60
СЕТИ
РОССИИ
п
о
д
с
т
а
н
ц
и
и
подст
анции
МЕТОДИКА
МОДЕЛИРОВАНИЯ
ГРОЗОВЫХ
ВОЛН
,
ПРИХОДЯЩИХ
НА
ОБОРУДОВАНИЕ
ПОДСТАНЦИИ
ПО
ВЫСОКОВОЛЬТНЫМ
ЛИНИЯМ
Для
разработки
методов
регистра
-
ции
грозовых
перенапряжений
с
ис
-
пользованием
рабочих
заземлителей
аппаратов
была
разработана
высоко
-
вольтная
аппаратура
для
имитации
грозовых
волн
,
приходящих
на
оборудо
-
вание
подстанции
по
высоковольтной
линии
.
Методика
выполнения
таких
опытов
реализована
при
измерениях
на
под
-
станциях
,
расположенных
на
Кольском
полуострове
,
в
районе
с
высоким
удель
-
ным
сопротивлением
грунта
и
повышен
-
ными
сопротивлениями
заземлений
опор
линий
электропередачи
на
подхо
-
дах
к
подстанциям
.
Генератор
импульс
-
ных
напряжений
(
ГИН
),
моделирующий
грозовую
волну
,
устанавливался
у
опор
линий
электропередачи
на
различных
расстояниях
от
подстанций
(
рис
. 1).
Мо
-
делировались
случаи
поражения
молни
-
ей
фазных
проводов
,
поэтому
импульс
подавался
непосредственно
в
них
.
Высоковольтный
генератор
импуль
-
сов
напряжения
был
разработан
для
выполнения
исследований
в
полевых
условиях
.
Он
имеет
автономное
пита
-
ние
и
может
генерировать
импульсы
амплитудой
от
3
до
20
кВ
.
В
ГИН
воз
-
можно
регулирование
амплитуды
и
дли
-
тельности
фронта
импульса
в
диапазо
-
не
от
0,05
до
2
мкс
на
нагрузке
за
счёт
Экспериментальные
исследования
волновых процессов
на высоковольтных
подстанциях
В статье приводятся результаты моделирования распро-
странения и деформации грозовых волн, приходящих на
ошиновку и оборудование реальных подстанций по воз-
душным линиям. Работа выполнена с целью изучения фи-
зики явления и получения исходных данных для проверки
и уточнения численных моделей анализа надёжности гро-
зозащиты подстанций.
Натэлла ГУМЕРОВА, с.н.с., к.т.н.,
Санкт-Петербургский государственный
политехнический университет,
Аркадий ДАНИЛИН, заведующий лабораторией
высоковольтной электроэнергетики и технологии, к.т.н.,
Борис ЕФИМОВ, директор, д.т.н.,
Виталий КОЛОБОВ, старший научный сотрудник, к.т.н.,
Василий СЕЛИВАНОВ, ведущий научный сотрудник,
к.т.н., Центр физико-технических проблем энергетики
Севера Кольского научного центра РАН
61
№ 4 (13), июль-август, 2012
изменения
величины
фронтовой
ёмкости
.
Длительность
импульса
со
-
ставляет
десятки
микросекунд
.
Регу
-
лируется
также
частота
следования
импульсов
от
1
Гц
до
одиночных
импульсов
.
В
выходной
цепи
ГИН
установлены
делитель
напряжения
и
токовый
шунт
,
позволяющие
реги
-
стрировать
параметры
генерируе
-
мого
импульса
.
При
измерениях
импульсов
напряжений
на
оборудовании
подстанции
использовался
порта
-
тивный
осциллограф
-
мультиметр
АКИП
-4113/2
и
переносной
дели
-
тель
напряжения
.
Для
измерений
токов
в
заземлителях
оборудования
подстанций
применялись
мостовой
шунт
и
пояс
Роговского
.
ВЫБОР
МОДЕЛИ
ЗАЩИТНЫХ
УСТРОЙСТВ
ПОДСТАНЦИЙ
В
настоящее
время
на
подстан
-
циях
высших
классов
напряжения
в
качестве
защитных
аппаратов
в
основном
используются
нелиней
-
ные
ограничители
перенапряжений
(
ОПН
).
При
исследованиях
пере
-
ходных
процессов
на
ошиновках
подстанций
при
напряжениях
зна
-
чительно
ниже
рабочих
защитные
аппараты
можно
моделировать
по
-
следовательной
цепочкой
из
низко
-
вольтных
ОПН
,
параметры
которых
1500
кВ
.
Если
амплитуда
импульса
генератора
,
моделирующего
гро
-
зовую
волну
,
составляет
15
кВ
,
то
остающееся
напряжение
на
моде
-
ли
ОПН
должно
быть
примерно
в
100
раз
меньше
,
то
есть
около
6
кВ
.
Для
удобства
сопоставления
резуль
-
татов
измерений
на
подстанциях
с
меньшим
рабочим
напряжением
(110—150
кВ
)
для
имитации
грозо
-
вых
волн
использовался
тот
же
гене
-
ратор
и
та
же
модель
ОПН
.
На
основе
этих
данных
был
вы
-
бран
модельный
ОПН
,
выполнен
-
ный
из
четырёх
последовательно
соединённых
варисторов
типа
S10K510
фирмы
EPCOS.
Ёмкость
каждого
элемента
составила
при
-
мерно
100
пФ
,
поэтому
при
после
-
довательном
соединении
четырёх
элементов
ёмкость
модельного
ОПН
I
,
А
0,25
0,5
1,0
2,0
5,0
10
20
30
40
50
60
66
U,
В
980
1010
1030
1040
1110
1130
1170
1200
1220
1250
1270
1310
Табл
.
Вольтамперная
характеристика
варистора
S10K510
Рис
. 1.
Схема
подключения
генератора
к
высоковольтной
линии
выбираются
по
критериям
подобия
.
Выбор
модели
ОПН
был
сделан
ис
-
ходя
из
следующих
соображений
.
Для
сети
330
кВ
амплитуда
дли
-
тельно
допустимого
фазного
напря
-
жения
U
Ф
≈
296
кВ
.
Остающееся
на
-
пряжение
на
ОПН
примерно
в
два
раза
больше
амплитуды
фазного
напряжения
,
что
составляет
600
кВ
.
Амплитуда
грозовой
волны
,
не
сре
-
занной
из
-
за
перекрытия
линейной
изоляции
и
проходящей
по
линии
на
подстанцию
,
составляет
примерно
равна
примерно
25
пФ
,
что
при
-
близительно
соответствует
ёмкости
реальных
ОПН
.
В
таблице
приводят
-
ся
значения
вольтамперной
харак
-
теристики
одного
варистора
типа
S10K510.
РЕЗУЛЬТАТЫ
ИЗМЕРЕНИЙ
ТОКОВ
И
НАПРЯЖЕНИЙ
ПРИ
МОДЕЛИРОВАНИИ
НАБЕГАЮЩИХ
ГРОЗОВЫХ
ВОЛН
Исследования
переходных
про
-
цессов
в
ошиновке
подстанций
грозозащитный
трос
расщиплённый
провод
линии
330
кВ
фаза
С
Z
2
волновае
сопротивление
линии
Z
1
волновае
сопротивление
провода
R
c
сопротивление
согласования
генератор
импульсных
напряжений
R
ш
Z
2
62
СЕТИ РОССИИ
(
напряжения
в
узловых
точках
под
-
станций
и
токи
через
защитные
ап
-
параты
,
силовые
и
измерительные
трансформаторы
)
были
выполнены
на
четырёх
подстанциях
классов
напряжения
330
кВ
(
ПС
1), 150
кВ
(
ПС
2)
и
110
кВ
(2
подстанции
—
ПС
3
и
ПС
4).
На
двух
подстанциях
(330
и
110
кВ
)
была
возможность
осу
-
ществлять
генерацию
волны
с
ВЛ
.
На
двух
других
подстанциях
реги
-
страция
перенапряжений
в
узло
-
вых
точках
подстанции
осущест
-
влялась
при
генерации
импульса
в
шину
,
соединяющую
линейный
разъединитель
с
оборудованием
подстанции
.
Для
имитации
прохож
-
дения
волны
по
линии
в
цепь
ГИН
включался
резистор
,
сопротивле
-
ние
которого
примерно
равнялось
волновому
сопротивлению
фазно
-
го
провода
линии
.
Одним
из
основных
результатов
опытов
было
определение
значе
-
ний
перенапряжений
на
вводах
трансформаторов
по
отношению
к
значению
остающегося
напряже
-
ния
на
ОПН
.
Распространение
гро
-
зовой
волны
,
органиченной
в
месте
установки
ОПН
,
приводит
к
разви
-
тию
колебаний
в
схеме
подстанции
.
В
случае
установки
ОПН
по
ходу
гро
-
зовой
волны
основные
колебания
возникают
в
контуре
ОПН
—
ввод
трансформатора
,
при
этом
ампли
-
туда
колебаний
может
значительно
превосходить
значение
остающего
-
ся
напряжения
на
ОПН
.
На
рис
. 2—6
приведены
осциллограммы
изме
-
рений
напряжений
на
ОПН
и
вводах
трансформаторов
,
полученные
на
указанных
четырёх
подстанциях
.
ВЫВОДЫ
1.
Совмещённые
осциллограм
-
мы
остающегося
напряжения
на
защитном
аппарате
(
ОПН
)
и
вводе
трансформатора
показывают
,
что
при
реально
возможных
близких
ударах
молнии
с
большой
крутиз
-
ной
тока
на
фронте
импульса
на
-
пряжение
на
вводе
может
в
два
раза
и
более
превысить
остающее
-
ся
напряжение
на
ОПН
.
В
данных
опытах
кратность
перенапряжений
по
отношению
к
остающемуся
на
-
пряжению
на
ОПН
на
подстанциях
разных
классов
напряжения
для
крутых
фронтов
волн
составила
на
подстанциях
: 330
кВ
—
до
2,4;
150
кВ
—
до
1,7; 110
кВ
—
до
2,2.
Рис
. 2.
Осциллограммы
напряжений
на
вводе
трансформатора
и
на
защитном
аппарате
на
подстанции
330
кВ
(
ПС
1)
1 —
напряжение
на
вводе
трансформатора
относительно
заземлённой
нейтрали
;
2 —
напряжение
на
ОПН
относительно
заземляющей
шины
.
Рис
. 3.
Осциллограммы
напряжений
на
ОПН
и
его
заземляющей
шине
на
подстанции
330
кВ
(
ПС
1)
Рис
. 4.
Осциллограммы
напряжений
на
вводе
трансформатора
и
ОПН
на
подстанции
150
кВ
(
ПС
2)
1 —
напряжение
на
ОПН
относительно
заземляющей
шины
;
2 —
напряжение
на
ОПН
относительно
удалённой
земли
;
3 —
напряжение
на
заземлителе
ОПН
относительно
удалённой
земли
.
1 —
напряжение
на
вводе
трансформатора
относительно
заземлённой
нейтрали
;
2 —
напряжение
на
ОПН
относительно
заземляющей
шины
.
1
2
0
14
12
10
8
6
4
2
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
мкс
t
U,
кВ
1
2
3
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
мкс
мкс
t
t
6
4
2
0
-2
U,
кВ
U,
кВ
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
2
63
№ 4 (13), июль-август, 2012
Даже
при
минимальных
значени
-
ях
ВАХ
соответствующих
ОПН
это
намного
превышает
допустимые
грозовые
перенапряжения
для
изоляции
трансформаторов
.
Экс
-
перименты
подтверждают
,
что
аб
-
солютно
надёжной
грозозащиты
подстанций
с
помощью
одного
или
даже
нескольких
комплектов
ОПН
добиться
нельзя
.
Можно
лишь
сни
-
зить
вероятность
грозовых
повреж
-
дений
оборудования
за
счёт
пра
-
вильной
организации
подходов
ВЛ
к
подстанции
с
малой
вероятностью
прорывов
молнии
на
провода
и
ма
-
лой
вероятностью
обратных
пере
-
крытий
при
ударе
молнии
в
опоры
и
тросы
.
Последнее
условие
вы
-
полнить
в
соответствии
с
требова
-
ниями
ПУЭ
для
районов
с
высоким
удельным
сопротивлением
грунта
и
повышенными
сопротивлениями
опор
крайне
затруднительно
.
В
лю
-
бом
случае
необходимо
рассчиты
-
вать
показатели
надёжности
грозо
-
защиты
подстанций
.
2.
Опыты
на
подстанции
330
кВ
показали
,
что
на
величину
остаю
-
Рис
. 5.
Осциллограммы
напряжений
на
вводе
трансформатора
и
ОПН
на
подстанции
110
кВ
(
ПС
3)
Рис
. 6.
Осциллограммы
напряжений
на
вводе
трансформатора
и
ОПН
на
подстанции
110
кВ
(
ПС
4)
1 —
напряжение
на
вводе
трансформатора
относительно
заземлённой
нейтрали
;
2 —
напряжение
на
ОПН
относительно
заземляющей
шины
.
1 —
напряжение
на
вводе
трансформатора
относительно
заземлённой
нейтрали
;
2 —
напряжение
на
ОПН
относительно
заземляющей
шины
.
щегося
напряжения
ОПН
значи
-
тельное
влияние
оказывает
ве
-
личина
локального
импульсного
сопротивления
защитного
аппара
-
та
.
На
осциллограмме
(
см
.
рис
. 3)
приведено
напряжение
на
модели
ОПН
,
демонстрирующее
влияние
локального
импульсного
сопротив
-
ления
заземлителя
ОПН
.
Представ
-
лены
кривые
напряжения
на
ОПН
относительно
шины
его
заземления
(1)
и
напряжения
на
ОПН
(2)
отно
-
сительно
удалённой
земли
.
Кривая
(3) —
падение
напряжения
на
ло
-
кальном
импульсном
сопротивле
-
нии
заземления
ОПН
относительно
удалённой
земли
,
которое
добав
-
ляется
к
остающемуся
на
ОПН
на
-
пряжению
.
Такое
же
значение
полу
-
чается
относительно
защищаемого
автотрансформатора
.
Как
видно
из
осциллограммы
,
в
данных
условиях
напряжение
на
ОПН
превышает
на
30%
его
остающееся
напряжение
за
счёт
падения
напряжения
на
за
-
землителе
ОПН
в
течение
более
чем
1
мкс
.
Очевидно
,
что
этот
фактор
необходимо
учитывать
при
выборе
ОПН
для
конкретной
подстанции
.
Таким
образом
,
два
фактора
—
падение
напряжения
на
локальном
импульсном
сопротивлении
зазем
-
лителя
ОПН
и
колебания
в
ошинов
-
ке
подстанции
—
приводят
к
тому
,
что
значительная
часть
разрядов
молнии
с
крутыми
фронтами
на
под
-
ходе
линии
к
подстанции
становит
-
ся
опасной
для
изоляции
силовых
трансформаторов
.
мкс
t
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
2
U,
кВ
10,5
9,0
7,5
6,0
4,5
3,0
1,5
мкс
t
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
1
2
U,
кВ
9,0
7,5
6,0
4,5
3,0
1,5
Оригинал статьи: Экспериментальные исследования волновых процессов на высоковольтных подстанциях
В статье приводятся результаты моделирования распространения и деформации грозовых волн, приходящих на ошиновку и оборудование реальных подстанций по воздушным линиям. Работа выполнена с целью изучения физики явления и получения исходных данных для проверки и уточнения численных моделей анализа надёжности грозозащиты подстанций.
