Численный и экспериментальный анализ развития грозовых перенапряжений на подстанциях

1. Предложена методика построения математической модели линии конечной длины в виде схемы замещения. Полученная схема замещения линии позволяет приближенно учитывать эффект излучения электромагнитной энергии проводами линии.

2. Определены структура и параметры Т-образной схемы замещения линии. Параметры схемы замещения каждого звена зависят от координаты эквивалентируемого участка линии. Полученная схема замещения отражает изменение излучающей способности проводов линии вдоль координаты.

3. Построенная схема замещения может применяться для расчетов переходных процессов в линиях при сосредоточенном и распределенном воздействии. Возможно объединение схем замещения в единую систему, включающую также линейные и нелинейные нагрузки.

Литература

1. Коровкин Н.В., Селина Е.Е., Моделирование волновых процессов в распределенных системах. СПб., 1992. 110 с.

2. Paul C.R. Introduction to EMC. J.Wiley, Inc., New York, NY., 1992. 602 p.

3. Демирчян К.С., Нейман Л.Р., Коровкин Н.В. Теоретические основы электротехники, т.1, т.2, СПб, Питер, 522 с., 430 с. 2009.

4. Tkachenko S., Rachidi F., Ianoz M., «Electromagnetic Field Coupling to a Line of Finite Length: Theory and Fast Iterative Solution in Frequency and Time Domains,» IEEE Trans. EMC., vol.37, no. 4, pp.509-518, 1995.

Сведения об авторах

Коровкин Николай Владимирович,

зав. кафедрой «Теоретические основы электротехники» СПбГПУ Россия, г.Санкт-Петербург, ул.Политехническая, 29 Тел. (812) 552-75-72, Факс (812) 552-75-72,

Эл. почта: nikоlay.korovkin@gmail.com

Ткаченко Сергей Владимирович,

научный сотрудник Otto-von-Guericke-Universitat Magdeburg Postfach 4120 D-39016 Magdeburg, Germany

УДК 621.311

Б.В.Ефимов, Н.И.Гумерова, Т.К.Кузнецов, А.Н.Данилин, В.Н.Селиванов

ЧИСЛЕННЫЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РАЗВИТИЯ ГРОЗОВЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ НА ПОДСТАНЦИЯХ*

Аннотация

В статье выполнен численный анализ результатов экспериментального исследования грозовых перенапряжений на высоковольтных подстанциях при ударах молнии в подстанцию. Выполнена оценка влияния различных упрощений и допущений в физической модели на развитие грозовых перенапряжений.

Ключевые слова:

моделирование, молния, грозовые перенапряжения, надежность.

* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 11-08-00690).

B.V.Efimov, N.I.Gumerova, T.K.Kuznetsov, A.N.Danilin, V.N.Selivanov

NUMERICAL AND EXPERIMENTAL ANALYSIS OF THE DEVELOPMENT OF LIGHTNING OVERVOLTAGES ON THE SUBSTATIONS

Abstract

The article presents numerical analysis of the experimental investigations of the lightning

overvoltage's on the high voltage substations at lightning strikes in substation. The estimation

of different simplifications in the physical model on the development of lightning overvoltages

was carried out.

Key words:

modeling, lightning, lightning overvoltages, reliability.

Наиболее достоверным способом анализа численных методов, используемых для анализа грозовых перенапряжений и прочих импульсных переходных процессов, является импульсный обмер открытых распределительных устройств (ОРУ). Первым этапом этой работы был импульсный обмер ОРУ 330 кВ подстанции 204 Колэнерго. Результаты этого обмера и численное моделирование соответствующих процессов в схеме изложены в предыдущих статьях [1, 2]. Полученные результаты в основном подтвердили правомерность используемых методик [3] и соответствующие рекомендации Руководящих документов [4, 5] и, в то же время, указали на необходимые уточнения, в первую очередь параметров высоковольтных аппаратов и деформации волн вследствие потерь в грунте и проводах. К сожалению вопрос об импульсной короне остается открытым.

Продолжением настоящего исследования явился импульсный обмер ОРУ еще нескольких подстанций, предпринятый в КНЦ РАН. В настоящей статье приведены основные результаты обмера ОРУ 110 кВ подстанции ПС-360 и их численный анализ. Как и в предыдущем случае это позволяет проверить правильность принятых предпосылок в части моделирования волн напряжений и токов при грозовых воздействиях, а именно:

1. Моделирование распространения волн напряжений грозового происхождения в приходящих воздушных линиях и ошиновке подстанции. Оценка роли деформации волн за счет поверхностного эффекта в земле и проводах в величине возникающих перенапряжений.

2. Параметры входных емкостей высоковольтного оборудования и оценка достоверности такой модели.

3. Моделирование коротких участков ошиновки.

Схема ОРУ-110 кВ ПС-360 приведена на рисунке 1. Отключена 2-я ячейка. Импульс приходит от ГИН, подключенного к 2РП 110 на трансформатор Т-2, около которого установлен защитный аппарат ОПН-110 кВ. Схема подключения ГИН приведена на рисунке 2. Размещение оборудования 2-й ячейки и трасса прохождения импульса показаны на рисунке 3.

Рис.1. Принципиальная схема ОРУ 110 кВ ПС-360

Рис. 2. Схема подключения ГИН к шинам подстанции и измерения генерируемых параметров

Рис. 3. План размещения оборудования на ПС-360

Условия проведения опытов

1. Генерирование производится в шину фазы А. ГИН установлен у 2РП-110.

2. Измерения производятся на выходе генератора импульсов, на аппаратах подстанции в точках указанных на схеме ПС (рис. 1), подключенных к шинам фазы.

3. Параметры генератора: иимп = 20 кВ, емкость в ударе - 0.1 мкФ, фронтовые емкости Сф имеют значения: 470 пФ, 5170 пФ, 9870 пФ.

4. В качестве устройства, моделирующего защитный аппарат, установлена группа из четырех последовательно соединенных ОПН типа S10K510 фирмы EPCOS (при 1 мА - 820 В, при 25 А - 1355 В). Напряжение среза - 5 кВ.

5. Для имитации воздушной линии (ее волнового сопротивления) последовательно с ГИН включался резистор ТВ0-60 сопротивлением 510 Ом.

6. При измерениях использован осциллограф АКИП и переносной делитель напряжения с параметрами = 16.78 кОм, Я2 = 926.2||50 Ом. При работе на вход осциллографа 50 Ом - Кд = 356.7.

7. Импульс генератора измерялся посредством встроенных в ГИН делителя и шунта. При генерировании импульсов в линию у опоры измерялись напряжение и ток на выходе ГИН. Параметры собственного делителя ГИН: Яг = 17.86 кОм, Я2 = 52.6||50 Ом, При работе на осциллограф АКИП, Кд=691. Сопротивление шунта ЛШ = 1.41 Ом, входное сопротивление канала тока 50 Ом (рис.2). На 1-й канал подавался ток, на 2-й - напряжение.

8. Напряжение, подаваемое на шины подстанции, измерялось при помощи переносного делителя.

Напряжение фиксировалось на вводе трансформатора (Т-2), выключателе (В) и модели защитного аппарата в различных режимах, а также ток и напряжение на выходе ГИН - при наличии модели защитного аппарата и ее отсутствии.

На рисунках 4-5 приведены осциллограммы напряжений на этих аппаратах при наличии модели защитного аппарата.

а

б

22.5 20

17.6 15

12.5

10

7.5 5

2.5 0

на пряж ение

и Чл

г

і ток

1.

0 г * 6 3 10 12 14 1 18 мкс

20

17.5 15

12.5 10

7.5 5

2.5 0,

\

А г.

V

1 і.

16 18 мкс

Рис.4. Осциллограммы напряжения:

а - на выходе ГИН; б - на трансформаторе

t.

Рис.5. Осциллограммы напряжения и тока: а - на выключателе; б - на ОПН

Комплекс расчетов по уточнению параметров высоковольтного оборудования подстанции и оценке степени влияния потерь за счет конечного сопротивления земли и проводов был выполнен с помощью программного комплекса ATP.

Эквивалентная расчётная схема, составленная в программе ATP, представлена на рис.6. Положения коммутирующих аппаратов соответствуют моменту проведения исследований. Переход от принципиальной схемы к эквивалентной расчётной схеме выполнен по общим принципам, заменой высоковольтного оборудования его входными емкостями.

Эквивалентные входные емкости оборудования на фазу выбирались в соответствии со справочными данными, приведенными в табл.1.

б

а

Таблица 1

Наименование Эквивалентные входные емкости по данным [5], пФ

Силовые трансформаторы (автотрансформаторы) 1600

Выключатели воздушные во включенном положении 130

Разъединители во включенном положении в отключенном положении 60 40

Трансформаторы тока 150

Разрядники и ОПН 60

Рис. 6. Расчетная схема ОРУ 110 кВ в программе ATP

Чтобы достичь наилучшего совпадения расчётов и экспериментов, необходимо варьировать в разумных пределах большое количество параметров.

Во-первых, рассмотрим влияние эквивалентных входных емкостей на перенапряжения. Для этого были выполнены расчёты с помощью программы ATP для эквивалентных емкостей, взятых из табл.1. Ошиновка подстанции моделировалась линиями с потерями, с учётом конкретной геометрии каждого участка. Соответствующие расчетные осциллограммы напряжения на основном высоковольтном оборудовании, представлены на рис. 7.

25-

[kV].

20-

10-

5-

00 4 а 12 16 [us] 20 0 4 а 12 16 [us] 20

(file num1poteri(cxoactvo).pl4i x-var t) v:GIN (file num1paerl(cxodctvo).pl4i x-var t) c:XX0002-UL

10-

[kV].

а-

6-

4-

2-

00 4 а 12 16 [us] 20 0 4 а 12 16 [us] 20

(file num1poteri(cxoactvo).pl4i x-var t) v:XX0004 (file num1paerl(cxodctvo).pl4i x-var t) v:B

д

1-251--------------------------------------------------------------------------------------------------------------1

[kV]-----------+-----------,----------h--------------------------------ь---------4------------,-------b------------

20--------------f----------,----------1---------f----------------------!----------r-----------,-------!------------

15-

10-

5-

0-1----------1-1--------1-1--------1-1---------1-1--1------

0 4 а 12 16 [us] 20

(file num1poteri(cxoactvo).pl4i x-var t) v:OPN

Рис. 7. Осциллограммы напряжения

При сравнении опытных и расчётных осциллограмм напряжения на вводе трансформатора Т-2 видно, что максимальные амплитуды и период колебаний различны. Так, из опыта максимальная амплитуда составляет 10.4 кВ и период

i_ _1

"і_______і

"і- і I

"і і "І Г _і_ _ "і і "і Г _і_ _

I I I I

в

г

20

15

10

I_______I

1 Г

I_______I

1 Г

б

а

35

30

25

20

колебания 1.4 мкс, а по результатам расчётов максимальная амплитуда напряжения на вводе трансформатора равна 9.56 кВ при периоде колебаний 2.1 мкс. Таким образом, разница по амплитуде составляет почти 10%, что может оказаться значительным при расчёте показателей надежности грозозащиты подстанции, но еще больше расхождение в периодах колебаний. Как показал анализ, лучшего совпадения можно достичь, корректируя входные емкости оборудования, аналогично тому, как это было сделано в [2]. В таблице 2 приведены измененные значения входных емкостей. Как и в [2] это потребовалось для силового трансформатора, разъединителей и трансформатора тока.

Таблица 2

Расчётные значения емкости электрооборудования подстанции 110 кВ

Наименование Эквивалентные входные емкости по данным различных источников, пФ [2]

Силовые трансформаторы (автотрансформаторы) 1000

Разъединители во включенном положении в отключенном положении 100 60

Трансформаторы тока 500

Из таблицы видно, чтобы получить желаемые результаты, входную емкость трансформатора (Т-2) пришлось снизить до 1000 пФ, что вписывается в известные из литературных данных пределы изменения емкостей для силовых трансформаторов (500-1600 пФ).

На рисунках 8-9 представлены сведенные вместе экспериментальные и расчётные осциллограммы напряжения на основных высоковольтных аппаратах подстанции.

Благодаря изменению входных емкостей, расчётная максимальная амплитуда напряжения на вводе трансформатора Т-2 стала практически равной экспериментальной, различие составило десятки вольт, и период колебаний стал равен 1.6 мкс.

і. и,

4І •2Й

40 20

35 17.5

30 15

25 12.5

20 10

15 7.5

10 5

5 2.5

0 0

Рис. 8. Осциллограммы напряжения и тока на выходе ГИН:

а - экспериментальный ток; б - экспериментальное напряжение; в - расчётный ток; г - расчётное напряжение

а

и.

22?

20

17.5 15

12.5

10

2.5 І

оі

'эксперимент

і . . 1.

10 12 14 16

22КВ5

17.5

15

10

7.5

2.5

имент

1и экспе| /

к

І,

кВ

22.5

20

17.5 15

12.5 10

7.5 5

2.5 0

ікспері' мент

—^

1,

Рис. 9. Осциллограммы напряжения на вводе трансформатора

Таким образом видно, что предоставленные в нормативных документах входные емкости нуждаются в коррекции. В первую очередь это относится

б

в

к силовым трансформаторам и автотрансформаторам, где необходимо учитывать мощность трансформаторов и их конструктивные особенности.

Второй этап - оценка влияния потерь в ошиновке подстанции, вследствие конечного сопротивления земли и проводов с учетом скин-эффекта, на перенапряжения на электрооборудовании подстанции.

Ошиновка реальной подстанции состоит из множества участков, которые имеют различные длины, размещены на разных высотах и под разными углами. Соответственно это будет приводить к изменению волнового сопротивления этих участков. Также важным вопросом при расчётах является учёт поверхностного эффекта в земле и проводах, так как от этого зависит величина волнового сопротивления и потери. В ATP ошиновка подстанции моделировалась с помощью частотнозависимой модели Jmarti, то есть в виде линии с потерями, зависящими от частоты.

В таблице 3 представлены параметры и волновые сопротивления ошиновки рассматриваемой подстанции без учёта поверхностного эффекта. Здесь I - длина участка ошиновки, Иср - средняя высота подвеса провода, r - эквивалентный радиус провода, Z - волновое сопротивление провода без учёта поверхностного эффекта в земле.

Таблица 3

Волновые сопротивления ошиновки подстанции без учета поверхностного эффекта в земле

№ участка І, м h^, м г, м Zv, Ом

1 16,2 12,5 0,0075 487

2 8,5 20,6 0,0075 517

3 16,2 12,5 0,0075 487

4 10,7 20,6 0,0075 517

5 16,2 12,5 0,0075 487

6 3,3 5,75 0,0075 440

7 4,2 6,2 0,0075 445

8 13,6 13,8 0,0075 493

9 5,3 20,6 0,0075 517

10 16,5 12,35 0,0075 486

11 13,4 20,6 0,0075 517

12 13,6 13,8 0,0075 493

Для сопоставления с экспериментом рассматривалось 2 варианта, а именно:

1. Ошиновка подстанции выполнена из линий с потерями, то есть выполнен учёт всех параметров каждого участка. Как отмечено выше, в программе ATP это модель Jmarti.

2. Ошиновка подстанции без учета потерь, но с различными волновыми сопротивлениями (учет высоты подвеса). Поверхностный эффект в земле не учитывался.

Осциллограммы напряжения на вводе трансформатора представлены на рис. 10.

и.

2$

20

17.5 15

12.5 10

7.5 5

2.5 0

Рис.10. Осциллограммы напряжения на вводе трансформатора:

а - эксперимент; б - ошиновка выполнена линиями с потерями с учётом поверхностного эффекта; в - ошиновка выполнена линиями без потерь

Из осциллограмм видно, что наиболее близкое совпадение получается при моделировании ошиновки подстанции линиями с потерями. Таким образом, можно сделать вывод, что при моделировании ошиновки подстанции необходимо учитывать характеристики каждого участка в отдельности и поверхностный эффект в земле. Однако, как и в предыдущих опытах, размах колебаний расчетных осциллограмм превышает соответствующие экспериментальные кривые. Возможно, это вызвано погрешностями в моделировании коротких участков ошиновки, т.е. неучетом концевых эффектов, особенно для вертикальных спусков. В настоящее время этот вопрос прорабатывается.

Выводы

1. Реальная входная емкость трансформатора меньше справочной на 60%, что существенно влияет на амплитуду и период перенапряжений на нем.

2. При расчётах грозовых перенапряжений необходимо учитывать реальные потери в проводах и грунте с учетом скин-эффекта и концевые эффекты.

Литература

1. Данилин А.Н., Ефимов Б.В., Колобов В.В., Куклин Д.В., Селиванов В.Н. Экспериментальные исследования волновых процессов на шинах и заземлителе действующей подстанции // «Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика», вып.1, 2010.

2. Ефимов Б.В., Гумерова Н.И., Данилин А.Н., Кузнецов Т.К., Селиванов В.Н. Численный и экспериментальный анализ развития грозовых перенапряжений на подстанциях // «Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика», вып.2, 2011 г.

3. Костенко М.В., Ефимов Б.В., Зархи И.М., Гумерова Н.И. Анализ надёжности грозозащиты подстанций, Ленинград, «Наука», 1981 г.

4. Правила устройства электроустановок. СПб.: Издательство ДЕАН, 2003. - 928 с.

5. Руководство по защите электрических сетей 6-1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений / под науч. ред. Н.Н.Тиходеева. - СПб.: ПЭИПК Минтопэнерго РФ, 1999.

6. Справочник по электрическим установкам высокого напряжения, под редакцией И.А.Баумштейна, С.А.Бажанова, Москва, Энергоатомиздат, 1989 г.

Сведения об авторах

Ефимов Борис Васильевич,

директор Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, д.т.н. Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А Эл. почта: efimov@ien.kolasc.net.ru

Гумерова Натэлла Идрисовна,

доцент кафедры «Электроэнергетика, техника высоких напряжений», Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, к.т.н., ст.н.с.

Россия, Санкт-Петербург, ул.Политехническая, д.29

Тел. 8-911-2573809

Эл. почта: nigumerova@mail.ru

Кузнецов Т.К.

студент электромеханического факультета кафедры «Электроэнергетика, техника высоких

напряжений», Санкт-Петербургского государственного политехнического университета

Россия, Санкт-Петербург, ул.Политехническая, д.29

Тел. 8-952-2121733

Эл. почта: t-kuznezov@mail.ru

Данилин Аркадий Николаевич,

заведующий лабораторией высоковольтной электроэнергетики и технологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КИЦ РAH, к.т.н.

Россия, 184209, Мурманская область, гАпатиты, мкрАкадемгородок, д.2^

Эл. почта: danilin@ien.kolasc.net.ru

Селиванов Василий Николаевич,

ведущий научный сотрудник лаборатории высоковольтной электроэнергетики и технологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КИЦ РAH, к.т.н. Россия, 184209, Мурманская область, гАпатиты, мкрАкадемгородок, д.2^

Эл. почта: selivanov@ien.kolasc.net.ru

УДК 621.311

Б.В.Ефимов, Ю.М.Невретдинов, Д.И.Власко, А.О.Востриков РЕГИСТРАЦИЯ ГРОЗОВЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ НА ПОДСТАНЦИИ*

Аннотация

В статье приведены результаты расчетных исследований распространения грозовых волн в линии с подключенными подстанциями 110 кВ. Сопоставляются возможности регистрации токов в шинах заземления аппаратов Показано применение частотного метода обработки регистраций токов для локализации точки поражения ВЛ молнией и контроля грозовых перенапряжений.

Ключевые слова:

подстанция, грозовые перенапряжения, регистрация перенапряжений, локализация, шины заземления, частотный метод.

B.V.Efimov, Y.M.Nevretdinov, D.I.Vlasko, A.O.Vostrikov REGISTRATION OF LIGHTNING OVERVOLTAGES IN THE SUBSTATION

Abstract

The results of lightning waves propagation researches calculation at the power line with connected substations 110 kV has been adduced in the article. The currents registration possibility at the devices ground busses are compared. The currents registration elaboration frequency procedure application for power line strike point localization by lightning and lightning overvoltages control has been showed.

Key words:

substation, lightning overvoltages, overvoltages registration, localization, ground busses, frequency procedure.

* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 11 -08-00690).