Экспериментальные исследования импульсных характеристик сосредоточенных заземлителей

УДК 621.311

А.Н.Данилин, В.В.Ивонин

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СОСРЕДОТОЧЕННЫХ ЗАЗЕМЛИТЕЛЕЙ

Аннотация

В статье описан высоковольтный полигон, созданный для исследования импульсных характеристик заземлителей. Приведены результаты экспериментальных исследований процессов искрообразования в грунте и распределения потенциалов вокруг сосредоточенных заземлителей.

Ключевые слова:

высоковольтный полигон, ионизация грунта, искрообразование в грунте, импульсное сопротивление заземлителя.

A.N.Danilin, V.V.Ivonin

EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF THE IMPULSE RESPONSES ОР CONCENTRATED GROUNDS

Abstract

The high-voltage polygon created to study the impulse responses of grounding is described. The results of experimental research of potential distribution around concentrated grounds are presented.

Keywords:

high-voltage polygon, soil ionization, sparking in soil, impulse grounding impedance.

Грунт представляет собой совокупность различных веществ, таких как гравий, песок, глина, минеральные и органические соединения, в которых содержится вода и воздух. Все эти вещества влияют на электрические свойства грунта и характер растекания тока с заземлителей в стационарных и импульсных режимах. Характеристики пробоя жидких, твердых и газообразных диэлектриков хорошо изучены [1]. Однако физическая модель пробоя составного грунта окончательно не разработана. Поэтому изучению электромагнитных процессов, протекающих в заземлителях и прилегающих к ним грунтах, уделяют большое внимание, особенно в районах c высоким удельным сопротивлением грунта, к которым относится Кольский полуостров.

Известно, что электрическое поле, созданное большими токами, приводит к появлению искровых каналов в комбинированном грунте, окружающем электрод [2]. Так как удельное сопротивление плазмы в этих каналах ниже, чем удельное сопротивление окружающего грунта, происходит существенное уменьшение сопротивления заземляющего электрода. Это явление называют ионизацией грунта.

Первая статья, посвященная изучению процессов ионизации и искрообразования в грунте, датирована 1929 годом [3]. В ней автор впервые объясняет отличие между стационарным и импульсным сопротивлением заземлителей.

Последующие эксперименты, проведенные Bellaschi [4], подтвердили это наблюдения для разных типов грунта и конфигурации электрода. С тех пор многие ученные разрабатывали модели, описывающие данные процессы в заземлителях (Chisholm и Janischewsky [5], Geri [6], Korsuntcev [7], Liew и Darveniza [8], Oettle [2], Nixon [9], Рябкова [10], Wang [11], Cooray [12]). Опыты проводились как в ограниченных объемах грунта, так и в открытых грунтах.

Данная тема в настоящее время становится более актуальной из-за использования в энергосистемах цифрового электронного оборудования, чувствительного к переходным процессам, вызванных разрядами молнии.

27

Ранее нами были проведены исследования импульсных характеристик заземлителей в лабораторных условиях в малых объемах грунта [13, 14, 15, 16]. Изучалось импульсное сопротивление заземлителей в зависимости от удельного сопротивления грунта, его электрической прочности и зависимости удельного сопротивления грунта р от напряженности электрического поля.

В данной статье приводятся результаты исследований импульсных сопротивлений сосредоточенных заземлителей на открытом полигоне при напряжениях, на порядок превышающих лабораторные значения.

Полигон представляет собой участок земли площадью 8^16 м вблизи здания высоковольтной лаборатории. По контуру участка на глубине примерно 250 мм проложен замкнутый заземляющий контур, выполненный из стальной полосы 35 мм. Для снижения сопротивления заземляющего контура через каждые 2 метра по контуру заземления в землю забиты электроды диаметром 20 мм и длиной 400 мм, которые приварены к полосе контура. Электрическая схема полигона приведена на рис. 1.

Рис.1. Электрическая схема высоковольтного полигона

Грунт полигона двухслойный: сверху морена глубиной до 0.5 м (смесь песка с галькой), ниже дробленые скальные грунты. В центре полигона для удобства размещения в грунте электродов вырыта канава глубиной 0.4 м и шириной 0.4 м, которая заполнена песком. Нагрузка, представляющая собой заземлители различной конфигурации, помещалась в песчаной канаве на глубинах от 0 до 300 мм.

Генератор импульсных напряжений (ГИН) выполнен на основе импульсных конденсаторов ИК-100/0.4 и состоит из 7 ступеней. Возможно регулирование уровня выходных импульсных напряжений от 150 кВ до 450 кВ. Для получения меньших напряжений (10 кВ-150 кВ) уменьшается число ступеней ГИН.

Коммутация ГИН принудительная. После заряда ГИН от зарядного устройства, последнее отключается от сети 220 В и производится механическая коммутация первого разрядника ГИН. Этим обеспечена развязка сети от источника импульсных напряжений.

В качестве измерительных устройств используются киловольтметр, осциллограф АКИП - 4113/2, делитель напряжения и токовый шунт. Удельное сопротивление грунта р измерялось прибором ИСЗ-2016. Среднее значение р полигона составило 1200 Омм.

Исследование процессов искрообразования в грунте на сосредоточенных заземлителях

Целью данных экспериментов было изучение процессов искрообразования в грунте при напряженностях поля, выше критического на сосредоточенных заземлителях. Конструктивные параметры заземлителей приведены на рис.2.

Осциллограммы импульсных сопротивлений сосредоточенных заземлителей, размещенных в центре площадки полигона, при подаче высоковольтных импульсов на них приведены на рис.3. Осциллограммы и зависимости сопротивлений представлены для импульсных напряжений 150 кВ и 300 кВ.

28

Рис.2. Конструктивные параметры сосредоточенных заземлителей

Рис. 3. Импульсные сопротивления электродов разных конструкций при разных напряжениях ГИН

Сравнительные зависимости сопротивлений, приведенные на рис.3, показывают, что у сосредоточенных заземлителей различной конструкции радиусы зоны искрообразования при высоких напряжениях практически одинаковы. Даже в случае если электрод не заглублен в грунт, а просто лежит на поверхности земли, образующаяся в грунте искровая зона приобретает сферическую форму и сопротивление становится таким же, как у шарообразного электрода. Таким образом, при напряженностях поля, превышающих критические значения начала искрообразования, форма сосредоточенного электрода практически не влияет на его сопротивление.

На рисунке 4 приведены осциллограммы импульсного сопротивления полусферического электрода при разных значениях приложенного напряжения. Показано, что напряженность начала искрообразования в опытах на открытых грунтах более Ен=5.5 кВ/см. По мере снижения импульсного напряжения искровая зона в грунте вокруг электрода уменьшается, и электрическая прочность грунта восстанавливается.

29

Рис.4. Импульсное сопротивление полусферического электрода при разных значениях приложенного импульса

Измерения импульсных потенциалов вокруг сосредоточенных заземлителей в открытом грунте

Целью данной серии опытов было исследование потенциалов вокруг сосредоточенных электродов в открытом грунте. Приведенные в литературе сведения по таким исследованиям базируются на опытах в грунтах, помещенных в металлические емкости, имитирующие удаленную землю [10].

В качестве сосредоточенного заземлителя использовался полусферический электрод диаметром 140 мм. Генератор импульсов имеет емкость в ударе С=0.057 мкФ. Измерения выполнены при генерировании импульсов напряжением в амплитуде 160 кВ. Схема измерений и параметры зонда приведены на рис.5. На рис.6 приведена типичная осциллограмма импульса, генерируемого на сферический электрод.

Рис. 5. Измерения потенциалов вокруг сосредоточенных заземлителей в открытом грунте

Jkl

/

\и

„ I

Z

10 20 30 40 50 60 70 80 90 мкс

Рис. 6. Осциллограмма импульса на сферическом электроде

30

На рисунке 7. представлены совмещенные осциллограммы потенциалов грунта в зависимости от расстояния до электрода L. Можно отметить, что при расстоянии до электрода 0.2 м через 0.5 мкс после подачи на него напряжения наблюдается резкий излом кривой потенциала из-за пробоя грунта до исследуемой точки. Искровой канал с малым сопротивлением закорачивает слой грунта, и потенциал этой точки начинает возрастать в соответствии с потенциалом канала разряда. При расстоянии до электрода менее 0.2 м пробой грунта происходит на фронте импульса, а при L > 0.2 м - на спаде импульса напряжения. При расстоянии до электрода более 0.4 м потенциал поля изменяется плавно, так как эти точки поля находятся уже вне зоны искровых каналов в грунте.

Рис. 7. Совмещенные осциллограммы измеренных потенциалов грунта в зависимости от расстояния до полусферического электрода

На рисунке 8 приведены кривые распределения максимального значения потенциала грунта вокруг заземлителя в зависимости от расстояния до него.

\ и

U фас чет)

L

0 QJ 1,0 1,? м

Рис. 8. Распределение потенциала в грунте

Предполагается, что процесс искрообразования в грунте происходит следующим образом. При увеличении амплитуды импульса тока из-за неоднородности грунта или поверхности электрода плотность тока в одном или нескольких местах электрода может оказаться больше, чем в других. При достаточном ее значении это приводит к возникновению искровых каналов с сопротивлением, значительно меньшим,

31

чем сопротивление грунта. Эти каналы при росте тока будут распространяться и ветвиться, пока напряженность на их конце не станет меньше электрической прочности грунта. Отдельные каналы могут оказаться нагруженными различными токами, из-за чего их развитие происходит с различной интенсивностью.

В зоне пробоев характерным является пологое изменение импульсного поля с резким изломом на ее границе и последующим плавным уменьшением до нуля.

На этом же рисунке приведено расчетное распределение потенциалов. Для расчета использовалась программа FEMM, основанная на методе конечных элементов. Из рисунка видно, что расчетные значения потенциалов значительно ниже, чем экспериментальные. Это объясняется тем, что при расчетах не учитывались процессы ионизации и искрообразования в грунте.

Выводы

1. Сравнительные зависимости импульсных сопротивлений заземлителей показали, что у заземлителей различной конструкции радиусы зоны искрообразования при больших напряжениях практически одинаковы. При напряженностях поля, превышающих критические значения начала искрообразования, форма электрода практически не влияет на его сопротивление.

2. Осциллографические наблюдения распределения потенциалов в грунте вокруг сосредоточенных заземлителей показали, что могут быть зарегистрированы отдельные зоны с резко отличающимися значениями удельного сопротивления грунта вокруг электрода охваченного искровыми процессами.

Литература

1. КостенкоМ.В. Техника высоких напряжений / под ред. М.В.Костенко. М.: Высш. шк., 1973. 528 с.

2. Oettle, E.E. (1988), 'A new general estimation curve for predicting the impulse impedance of concentrated earth electrodes', IEEE Transactions Power Delivery, vol.3, pp. 2020-2029.

3. Towne, H.M. (1929), 'Impulse characteristics of driven grounds', General Electric Review, pp. 605-609.

4. Bellaschi, P.L., Armington, R.E. & Snowden, A.E. (1942), 'Impulse and 60-cycle characteristics of driven grounds - part II', AIEE Transactions, vol.61, pp. 349-363.

5. Chisholm, W. A. & Janischewskyj, W. (1989), 'Lightning surge response of ground electrodes', IEEE Transactions Power Delivery, vol.4, no. 2, pp. 1329-1337.

6. Geri, A. (1999), 'Behaviour of grounding systems excited by high impulse currents: the model and its validation', IEEE Transactions Power Delivery, vol.14, no. 3, pp. 1008-1017.

7. Корсунцев А.В. Применение теории подобия к расчету импульсных характеристик сосредоточенных заземлителей. - «Электричество», 1958, N° 5, с. 31-35.

8. Liew, A.C. & Darveniza, M. (1974), 'Dynamic model of impulse characteristics of concentrated earths', Proceedings of the IEE, vol.121, no. 2, pp. 123-135.

9. Nixon, K.J. (2006), The lightning transient behaviour of a driven rod earth electrode in multi-layer soil', PhD dissertation, University of Witwatersand, South Africa.

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

11. Wang, J., Liew, A.C. (2005), 'Extension of Dynamic Model of Impulse Behavior of Concentrated Grounds at High Currents', IEEE Transactions on Power Delivery, vol.20, no. 3, pp. 2160-2165.

12. Cooray, V., Zitnik, M., Manyahi, M., Montano, R., Rahman, M., Liu, Y. (1993), 'Physical model of surge-current characteristics of buried vertical rods in the presence of soil ionization', Journal of electrostatics, no. 30, pp. 17-28.

32

13. Лабораторные исследования нелинейных входных сопротивлений заземлителей электроэнергетических устройств в условиях высокого удельного сопротивления грунта / А.Н.Данилин, В.Н.Селиванов, ПИПрокопчук, ВВКолобов, М.Б.Баранник // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. - 2011. - N° 2(5). - С. 39-54.

14.Экспериментальное моделирование импульсных процессов в элементах заземляющих устройств / А.Н.Данилин, В.Н.Селиванов // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. - 2012. - № 1(8). - С. 25-38.

15. Лабораторные исследования процессов искрообразования в увлажненном грунте в зависимости от амплитуды и длительности импульсного напряжения на заземленном устройстве / А.Н.Данилин, В.В.Ивонин, Д.В.Куклин // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. - 2013. - № 4(7). - С. 38-56.

16. Моделирование процессов искрообразования в грунте при импульсных воздействиях / А.Н.Данилин, Б.В.Ефимов, В.Н.Селиванов // Труды третьей Российской конференции по молниезащите.

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

Ивонин Виктор Владимирович,

аспирант Кольского научного центра РАН

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

эл.почта: ivoninviktor@mail.ru

УДК 621.311

В.В.Колобов, М.Б.Баранник, В.Н.Селиванов

РАЗРАБОТКА ПРИБОРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ ОБЪЕКТОВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ АРКТИЧЕСКОГО РЕГИОНА

Аннотация

В статье описан прибор для измерения импульсных характеристик заземляющих устройств электроустановок. Прибор позволяет проводить измерения в условиях грунтов с высоким удельным сопротивлением, характерных для Арктического региона. Приведены структурная схема, описание принципа работы и технические характеристики прибора.

Ключевые слова:

импульсное сопротивление, заземляющее устройство, схема замещения, генератор импульсов тока, индуктивный накопитель энергии, измерительный прибор, Арктический регион.

V.V.Kolobov, M.B.Barannik, V.N.Selivanov

DEVELOPMENT OF AN INSTRUMENT FOR MEASURING IMPULSE RESPONSE OF GROUNDING IN THE ARCTIC REGION

Abstract

An instrument for measuring impulse response of power equipment grounding is described. The instrument allows measurements in the Arctic region with high soils resistivity. The aspects of electronic circuit design and characteristics of the unit are presented.

Keywords:

Impulse impedance, grounding, equivalent circuit, current pulse generator, inductive energy storage, measuring instrument, Arctic region.

33