Лабораторные исследования нелинейных входных сопротивлений заземлителей электроэнергетических устройств в условиях высокого удельного сопротивления грунта

А.Н.Данилин, В.Н.Селиванов, П.И.Прокопчук, В.В.Колобов, М.Б.Баранник

ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ ВХОДНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ ЗАЗЕМЛИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОГО УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ГРУНТА *

Аннотация

Приведены сведения по частичному решению следующих задач:

1. Создание лабораторного стенда для исследования импульсных процессов на заземлителях и разработка генерирующей и измерительной аппаратуры для выполнения исследований импульсных процессов в малых объемах грунта.

2. Исследование процессов искрообразования в грунте на лабораторных моделях элементов заземлителей при напряжениях ГИН до 60 кВ (длины элементов - несколько десятков сантиметров).

3. Создание математической модели процессов искрообразования в грунте. Приведенные экспериментальные и расчетные результаты можно расценить как «пристрелочные», позволяющие корректировать объем работы и ее главные направления.

Ключевые слова:

лабораторный стенд, импульсные процессы на заземлителях, генерирующая и измерительная аппаратура, процессы искрообразования в грунте, математическая модель процессов искрообразования.

A.N.Danilin, V.N.Selivanov, P.I.Prokopchuk, V.V.Kolobov, M.B.Barannik

LABORATORY STUDIES OF NON-LINEAR INPUT IMPEDANCE EARTHING ELECTRIC DEVICES UNDER CONDITIONS OF HIGH SOIL RESISTIVITY

Abstract

Information is given on a partial solution of the following tasks:

1. Creating a laboratory stand for investigation of pulsed processes on earthing, including the design of generating and measuring equipment for research of pulsed processes in small volumes of soil.

2. Investigation of processes of sparking in the ground in laboratory models of elements earth electrodes at GIN voltages up to 60 kV (the length of the elements - a few tens of centimeters).

3. Creating a mathematical model of sparking in the soil.

The experimental and calculated results can be interpreted as initial, allowing to adjust the volume of work and its main direction.

Keywords:

laboratory stand, sparking in the ground, generating and measuring equipment, mathematical model of sparking.

Создание лабораторного стенда для исследования импульсных процессов в подземных проводниках и разработка генерирующей и измерительной аппаратуры. Схема импульсного генератора для исследования импульсных процессов в подземных проводниках (включая измерительные элементы: делитель напряжения и токовый шунт) приведена на рис.1.

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

Предварительные опыты в малообъемной ванне (480x230x180 мм) показали, что пробой с заглубленного проводника на корпус ванны наступает при сравнительно низких напряжениях (до 30 кВ и ниже, в зависимости от формы проводника).

Для изучения процессов при более высоких напряжениях, при которых возникает устойчивое искрообразование, опыты были продолжены в баке большего объема (длина и ширина 700х450 мм, глубина - 400 мм). В этом случае процессы искрообразования, фиксирующегося по снижению импульсного сопротивления подземного проводника, начинались, в зависимости от конструкции проводника, с 20 кВ, а пробои грунта - при напряжениях в интервале 54-60 кВ. Общий вид установки, включая генератор импульсов, приведен на рис.2.

Рис.1. Схема импульсного генератора, подключенного к нагрузке:

Яз - зарядное сопротивление; Сжн - емкость генератора; Р - разрядник; Яг, Ьг - гасящие сопротивление и индуктивность; Яд1, Яд2 - сопротивления делителя напряжения; Яш - сопротивление токового шунта

Опыты проводились на подземных проводниках нескольких конструкций. На рис.3-6 представлены конструкции проводников и приведены их размеры.

Проводники погружались в грунт на глубину 5 см (верхний край проводника от поверхности грунта), за исключением электрода-полусферы. Грунт - увлажняемый песок, гранулометрический состав которого 0.1-2.0 мм.

Рис.2. Общий вид ванны с грунтом и импульсным генератором

Рис. 3. Сферический электрод. Диаметр шара В = 40 мм

Рис. 4. Горизонтальный электрод с полусферами на концах. Длина проводника Ь = 300 мм, диаметр провода = 2.5 мм, диаметры полусфер = 6 мм

Рис. 5. Горизонтальный электрод. Длина проводника Ь = 300 мм, диаметры полусфер й2 = 6 мм

Рис.6. Вертикальный электрод. Длина проводника Ь = 100 мм, диаметры проводника й = 6 мм

Для выполнения измерений удельного сопротивления влажного грунта был изготовлен коаксиальный пробник (рис.7). Сопротивление грунта Я в такой системе и, соответственно, удельное сопротивление грунта р равны:

При данных конструктивных параметрах пробника и измеренном сопротивлении грунта удельное сопротивление определяется: р=0.98Я.

Параметры генераторно-измерительной системы.

из = 0-60 кВ; Сгин = 01 мкФ; Лд1 = 13610 Ом; Кд = 2791 - сквозной коэффициент деления делителя; Яш = 1.4 Ом, К = 0.506 В/А - сквозной коэффициент деления шунта.

Г

электрод 1

Ь = 14? мм I) = 76 мм с! = 30 мм

^______Е>________„

Рис.7. Коаксиальный пробник для определения удельного сопротивления влажного грунта

Сквозные коэффициенты деления определяются путем градуировки измерительного устройства вместе с кабелем и согласующим сопротивлением на конце кабеля (кабель РК-50). При измерениях токов пробоя грунта в токовый канал добавлялся делитель 1:100. Для измерений использовался цифровой осциллограф типа АКИП-4113/2

Результаты исследования импульсных процессов в подземных проводниках. Результаты экспериментальных исследований представлены осциллограммами (рис.8-14). В этой серии опытов грунт имел р=1.38 кОм-м, влажность 10%.

В данной серии опытов основной задачей было изучение динамики изменения сопротивления заземлителей различной конфигурации в зависимости от напряженности поля на его поверхности и определение критического значения напряженности (Е0), при которой начинается искрообразование в грунте и образование вокруг проводника ионизированного чехла, снижающего его сопротивление. На осциллограммах и расчетных зависимостях (рис.8-13) приведены токи и напряжения на электроде в зависимости от его формы и напряжения генератора импульсов, а также расчетные динамические сопротивления электрода. На рис.8-10а представлены напряжения, при которых развивается указанный ток. Приведены наиболее отличающиеся осциллограммы процессов для вертикального, горизонтального и полусферического электродов. Из приведенных осциллограмм видно, что процесс искрообразования, резко снижающий динамическое сопротивление электрода в земле, зависит импульсного напряжения, а также формы и площади электрода.

Другой задачей было изучение процесса пробоя больших промежутков грунта. Результаты этих процессов приведены на рис.11 для одного из типов электродов (сфера, на половину погруженная в грунт).

Опыты с пробоем грунта показали, что канал пробоя формируется крайне медленно, причем время пробоя имеет очень большой разброс.

Рис.8. Вертикальный электрод:

а - токи и напряжения на электроде; б - динамические сопротивления

Рис.9. Горизонтальный электрод:

а - токи и напряжения; б - динамические сопротивления

10 15 2 4 3 кВ

48,6 44,6 39,6 кВ \ Г

О 27 54 81 108 135 162 189 216 243 270 297 324 мкс

Рис.10. Электрод-полусфера:

а - токи и напряжения на электроде; б - динамические сопротивления

1, и, а

А 270 В 90 Он» 4500

240 80 4000

210  70 3500

180 60 3000

150 50 2500

120 40 2000

90 30 1500

60  20 1000

30  10 500

0 0 4)

и I < У1

Г л V \

\ \ ( \ ]

\ \ 1Т

\ \

г X ь

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 мкс

1, и, а

А 270 кВ 90 0|у 4500

240 80 4000

210 70 3500

180 60 3000

150 50 2500

120 40 2000

90 30 1500

60 20 1000

30 10 500

0 0 о!

лт

г I

/

4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 мкс

Рис.11. Осциллограммы тока и напряжения на электроде при пробое грунта

Оптические и визуальные наблюдения процессов искрообразования в грунте. Целью оптических и визуальных наблюдений процессов искрообразования в грунте является изучение процессов развития искрового разряда в увлажненном грунте вблизи поверхности высоковольтного электрода.

Устройство установки. В стеклянном цилиндре выполнено омеднение внутренней поверхности медной фольгой. В омеднении оставлено окно, в центре которого на поверхность стекла приклеен медный круг (высоковольтный электрод) диаметром 30 мм, к которому подведен изолированный провод.

Полость цилиндра заполнена увлажненным песком. Внутреннее омеднение заземляется, на приклеенный медный электрод подается импульс высокого напряжения. Устройство установки приведено на рис. 12.

фотоаппарат

/ і \

вы соков оль тныи электцод

200

заземленный электрод

////////у////////////////.

130

30

высоковольтный

электцод

7777777777777777777777-'

Рис.12. Устройство установки для наблюдения процессов искрообразования в грунте

Безусловно, данное устройство не может служить достаточной моделью реального подземного проводника. В опыте предполагалось оценить, насколько процесс искрообразования дискретен, т.е. идет ли искрообразование со всей поверхности электрода (его края) или развиваются отдельные каналы разрядов.

Фотографии искровых каналов в грунте от края электрода в зависимости от приложенного напряжения приведены на фотографиях (рис.13). Съемка производилась в темноте на открытый объектив фотоаппарата, поэтому не отображает процесс в динамике.

Можно отметить, что каналы искр дискретны и начинаются с неких концентраторов, у которых поле наиболее неоднородно. С ростом напряжения интенсивность искрообразования возрастает.

Моделирование процессов ионизации в грунте. Простейшей является модель с постоянной напряженностью электрического поля Ео на эквивалентной поверхности электрода с радиусом, равным радиусу зоны ионизации Г в грунте. В общем случае

Ео = ро^ №

где S(г) - площадь поверхности зоны ионизации; Ео - пробивная напряженность электрического поля грунта (критическая, напряженность ионизации); - ток,

стекающий с заземлителя в землю; р 0 - удельное сопротивление

неионизированного грунта. В этой модели предполагается, что удельное сопротивление в зоне ионизации бесконечно мало и принимается равным 0.

Из выражения (1) определяется радиус зоны ионизации. Так, для горизонтальных и вертикальных заземлителей он вычисляется по формуле:

г = Ро^ ,

2% 1Е0 К ’

где I - длина заземлителя.

На конце вертикального заземлителя необходимо увеличить зону ионизации за счет полусферической области, возникающей на конце заземлителя:

1 ( \----------------

Г 2

-1 + І12 +

V

% Е

о

Для полусферического заземлителя получим следующее выражение:

г = Ро1л .

V 2% Е0 У ’

о

Сопротивление заземлителя определяется только для зоны неионизированного грунта. Для полусферы радиусом г на границе раздела земля-воздух относительно бесконечно удаленной границы сопротивление заземлителя Я3 вычисляется по формуле:

= у0-

2% г

Расчеты проводились с помощью программы АТР-ЕМТР с параметрами импульсного источника, соответствующими параметрам экспериментальной установки (рис.14).

Напряженность Е0 является неопределенным параметром модели. По разным источникам, эта величина для различных грунтов может принимать значение от 100 до 1000 кВ/м и имеет тенденцию к увеличению с ростом удельного сопротивления грунта. Измеренное при проведении экспериментов значение удельного сопротивления песка составляло около 1000 Ом-м, поэтому значение Е0 = 1000 кВ/м наиболее реально и уточняется в ходе сравнения с результатами эксперимента.

р R-г L г

74 Ом Ю мкГн

Рис.14. Расчетная эквивалентная схема импульсного генератора

Результаты расчета для полусферического электрода.

Полусферический электрод имел радиус 25 мм, удельное сопротивление песка 1000 Омм, зарядное напряжение конденсатора СГИН изменялось от 10 до 50 кВ. Сопротивление заземлителя в неионизированном состоянии 6400 Ом. При значении Е0 = 1000 кВ/м первые признаки ионизации появляются при зарядном напряжении 25 кВ, что соответствует результатам эксперимента. С другой стороны, если в качестве критерия подгонки выбрать минимальное сопротивление ионизированного заземлителя и время деионизации заземлителя, то значение Е0 необходимо снизить до 600 кВ/м.

Анализ кривой импульсного сопротивления заземлителя (рис.15) указывает на основной недостаток простейшей модели заземлителя - на отсутствие учета конечного времени протекания ионизационных процессов. Сопротивление заземлителя мгновенно спадает до значения, соответствующего сопротивлению ионизированного электрода с эквивалентным радиусом, полученным из условия критической напряженности на его поверхности. Затем сопротивление увеличивается до неионизированного состояния по мере уменьшения потенциала на электроде. В случае полусферы этот спад носит линейный характер.

7000

6000 5000

§ 4000

О

^ 3000 2000 1000 и

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

t, мс

Рис.15. Результаты расчета для полусферического заземлителя при зарядном напряжении U0=48.6 кВ

Этого недостатка лишена модель, предложенная в работе A.C.Liew и M.Darveniza "Dynamic model of impulse characteristics of concentrated earths" [1].

В ней учитывается тот факт, что удельное сопротивление грунта в зоне ионизации не нулевое, а зависит от плотности стекающего тока: в областях с плотностью тока, больше критической плотности 1С, удельное сопротивление меньше значения р0. Ионизация почвы, кроме того, характеризуется гистерезисом на ветви деионизации (рис. 16).

Рис.16. Зависимость удельного сопротивления грунта в зоне ионизации от амплитуды и знака производной плотности тока.

Удельное сопротивление в модели описывается функцией времени. На ветви роста тока в той области, где плотность тока превышает критическую 1С, выражение имеет вид:

( < \

р(() = ро ехр

1

где время г отсчитывается от момента начала ионизации, а т1 - постоянная времени ионизации, которая является неопределенным параметром модели, который уточняется при сравнении с результатами эксперимента.

На ветви спада тока происходит деионизация искровой зоны и удельное сопротивление при плотностях тока, меньших критической, описывается зависимостью:

(

Р(() = Рг + (Р0 “Р^

(

1 - ехр

г

1-

Т

Т

У

с )

где рг- - удельное сопротивление на ветви деонизации при плотности тока, равной критической (вычисляется по формуле (6)), т2 - постоянная времени деионизации, которая является неопределенным параметром модели и уточняется при сравнении с результатами эксперимента.

Таким образом, одновременно существует три зоны:

1. Зона неионизированного грунта, где выполняются условия: Т<ТС, р=

р 0.

Сопротивление области для полусферического электрода рассчитывается по формуле:

Р0 1

^N1 =

где Гй - радиус зоны деионизации.

2. Зона деионизации, в которой Т<ТС, удельное сопротивление вычисляется по формуле (7), а сопротивление зоны по формуле:

2%

(

1 1

Л

г

\ 1

где гI - радиус зоны ионизации.

3. Зона ионизации, в которой Л>.1С, удельное сопротивление вычисляется по формуле (6), а сопротивление зоны по формуле

PL

2ж

(

1

Л

где г - радиус полусферы.

Сопротивление заземлителя есть сумма сопротивлений трех зон:

R3 = rni + rdi + ri •

На рис.17 показан результат расчета для полусферического электрода, описанного выше, при Е0=600 кВ/м и т 1=Х2=5 мкс.

Рис.17. Результат расчета динамического сопротивления для полусферического электрода

Отличие от экспериментальных результатов объясняется отличием форм волн напряжения в реальном генераторе и в модели.

Выводы

Как указывалось в задачах данной работы, полученные экспериментальные и расчетные результаты являются предварительными, которые можно сравнить с мировыми данными и найти отличия и новые явления, а также показать направление дальнейших исследований.

Результаты показали ряд значительных отличий от имеющихся в источниках и позволили сделать иные предварительные выводы. Например, опыты не согласуются с выводом в работе [2] о том, что на ошиновке больших размеров искрообразование отсутствует. Полученные данные позволили уточнить направление дальнейших исследований, а в публикациях по данной теме будет приведен более детальный анализ результатов, а также уточненная расчетная модель.

Литература

1. Dynamic model of impulse characteristics of concentrated earths / A.C.Liew & M.Darveniza // Proc. IEE. 1974. Vol. 121, № 2. Р. 123-135.

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

Данилин Аркадий Николаевич,

заведующий лабораторией высоковольтной электроэнергетики и технологии центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, д.т.н.

Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А Эл. почта: danilin@ien.kolasc.net.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

Колобов Виталий Валентинович,

старший 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: 1 i@mail.ru

Баранник Максим Борисович,

ведущий инженер 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: maxbar@ien.kolasc.net.ru

УДК 621.311

Д.И.Власко, А.О.Востриков, А.П.Домонов, Ю.М.Невретдинов

ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ РЕГИСТРАЦИИ ГРОЗОВЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В ДЕЙСТВУЮЩЕЙ СЕТИ*

Аннотация

В статье приведены результаты экспериментов по генерированию импульсных напряжений в ОРУ 110 кВ подстанции с одновременной регистрацией токов и напряжений в нейтрали трансформатора. Показана перспективность регистрации токов в нейтралях для локализации точки поражения ВЛ молнией и контроля грозовых перенапряжений. Выявлены проблемы обработки регистраций в нейтрали с помощью частотных передаточных функций трансформатора и датчика тока.

Ключевые слова:

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