Совершенствование расчетных методов молниезащиты и заземляющих устройств в неоднородных грунтах

Надежное и бесперебойное функционирование высоковольтных объектов электросетевого хозяйства, а также безопасность их эксплуатации во многом определяется грамотной организацией системы заземления и молниезащиты [1]. Современное ЗУ есть сложная многофункциональная система [2], характеристики которой должны обеспечивать в нормальных и аварийных условиях выполнение эксплуатационных параметров электроустановки регламентированных в [3]. Наряду с основными группами функций систем заземления (рабочее, защитное и молниезащитное) в НДТ за последние годы уделяется большое внимание к «помехозащитным» свойствам заземлителей [4]. И это не удивительно, проектирование современных ЭС и ПС уже невозможно представить без применения МП устройств, реализующих основные типы защит, автоматики, связи и т. п. Несмотря на их высокую производительность, данные аппараты имеют низкий уровень «помехозащищенности» от электромагнитных воздействий [5]. Сбои в работе электронных устройств или их полное разрушение влечет за собой не только экономический ущерб, но и является потенциальной угрозой здоровью рабочего персонала [6].

По статистике более 10% от всех случаев неправильной работы современных устройств РЗА происходит из-за недостаточной проработки вопросов ЭМС [4, 7]. Это связано с тем, что применявшиеся ранее методы защиты от электромагнитных помех вполне оправдывали себя в работе со старой элементной базой, но оказались непригодными при переходе на современную элементную базу интегральных микросхем [5]. Начиная с середины 90-х, наблюдается активное внедрение МП устройств в основные процессы энергетических предприятий [8], при этом проектирование ЭС и ПС до сих пор выполняется по типовым проектам, которые разработаны ещё в эпоху электромеханических реле [4, 9]. Дилетантство в вопросах ЭМС, на этапе принятия проектных решений обычно приводит к выполнению дорогостоящих мероприятий по реорганизации системы заземления и молниезащиты уже эксплуатируемого энергообъекта. Типичной ошибкой является заземление молниеприемников вблизи кабельных каналов [9]. Как показывает практика, значительную часть проблем ЭМС можно решить на стадии проектирования ЭС и ПС благодаря грамотной компоновке ЗУ, оптимального расположения системы молниезащиты и кабельной канализации [10].

В классической схеме организации системы внешней молниезащиты ЭС и ПС в качестве опор для молниеприемников используются порталы, что позволяет использовать большое число таких молниеотводов без существенного удорожания проекта [11]. Основной недостаток данной схемы нашел отражение в [12, 13], где указано минимальное расстояние (10 метров) от основания стоек молниеотводов до трасс прокладки вторичных цепей. Смысл данного требования заключается в снижении влияния импульсных токов молнии на работоспособность МП аппаратуры. Ранее воздействие вторичных проявлений молнии практически не учитывалось в нормативной документации [14]. К слову, в ПУЭ [15] отсутствует даже упоминание об ЭМС [4]. Нормируемые [15] изоляционные расстояния (3−5 м) между заземлителем отдельно стоящего молниеотвода и коммуникациями ОРУ не гарантируют защиты от прорыва тока молнии по каналам искровых разрядов [16] и не соответствуют требованиям [13].

Основной целью проектирования молниезащиты является процедура сведения к минимуму вероятности прорыва лидера молнии к силовому оборудованию проектируемого энергообъекта. В результате трассы вторичных кабелей, ТТ и ТН часто оказываются рядом с молниеприемниками и ОПН. Известный факт, при стекании импульсного тока молнии на ЗУ возникает зона повышенного импульсного потенциала, вынос которого возможен через заземление вторичных обмоток измерительных трансформаторов по кабелям — на входы МП аппаратуры [14]. Электромагнитные поля, возникающие при ударе молнии, за счет индуктивной и емкостной связи ЗУ и молниеотвода так же способны индуцировать помехи в близко расположенные цепи вторичной коммутации.

Безусловно, степень таких помех во многом зависит от специфики проектируемого объекта, его географического положения и геоэлектрического строения грунта, однако в первом приближении для создания удовлетворительной ЭМО в проектировании необходимо учитывать требования [12, 13]. При таком подходе молниеприемные мачты необходимо располагать по периметру ячеек ОРУ, а чаще всего за его пределами. В качестве таких элементов молниезащиты могут выступать концевые опоры ВЛ, радиомачты, мачты освещения или отдельно стоящие молниеотводы, которые, зачастую, имеют собственное изолированное ЗУ. Такой метод требует детальной проработки всех возможных вариантов расположения отдельно стоящих или тросовых молниеотводов при их минимальном количестве, поскольку данная схема удорожает проект. Использование территории под молниеотводы за пределами подстанции так же ведет к удорожанию проекта.

Следует заметить, ЗУ во многом определяет эффективность системы молниезащиты энергообъекта [17]. Не случайно в [15] рекомендуется устанавливать вертикальные электродывблизи оснований фундаментов молниеотводов, поскольку при молниевом разряде роль локального заземлителя резко возрастает [6].

Расчет систем заземления и молниезащиты необходим при их проектировании, модернизации или ремонте, а так же при анализе условий электробезопасности и ЭМС ЭС и ПС. Реконструкция ЗУ и молниезащиты приводит к необходимости приведения их параметров современным нормам, что так же требует предварительных расчетов.

Таким образом, для отрасли электроэнергетики задача расчета характеристик систем заземления и молниезащиты объектов электросетевого хозяйства высокого напряжения актуальна как никогда. Безусловно, в её решении неоценим вклад ведущих организаций по созданию и совершенствованию алгоритмов различной сложности. Однако работы в данном направлении считать завершенными нельзя, так как большинство алгоритмов расчета молниезащиты разработаны для решения какой-то в большей или меньшей степени ограниченной задачи, а превалирующая часть существующих алгоритмов расчета ЗУ имеет ограничение по расчетной модели грунта. Снижение погрешности возможно при использовании модели земли максимально приближенной к её реальной слоистой структуре с различным удельным сопротивлением и толщиной каждого слоя. В связи с этим исследования, направленные на совершенствование существующих методик расчета внешней молниезащиты и на разработку метода расчета характеристик ЗУ в многослойном грунте, являются весьма актуальными.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Повышение качества и эффективности проектирования сложных систем заземления и молниезащиты посредством разработки нового метода расчета электрических характеристик заземлителей в многослойном, горизонтально-слоистом грунте и исследования особенностей, и совершенствования методик расчета параметров смежной зоны защиты систем разновысоких молниеотводов.

Для достижения данной цели в работе поставлены следующие задачи:

— разработка оптимальных математических моделей сложных систем молниезащиты и заземления;

— выбор и алгоритмизация методов расчета, исследование и оптимизация используемых в алгоритмах методов с целью повышения их эффективности;

— разработка алгоритма и его программная реализация в математическом редакторе;

— исследование систем заземления и молниезащиты ЛЭП и ПС, разработка рекомендаций по их конструктивному выполнению.

ИДЕЯ РАБОТЫ заключается в развитии теоретического метода расчета заземлителей в неоднородном грунте, основанного на решении краевой задачи об электрическом поле точечного источника тока с последующей аппроксимацией полученных данных в виде многочлена, старшая степень которого равна количеству слоев рассматриваемой модели земли и в совершенствовании существующих методик расчета молниезащиты, основанном на использовании оригинальных аналитических выражений, позволяющих определять радиусы зоны защиты одиночных молниеотводов.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ:

— разработан метод расчета потенциала точечного источника тока в многослойной плоскопараллельной^модели земли, отличающийся от известных аналогов, реализованных преимущественно медленно сходящимися рядами, быстродействием при сохранении точности расчета, путем решения системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) граничных условий и аппроксимации частных решений подынтегральной функции в уравнении Лапласа экспоненциальным многочленом со старшей степенью равной количеству слоев рассматриваемой модели грунта;

— разработаны математическая и расчетная модели заземляющих устройств, основанные на решении системы уравнений для определения потенциала в расчетных узлах посредством решения задачи токораспределения по элементам за-землителя, отличающиеся от аналогов поправкой на неоднородность структуры грунта в виде коэффициентов экспоненциальной аппроксимации;

— получены оригинальные аналитические выражения, расширяющие возможности стандартов IEC 62 305−3 (Международная электротехническая комиссия) и DIN VDE 0101 (Союз немецких электротехников), для определения радиуса зоны защиты одиночных стержневых молниеотводов;

— разработана методика расчета смежной зоны защиты системы молниеотводов, согласно стандарта DIN VDE 0101, снимающая ограничение, как по высоте, так и по количеству молниеотводов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ определяется возможностью использования разработанных методов и программ в практике проектирования высоковольтных энергообъектов, а именно:

— создана и внедрена в практику проектирования компьютерная программа «Щит-М» для расчета внешней молниезащиты системы молниеотводов с учетом оценки рисков, соответствующих специфике объекта проектирования, удовлетворяющая требованиям отечественной и международной нормативной документациисоздана и внедрена в практику проектирования компьютерная программа «Erdung» для расчета ЗУ в многослойном, горизонтально-слоистом грунте, позволяющая проводить расчеты напряжения прикосновения и сопротивления растеканию тока;

— программы реализованы в наиболее употребляемой проектировщиками системе компьютерной математики (СКМ) MathCAD, обладают широкими функциональными возможностями с использованием экспорта данных геометрии исследуемых объектов из dxf-файлов САПР (AutoCAD, BricsCAD и др.) и современной трехмерной графикой, что позволяет проводить расчеты и получать проектную документацию.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Поставленные в работе задачи решены методами математического моделирования с использованием теории электриче-^ ских цепей, заземления, молниезащиты, линейного предсказания, численных методов, алгоритмизированы и реализованы в виде программ для ЭВМ в СКМ MathCAD.

ОБЪЕКТОМ ИССЛЕДОВАНИЯ являлась высоковольтная электроустановка с системой заземления сложной конфигурации, расположенной в многослойном горизонтально-слоистом грунте и с системой молниезащиты, организованной разновысокими молниеотводами.

ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ И ВЫВОДОВ обеспечивается: корректным применением фундаментальных законов и методов теории электрических цепейиспользованием стандартных вычислительных средств СКМсравнительными расчетами ЗУ и молниезащиты различными методамисравнением с результатами расчета других авторов и измерений ЗУ ВЛ и ПС.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. С использованием разработанных программ для ООО «ВСЭП» были выданы рекомендации к проектированию систем заземления и молниезащиты ПС 110/10 кВ «Волошка», ПС 110/10 кВ «Мирный» (Архэнерго), ПС 110/10 кВ «Стеклозавод», ПС 110/35/10 кВ «Луговая» (Воло-гдаэнерго), ПС 110/10кВ «Валим» (Ленэнерго), ПС 110/35/10 кВ «Олонец» (Ка-релэнерго). Результаты исследований включены в лекционные курсы, послужили основой для подготовки лабораторных работ в Вологодском государственном техническом университете (ВоГТУ). Предлагаемые программы позволяют повысить качество и эффективность проектирования ЗУ и молниезащиты за счет полной автоматизации расчета. Использование данных программ позволяет ускорить процесс оформления проектной документации до одного — двух дней. Работа с субподрядными организациями затягивает этот процесс до трех недель.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения докладывались и обсуждались на 5-й Международной научно-технической конференции «ИНФОС-2009» (Вологда 2009 г.), на вводном и заключительном семинарах стипендиатов DAAD по программе «Михаил Ломоносов II» (Бонн 2008 г, Москва 2009 г.), на 3-й Международной научно конференции' «Тинчуринские чтения» (Казань 2009 г.), на Всероссийских научных конференциях студентов и аспирантов «Молодые исследователи регионам» (Вологда 2005, 2006, 2007 гг.), на региональном студенческом конкурсе компьютерных программ «Молодежь и высокие технологии» (Вологда 2006 г.), на кафедре электрооборудования ВоГТУ в 2008;2010 гг. Диссертационная работа выполнена в рамках научно-исследовательского гранта Германской службы академических обменов (DAAD) и Министерства образования и науки Российской Федерации «Михаил Ломоносов II» на базе FH Munster (г. Мюнстер) при поддержке энергетической компании RWE (г. Дортмунд, г. Эссен), а так же в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009;2011 годы)».

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ СЛЕДУЮЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ: — математическая модель и программа, определяющая внешнюю зону защиты системы молниеотводов, оригинальные аналитические выражения для определения радиуса зоны защиты и метод расчета смежной зоны защиты для тройки стержневых молниеотводов;

— алгоритм расчета электрических параметров ЗУ с использованием векторной формы записи наведенного потенциала и метода прямоугольников в многослойном, горизонтально-слоистом грунте;

— метод определения параметров подынтегральной функции в уравнении Грина с их последующей экспоненциальной аппроксимацией по методу Прони для реализации тождества В ебера-Липшица;

— алгоритмизация разработанных методов расчета и реализация алгоритмов в СКМ М^сЬСАО.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в числе которых 3 статьи, 7 докладов на конференциях. Четыре печатные работы опубликованы в изданиях, включенных в список ВАК РФ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ

Работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка использованных источников из 105 наименований, в том числе 14 на иностранных языках и 5 приложенийобщий объем диссертации 158 страниц машинописного текста, 33 рисунка и 11 таблиц.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

На основании проведенных исследований были решены актуальные задачи проектирования сложных систем заземления и молниезащиты посредством развития метода наведенного потенциала применительно к расчету сложных заземлителей в многослойном, горизонтально-слоистом грунте и исследования особенностей, и совершенствования методик расчета параметров смежной зоны защиты систем разновысоких молниеотводов.

Материалы работы позволяют сформулировать следующие основные выводы:

1. Разработана расчетная модель определяющая параметры внешней молниезащиты ЭС и ПС с учетом требований отечественной и международной нормативной документации. Получены оригинальные аналитические выражения, расширяющие возможности стандартов 1ЕС 62 305−3 и БШ УБЕ 0101, для определения радиуса зоны защиты одиночных стержневых молниеотводов.

2. Разработана методика расчета смежной зоны защиты системы молниеотводов, согласно стандарта БШ Т) Е 0101, снимающая ограничение, как по высоте молниеотводов (более 25 м), так и по их количеству (более двух молниеотводов).

3. Разработан метод расчета потенциала точечного источника тока в многослойной плоскопараллельной модели земли основанный на решении СЛАУ граничных условий и аппроксимации частных решений подынтегральной функции в уравнении Лапласа экспоненциальным многочленом по методу Прони для взятия несобственного интеграла тождеством В ебера-Липшица. Предлагаемый метод замены подынтегральной функции комплексными коэффициентами аппроксимации позволяет повысить быстродействие при сохранении точности расчета в сравнении с методами, реализованными медленно сходящимися рядами, посредством снижения старшей степени аппроксимирующего многочлена до значения равного количеству слоев рассматриваемой модели грунта. На примере трехслойной среды в разработанном методе количество математических операций снижено в 10 раз в сравнении с существующими методами расчета.

4. Разработаны математическая и расчетная модели ЗУ в многослойном горизонтально-слоистом грунте, позволяющие в результате алгебраизации интегрального уравнения получить СЛАУ. Разработанная математическая модель задает потенциал на поверхности заземлителя как наведенный стекающим с элементов заземлителя током. Поправка на неоднородность структуры грунта в расчете потенциальных коэффициентов определяется комплексными коэффициентами аппроксимации Прони. В расчетной модели ЗУ исключены повторные итерации для идентичных аппликат, благодаря чему выполняется плотная дискретизация ЗУ исходя их условия постоянства плотности тока.

5. Алгоритмизация разработанных методов выполнена в СКМ MathCAD в виде программ «Щит-М» и «Erdung», для которых выполнен автоматизированный ввод геометрии исследуемых объектов экспортом данных dxf-файлов графического редактора (AutoCAD, BricsCAD), что позволяет одновременно-проводить расчеты и получать проектную документацию.

6. Расчеты с применением программ «Щит-М» и «Erdung» использованы при выдаче рекомендаций по проектированию молниезащиты и ЗУ ПС 110 кВ для ООО «Вологдасельэнергопроект», а так же для анализа методики измерений сопротивления опор ВЛ при отсутствии грозотроса. Использование данных программ позволяет ускорить процесс разработки и оформления проектной документации до двух дней. В свою очередь, срок выполнения договорных обязательств субподрядной организации, реализующей данную работу, составляет три недели. В соответствии с данными ООО «Вологдасельэнергопроект», минимальный ожидаемый экономический эффект от использования предлагаемых алгоритмов расчета при разработке проектной документации одного объекта электросетевого хозяйства составляет сорок тысяч рублей.