ryabkova_e_ya_zazemleniya_v_ustanovkakh_vysokogo_napryazheni

тричной искровой зоне вокруг электрода с радиусом г0 ,

соответствующим значению измеренного импульсного сопротивления электрода по отношению к внешнему ци¬ линдру, а также, расчетное распределение потенциалов

в стационарном режиме для электрода с геометрическим радиусом Го (пунктир с точкой).

Эквивалентные радиусы гэ определяются по измерен¬ ному значению /?и из уравнения

где гц					^= -Т=				Г 1пЬ									(4-32)
			радиус цилиндра ^								на	рис.				4-11,а значе
	эквивалентных—							модели													¬
ния							электрических					прочностей						грунта
определяются по формуле
							Е>=-		-									<«*>
Результаты					расчетов по ^(к4-32)						и	(4-33) приводятся
в табл.		4-3.					Таблица 4-3
																грунта
	Эквивалентные электрические прочности
	по		результатам			измерений			в цилиндрической модели
			Исходные данные										Результаты расчета
р, Ом ы			R.Ом		U , кВ				V мкс		V °«					V см		£#, кВ/см
							1, А
120			250		20,6		150		12		138					1		7,2
140			300		24		161		5		149					1.2		7	,	4
440			900		22	, 2	{ 52		6		430					1.5		6	,	1
440			900		34	,1	120		6		284					3.5		6	,0
580			1190		40		171		5		234					6,3		6,2
Как			видно	из табл. 4-3, во всех случаях значения
эквивалентных				электрических прочностей грунта cyiuecf
венно	ниже значений						электрических					прочностей						песка-
(по измерениям в однородном поле, см.													рис. 1-6)					вслед¬
ствие	неоднородности						поля		электрода				и			более благо¬
приятных условий для растекания										тока			при неравномер¬
но развивающейся						искровой			зоне.		( рис. 4-13,а, б и др.)
Из опытных				кривых Ur / U=f ( r)

были определены также напряженности Е в пределах-

искровой зоны по каждому из трех направлений и сред

100

Нйя Напряженность

£ср

Для

Всех

трех

направлений

(табл. 4

-4).

Полученные напряженности в канале разряда позво¬

ляют

судить об ошибке в

расчете, которая уменьшает

импульсное сопротивление

электрода из-за пренебреже¬

ния

сопротивлением

искровой

зоны.

Как

видно

из

табл.

4-4, эти

напряженности

невелики

и

снижаются

с увеличением тока, стекающего с электрода. Расчет

по¬

казывает, что

неучет падения напряжения в искровой

зоне не

может

привести к практически существенным

ошибкам.

Таблица 4-4

Средние напряженности

поляке пределах искровой

зоны

Данные измерения

Результаты расчета

р, Ом м

I . А

V см

Е. кВ/см, по трем направлениям

£ср. кВ/см

I

II

III

440

52

1

,5

2,00

1 , 48

0,72

1

, 40

440

120

3

,5

1

,80

1

,

50

0

,70

1

,

33

120

150

1

,0

1

,20

1

,

75

0

,82

1

,

26

Зависимости

а=/ (/р)

для

вертикальных и

горизон¬

тальных электродов (см. рис.

4-7, 4-9) получены из рас¬

четов

импульсных

сопротивлений

при электрической

прочности грунта по исследованиям

в однородном поле

(см. рис. 1-6) и

дают несколько завышенные .результаты

по сравнению с

опытными данными. Для уточнения рас¬

чета

необходимо

расширение

исследований

разряда»

в земле

и проведение экспериментов с электродами при

параметрах импульсного тока, отвечающих

действитель¬

ным условиям работы заземлителей.

Следует отметить, что снижение удельного сопротив¬

ления некоторых грунтов при напряженностях ниже

электрической прочности грунта может иметь значение также и для расчета стационарных заземлителей в свя¬ зи с возросшими токами однофазного короткого замы¬

кания. Это также требует проведения дополнительных

исследований.

101

Глава питай

ЗАДАЧА И МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ

ИМПУЛЬСНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

ЗАЗЕМЛИТЕЛЕЙ ВЛ И ПОДСТАНЦИЙ

5-1. Задача исследования импульсных характеристик

заземлителей ВЛ и подстанций

Сопротивление заземления опор ВЛ в системах с за¬

земленной нейтралью напряжением 110 кВ и выше, как известно, определяется требованиями грозозащиты. Эф¬

фективность заземлителя опоры как элемента грозоза¬ щиты зависит от значения его импульсного сопротивле¬ ния, т. е. сопротивления растеканию тока молнии. Чем ниже импульсное сопротивление заземлителя опоры, тем

меньше потенциал вершины опоры при прямом ударе молнии и меньше вероятность обратного перекрытия ли¬ нейной изоляции с опоры на провод.

Однако согласно требованиям ПУЭ сопротивление

заземлителей опор нормируется по сопротивлению при

промышленной частоте, что в основном объясняется не¬

возможностью его контроля импульсным током, близким к току молнии. При этом отсутствие достаточно точных

данных об импульсных коэффициентах заземлителей опор при токах молнии в грунтах с разным удельным сопротивлением и неоднородных по глубине не позволя¬

ло судить об импульсном сопротивлении используемой конструкции заземлителя.

Проведенные за последние годы исследования зазем¬

лителей опор ВЛ методом физического моделирования

восполняют этот пробел и, в итоге, дают возможность

из ряда конструкций, удовлетворяющих требованиям

ПУЭ по нормированному стационарному сопротивлению,

выбрать заземлитель с наименьшим импульсным сопро¬

тивлением и, таким образом, уточнить расчет грозоупор- ности ВЛ.

Заземление стержневых молниеотводов открытых

распределительных устройств (ОРУ) подстанций высо¬ кого напряжения осуществляется, как правило, присое¬

динением их к заземляющему контуру (заземлителю)

подстанции или с помощью обособленного заземлителя,

электрически не связанного с заземлителем подстанции.

Использование заземлителя подстанции для зазем¬ ления молниеотводов ( рис. 5-1) позволяет устанавливать

102

их

на

конструкциях ОРУ и

обеспечивает более простое

и

экономичное выполнение

защиты подстанции от пря¬

мых

ударов молнии. Действительно, при такой

установ¬

ке молниеотводов наиболее полно используется их за¬

щитная

зона, а высота уменьшается. Однако при ударе

молнии

в

молниеотвод на конструкции

ОРУ ток молнии,

стекая

с

заземлителя

подстанции в

землю,

приводит

к

появлению на нем потенциала

где

ток молнии при

u=izK,

ги

им¬

(

ударе в молниеотвод;

—

заземлителя

подстанции

в

месте

пульсное сопротивление

молниеот¬

—

подсоединения к нему

вода.

Потенциал, близкий к этому,

будет и на заземленных корпусах

оборудования подстанции, и при недостаточно низком его значе¬

нии может возникнуть обратное

перекрытие или пробой изоляции

оборудования с заземленного

корпуса на токоведущий провод.

Естественно, что последствия та¬

кого обратного перекрытия или

пробоя изоляции на подстанции могут быть еще более тяжелыми,

чем на линии.

Возможность перекрытия или

"Ж

М М М I I

Рис. 5-1. Удар молнии в

молниеотвод, присоеди¬

ненный к заземлителю

подстанции.

пробоя	изоляции				оборудования
в основном		зависит от соотношения потенциала на за¬
земленном		корпусе к импульсной					прочности		изоляции
оборудования,				характеризуемой			испытательными на¬
пряжениями.				полностью вероятность				таких	обратных
Исключить
перекрытий на подстанциях, так же как								и на	линиях, не
представляется				возможным по		технико-экономическим
соображениям.				Но уменьшить		эту	вероятность до при¬
емлемых значений					в обычных	грунтах		(р<1000 О м м)
возможно при определенных размерах и конструкциях
заземлителей			подстанций. Очевидно, что для выяснения
возможности			использования для заземления молниеотво
									¬
дов заземлителей					подстанций необходимо знать их им¬
пульсные	характеристики.					удельным сопротивлени¬
На подстанциях с большим
ем грунта	или подстанциях малых размеров вероятность

103

обратного перекрытия изоляции оборудования лодстан-

ции может быть недопустимо большой и поэтому прихо¬

дится сооружать отдельно стоящие молниеотводы с обо¬ собленными заземлителями, электрически не связанны¬ ми с заземлителем подстанции.

5-2. Метод физического моделирования заземлителей

Заземлители

линий и подстанций

при

растекании

с них

импульсного тока молнии, в общем случае, явля¬

ются

сложными

протяженными

заземлителями,

им¬

пульсное сопротивление которых

отличается

от ста¬

ционарного сопротивления

R приги50 Гц.

Это

отличие

обусловлено

большим значением

и скоростью

нараста¬

ния

тока молнии, приводящими к искровым процессам

в земле,

снижению удельного сопротивления грунта и

влиянию

индуктивности заземлителя,

препятствующей

в первые моменты времени проникновению тока к уда¬

ленным участкам

заземлителя и увеличивающей его со¬

противление.

расчета

В настоящее время вопрос аналитического

импульсного сопротивления

заземлителей линий

и под¬

станций

высокого напряжения для разнообразных грун¬

тов и

параметров

тока молнии остается пока полностью

не решенным.

Выше был рассмотрен расчет импульсного сопротив¬

ления ' простого линейного протяженного

заземлителя

без учета искровых процессов в земле, т.

е.

при малом

токе

молнии

и

постоянном

параметре проводимости g

(см.

гл.

4) .

Расчет импульсных сопротивлений даже единичных

сосредоточенных

заземлителей

может быть

надежен

лишь

для ограниченных пределов величин стекающих

токов,

удельных сопротивлений грунта

и

длины зазем¬

лителей

(см.

гл. 4) .

расчет простого

линейного

Сложнее

приближенный

протяженного

заземлителя

с учетом

искровых

процес¬

сов

в земле, т.

е.

при большом токе

молнии и нелиней¬

ном

параметре

проводимости.

Однако для

сложного протяженного заземлителя ли¬

нии или подстанции из большого числа горизонтальных

и вертикальных электродов, где имеют место экраниро¬

вание

электродов, окруженных

искровой

зоной,

и их

взаимное индуктивное влияние, на данном этапе иссле¬

дований

аналитического расчета не имеется.

Для такого

104

заземлителя, как ЗаЗемлйтеЛЬ подстанций, расчет им¬

пульсного сопротивления даже без учета искровых про¬

цессов может быть произведен лишь приближенно (см.

приложение 4) .

Для натурных исследований заземлителей при им¬ пульсных токах, близких к действительным токам мол¬ нии, требуется сложная и дорогая импульсная установ¬

ка. Кроме того, такие импульсные исследования огра¬ ничиваются местными условиями грунта, и их результа¬

ты не могут быть отнесены к такому же по конструкции

заземлителю, но в другом грунте из-за нелинейности процессов в заземлителе.

Поэтому единственным в настоящее время и практи¬

чески возможным методом исследования импульсных

сопротивлений заземлителей грозозащиты при любых параметрах импульсного тока и грунтах является метод

физического моделирования заземлителей.

О возможности на основе теории подобия [33] фи¬

зического моделирования при импульсных токах сосре¬ доточенных заземлителей без учета их емкости сообща¬

лось [48]. Позднее в НИИПТ была разработана уста¬

новка для физического моделирования протяженных заземлителей при токах молнии в грунтахлюбого удель¬ ного сопротивления с учетом их диэлектрической прони¬ цаемости, т. е. с учетом емкости заземлителей. В дан¬

ной главе рассматривается метод физического модели¬
рования сложных заземлителей линий		и	подстанций
в однородных	грунтах с удельным сопротивлением р<
<2500 Ом * м,	при котором емкость заземлителя можно
не учитывать.

В основу физических представлений о работе зазем¬

лителей положено понятие об искровой зоне, т. е. обла¬

сти вокруг электродов, охваченной пробоями в грунте.

Граница этой зоны определяется электрической прочно¬

стью грунта £Пр, а внутреннее сопротивление ее прини¬

мается равным нулю.

Физическая модель заземлителя представляет собой

в уменьшенном масштабе натуральный заземлитель и исследуется в ванне, наполненной грунтом. При физиче¬

ском моделировании все процессы, происходящие в зем¬ ле в поле заземлителя при растекании импульсного то¬ ка, сохраняются. Значительные плотности тока и напря¬

женности электрического поля, снижающие удельное со¬

противление грунта и определяющие размеры искровой

V

105

Зоны зазеМли'геля, сохраняются и в

Модели. Однако бла*

годаря малым

размерам

модели

они

получаются

при

относительно небольшом общем

токе

в модели и напря¬

жении испытательной установки.<

с

протяженного за-

Процесс растекания тока молнии

землителя

характеризуют семь

параметров: ток, стекаю¬

щий с заземлителя,

i,

кА;

импульсное

сопротивление

заземлителя

,

Ом;

индуктивность

заземлителя L,

мкГ;

время /, мкс;глудельное сопротивление грунта р, Ом -м;

электрическая

прочность

грунта

ЕпР,

кВ/ см;

линейный

размер заземлителя I , м.

Критерии подобия процессов в натуре и в модели бы¬

ли

определены из

анализа

размерностей

приведенных

выше параметров

с

использованием

П-теоремы

[33].

Эта

теорема

позволяет

сократить

число

переменных

с семи именованных

величин ( п=7) до

п

k

безразмер¬

ных

величин,

представляющих собой критерии—

подобия

для рассматриваемого процесса, где k

—

число

незави¬

симых между собой параметров.

Выразим размерности приведенных параметров через

размерности четырех единиц системы СИ

—

/

(длины),

М (массы)

, / (времени)

и i

(тока) :

[/]=[ЛИ*/V];

[z„] = [ГМЧ ~Ч- ];

[/,]=[/*М*/

*П; [/[=[/VMW];

4

(М)

/

=

,

-0

-

.

[p]

[/W/

i-‘];

[fy =[/W/

r

[ ] =[/ Af°/'i ].

Отсюда

полная

матрица

размерностей

параметров

процесса будет:

0

——

0

0

1 |

И11= 022

110

—— з21

022

3

1

-

-

3

—

2

11

01

—30

С1

Для выявления числа k определяем ранг матрицы

|А|. Наибольший порядок определителей, которые мож¬

но составить из строк этой матрицы, равен числу ос¬

новных единиц, т. е. в данном случае четырем. Число независимых параметров k равно рангу полной матрицы

1 0 6

размерностей параметров, т. е. наибольшему порядку не

равного нулю определителя, составленного из строк дан¬

ной матрицы.

Общее количество определителей четвертого поряд¬

ка, составленных из семи строк данной матрицы, равно

числу сочетаний из семи строк но четыре

CV 4! (77—! 4)! :35

и некоторые из них будут равны нулю.

Анализ показывает, что часть определителей не рав¬

на нулю. Например, определитель, составленный из раз¬

мерностей параметров t, р, Ещ, и / на 4, 5, 6 и 7-й стро¬

ках приведенной выше матрицы:

0 0 1 0

0= 3 1 -3 -— 2 =1.

1 1 — 3 1

1 0 0 0

Отсюда вытекает, что число независимых между со¬

бой параметров действительно равно четырем основным единицам в системе СИ. Число критериев подобия для

рассматриваемого процесса

ka= n — k =7 — 4=3,

и они будут иметь следующий вид:

	П,=			zz		(5-2)
				tXi рх,Е
				**
	п- а	—		i		(5 3)
				tyi pu,Ej£ Iй**
	“					-
	П —			L		(5-4)

Знаменатели этих выражений состоят из комбинации

независимых между собой параметров, соответствующих

найденному определителю, не равному нулю, а в числи¬ тель входит один из остающихся параметров. Показа¬

тели степеней параметров в знаменателе определяются

из анализа размерностей. Они должны быть выбраны

так, чтобы 111, Пг и Пз были безразмерными.

107

Для

определения значений

х, у и г запишем

и приравняем раз¬

мерности числителя и знаменателя для каждого П:

для IIj

[1*МЧ -Ч

~

*\ = [1'МЧЧ'

х

[1*

МЧ -

Ч -

г

]

х

[1ЧАЧ

х

] '

*

-Ч -'\ ' Х

l

0

]

=

[/]

Xl

—

3x,

—

3x5

/

3*з-Ь*»4-**

,

x»

[i

]

~

Xi

~x*

.

X [ ' M°t°i

[|

[Aflx

+

^

получаем уравнения:

+*

= JCJ

—

—

= —

х

— *з

2 =

ÿ43+^ -1-^

1

=*

3

Зх3;

2

2

для

2

7

4

;

2

7

;

ÿE2

2

П

2 xi =

0;

*а=

1;

х3

=

0;

хч= —

1;

и находим

°

^

^

—

—

°

=

%*+Уз4-4,1"

2У*

[ / Af /•/*]

[/]

| |

[

|

\

о = З^а + уг +Ух\ о= у2 + у,]

о= ух —

3у,; 1

—

2уг —

у

" Для П3

Ух

—

0;

уг =

—

1;

уг = 1 ;

у4

= 2;

| 2г»_г»;

\1*МЧ

~

Ч

-*] =

/

z,

—

3zj

3/3

/

]

3г>+гз+г*

Д

г»+г»

[

]

—

—

[

[

1]

[

]—

=— 2г,— г,

2 = Згг -f

г, + z4 ;

I = z2 -f- z5;

2 = г,

— 3г2

—

Зг3;

—

2

z, = 1; г£ = I; z3 = 0; z4 =

—

1.

После подстановки найденных показателей степеней

выражения критериев подобия примут вид:

п.

=Г;

п

=в$

п

=1Г -

<5'5>

Обозначив

‘

"

‘

параметра

отношение

между

величиной

в модели и в натуре через масштаб

т=ЛМодМнат, кри¬

терии подобия можно записать в следующем

виде:

ц1 ~ ~и,/н

~ гимАм

~ тг2антI Ai

Рн

Рм

ЮрРн

и подобным же образом для П2 и Пз.

Отсюда находим, что для подобия процесса в натуре

и модели масштабы должны быть связаны уравнениями

mi	.	Ч'пр	1			(5 6)
mp	1’	"		/п,тр
		тЕ /и»,	’			-
Исследования		моделей	заземлителей		проводились
в металлических		ваннах, заполненных песком.				Для из¬

мерения сопротивлений моделей заземлителей линий ис¬

пользовалась круглая ванна с радиусом вписываемой

полусферы в 1 ,4 м, а для исследования моделей зазем¬ лителей подстанции — прямоугольная ванна размером

2 x 2 x 1 м3. Выше (см. гл. 3) было отмечено, что при та-

108

ких		размерах			ванны можно испытывать модели с го¬
ризонтальным					размером 1 x 1 м2 без				заметной ошибки
из-за искажения поля заземлителя.
	В первых исследованиях, проводимых в МЭИ, ванна заполня¬
лась		натуральным			чистым		песком.	При этом	наблюдалась большая
нестабильность сопротивления грунта даже за									время нескольких ча¬
сов	испыуаний из-за высыхания при малой молекулярной влагоемко
сти	и	пористости			песка.	Создавалась нежелательная неоднородность-
грунта с				верхним	слоем	большого удельного			сопротивления. Кроме
того,		не	удавалось получить достаточно низкое удельное сопротив¬
ление		грунта даже при смачивании его подсоленной водой. Поэтому
при	последующих				исследованиях			использовался		тот же песок, но
с добавлением более мелкого песка и чернозема										(около 3% ), имею¬
щего,		как		известно, коллоидное строение. Для получения требуемого
удельного				сопротивления			грунт	увлажнялся	водой без соли и
с солью			и	тщательно перемешивался.
	По		опыту ВИЭСХ на				стабильность сопротивления грунта в ван¬
не хорошо влияет					покрытие ее полиэтиленовой пленкой.
	Поправка на ограниченные размеры									ванны, стенки

которой не являются поверхностью нулевого потенциала,

учитывалась, как

и

выше (см. гл. 3) , при обработке ре¬

зультатов измерений.

Для рассматриваемых измерений при импульсных тока$

-

где z

— полное сопротивление модели

(5 7)

от ее

поверхности до беско¬

нечно

удаленной поверхности нулевого потенциала в грунте с удель¬

ным сопротивлением

р,

заполняющем

ванну; гИЭм

измеряемое со¬

противление модели

до

стенок ванны,

заполненной—

грунтом;

ДR

=ip /2лг

поправка

на

конечные

размеры

ванны,

принимаемой —за

полусферу—

радиусом

г, равная ее

сопротивлению в

грунте

с удель¬

ным сопротивлением р.

р определялось

из

изме¬

Удельное. сопротивление грунта в ванне

рения

при

50 Гц

сопротивления

модели в

ванне

с грунтом

R и

в ванне

с

водой

RB,

удельное

сопротивление которой р* было

известно.

Отсюда

Яре

(5-8)

Р

Яв •

Это сопротивление по существу является эквивалентным удель¬ ным сопротивлением грунта для данной модели. Различие его зна¬ чений для разных моделей сигнализирует о некоторой неоднородно¬

сти грунта в ванне, главным образом из-за подсыхания верхнего

слоя, поэтому необходимо перемешивать грунт.

	Для моделирования заземлителей линий и				подстан¬
ций использовался линейный масштаб nti=1				/40. При та¬
ком масштабе для вертикального электрода				с диаметром
d0	6 см и для горизонтального с диаметром					2	см
их—	размеры в модели	составляют	соответственноdo—				d=
=1,5 мм и </=0,5 мм.		Из последних	размеров ясно,				что

109