повышение потенциала опор, соединенных тросом, при однофазном замыкании на одной из опор составило 46 В, что может представлять опасность.

2. Объединение опор грозозащитным тросом способствует снижению напряжения прикосновения на этих опорах, однако увеличивает число опор, на которых возникает это напряжение. Поэтому при оценке опасности электропоражения на линиях 35 кВ вместе с показателем доступности для населения необходимо учитывать наличие грозозащитных тросов, имеющих глухое соединение с опорами, а также эффективность снижения эквивалентного сопротивления заземления в точке замыкания при расчетной величине тока однофазного замыкания рассматриваемого участка сети.

Литература

1. Правила устройства электроустановок. СПб.: ДЕАН, 2003. 928 с.

2. Костенко М. В., Невретдинов Ю. М., Халилов Ф. Х. Грозозащита электрических сетей в районах с высоким удельным сопротивлением грунта. Л.: Наука, 1984. 112 с.

3. ГОСТ 12.1.038-82. Система стандартов безопасности труда. Электробезопасность. Предельно допустимые уровни напряжений прикосновения и токов / Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации. М.: ИПК Изд-во стандартов, 1982.

Сведения об авторах

Невретдинов Юрий Масумович,

ведущий научный сотрудник лаборатории высоковольтной электроэнергетики и технологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к. т. н. Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А, эл. почта: ymnevr@mail.ru

Фастий Галина Прохоровна,

научный сотрудник лаборатории высоковольтной электроэнергетики и технологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН. Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А, эл. почта: fastiy@ien.kolasc.net.ru

Данилин Аркадий Николаевич,

заведующий лабораторией высоковольтной электроэнергетики и технологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к. т. н. Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д.21А, эл. почта: danilin@ien.kolasc.net.ru

Колобов Виталий Валентинович,

ведущий научный сотрудник лаборатории высоковольтной электроэнергетики и технологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к. т. н., доцент кафедры электроэнергетики и электротехники КФ ПетрГУ. Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А, эл. почта: 1_i@mail.ru

Селиванов Василий Николаевич,

ведущий научный сотрудник лаборатории высоковольтной электроэнергетики и технологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к. т. н. Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А, эл. почта: selivanov@ien.kolasc.net.ru

Прокопчук Павел Иванович,

ведущий инженер лаборатории высоковольтной электроэнергетики и технологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН. Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А, эл. почта: finsoft@mail.ru

УДК 621.311 Д. В. Куклин

ВЛИЯНИЕ КОРРЕЛЯЦИИ МЕЖДУ АМПЛИТУДОЙ И КРУТИЗНОЙ ТОКА МОЛНИИ НА РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ ВЕРОЯТНОСТИ ОБРАТНОГО ПЕРЕКРЫТИЯ ИЗОЛЯЦИИ ОПОР ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

Аннотация

Рассмотрено влияние значения коэффициента корреляции между амплитудой и крутизной тока молнии на результаты расчетов вероятности перекрытия изоляции. Показано, что значение коэффициента корреляции может существенно влиять на рассчитанное значение вероятности перекрытия изоляции. Таким образом, значение коэффициента корреляции по существующим на данный момент измерениям токов молнии требует уточнения.

Ключевые слова:

метод конечных разностей во временной области, заземлитель, опора линии электропередачи, вероятность обратного перекрытия.

D. V. Kuklin

INFLUENCE OF CORRELATION BETWEEN AMPLITUDE AND STEEPNESS OF LIGHTNING CURRENT ON CALCULATION RESULTS OF TRANSMISSION LINE INSULATION BACKFLASHOVER PROBABILITY

Abstract

The article examines influence of correlation coefficient between amplitude and steepness on calculation results of backflashover probability value. It has been shown that correlation coefficient value can significantly influence the calculated probability. Thus, the correlation coefficient value needs to be measured accurately.

Keywords:

finite-difference time-domain method, grounding, transmission line tower, backflashover probability. Введение

Существующие данные измерений параметров токов молнии несколько различаются [1-3]. В частности, это относится к корреляции между амплитудой и крутизной тока молнии.