Исследование локальных импульсных сопротивлений протяженных подземных проводников

Сопоставляя результаты расчета при коммутациях Р1 В -1 в фазе А вместе со снижением амплитуды ВЧПН на 70—100 кВ, видим, что достигается существенное уменьшение их длительности — почти в три раза (менее 200 мкс). При этом заметно меняется характер перенапряжений. Так ВЧПН на ТТ1 достигает максимума 421 кВ через 1 мкс после пробоя между ножами PI В-1 и сразу снижается до 350 кВ (см. рис. 4). Высокочастотная составляющая снижается до 75 кВ по амплитуде.

При аналогичной коммутации без КС и резистора амплитуда ВЧПН в начальный момент составляет около 375 кВ, через 20 мкс увеличивается до 492 кВ (см. рис. 2). Высокочастотная составляющая по амплитуде составляет около 150 кВ. При этом же процессе коммутации амплитуда ВЧПН наТТ2 снижается на 100 кВ (см. табл. 3).

Из сопоставления результатов напряжения ТТ2 (дополнительный КС с резистором) и ТТ2 (без КС) видно, что воздействие ВЧПН на изоляцию ТТ2 фазы А в схеме с КС и резистором существенно снижается.

Таким образом, для снижения опасности высокочастотных токов целесообразно обеспечить поглощение энергии ВЧПН. Для этого необходима разработка конструкций или материалов с высоконелинейными характеристиками,

способных без повреждения поглощать избыточную энергию высокочастотных колебаний.

При реализации частотного способа ограничения ВЧПН с использованием резистора и конденсатора необходимо обеспечить снижение потерь электроэнергии на промышленной частоте, в том числе потерь на корону, а также достаточную пропускную способность по току резистора.

По результатам проведенных исследований можно заключить следующее:

При возникновении высокочастотных процессов для измерительных трансформаторов значительную опасность представляют сопровождающие токи.

Применение нелинейных ограничителей перенапряжений для снижения высокочастотных токов малоэффективно.

Использование дополнительного конденсатора связи в средней части шин (между Р1 В-1 и Р2 В-2) не обеспечивает перенапряжений.

Для ограничения высокочастотных перенапряжений разработана схема с включением резистора последовательно с дополнительным конденсатором связи. Наибольшее ограничение высокочастотных перенапряжений на обоих трансформаторах тока достигается при сопротивлениях резистора от 100 до 200 Ом.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Методические указания по ограничению высокочастотных перенапряжений и защите от них электротехнического оборудования в распределительных устройствах 110 кВ и выше / СПО ОРГРЭС. М„ 1998. 26 с.

2. Объем и нормы испытаний электрооборудования / Под общей ред. Б.А. Алексеева, Ф.Л. Когана, Л.Г. Мамиконянца // 6-е изд. М.: НЦ ЭНАС, 1998. 256 с.

УДК 621.31 1

А.Н. Данилин, Д.В. Куклин, В.Н. Селиванов

ИССЛЕДОВАНИЕ ЛОКАЛЬНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ ПРОТЯЖЕННЫХ ПОДЗЕМНЫХ ПРОВОДНИКОВ

Один из способов оценки уровня грозозащиты подстанций, а также защищенности ее оборудования от высокочастотных перенапряжений сводится к анализу величин и динамики изме-

нения во времени локальных импульсных сопротивлений заземлителей 2Я0К оборудования подстанций и опор ЛЭП на подходах. Строгая методическая основа для таких оценок до сих пор

отсутствует, и ряд решений по оценке защищенности оборудования производится путем сравнения измеренных величин и их корреляции с уровнями, при которых на подстанции возможно развитие аварии. Так было при исследованиях Z10K подстанции № 202 ЦЭС ОАО "Колэнер-го", где в результате неудачной реконструкции фундаментов аппаратов подстанции на одной из ячеек 330 кВ уровень высокочастотных перенапряжений возросло аварийного. Сравнение результатов замеров Z10K у переоборудованных за-землителей и у тех, где еще не был произведен ремонт, показало, что после реконструкции Z10K возросло более чем в два раза; это и привело к развитию аварий [1]. Метод измерений Z10K изложен в статьях [2, 3].

Напомним, что Z10K есть отношение (в функции времени) импульса напряжения на подземном проводнике к току в нем; корректное время его измерения равно времени двойного пробега волны по генераторному (токовому) и измерительному (потенциальному) контурам, а потому определяется их размерами.

Конструкция заземлителей аппаратов подстанций и связь этих заземлителей с общим контуром подстанции, как правило, имеет ветвистую структуру и может значительно отличаться у двух соседних аппаратов. Отличаются также амплитудные значения Z10K и динамика их изменения во времени. Это затрудняет разработку общей электромагнитной теории таких процессов при малых значениях времени (0,1—1 мкс). Поэтому для разработки корректной теории процессов в заземлителях необходим исходный экспериментальный материал, который может быть получен при постановке опытов с отдельными заземлителями различной конфигурации.

В нашей статье рассмотрены некоторые результаты установочных опытов по измерениям -^ток протяженного заземлителя, представляющего собой прямой алюминиевый провод с диаметром сечения 4 мм и длиной 100 м, размещенный в земле на глубине примерно 20 см. Длина токового (ТК) и потенциального (ПК) контуров также выбрана равной 100 м. Амплитуда импульсного воздействия — 10 кВ.

Изложенный в статье материал носит феноменологический характер. Приведены методики опытов, а также полученные результаты в виде оцифрованных осциллограмм и зависимостей.

Физико-математическое объяснение ряда полученных результатов — предмет дальнейших исследований.

В статье приведены методика проведения и результаты следующих измерений:

распределения потенциала вдоль протяженного подземного проводника (ПП);

скорости распространения электромагнитной волны в протяженном ПП;

параметров тока, напряжения и Z10K при генерировании импульса в начало и середину ПП;

параметров Z10K при различных взаимных размещениях токового и потенциального контуров относительно подземного проводника и друг друга.

Распределение потенциала вдоль протяженного подземного проводника. Для исследования распределения импульсного напряжения подлине ПП импульс подавался в его конец, при этом измерялось напряжение подлине ПП. ТКи ПК разводились в разные стороны перпендикулярно ПП. На рис. 1, а приведены осциллограммы напряжений в разных точках по длине П П, а также зависимость затухания напряжения по длине ПП по мере удаления от точки ввода импульса. Очевидно, что затухание напряжения сопровождается деформацией волны, так как интенсивнее затухают высшие гармоники импульса напряжения.

Скорость распространения электромагнитной волны в протяженном ПП. Для определения скорости распространения волны в ПП былаисполь-зованатаже генераторно-измерительная аппаратура, что и при измерении затухания. Поскольку измерения должны проводиться двухлучевым осциллографом, при этом сигнал напряжения приходит по коаксиальному кабелю РК-50, была выполнена оценка влияния длины кабеля на задержку сигнала при измерении скорости его распространения по ПП. Эти измерения выполнены с отрезком кабеля (30 м) и кабелем, соединенным последовательно с режекторным дросселем. Это необходимо для того, чтобы при определении скорости распространения волны вычесть из общей задержки прихода сигнала задержку, вызванную кабельной коммуникацией.

Измерения показали, что кабель задерживает сигнал на 0,17 мкс, а кабель с режекторным дросселем — на 0,33 мкс.

Дальнейшие измерения производились с использованием кабеля с режекторным дросселем,

Рис. 1. Осциллограммы напряжений (а) в разных точках подземного проводника и зависимость затухания напряжения по мере удаления от точки ввода импульса (б) при его подаче в начало

поскольку при использовании одного кабеля в нем развиваются отражения, не позволяющие достаточно точно определять временные интервалы.

На рис. 2 приведены схема измерений и осциллограммы токов и напряжений при измерениях скорости распространения волны.

Осциллограммы тока и напряжения сдвинуты друг относительно друга с учетом задержки, вызываемой кабелем ирежекторнымдросселем.

Осциллограммы напряжения совмещены с осциллограммами, полученными при определении затухания напряжения подлине ПП. Можно видеть их хорошее совпадение, свидетельствующее о том, что измерения с использованием системы задержки не искажают измеряемый сигнал. Итак, задержка при кабеле 15 м составляет примерно 0,2 мкс, при 30 м — 0,45 мкс. Следовательно, скорость волны равна 67—75 м/мкс, т. е. в четыре раза меньше скорости света в вакууме. Это обусловлено в основном высокой диэлектрической проницаемостью увлажненного грунта.

Параметры тока, напряжения и 2,лок при генерировании импульса в начало и середину ПП. Цель данных опытов — оценка снижения 2Я0К при параллельном включении протяженных подземных

проводников по сравнению с одинарным ПП. Фактически таким включением можно считать случай, когда импульс подается в середину протяженного ПП, а токовый и потенциальный контуры размещаются "в крест" ПП. Сравнение полученныхданных с результатами опытов, когда импульс в тех же условиях подается в начало ПП, позволяет оценить величину такого снижения. Результаты опытов представлены на рис. 3.

а

Определим снижение как Ке = ———, где

^лок2 (О

и - локальные импульсные сопро-

тивления одинарного ПП идвухрадиалыю расходящихся ПП.

Полученные результаты показали: снижение крайне незначительно и утверждать, что такое включение подземных проводников можно считать параллельным, было бы неверно, поскольку снижение составляет в разные климатические сезоны зависит от влажности грунта) 15-30 %(КС= 1,14-1,33).

Параметры Zmк при различных взаимных размещениях токового и потенциального контуров относительно подземного проводника и друг друга. На рис. 4 представлены сравнительные

а)

тк

с

гин2

1д„

РК-50,30м

РД

Подзем, проводник

9 I ' ц?

ПК

б) /, А и, в

60 1000

Бй 1060

40 юо

30 воо

го 400

10 0 200

°0

I

и \

/

/

!

0,1 0,2 0,4 0,6 0,8 0.7 0,8 О.Э/.мкс

Рис. 2. Схема (а) измерения скорости распространения волны в ПП и осциллограммы (б) токов и напряжений при таких измерениях на удалении 15 м от точки ввода импульса

Рис. 3. Графики изменения во времени сопротивлений 2.10К при размещении токового и потенциального контуров перпендикулярно подземному проводнику и генерировании импульса в конец проводника

Рис. 4. Графики 2ЮК

результаты определения 2Л0К = Д /) для различных взаимных размещений ТК и ПК при генерировании импульса в середину (рис. 4, а) и конец (рис. 4, б) ПП. Сделан важнейший вывод: величина и его динамика не изменяются, если в любом из приведенных вариантов взаимного размещения ТК и ПК поменять их местами.

Экспериментальное исследование импульсных процессов в протяженном подземном проводнике при малых временах (0,1—1,2 мкс) дало следующие результаты:

1. Определены затухание амплитуды и высших гармоник импульса с крутым фронтом, поданного в начало подземного проводника. Показано, что значения затухания очень большие. Это позволяет заключить, что на крутых фронтах и высоких частотах задействована только ближняя зона заземлителя.

2. Измеренные скорости волн в подземных проводниках составляют 67—75 м/мкс, т. е. в четыре раза меньше скорости света в вакууме, что обусловлено высокой диэлектрической проницаемостью увлажненного грунта.

3. Снижение локального импульсного сопротивления радиального заземлителя из двух лучей по сравнению с однолучевым заземлителем составляет 10—20 %. Утверждать, что такое включение подземных проводников можно считать параллельным, неверно.

4. Показано, что параметры Д10К при различных взаимных размещениях токового и потенциального контуров относительно ПП и друг друга могут многократноразличаться. Критерий, позволяющий

считать корректным то или иное взаимное размещение генераторно-измерительных контуров и подземного проводника при измерении его параметров при малых временах, пока не выработан.

5. Результаты, полученные в серии опытов, описанных в статье, позволяют выбрать дальнейшее направление исследований быстропро-текающих процессов в подземных проводниках и могут использоваться для разработки физико-математической теории этих процессов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Данилин А.Н., Колобов В.В. Экспериментальные исследования высокочастотных коммутационных перенапряжений на подстанциях 330 кВ ЦЭС ОАО «Колэнерго» и метод их снижения // Электромагнитная совместимость и перенапряжения в высоковольтных сетях. Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2004. С. 93-110.

2. Данилин А.Н., Колобов В.В. Методика и результаты измерений переходных импульсных сопротивлений заземлителей оборудования подстан-

ций / Электрофизические проблемы надежности эксплуатации высоковольтных сетей. ИФТПЭС // Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2005. С. 7-14.

3. Данилин А.Н., Колобов В.В. Селиванов В.Н., Прокопчук П.И. Методига импульсных измерений сопротивления растеканию заземлителей опор высоковольтных линий электропередачи под грозозащитным тросом // Технико-экономические и электрофизические проблемы развития энергетики Севера. Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2007. С. 79-86.

УДК 536.244

В.Я. Фролов, В.А. Кархин, Д.В. Иванов, И. С. Чуркин

МОДЕЛИРОВАНИЕ ФАКЕЛА ПЛАЗМОТРОНА ДЛЯ НАГРЕВА МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ ПОРОШКОВ

Плазменные технологии для нанесения покрытий и обработки порошков получили большое распространение в современной промышленности. Наиболее часто применяются плазмотроны дуговые различного способа действия, атакже высокочастотные индукционные. В последние 15—20 лет разработаны технологии для получения защитных, теплостойких, декоративных и других покрытий с применением воздушно-дуговых плазмотронов. Индукционные плазмотроны используются в основном для плазменной обработки порошков (сферидизации), атакже в различных технологиях получения на-норазмерных порошков. Однако в обоих случаях трудоемкий процесс экспериментального выбора режимов работы существенно сдерживает

более широкое распространение этих технологий. В связи с этим вопросы моделирования протекания плазмы в канале и генерируемой струи на выходе плазмотрона первостепенны для разработчиков и исследователей, работающих в этой области. При изменении тока, расхода газа, напыляемого материала или материала подложки происходит значительное изменение качества покрытия, поэтому необходимо проводить большое количество экспериментов для подбора оптимальных параметров конкретной технологии. Применение методов математического моделирования способно сильно сократить расходы на эксперименты и в конечном счете уменьшить стоимость производимой продукции. Существующие методы математического моделирования