Кабельные коммуникации, к которым относятся подземные магистральные линии связи, цепи контроля и управления работой электроэнергетических объектов, являются важным элементом обеспечения эффективной и безопасной работы энергосистем и ее генерирующих объектов. Эти коммуникации находятся, как правило, в зоне электромагнитного влияния высоковольтной сети и в непосредственном контакте с ее элементами. Актуальность исследований определяется необходимостью обеспечения надежности систем связи, контроля и управления совместной работой электроэнергетических объектов, в том числе электростанций. Нормативными документами снижение опасности влияний высоковольтной сети предусматривает удаление линий связи от воздушных линий электропередачи (ВЛ), использование разделительных пунктов и защиту концевых аппаратов. При этом защита элементов самих кабелей связи не обеспечивается.
Существующие методы повышения надежности работы кабельных коммуникаций не выполнимы в ряде случаев (в части удаления их трассы от элементов высоковольтной сети), а средства от перенапряжений недостаточно эффективны. Возникающие повреждения кабельных коммуникаций приводит к перерывам в работе каналов связи и управления, а также к дополнительным затратам при проведении ремонтных работ. Более того, расчеты показывают, что срабатывание защитных разрядников увеличивает опасность токов и напряжений для элементов кабеля связи — жил и изоляции, как на трассе линии, так и на пунктах подключения.
Сложность решения проблемы электромагнитной совместимости магистральных линий и экспериментальных исследований влияний заключается в необходимости учета комбинированного действия аварийного тока в воздушной линии (ВЛ) и потенциалов на заземляющих контурах электростанций. Кроме того, в условиях действующей сети экспериментально можно зарегистрировать только значения токов и напряжений по концам протяженных подземных коммуникациях. Физически невозможно разделение влияния наведенной ЭДС и потенциалов заземлителей по концам линии, а также токов в одном опыте, что затрудняет интерпретацию опытных данных.
Объектом исследований электромагнитной совместимости с высоковольтной сетью являются подземные магистрали, имеющие электрическую связь с контурами заземления станций и подстанций. Эти вопросы приобретают особую актуальность в районах с высоким удельным сопротивлением грунта и для каскадов относительно небольших ГЭС, имеющих многочисленные линии связи между отдельными электростанциями.
В значительной степени, проблема электромагнитной совместимости (ЭМС) высоковольтной сети и линии связи решается с помощью оптоволоконной системы передачи. Однако, в связи с дороговизной и низким темпам внедрения на удаленных каскадах ГЭС, в настоящее время продолжают успешно эксплуатироваться кабельные линии связи. В ряде случаев проблема диспетчер5 ской связи выполнена по высокочастотным каналам. Например, на Пазском и Нивском каскадах ГЭС Кольской энергосистемы используются проводные подземные коммуникации связи, а на Каскаде Серебрянских ГЭС вследствие опасности выноса потенциалов используются только высокочастотные каналы.
В результате повреждений элементов кабельной линии уменьшается надежность управления совместной работы электростанций, возможны нарушения цепей контроля. Сами повреждения могут иметь длительный характер. Это связано с тем, что поиск места повреждения достаточно затруднителен.
Наиболее опасные для подземных кабельных линий влияния проявляются в местах сближения или пересечениях трасс ВЛ, а также на заходах в подстанции или электростанции. Во время аварийных режимов, а особенно при несимметричных коротких замыканиях на землю в высоковольтной сети, на линиях связи возникают опасные напряжения и токи, обусловленные индуктивным влиянием тока воздушной линии электропередачи (ЛЭП) и гальваническим влиянием напряжений на заземляющих контурах электроустановок. Повреждения элементов кабельных линий связи могут быть существенны, начиная от повреждения изоляции и заканчивая разрывом проводной связи.
Исследования влияний высоковольтной сети на проводные линии связи выполняются длительное время по следующим направлениям — теоретические, экспериментальные, технические. Исследуется влияние на снижение качества и нарушения работы систем связи, а также повреждения элементов самих кабельных линий.
Развитие энергосистем, увеличение генерируемой мощности приводит к увеличению числа самих замыканий, а также, к увеличению напряжений при аварийных режимах, воздействующих на линии связи энергосистем. Повышение уровней токов и напряжений, с увеличением числа повреждений кабельных линий связи, определяют дополнительное изучение опасных влияний и токов в аварийных режимах, а также совершенствование защитных мероприятий. Развитие вычислительной техники позволяет выполнять сложные математические расчеты, в том числе ранее табулированных функций.
В данной работе рассматриваются только опасные влияния. Для достижения поставленной цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи:
1. Анализ физических процессов электромагнитного влияния аварийных режимов высоковольтной сети на подземные проводные коммуникации.
2. Нахождение решения уравнений электромагнитного поля аварийных токов в воздушной ЛЭП в произвольной точке земли на основе решения для векторного потенциала поля диполя, расположенного над поверхностью земли, и методики расчета распределения наведенной ЭДС по трассе кабельной линии.
3. Разработка методики расчета напряжений и токов, наведенных в элементах подземных проводных коммуникаций, с учетом гальванической и магнитной составляющих влияния аварийных токов в высоковольтной сети.
4. Разработка методики экспериментальных исследований влияний аварийных токов на подземные коммуникации в действующих сетях и выполнение контрольных экспериментальных измерений наведенных напряжений и токов в подземной линии связи в натуральных условиях.
5. Выполнение численных исследований электромагнитного влияния аварийных токов высоковольтной сети на проводные коммуникации.
6. Разработка метода совершенствования защиты элементов связи от электромагнитного влияния аварийных токов высоковольтной сети.
Полученные результаты могут быть использованы для изучения опасности влияний на подземные коммуникации другого типа, например, газои нефтепроводы, а также для совершенствования методов защиты низковольтных различных проводных коммуникаций, в том числе цепей контроля и управления.
Выводы по работе, имеющие методическую и практическую направленность, можно разделить на следующие разделы:
1. Для исследования наведённых напряжений и токов в элементах подземной проводной коммуникации получено решение уравнений электромагнитного поля в произвольной точке земли на основе решения для векторного потенциала поля горизонтального диполя, расположенного над поверхностью земли. Аналитические выражения получены для составляющих компонент электрического поля. Выполнен анализ решений для напряженности электрического поля в нижнем полупространстве. Показана возможность снижения объемов численных операций для заданной погрешности вычислений. Разработана математическая модель для расчетов распределения Э.Д.С., наведённой на жилах и оболочке кабеля связи от аварийного тока в высоковольтной ЛЭП. Результаты расчетов использованы в дальнейших исследованиях электромагнитного влияния аварийных токов высоковольтной сети на подземную кабельную линию связи на участке между ГЭС-1У и ГЭС-У.
2. На основе модификации математической модели расчета распределения напряжений и токов в проводной магистрали разработана модель электромагнитного влияния аварийных токов высоковольтной сети с учетом неоднородностей и нарушений отдельных каналов. В комплексную разработку включены модели распределения по трассе кабельной линии индуцированной Э.Д.С. и аварийных токов в воздушной ЛЭП и заземляющих контурах, гальванически связанных с линией связи.
Расчетный анализ электромагнитного влияния аварийных токов на кабельную линию связи выполнен для раздельного и комплексного действия индуцированных Э.Д.С. и гальванических (уравнительных) токов. Полученные распределения токов и напряжений позволяют определить уровни воздействий на изоляцию и токопроводящие элементы. Уровень опас.
142 ных токов определяется по условию термического действия на токопроводящие жилы, оболочку и изоляцию, а уровень опасных напряжений определяется электрической прочностью изоляции и допустимым уровнем напряжений на подключениях концевых устройств, а также напряжением срабатывания защитных аппаратов.
Приведенные результаты расчетов показывают, что при определении опасных уровней токов и напряжений необходимо учитывать влияние кабельных линий на распределение аварийных токов и изменение потенциалов заземляющих контуров, гальванически связанных с линией связи, а также взаимные фазы индуцированных Э.Д.С., токов в воздушной ЛЭП и токов в контурах заземлений.
3. Полученные в процессе исследований аналитические решения и расчетная программа для компонент электрического поля в области прокладки кабельных линий, математические модели распределения аварийных токов в элементах высоковольтной сети и распределения напряжений и токов в линии связи позволили сформировать алгоритм исследований электромагнитной совместимости. Алгоритм предполагает последовательное использование разработанных моделей, расчетных программ и результатов, полученных на каждом этапе расчетов. Цикличность расчетов определятся по результатам анализа опасности влияний и последствий этих влияний — срабатывание разрядников, пробои и перекрытия изоляции линии связи, прожигание изоляции и перегорание жил и оболочки. При срабатывании защиты, возникновениях повреждений и изменении их характера возврат в цикл выполняется с изменением граничных условий в расчетах распределения напряжений и токов.
4. Организованы и проведены экспериментальные исследования в действующей высоковольтной сети каскада Пазских ГЭС, расположенной в регионе с низкой проводимостью грунта. Исследования выполнены по методике генерирования токов в заземляющих контурах ГЭС с использованием воздушной ЛЭП, выведенной из работы.
Усовершенствована методика экспериментальных исследований в действующих сетях с включением следующих основных положений: а) генерирование сторонних (контролируемых) токов и полей, безопасных для элементов и работы электрических сетейб) частотное разделение сторонних и промышленных токов с учетом их гармонических составовв) бесконтактный контроль токов в элементах сети для обеспечения безопасности работ и чистоты измерений.
В методике проведения натурных исследований и анализа полученных результатов учитываются особенности распределения аварийных и экспериментальных токов. В работе.
143 приведены исследования на участке сети, включающем ГЭС-ГУ, ГЭС-У и ГЭС-У1, а также линии Л-82, (ЭЛ-130 и Л-130. Получены экспериментальные частотные зависимости наведенных напряжений на изолированных с одной стороны жилах кабеля связи и токов в жилах, замкнутых на оболочку и контуры заземления.
Для оценки эффективности разработанной методики решения задач электромагнитной совместимости выполнены расчеты распределения токов и напряжений на участке кабельной линии для условий проведения экспериментов. Сопоставление полученных результатов показало достаточную для практических целей расчетную методику при определении напряжений на изоляции кабеля связи.
5. Анализ результатов исследований электромагнитных влияний на подземные линии связи позволил выявить сценарии развития и механизмы повреждений элементов кабельных коммуникаций и недостатки существующей защиты искровыми разрядниками. Выделен циклический характер процесса, при котором первой причиной является срабатывание одного из разрядников или локального перекрытия, следствием которого является перераспределение перенапряжений и замыкание на противоположном конце кабеля с увеличением сопровождающего тока и его термического действия. В результате гашения дуги или разрыва жилы происходит повышение напряжения с новым перекрытием изоляции. Далее процесс циклически повторяется.
6. Разработано дополнительное устройство защиты на основе токоограничивающих элементов с нелинейными вольтамперными характеристиками, которое помогает ограничивать перенапряжения в подземных магистралях.
Научная новизна:
1. Получено аналитическое выражение для составляющих компонент электрического поля в линиях связи, расположенных вблизи высоковольтной линии сложной конфигурации.
2. Разработана математическая модель для анализа распределения в элементах сети аварийных токов с учетом влияния подземных коммуникаций и ответвления тока через заземленные нейтрали силовых трансформаторов.
3. Адаптирована методика расчета токов и напряжений в подземных коммуникациях с учетом изменения граничных условий в зависимости от тока.
4. Разработана методика экспериментальных исследований, включающая генерирование тока в выведенную из работы действующей сети воздушную линию электропередач и контроль ответвления части генерируемого тока через заземленные нейтрали трансформаторов.
Практическая значимость:
1. Разработаны требования к устройствам защиты проводных коммуникаций от влияний аварийных токов в действующей сети. Предложен макет защитного аппарата.
2. Разработан новый подход к ограничению опасности электромагнитных влияний аварийных режимов в высоковольтной сети, который предполагает комплексное ограничение токов и перенапряжений, сопровождающих срабатывание защитных устройств и перекрытия изоляции. Разработанный метод защиты предполагает включение токоограничиваю-щих элементов, выполняющих ограничительные функции в комплексе. Величина остающегося на защитном устройстве (с токоограничивающим элементом) напряжения должна снижаться только до безопасного уровня с учетом повышения напряжения на противоположном конце участка. При этом величина тока должна быть ограничена безопасным уровнем термического действия на изоляцию и проводники.
3. Требования к токоограничивающему элементу определяются параметрами электромагнитных влияний сети и ограничениями по допустимой нагрузке. Наиболее эффективными могут быть элементы с нелинейными вольтамперными характеристиками. Так как современные аппараты защиты от перенапряжений не рассчитаны на длительные действие сопровождающих токов, показана необходимость разработки защиты нового типа на основе токоограничивающих элементов с нелинейными вольтамперными характеристиками.
4. В качестве макетного образца изготовлено дополнительное защитное устройство с токоограничивающим резистором, которое прошло лабораторные испытания. Основной проблемой является ограничивающие требования к допустимой нагрузке на резистор.
5. Результаты диссертационной работы прошли успешное апробирование на каскаде Пазских ГЭС Филиала «Кольский ОАО «ТГК-1» и показали хорошую эффективность, что подтверждено актом о внедрении на ГЭС Пазского каскада (рисунок 5.6).
Заключение
.
В методической части проведен анализ методики электромагнитного влияния высоковольтной сети на подземные коммуникации. При рассмотрении физических процессов в аварийных режимах высоковольтной сети показан сложный характер распределения токов, который затрудняет разделение составляющих тока в контурах, концевых устройств и токов в воздушных линиях, оказывающих индуктивное влияние. Разработана модель, в которой учитывается влияние нескольких источников энергии от близкорасположенных ГЭС одного каскада, сопротивления контуров заземлений, конфигурации сети и расположения точки замыкания. Показано, что наиболее опасные влияния возникают при замыканиях в ОРУ ГЭС или в непосредственной близости на подходах подключенной линии.
