Скачиваний:
145
Добавлен:
12.06.2014
Размер:
3.36 Mб
Скачать

О внедрении регистраторов аварийных событий на энергообъектах Сибири

Расковалов Ю. В., Султанов И. Т., èíæ.

Объединенное диспетчерское управление энергосистемами Сибири (ОДУ Сибири) – ОАО “Специализированное управление по наладке электротехнического оборудования” (СУНЭТО), г. Кемерово

В мае 1999 г. в ОДУ Сибири (г. Кемерово) состоялся семинар начальников ЦСРЗА и ведущих инженеров по релейной защите и автоматике, на котором один из вопросов был посвящен уровню оснащенности энергообъектов Сибири современными регистраторами аварийных событий (РАС).

Анализ состояния и функциональной загрузки находящихся в эксплуатации РАС на базе различ- ных программно-технических комплексов (ПТК) был проведен специалистами СУНЭТО.

На тот момент отмечалось:

отставание по степени оснащенности энергообъектов Сибири современными РАС (по сравнению с европейской частью России);

низкое использование функциональных возможностей находящихся в эксплуатации РАС;

отсутствие сетей оперативного обмена информацией по вертикали;

отсутствие в планах технического перевооружения современных РАС, решающих широкий спектр задач.

Сегодня ситуация изменилась. Внедрены и успешно эксплуатируются современные ПТК различных отечественных производителей более чем на 50 объектах (на многих из них максимально используют возможности ПТК). В процессе эксплуатации ПТК были выявлены их дополнительные функциональные возможности, расширена сфера применения, причем на каждом уровне вертикальной связи: электрическая станция – АО-энерго – ОДУ Сибири выявились свои особенности применения и использования получаемой информации.

Характерным примером служит работа инфор- мационно-измерительной системы (ИИС) “Нева” на Томской ТЭЦ-3, где были внедрены четыре ПТК “Нева”. Это позволило контролировать электрические параметры оборудования ОРУ 110 и 220 кВ, блока ТГ-1, рабочего и резервного возбуждения, секций 6 кВ 1РА, 1РБ и оборудования ПВК секций 6 кВ 1РО, 2РО, 3РО, 4РО. Кроме этого, внедрение ПТК “Нева” дало возможность:

вывести из работы 10 осциллографов Н-13; осуществлять контроль напряжения аккумуля-

торной батареи БВС-220 начальником смены электроцеха (НСЭ) по мнемосхеме и суточной ведомости (не было информации о напряжении ЩПТ

БВС-220 на ГЩУ), а также осциллографировать напряжение ЩПТ БВС-220;

осуществлять контроль состояния схемы и нагрузки присоединений ОРУ-110, ОРУ-220, блока ТГ-1, рабочего и резервного возбуждения, секций 6 кВ 1РА, 1РБ, 1РО, 2РО, 3РО, 4РО;

осуществлять контроль числа срабатываний масляных выключателей и числа пусков электродвигателей 6 кВ, а также контроль нагрузки присоединений 6 кВ и перегрузки по изменению цвета показаний на мнемосхеме;

выполнить цепь пуска осциллографа от резервного сигнала, что позволяет установкой перемыч- ки на панели сбора данных между клеммами резервного сигнала и сигнала положения МВ 6 кВ электродвигателя произвести осциллографирование пускового тока любого электродвигателя 6 кВ (установку перемычки может произвести релейный персонал любой квалификации, без изменения уставок БРКУ);

фиксировать события в таблице РЗА, что позволяет контролировать действие оперативного персонала за любой промежуток времени и быстрее выявлять неисправности в схемах РЗА.

Установленная на БРКУ кассета со съемным накопителем на жестком диске (для повышения надежности записи аварийных осциллограмм) имеет емкость аварии суммарной длительностью до 30 ч. Это больше, чем нужно для работы БРКУ, поэтому, разбив жесткий съемный диск на два, можно использовать его и для хранения необходимой информации.

Недостатки, выявленные при эксплуатации ИИС “Нева”:

погрешность токовых сигналов (осциллографируемых) в нормальном режиме при нагрузках менее 0,5Iíîì трансформатора тока больше 1%;

высокий небаланс датчиков напряжения обратной последовательности.

По техническим данным датчика небаланс составляет 0,2 мА, что соответствует 4 В. Типовая уставка пуска осциллографа по U2 составляет 6 В, следовательно, необходимо применение датчика другого типа или определение U2 программным методом;

отсутствие программы для преобразования осциллограмм в линейных величинах, а также в

2004, ¹ 6

53

комплексной плоскости сопротивлений, что не позволяет оценивать работу дистанционных защит.

Аналогичная ситуация с внедрением ИИС “Нева” на Гусиноозерской и Харанорской ГРЭС, которые к тому же выдают информацию в Читаэнерго и Бурятэнерго.

Измерительно-информационный комплекс “Черный ящик” (РАС-2), эксплуатируемый на ПС Итатская-1150 с сентября 2001 г., состоит из 29 терминалов и осуществляет регистрацию 850 сигналов, в том числе выполняет следующее:

функции аварийного осциллографа с программой ОМП на ВЛ 500 кВ: ВЛ-1106, -524, -526, -518, -547, -520, -521; на ВЛ 220 кВ: Д-123, Д-124 без ОМП;

контроль состояния и работы ВЧ защит (НДЗ, ДФЗ с АВЗК и ПВЗУ-Е) ВЛ 500 и 220 кВ;

контроль оперативного постоянного тока в релейных щитах;

дискретную регистрацию работы ССПАИ “Централизованного комплекса противоаварийной автоматики электропередачи Красноярск, Хакасия – Запад и Кузбасс – Запад” ОЭС Сибири (ЦПА ПС Итатская), установленного на ПС Итатская-1150;

дискретную регистрацию работы устройств контроля мощности исходного режима (УКПР) в составе УДВР ЦПА ПС Итатская-1150;

дискретную регистрацию работы линейной ПА (АЛАР, АОПН, ЗНПФ) ВЛ 500 кВ;

дискретную регистрацию работы релейной защиты ВЛ 500 кВ: ВЛ-520, -521, -526, -547, -518, -1106, -524.

Ведутся монтажные и наладочные работы по вводу на дискретную регистрацию работы автоматики выключателей 500 кВ, устройств УРОВ, ДЗШ, УРЗА реакторов, АТ ПС Итатская-1150.

Опыт эксплуатации позволил выделить ряд существенных достоинств этого комплекса:

надежная работа локальной вычислительной сети. Необслуживаемый сервер установлен в релейном зале ГЩУ ПС Итатская-1150. Связи по магистральным кабельным каналам (четыре релейных зала) выполнены кабелем РК-75-9-12 через ретранслятор HUB;

минимальные затраты кабельной продукции по обвязке УРЗА и ПА. Терминалы комплекса максимально приближены к УРЗА, связь между терминалами на ветвях в пределах релейного щита выполняется кабелем РК-75-2 (4);

наличие локального доступа с персонального компьютера к терминалу типа БИМ, позволяющее анализировать аварийную регистрацию на ВЛ при повреждении СЛВС или контроллера СЛВС сервера; отсутствие дополнительных преобразователей

в цепях тока и напряжения; расширение задач регистрации на подстанции

ведет к приобретению у поставщика терминалов и изменению конфигурации. Емкость “Черного ящи-

ка” до 125 терминалов позволяет решать задачу создания АСУ ТП подстанции на базе комплекса;

удобный пользовательский интерфейс для чтения и анализа осциллограмм, экспорта данных в формат СOMTRADE;

достаточно высокая точность (до 1 км) определения мест повреждения односторонним замером на ВЛ 500 кВ при близких (до 50% длины ВЛ) коротких замыканиях.

К недостаткам можно отнести следующее: наличие сбоев в работе дискретных регистра-

торов РД-51М (выдача сигналов пуска при их отсутствии на входах), работа восстанавливается при снятии и подаче питания оперативным током; отсутствие локального входа на дискретных

регистраторах РД-51М; отсутствие готового программного обеспече-

ния для создания АСУ ТП с привязкой к графиче- скому изображению на мнемосхеме подстанции.

Внедрение цифровых осциллографов позволило специалистам ОДУ Сибири точнее определять значения электрических величин и дополнительно их угол (действующие значения в комплексной форме). Применение РАС сделало возможным ка- чественнее решать следующие задачи в области РЗА:

проведение визуального анализа первичного процесса (осциллограмма несет в себе информацию: последовательность коммутаций; вид повреждения; наличие апериодической составляющей в электрических величинах, форму кривой этих величин; было неуспешное ОАПВ либо срыв его цикла и др.). При этом в любой момент времени зафиксированного процесса можно посмотреть действующие и мгновенные значения электриче- ских величин;

оценку правильности работы устройств РЗА и выявление причины неправильной работы.

Дискретные сигналы, фиксируя факты срабатывания и возврата устройств РЗА, позволяют анализировать правильность функционирования алгоритмов устройств РЗА в течение первичного процесса, отображенного на цифровой осциллограмме. При этом отсчет времени для фиксации дискретных и аналоговых сигналов должен производиться одним и тем же элементом времени.

Программная реализация алгоритмов устройств РЗА позволяет по данным цифровых осциллографов выявлять по факту неправильного срабатывания этого устройства направление поиска – либо это аппаратная неисправность (и какая конкретная функция неисправна), либо это ошибки, связанные с расчетами при выборе уставок:

определение места повреждения с помощью алгоритмов, использующих односторонний замер электрических величин. Алгоритмы, приведенные в литературе, позволяют по данным цифровых осциллографов определять место повреждения по одностороннему замеру. При этом форма записи

54

2004, ¹ 6

углов электрических величин цифрового осциллографа должна определяться положительным направлением векторов против часовой стрелки, а ток 3I0 должен на осциллограмме совпадать по фазе с током поврежденной фазы при однофазных КЗ;

проверка точности составления схемы замещения и методов имитации первичных процессов в программе расчетов токов КЗ. Для выбора уставок конкретного устройства РЗА необходимо знать комплексные значения напряжений и токов в месте установки защиты при КЗ в заданном месте электрической сети. В качестве основных программ для расчетов токов КЗ применяются программы ТКЗ-3000 и АРМ СРЗА (разработчик – НПК “БРИЗ”, г. Новосибирск). Устройства РЗА, определяя, в каком месте электрической сети произошло КЗ, используют в качестве входной информации комплексные значения напряжений и токов в месте установки защиты. Отсюда, качество результатов расчета можно проверить, сравнив их с данными цифрового осциллографа.

Качество расчетов повышается при имитации нагрузки и переходного сопротивления, что позволяет учитывать программа расчетов токов КЗ. Для учета нагрузки цифровой осциллограф должен иметь предаварийную запись нагрузочного режима. Электрические величины, получаемые в резу-

льтате расчетов по указанной программе, не учи- тывают апериодической составляющей. Поэтому в цифровом осциллографе желательно дополнительно иметь возможность выделения периодической составляющей основной гармоники.

Учитывая сказанное, желательно, чтобы цифровые осциллографы давали:

возможность формирования пользователем кадра из имеющихся в архиве электрических вели- чин;

наличие предаварийной записи нагрузочного режима;

возможность фильтрации периодической составляющей основной гармоники и отображение ее действующих значений в комплексной форме;

возможность определения формы записи углов электрических величин положительным направлением векторов против часовой стрелки;

наличие тока 3I0, совпадающего по фазе с током поврежденной фазы при однофазных КЗ;

возможность отсчета времени для фиксации дискретных и аналоговых сигналов одним и тем же элементом времени.

Подводя итоги четырехлетнего периода, можно констатировать, что в ОДУ Сибири виден определенный прогресс в области внедрения РАС и работа в этом направлении будет продолжаться.

К расчету заземлителей электроустановок с эффективно-заземленной нейтралью

Коструба С. И., доктор техн. наук

Всероссийский институт электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ)

В соответствии с требованиями действующих ПУЭ [1] заземляющие устройства электроустановок напряжением выше 1 кВ в сетях с эффектив- но-заземленной нейтралью (к ним относится подавляющее большинство электрических станций, крупных подстанций и открытых распредустройств) следует выполнять с соблюдением требований либо к их сопротивлению (оно не должно быть выше 0,5 Ом), либо к напряжению прикосновения (напряжение не должно превышать нормируемого значения по [2]).

Проектирование и сооружение заземляющих устройств по допустимому напряжению прикосновения являются на порядок более прогрессивными по сравнению с проектированием и сооружением заземляющих устройств исходя из требований к их сопротивлению. Заземляющие устройства, спроектированные по допустимому напряжению прикосновения, как правило, более экономич-

ны и менее металлоемки. Кроме того, при ограни- ченных размерах площадки под заземлитель не всегда удается обеспечить требуемое правилами столь малое значение сопротивления. Например, в грунте с удельным электрическим сопротивлением 100 Ом м заземлитель с сопротивлением 0,5 Ом должен иметь размеры в плане не меньше чем 100 100 м. А если площадка имеет меньшие размеры? Поневоле, приходится проектировать заземлитель исходя из допустимого значения напряжения прикосновения

Расчет заземлителей по напряжению прикосновения требует для своей реализации наличия достаточно мощной вычислительной техники и сейчас это уже не проблема. Но, к сожалению, многие проектные организации проектируют заземляющие устройства еще по старинке, т.е. по допустимому сопротивлению, и ПУЭ, как ни странно, этому потворствуют. А ведь уже в начале

2004, ¹ 6

55

60-х годов ХХ века, когда вычислительная техника только зарождалась, появились публикации об алгоритмах расчета распределения потенциалов по поверхности земли для сложных заземлителей [3], о методах расчета напряжений шага и прикосновения для сложных заземлителей с учетом неоднородности удельного электрического сопротивления земли [4]. Было опубликовано описание программы расчета распределения потенциалов по территории электроустановки с помощью электронных цифровых вычислительных машин (ЭЦВМ) [5]. Разработкой эквивалентных моделей для расчета заземлений в неоднородной земле в то время занимались в Белорусском отделении института Энергосетьпроект.

В основе всех расчетов заземлителей для электрических станций лежит метод наведенного потенциала, разработанный в ВИЭСХ, суть которого заключается в следующем.

Сложный заземлитель в общем случае состоит из комбинации горизонтальных и вертикальных электродов, называемых элементами сложного заземлителя. Электрическое поле любого сложного заземлителя в общем случае может быть легко рассчитано, если известны J – поверхностная плотность тока, выходящего в землю с элементов сложного заземлителя, и Ìà – функция пропорциональности между током J (a) dSa, выходящим в землю из окрестностей точки a поверхности заземлителя, и потенциалом M, наведенным этим током в точке Ì проводящего полупространства (земли)

M J (a) Mà dS à ,

(1)

(S )

 

ãäå S – поверхность заземлителя. Для сложного заземлителя, состоящего из n элементов, равенство

(1) принимает вид

n

 

M J (a) Ma dS a ,

(2)

m 1(S m)

ãäå Sm – поверхность m-го элемента сложного заземлителя.

Из раздела электростатической аналогии теоретических основ электротехники известно, что стационарные и квазистационарные электриче- ские поля токов аналогичны электростатическому полю. Одним из следствий этой аналогии явилась запись равенства (2) через следующее выражение с взаимными сопротивлениями:

n

 

M Mm I m ,

(3)

m 1

ãäå Im – ток, выходящий из m-го элемента заземлителя в землю; Mm – взаимное сопротивление меж-

ду точкой Ì проводящего полупространства и m-м элементом заземлителя. Под Mm понимают отношение потенциала Mm, наводимого в точке Ì током Im0, выходящим из m-го элемента заземлителя, к току Im0 при равенстве нулю токов всех остальных элементов:

Mm = Mm/Im0.

(4)

В этом выражении индекс “0” показывает, что токи всех остальных элементов сложного заземлителя равны нулю. Заметим, что Mm названа взаимным сопротивлением лишь в связи с ее размерностью (вольт на ампер или ом).

Расчет Mm в соответствии с отношением (4) сводится к следующему общему алгоритму:

Mm

 

1

J m0 Mm dS m ,

(5)

I m0

 

 

(S

m

)

 

 

 

 

 

 

 

ãäå Jm0 – поверхностная плотность тока Im0; Sm – поверхность m-го элемента; Mm – функция пропорциональности между током Jm0dSm, выходящим в землю из окрестности данной точки поверхности m-го элемента, и потенциалом, наведенным этим током в точке Ì. Величину Mm можно также трактовать как взаимное сопротивление точки Ì и точки, находящейся на поверхности m-го элемента.

Рассмотренный метод использовался и в настоящее время продолжает успешно использоваться при разработке алгоритмов расчета заземляющих устройств электрических станций и подстанций. Эффективность его была многократно проверена при проектировании и сооружении ряда заземляющих устройств, в том числе на подстанции Винницкая 750 кВ и на Ленинградской атомной электростанции. Кстати, автор принимал непосредственное участие в измерениях распределения электрических потенциалов по территории, занятой заземлителем, Ленинградской атомной электростанции. При этом было обнаружено практически полное совпадение результатов измерений с данными расчетов, которые были проведены автором в ВИЭСХ на вычислительных машинах серии “Минск”.

Еще в конце 60-х годов автор опубликовал идею выравнивания электрических потенциалов в зоне заземления электроустановки путем заложения заземлителя на глубину, близкую к критиче- ской [6]. Но до сих пор она в компьютерных программах, известных автору, не реализована, хотя ее идея очень проста и заключается в следующем.

Долгое время считалось, а многие специалисты продолжают считать и до сих пор, что идеально выравненное распределение электрического потенциала может иметь место только и только в том гипотетическом случае, когда заземлитель выполнен из металлического листа размером, равным территории электроустановки. Выполнение

56

2004, ¹ 6

 

 

M

Земля

 

 

z

 

r

R

 

 

 

 

$ %$ () * (

такого заземлителя связано с огромными затратами и на практике, естественно, никогда не осуществляется. В реальных заземлителях металличе- ский лист заменяют сетками и комбинациями из полос и стержней. Тем самым нарушается равномерное распределение потенциала.

Идея предложенного способа идеального выравнивания потенциала на поверхности земли в пределах заземляющего устройства заключается в использовании контурного заземлителя на строго определенной глубине. Проще всего это можно показать на примере кольцевого заземлителя (ðèñ. 1). В зависимости от глубины заложения металлического кольца в землю существенно меняется картина электрического поля и, следовательно, распределение потенциала на поверхности земли.

При малых глубинах потенциал на поверхности земли над кольцом будет выше, чем над центром кольца. При больших глубинах потенциал над кольцом, как это ни парадоксально на первый взгляд, будет ниже, чем над центром кольца. Существует такая оптимальная глубина (она названа критической), при которой потенциал над кольцом, над центром кольца и по всей поверхности в пределах кольца будет одинаков.

Для доказательства этого факта рассмотрим выражение потенциала M любой точки M на поверхности земли возле кольца со стекающим с него током I

 

 

 

 

I

 

dl

,

(6)

M

 

l!

 

 

4

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

где ! – удельная проводимость среды; l – длина кольца; r – расстояние от кольца до точки M.

Перепишем это выражение для цилиндриче- ской системы координат, изображенной на ðèñ. 1. Поскольку l = 2 R, à dl = Rd , òî

 

 

I

 

 

2

d

M

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

, (7)

8 2

!

 

 

 

 

 

 

 

 

z 2 R 2 2 2R cos

ãäå R – радиус кольца; – расстояние от оси z до точки Ì; z – глубина заложения кольцевого заземлителя.

Приведем интеграл этого выражения к эллиптическому интегралу, для которого имеются таблицы в справочной литературе, а в настоящее время есть программы для компьютера. Положим, что

= – 2 ; d = – 2d ,

 

4R

K 2 ,

 

 

z 2

(R ) 2

 

 

тогда cos cos 2 2sin 2 1. Следовательно,

 

 

 

 

 

 

 

 

I

 

 

2

d

M

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

, (8)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 2 ! z 2

 

(R ) 2

0

 

1 K 2 sin 2

2

 

 

 

d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ãäå

 

 

 

 

 

– полный эллиптический ин-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

K 2 sin 2

 

0 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

теграл первого рода в лежандровой форме. Потенциал точки Ì удобно рассматривать от-

носительно потенциала 0 кольца, который в принятой нами системе координат может быть записан в виде следующего выражения:

 

 

 

 

 

 

I

 

 

 

 

 

 

2

 

d

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2 !

r 2

4R 2

0

1

K 2 sin 2

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

(9)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

 

 

 

 

2

 

 

 

d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 (K 0* ) 2 sin 2

2

2 !

 

4 z 2 4R 2

ãäå r0 – радиус прутка (или трубы), из которого изготовлен кольцевой заземлитель; K02 è (K0* )2 – ãåî-

метрические параметры, аналогичные параметру K 2 в выражении (8), равные

K 2

 

 

 

4R

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

r

2

(R ) 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4R 2

1

 

(K * ) 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

0

 

4 z 2

4R z

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

 

 

Используя формулы (8) и (9), запишем выражение для потенциала в любой точке Ì на поверхности земли относительно потенциала кольца, необходимое для построения графиков распределения электрических потенциалов в зависимости от глубины заложения кольца (10).

Íà ðèñ. 2 построены графики распределения электрических потенциалов по поверхности земли в зависимости от глубины заложения кольцевого заземлителя для = 0, = R è = R/2, т.е. для потенциалов в точках соответственно над центром кольца, над кольцом и на равном расстоянии от кольца и от его центра. Из этих графиков видно, что

2004, ¹ 6

57

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ì

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 K 2 sin 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

(10)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z 2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

1

 

 

2

 

 

 

 

 

d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

5,434

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

z

2

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

z

2

 

 

sin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

при заложении кольцевого заземлителя на глубину, равную 0,44R, на поверхности земли в пределах кольца будет получено полное выравнивание электрических потенциалов. При этом следует помнить, что с ростом глубины заложения заземлителя потенциал на поверхности земли над кольцом все больше отличается от потенциала кольца в сторону его уменьшения и, хотя это автоматически учитывается в выражении (10), поскольку потенциал точек на поверхности земли рассматривается относительно потенциала кольца, забывать об этом нельзя.

Следует обратить внимание на одну закономерность, которая и сегодня многим специалистам остается неизвестной. При увеличении глубины заложения заземлителя сверх критической, т.е. сверх 0,44R, качественно изменяется характер распределения электрических потенциалов по поверхности земли над заземлителем, заключающийся в том, что над центром кольца потенциал становится выше, чем над кольцом. Это, на первый взгляд, парадоксальное явление, подтверждаемое уравнением (10) и остающееся справедливым для заземлителей не только кольцевых, но и квадратных, прямоугольных и иных форм, необходимо учитывать при разработке алгоритмов и программ для расчета заземлителей на компьютерах. Это позво-

 

Ì / 0

 

 

 

 

 

 

0,9

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

0,8

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

0,7

 

 

 

 

 

 

0,6

 

 

 

 

Z/R

 

0

0,2

0,4

0,6

0,8

$ &$

; < + ) * 1

" # () 5

 

 

 

1 – äëÿ = R; 2 – = 0,5R; 3 – = 0

лит существенно сократить расход металла и объем земляных работ при выполнении заземлителя.

При рассмотрении влияния глубины заложения заземлителя на распределение потенциалов мы исходили из предположения, что удельное электри- ческое сопротивление грунта однородно по глубине земли. Между тем, наличие значительной неоднородности в проводимости земли не вызывает сомнений: промерзание почвы зимой и высыхание ее летом, залегание зоны грунтовых вод – все это вызывает резкую неоднородность удельного сопротивления грунта по его глубине.

Для проверки нетрадиционного способа выравнивания электрических потенциалов по поверхности земли при наличии существенной неоднородности ее по глубине в лаборатории электробезопасности нашего института была выполнена серия расчетов электрических параметров ряда заземляющих устройств для различных глубин их заложения и различной неоднородности земли по алгоритму, изложенному в [7], а также было осуществлено физическое моделирование в большой гальванической ванне с ионообменными пленками, имитировавшими границы раздела слоев с различными удельными электрическими сопротивлениями.

Расчеты выполнялись для наиболее характерных типов грунтов: влажных глинистых с глубиной залегания зоны грунтовых вод на расстоянии 5 м от поверхности земли; сухих песчаных с такой же глубиной залегания зоны грунтовых вод и влажных черноземных грунтов, однородных по удельному электрическому сопротивлению.

В результате анализа результатов расчетов было установлено, что неоднородность земли не влияет на соотношение между оптимальной глубиной заложения заземлителя и его геометриче- скими размерами. Так, для квадратного заземлителя размером 5 5 м в грунте с удельным электри- ческим сопротивлением верхнего слоя, равным 1000 Ом м, нижнего – 100 Ом м и толщиной верхнего слоя 5 м при традиционной глубине заложения заземлителя 0,5 м, неравномерность в распределении электрических потенциалов по поверхности земли составляет 35%, в то время как при оптимальной глубине, равной 0,3 от стороны квад-

58

2004, ¹ 6

рата, эта неравномерность на порядок ниже и составляет всего 3,3%, являясь наименьшей.

Анализировались также результаты расчетов сложных заземлителей, состоящих из нескольких ячеек одинакового размера. Установлено, например, что для заземлителя, состоящего из четырех ячеек размером 5 5 м, оптимальная глубина меньше, чем для рассмотренного заземлителя, и составляет не 0,3 от стороны квадрата, а 0,2 от стороны ячейки сложного заземлителя. Таким образом, оптимальная глубина заложения сложного заземлителя зависит как от размера ячейки заземлителя, так и от их числа.

Рассматриваемая задача может быть поставлена и обратно. Если известны линейные размеры заземлителя, определяемые размерами площадки электроустановки и условием обеспечения электробезопасности, и если задана глубина его заложения, то можно определить оптимальный размер ячейки выравнивающей сетки, при котором неравномерность в распределении электрических потенциалов на поверхности земли будет наименьшей для данного типа заземлителя.

В докомпьютерный период, когда электронные вычислительные машины (ЭВМ) принадлежали небольшому числу проектных институтов, наряду с точными (по тем временам) методами расчета электрических характеристик заземляющих устройств, при проектировании заземляющих устройств широко применяли, так называемые, инженерные методы, менее трудоемкие, но и, естественно, весьма приближенные. Инженерные методы реализовывались при помощи обычных микрокалькуляторов или различного рода микроЭВМ. И, тем не менее, эти методы позволяли сравнительно быстро определять возможные техниче- ские решения и приемлемые конструктивные параметры заземлителей, удовлетворявшие действовавшим нормам при минимуме приведенных или капитальных затрат. Правда, эти решения были далеки от оптимальных.

Определение оптимальных конструктивных параметров заземлителей возможно только на базе использования точных методов расчета, учитывающих все достижения в области теории заземлений, в том числе и указанный способ выравнивания электрических потенциалов путем изменения глубины заложения заземлителя. Еще совсем недавно оптимальные конструктивные параметры заземлителей находили путем последовательных приближений, т.е. перебором нескольких вариантов их геометрических размеров, конфигурации и глубин заложения заземлителя в землю в зависимости от размера территории, на которой размещено подлежащее заземлению электрооборудование, и параметров электрической структуры земли. Оптимальные решения во многом зависели также от интуиции и опыта проектировщиков и отпущенного машинного времени, которое в до-

компьютерный период стоило дорого и строго лимитировалось. В то время легче было увеличить площадь заземлителя (земля в то время практиче- ски ничего не стоила), нежели затрачивать лишнее машинное время, добиваясь удовлетворения требований ПУЭ на ограниченной площади. Сейчас все по-другому. Компьютерное время, если это не время работы в Internet, никто уже не учитывает, в то время как каждый квадратный метр земли во многих регионах страны стоит очень дорого.

В настоящее время разработаны достаточно мощные математические методы строгого решения оптимизационных задач. В основе некоторых из них, например, динамического программирования, заложена идея целенаправленного автомати- ческого перебора вариантов практически по любым параметрам. Эта идея достаточно удобна в реализации на компьютере и сравнительно легко приводит к цели при решении задач оптимизации конструктивных параметров заземлителей, особенно при использовании широко распространенного метода обобщенных параметров. При этом в число параметров перебора должна обязательно входить как глубина заложения в землю всего заземлителя, так и отдельных его ячеек, степень влияния которой, как было показано, велико. Однако в настоящей статье методы оптимизации конструктивных параметров заземляющих устройств в глобальном плане не рассматриваются и даже не ставятся.

Выводы

1.Проектирование и сооружение заземляющих устройств для электрических станций и подстанций исходя из допустимых значений напряжений прикосновения являются более прогрессивными по сравнению с расчетами заземляющих устройств по допустимому сопротивлению растекания тока с заземлителя в землю.

2.В основе расчетов заземлителей исходя из допустимых значений напряжений прикосновения можно с успехом использовать известный метод наведенных потенциалов, реализовав его на современных персональных компьютерах.

3.Алгоритмы расчетов заземляющих устройств, базирующиеся на использовании метода наведенных потенциалов, должны содержать фрагменты, учитывающие характер изменения распределения потенциалов на поверхности земли

âзависимости от глубины заложения заземлителя.

4.При учете характера изменения распределения потенциалов на поверхности земли в зависимости от глубины заложения заземлителя следует знать, что, например, для кольцевого заземлителя при малых глубинах потенциал на поверхности земли над кольцом будет выше, чем над центром кольца. При больших глубинах потенциал над кольцом будет ниже, чем над центром кольца. Суще-

2004, ¹ 6

59

Соседние файлы в папке Подшивка журнала Электрические станции за 2004 г.