Анализ влияния импульсного сопротивления заземления опор высоковольтных линий и аппаратов подстанций на грозозащищенность оборудования

A.B. Косоруков

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ИМПУЛЬСНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ЗАЗЕМЛЕНИЯ ОПОР ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЛИНИЙ И АППАРАТОВ ПОДСТАНЦИЙ НА ГРОЗОЗАЩИЩЕННОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ

Заземляющее устройство (ЗУ) является системой, объединяющей практически все значимые для технологического процесса части электроустановки (ЭУ). Оно же во многом обеспечивает работоспособность оборудования, защищающего изоляцию аппаратов от перенапряжений. Эти два свойства ЗУ порождают многие проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС), решению которых сейчас уделяется большое внимание. В частности, изучаются характеристики ЗУ при подаче на него импульсных воздействий с фронтами порядка долей и единиц микросекунд. Большинство исследований показывает, что зависимость "импульсного сопротивления"

(результат деления мгновенного значения потенциала ЗУ на мгновенное значение тока, подаваемого в него) от времени имеет максимум, величина которого значительно превышает величину сопротивления ЗУ, измеренную на промышленной частоте [1]. Это связано с тем, что при импульсных воздействиях ЗУ представляет собой систему с распределенными параметрами. В первые моменты времени в работе участвует лишь часть заземлителей, расположенных близко к источнику, т. е. имеет место сокращение "эффективной" площади системы заземления. Кроме этого, проявляется влияние индуктивности проводников, также приводящее к росту потенциала ЗУ.

В нормативной документации прописаны меры по снижению импульсного сопротивления молниеприемников, что делает маловероятным повреждение первичного оборудования в результате удара молнии в систему молниезащиты. Основная причина появления опасных грозовых воздействий — удары молнии в подходы воздушных линий (ВЛ) электропередачи. Поскольку фронты длительностью около 1 мкс свойственны грозовым перенапряжениям, то такой характер зависимости будет оказывать влияние на работу системы грозозащиты. Однако в ПУЭ этот фактор не учтен, одновре-

менно в нормативных документах отсутствуют требования к усилению заземления ОПН. Такая ситуация приводит к большим различиям между зависимостями z(t) у разных аппаратов, даже если они находятся на одном распредуст-ройстве (РУ). Как правило, меньшая величина сопротивления заземления — у трансформаторов. Это приводит к уменьшению постоянной времени заряда емкости трансформаторов и, как следствие, к росту перенапряжений, воздействующих на их изоляцию [1].

Для оценки влияния характеристик ЗУ на развитие грозовых перенапряжений по результатам измерений потенциала системы заземления при подаче импульса тока в заземляющий проводник, выполненных в КФАН, были синтезированы схемы замещения заземления трансформаторов, ОПН и опор ВЛ на подходе к РУ, содержащие участки линий с длинами порядка нескольких метров. На рис.1 представлена схема замещения ЗУ опоры ВЛ. Альтернативным вариантом синтеза схем замещения служит метод, описанный в [2], он основан на использовании элементов только с сосредоточенными параметрами.

В программе "АТР" были произведены три серии расчетов грозовых перенапряжений для ОРУ 150 кВ ПС №20А ОАО "Колэнерш" (однолинейная электрическая схема приведена на рис. 2):

с синтезированной схемой замещения заземления аппаратов РУ и опор ВЛ ("импульсная схема");

с замещением ЗУ опор ВЛ и аппаратов РУ активным сопротивлением, равным сопротивлению ЗУ на промышленной частоте ("резистив-ная схема");

с замещением ЗУ опор ВЛ резистором и нулевым сопротивлением заземления аппаратов РУ (фактически схема без учета сопротивления ЗУ ПС).

Рассматривались случаи как удара молнии в опору, так и прорыва молнии мимо тросовой

гин

2 мкГ

40

ЮнФ

line Z2 —I

100 31.6

I

Схема замещения заземлителя

Рис. 1. Схема замещения ЗУ опоры BJ1

Т-1 Т-2

Рис. 2. Однолинейная электрическая схема ОРУ 150 кВ ПС №20А

500кВ

400.

1

Ул 2

'А/ ' ч \ /1 ^ } /\

!

v \ 3

МКС

Рис. 3. Напряжение на АТ-2 при различных схемах ЗУ (амплитуда тока молнии — 50 кА): 1 — импульсная схема, 2 — резистивная схема, 3 — схема без учета сопротивления ЗУ ПС, фронт — 4 мкс

защиты. Воздействия имели следующие параметры: амплитуды тока молнии — 10, 25, 50 и 100 кА, фронты — 0,1; 0,5; 1; 2 и 4 мкс. Вольт-секундная характеристика линейной изоляции моделировалась по методике НИИПТ [3]. На рис. 3 показаны типичные расчетные осциллограммы напряжений на оборудовании ОРУ при различных способах моделирования ЗУ. Максимальные значения перенапряжений на АТ-2 при токе молнии 50 кА, полученные при расчетах с различными схемами замещения ЗУ, приведены в табл. 1.

Установлено, что для оборудования, находящегося вблизи защитного аппарата (АТ-1 и АТ-2), уровень перенапряжений существенно зависит от величины сопротивления заземления данного ЗА. Таким образом, при проектировании ЗУ не-

обходимо уделять особое внимание заземлению ОПН и созданию коротких подземных связей между ЗА и защищаемыми объектами.

Для оборудования, находящегося далеко от ЗА (Т-1, Т-2 и Т-3), основным фактором, влияющим на перенапряжения, становится величина воздействия, которая зависит от значения сопротивления заземления опор пораженной ВЛ и прочности линейной изоляции.

Учет динамического характера зависимости сопротивления ЗУ от времени при расчетах грозовых перенапряжений актуален для следующих объектов: схем с малым количеством присоединений (блок и т. п.); крайних присоединений РУ и аппаратов, расположенных на линейных присоединениях; В Л классов напряжения 330 кВ и выше при сопротивлениях заземления близких

Таблица 1

Максимальное значение напряжения на АТ-2 при токе молнии 50 кА

^АТ.2,кВ

*Фр> МКС импульсная резистивная схема без учета

схема схема сопротивления ЗУ ПС

0,1 381 357 343

0,5 389 359 347

1,0 398 364 349

2,0 425 392 374

4,0 418 381 362

к нормативным (более 5—7 Ом); подстанций (ПС), расположенных в зоне с высоким сопротивлением грунта.

Первые две позиции связаны с уменьшением направлений растекания тока молнии по ошиновке ПС, третья — с изменением процесса перекрытия линейной изоляции, четвертая — со снижением способности отвода токов молнии в грунт.

Для перечисленных ситуаций перенапряжения при коротких фронтах молнии оказываются выше, чем расчетные с использованием резис-тивной схемы. С удлинением фронта импульса тока молнии в большинстве случаев большие перенапряжения соответствуют модели с резис-тивными схемами ЗУ.

Поскольку реальные ЗУ сложны, а грунт в большинстве случаев имеет неоднородную структуру, оценить реальное динамическое сопротивление заземления довольно сложно. С учетом вышесказанного в расчетах надежности грозозащиты, когда основные параметры молнии изменяются в относительно широком диапазоне, была использована резистивная модель. В табл. 2 приведены результаты оценки показателя надежности грозозащиты для высоковольтного оборудования ОРУ 150 кВ рассматриваемой подстанции.

Результаты расчета показателей грозоупор-ности по программе "Минск" согласуются с выводами, сделанными при анализе перенапряжений при помощи программы "АТР". Видно, что для АТ-2 изменение сопротивления ЗУ ПС сопровождается сильным изменением показателя грозоупорности при ударах в опору. При ударе в фазный провод различия меньше. Суммарный же показатель грозоупорности изменяется практически в три раза. Для Т-3, находящегося далеко от ЗА, изменение сопротивления ЗУ

не вызывает сильных изменений показателя грозоупорности, т. е. уровень напряжения на нем слабо зависит от сопротивления заземления ПС. Эти результаты подтверждены расчетами показателей надежности грозозащиты и для ряда других подстанций.

При проектировании системы грозозащиты подстанций необходимо, как минимум, применять модели с резистивным сопротивлением аппаратов ПС и опор ВЛ, а также принимать дополнительные меры, направленные на снижение импульсного сопротивления и грозовых перенапряжений в вышеуказанных случаях, а именно:

устанавливать дополнительные защитные аппараты на подходах ВЛ крайних присоединений;

снижать сопротивления заземления опор на подходах ВЛ 330 кВ и выше;

предъявлять особые требования к заземлению ЗА (увеличение количества направлений растекания, установка вертикальных электродов);

ввести требования о построении надежных (не менее двух при номинальном напряжении от 35 кВ и выше) кратчайших подземных связей между ЗА и защищаемыми объектами.

Эти меры уменьшат погрешности оценок с использованием упрощенной резистивной схемы и позволят снизить уровень грозовых перенапряжений. Использование при расчетах перенапряжений моделей с нулевым сопротивлением заземления оборудования ПС неоправданно, ибо приводит к некорректным результатам.

Поскольку измерение величины сопротивления растекания у опор ВЛ на промышленной частоте без учета подключенных к опоре грозозащитных тросов невозможно, то для расчетов грозовых перенапряжений необходимы данные об импульсных сопротивлениях заземления опор В Л.

Таблица 2

Показатели надежности грозозащиты АТ-2 и Т-3

Название показателя Значение показателя

Т 1 АТ-2 лет Тт _„ лет

Сопротивление заземления ПС, Ом 0 3 0 3

Удар в трос или опору 915 259 56 53,8

Удар в фазный провод 2746 2931 263 274

Ч™,лет 686 238 46 45

Таким образом, можно утверждать:

1. Отсутствие учета сопротивления заземления аппаратов ПС при расчете грозовых перенапряжений недопустимо.

2. При проектировании ЗУ ПС необходимо усиливать заземление О ПН, а также связи по

шинам заземления между защищаемым объектом и защитным аппаратом.

3. При проектировании системы грозозащиты нужно уделять особое внимание аппаратам крайних и линейных присоединений, в случае необходимости устанавливать на данных присоединениях дополнительные комплекты ОПН

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Экспериментальные исследования локальных импульсных сопротивлений основных и защитных аппаратов подстанций / Н.И. Гумерова, А.Н. Данилин, Б.В. Ефимов, В.В. Колобов, П.И. Прокопчук// Сб. тр. X Рос. науч.-тех. конф. "ЭМС-2008". ВИТУ. СПб., 2008.

2. Моделирование заземляющего устройства опоры ВЛ для импульсных режимов / Ю.Н. Бочаров,

Н.В. Коровкин, С.И. Кривошеев, А.П. Ненашев, A.A. Парфентьев, СЛ. Шишигин; Под ред. Ю.В. Це-лебровского// Сб. докл. 1 Рос. конф. по молниезащите. Сиб. энергетич. акад. Новосибирск, 2007. 480 с.

3. Руководство по защите электрических сетей 6— 1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений / Под научн. ред. H.H. Тиходеева. ПЭИПК Минтопэнерго РФ. СПб., 1999.

УДК629.1 2.03-83

A.M. Прохоренков

МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ ОГРАНИЧЕННОЙ МОЩНОСТИ

Применение частотно-регулируемых электроприводов (ЧРЭ) на базе асинхронных, синхронных, вентильно-реактивных двигателей (8ЯМ), а также двигателей постоянного тока, получающих энергию от статических преобразователей, привело к ухудшению качества электроэнергии сетей переменного тока, связанному с появлением широкого спектра гармонических составляющих в напряжении сети [1,2].

Экспериментальные данные, которые были получены в результате исследований электроэнергетических систем (ЭЭС) с мощнымитири-сторными приводами на буровых установках типа "Шельф" и "Мурманская", показали, что распределения амплитуд и спектра гармоник тока и напряжения в таких судовых сетях носят случайный, нестационарный характер. Качество электрической энергии при работе основного технологического оборудования в различных эксплуатационных режимах, особенно в местах проведения буровых работ, не соответствует требованиям правил Морского регистра судоходства [6]. При работе буровой лебедки, буровых насосов и бурового оборудования Тор Оггу ко-

эффициент нелинейных искажений напряжения ЭЭС на СПБУ "Мурманская" даже при включенных двух фильтр-компенсирующих устройствах (ФКУ) достигал 63,8 % (допустимая величина по нормам [6] не более 10 %.).

В этой связи исследования, связанные с компенсацией влияния высокочастотного спектра гармоник в любых электрических сетях, актуальны.

Постановка задачи

Задача компенсации высших гармоник в электрических сетях при случайном процессе изменения ее импеданса и случайной последовательности генерирования гармоник может быть решена путем использования силовых активных фильтров (САФ). Основные преимущества САФ — быстродействие и возможность управления процессом компенсации группы высших гармоник при изменении эквивалентного импеданса и частоты сети, а также рабочих параметров ЧРЭ. Другая отличительная особенность САФ — это то, что применяемый реактивный накопитель энергии (дроссель или конден-