Экспериментальные исследования волновых процессов на шинах и заземлителе действующей подстанции

УДК 621.311

А.Н.Данилин, Б.В.Ефимов, В.В.Колобов, Д.В.Куклин, В.Н.Селиванов

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ НА ШИНАХ И ЗАЗЕМЛИТЕЛЕ ДЕЙСТВУЮЩЕЙ ПОДСТАНЦИИ

Аннотация

В статье приводятся результаты измерений распространения и деформации грозовых волн напряжения с большой крутизной фронта, приходящих на ошиновку и оборудование подстанции по воздушным линиям электропередачи.

Ключевые слова:

подстанция, грозовая волна, перенапряжение, импульсный генератор

A.N.Danilin, B.V.Efimov, V.V.Kolobov, D.V.Kuklin, V.N.Selivanov EXPERIMENTAL STUDIES OF THE WAVE PROCESSES IN SUBSTATION BUSBARS AND GROUNDING GRID

Abstract

Propagation and deformation of lightning voltage waves with high rate of pulse rise have been investigated. Measuring of these waves, becoming to substation busbars and apparatus via overhead transmission lines were carried out. Experimental data are presented.

Keywords:

substation, lightning surge, overvoltage, pulse generator

В статье приводятся результаты измерений распространения и деформации волн напряжения, приходящих на ошиновку и оборудование подстанции по воздушным линиям. Данная работа выполнена с целью изучения этих процессов при моделировании прихода по линии на подстанцию грозовой волны напряжения с большой крутизной фронта. Ранее, в 1960-х, 1970-х годах, такие работы проводились, их повторение обусловлено тем, что за истекший срок кардинально изменилась генераторная и измерительная техника, позволяющая уточнить результаты экспериментов, а также получить новые данные по переходным процессам, измерение которых ранее было крайне неточным и имеющим большие погрешности. Это объясняется тем, что используемое в те времена измерительное оборудование имело паразитные параметры, соизмеримые с параметрами измеряемых объектов, главным образом их распределенных емкостей относительно земли, что и приводило к трудно учитываемому искажению результатов измерений.

Для получения хорошо интерпретируемых результатов на начальном этапе исследований необходимо было выбрать подстанцию, простую по конструкции, имеющую большую площадь и протяженную ошиновку. Это позволяло достаточно точно регистрировать и объяснять процессы распространения, отражения и преломления волн на разных участках шин. Одной из подстанций, отвечающих указанным требованиям, является подстанция № 204 Карельского предприятия МЭС, расположенная в 3 км от г.Апатиты. На данной подстанции наибольшая протяженность ошиновки от

вводного портала до вводов автотрансформатора 330/150/35 кВ составляет около 200 м, что позволяет достаточно точно измерить переходные процессы.

По договоренности с руководством Межрегиональных электрических сетей ЦФТПЭС была предоставлена возможность выполнить серию опытов в период вывода подстанции и питающей линии 330 кВ в ремонт. Согласно утвержденной программе на третьей опоре от подстанции к проводу линии был подключен генератор высоковольтных импульсов, имитирующий грозовую волну, набегающую на подстанцию. Импульс генерировался относительно опоры. В ряде точек на оборудовании подстанции выполнены осциллографические измерения приходящей волны. Осциллографировался также импульс на выходе генератора. Место подключения генератора показано на рис.1.

ПС-204 - анкер А|?=Ч|Р Фаза С ^ I п прпмржут ппромежут

Ь ^ фаза А ^ 419 269 н ^ 247

688 м

190

Рис.1. Расположение опор до места включения ГИН

Измерения переходных процессов на шинах и оборудовании подстанции № 204 при моделировании грозовой волны, приходящей на подстанцию по проводам воздушной линии Л-404 проводилось на одной из обесточенных ячеек, у которой протяженность ошиновки максимальна. На рис.2 приведена схема подстанции с указанием положения коммутационных аппаратов по сторонам 330/150/35 кВ и точек на ОРУ-330 кВ, в которых производились измерения параметров волны, набегающей по линии.

Для выполнения расчетов волновых процессов в ошиновке и интерпретации измеренных волновых процессов необходим план размещения оборудования на территории подстанции и профили, на которых указаны высоты аппаратов, шин и соединений. План и профиль подстанции по ошиновке ячейки, в которой выполнялись измерения, приведены на рис.3.

Импульсный генератор разработан для выполнения исследований в полевых условиях. Он имеет автономное питание и может генерировать импульсы амплитудой до 20 кВ с частотой 0,2 Гц в течение полной рабочей смены. Регулируемые параметры генератора: величина зарядного напряжения выходного накопителя, частота следования импульсов, длительность фронта импульса на эквивалентной нагрузке 470 Ом в диапазоне от 0,05 мкс до 2 мкс. Параметры фронтов импульса, а также спад импульса на эквивалентной нагрузке представлены на рис.4 и 5. Подключение генератора к проводу воздушной линии приведено на рис.6. Для этого выбран провод фазы С, в цепи которого отсутствуют катушки ВЧ заградителей связи. Оставался открытым вопрос согласования волновых сопротивлений участков линии: провод от генератора к фазному проводу и сам фазный провод. Волновое сопротивление линии генератор - фазный провод - величина переменная по длине и за счет этого ожидались отражения, накладывающиеся на генерируемый импульс, создающие помехи изучению переходных процессов на подстанции. Опыт показал, что согласовать эти участки волновых линий не удается, однако

этот процесс достаточно быстро затухающий и по мере движения волны по линии за счет потерь эти высокочастотные процессы «заглаживаются».

Измерение сопротивления заземлителя опоры было выполнено импульсным методом с использованием генератора 10 кВ по ранее разработанной методике. Осциллограммы тока, напряжения и импульсного сопротивления приведены на рис.7. Среднее значение сопротивления заземлителя опоры в интервале времени 0,5-2,0 мкс составляет примерно 38 Ом.

Рис. 2. Схема подстанции № 204 с указанием точек измерения

Рис. 3. План размещения оборудования на подстанции № 204

и.

в

9000

8000

Рис.4. Фронты импульсов генератора на резистор 470 Ом при различных значениях фронтовых емкостей:

1 - СФ =0; 2 - СФ=470 пФ; 3 - СФ=940 пФ, 4 - СФ=1410 пФ; 5 - СФ=5170 пФ; 6 - СФ =9870 пФ

Рис.7. Осциллограммы тока, напряжения и импульсного сопротивления заземлителя опоры

На подстанции № 204 (см. схему рис.2) в качестве защитных аппаратов использованы вентильные разрядники РВМГ-330. Поскольку в энергосистеме запланирована замена вентильных разрядников на оксидно-цинковые ограничители перенапряжений (ОПН), решено эксперименты проводить с моделью ОПН, включаемой параллельно РВМГ-330. Выбор типа и параметров модели ОПН был выполнен исходя из следующих критериев подобия.

Для сети 330 кВ фазное напряжение иФ = 190 кВ, амплитуда фазного напряжения Uфт = 270 кВ. Остающееся напряжение при расчетном токе грозового перенапряжения в 1,75 раз больше амплитуды фазного напряжения и составляет 465 кВ. Несрезанная грозовая волна, приходящая по линии, для подвесной изоляции 330 кВ составляет 7U фт = 2000 кВ. Исходя из этого, если амплитуда импульса генератора, моделирующего грозовую волну, составляет 20 кВ, параметры среза модели ОПН должны быть меньше примерно в 100 раз, т.е. необходимо выбрать ОПН с напряжением среза 4,0-4,5 кВ.

Другим фактором модели должно быть равенство величин емкости ОПН и его модели при рабочем напряжении. Емкость ОПН 330 кВ составляет примерно 20-30 пФ и практически никак не сказывается на переходных процессах в ошиновке. На основе этих данных был выбран модельный ОПН, выполненный из четырех последовательно соединенных ОПН типа S10K510 фирмы Epcos. Емкость каждого элемента составила примерно 100 пФ, поэтому при последовательном соединении четырех элементов емкость модельного ОПН равна примерно 25 пФ, что соответствует ОПН 330 кВ. В табл.1 приводятся значения вольт-амперной характеристики ОПН.

Таблица 1

Значения вольт-амперной характеристики ОПН типа S10K510

I, А 0,25 0,5 1,0 2,0 5,0 10 20 30 40 50 60 66

и,В 980 1010 1030 1040 1110 1130 1170 1200 1220 1250 1270 1310

Ниже приводятся обобщенные исходные условия опытов.

1. Генерирование производится в провод фазы С, в которой отсутствует заградитель ВЧ связи.

2. Измерения производятся на выходе генератора импульсов и на аппаратах подстанции, подключенных к шинам фазы С, а также наведенные напряжения на вводах автотрансформатора АТ-2 на фазах А и В в точках указанных на схеме ПС (рис. 2) и плане подстанции (рис.3).

3. ГИН установлен у 3-й опоры. Расстояния между опорами до места включения ГИН приведены на рис.1, способ подключения приводится на рис.1 и 6. Электрическая схема генератора и его формирующие параметры приведены на рис.4 и 5. Все опыты проводятся при амплитуде напряжения на выходе генератора 20 кВ, и фронтах 0,05 мкс и 0,3 мкс.

4. В качестве устройства, моделирующего защитный аппарат, установлены четыре последовательно соединенных ОПН типа S10K510 фирмы Epcos.

5. При измерениях в указанных точках на подстанции использован осциллограф АКИП и делитель с параметрами Ri = 16,78 кОм, R2 = 926,2 Ом. При работе на вход осциллографа 50 Ом - коэффициент деления Кд = 356,7.

6. При генерировании импульсов в линию измерялись напряжение и ток на выходе ГИН. Параметры собственного делителя ГИН: R1 = 17,86 кОм,

Я2 = 52,6 Ом. При использовании для этого двухканального цифрового осциллографа Актаком с входным сопротивлением 51 Ом, коэффициент деления составил Кд = 691. Сопротивление шунта ЯШ = 1,41 Ом, входное сопротивление канала тока 50,2 Ом. На 1-м канале измерялся ток, на втором - напряжение.

7. При измерениях импульсного сопротивления заземлителя опоры использовался ГИН 10 кВ с делителем напряжения и токовым шунтом на выходе с параметрами: Кд = 370, ЯШ = 0,325 Ом

В ходе эксперимента получены десятки осциллограмм токов и напряжений в различных точках подстанции при разных параметрах воздействия. Эти данные требуют тщательного анализа, результаты которого будут представлены позже. В качестве примера на рис.8 приведено напряжение на модели ОПН, демонстрирующее влияние импульсного сопротивления заземления ОПН. Представлены кривые напряжения на ОПН относительно шины его заземления (1) и напряжение на ОПН (2) относительно удаленной земли. Кривая (3) - падение напряжения на локальном импульсном

сопротивлении заземления ОПН относительно удаленной земли, которое добавляется к остающемуся на ОПН напряжению. Такое же значение получается относительно защищаемого автотрансформатора. Как видно из осциллограммы, в данных условиях напряжение на ОПН превышает на 30% его защитный уровень за счет падения напряжения на заземлителе ОПН, локальное импульсное сопротивление которого оказалось достаточно высоким.

Рис. 8. Осциллограммы напряжений на заземлителе модели ОПН:

1 - напряжение на ОПН относительно заземляющей шины;

2 - напряжение на ОПН относительно удаленной земли; 3 - напряжение

на заземлителе ОПН относительно удаленной земли

Предварительные оценки показывают, что при полученном соотношении напряжений на защитном аппарате и его заземлителе разряд молнии с крутым фронтом в линию вблизи подстанции может привести к повреждению изоляции оборудования. На рис.9 представлены осциллограммы напряжений на вводе автотрансформатора и на ОПН относительно шин заземления. На защищаемом автотрансформаторе максимум напряжения в 2.6 раза выше напряжения на модели ОПН. С учетом развития перенапряжений в схеме подстанции неудачная конструкция заземления защитного аппарата может стать причиной повышения напряжения выше обычных 1.5-1.7 от напряжения на нем.

10

1

2

/ V

і,

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5

Рис.9. Осциллограммы напряжений на защитном аппарате и вводе автотрансформатора:

1 - напряжение на вводе АТ-2 относительно его заземлителя;

2 - напряжение на ОПН относительно его заземлителя

Сведения об авторах 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

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

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

Куклин Дмитрий Владимирович

инженер лаборатории высоковольтной электроэнергетики и технологии Центра физикотехнических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к.т.н.

Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А

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