ryabkova_e_ya_zazemleniya_v_ustanovkakh_vysokogo_napryazheni

применять можности в грунт и

меньший линейный масштаб
повреждения	моделей при
трамбовки грунта около них.

нельзя из-за воз¬

их погружении

Производились

сравнительные

измерения

сопротивления

моделей

коаксиальных

цилиндров

с

различными

диаметрами внутреннего ци¬

линдра

при заполнении

их

натуральным

крупным

и

просеянным

пес¬

ком того

же

удельного

сопротивления.

что

при

больших

Результаты

этих

испытаний

показывают,

импульсных токах, когда

в

прилегающем

к

электроду

грунте

разви¬

вается

интенсивный

искровой

процесс,

ни

размеры

модели, ни

раз¬

меры частиц

грунта

и

качество

его

трамбовки

вблизи

электрода не

влияют

заметно

на

точность

измерений

при

выбранных

нами

разме

рах

моделей.

уменьшения

измеряемых

¬

Однако

для

разброса

импульс¬

ных

сопротивлений

при

относительно

малых

значениях

импульсного

тока и

уменьшения

неточности

измерения

моделей

в

песке при 50 Гц

все

же

следует

работать с

мелким

песком.

грунта

и

его

Масштабы

для

удельного

сопротивления

электрической

прочности

были

приняты

тр=

1

и тр

=1

,

спр

т.

е. грунт

это

грунт

натуры.

модели

Для

уточнения

тБ

и

результатов

моделирования

необходимо

-

иссле

пр

—

полем.

дование

разряда

в

грунте

с

неоднородным

Зада

¬

ваясь

масштабом

времени

mt

1

по

выражениям

(5-6) и

учитывая

линейный

масштаб

длины

mi

=

/

40,

можно

1

определить

остальные

масштабы.

Получаем:

ги

—

т.

=

mi=

40;

т

р

-

т

в

I

(

5 9)

пр

rnL=

-

1600

’

т

р

—

—пц—

=

L

40.

т.

,

При

таких

масштабах

для

испытания

заземлителей

например, с

сопротивлением

до

=

Ом

при

токах

до

za

10

200

кА

импульсная

испытательная

установка

Должна

обеспечить

ток

Х

=ш=

-

=

/

0

125

«А

/„

,

и

соответственно

напряжение

(

при

сосредоточенном

за-

землителе

)

uM=IKzM=IbizHmz=

,125

-

10

-

40

50

кВ вместо

=

=

=

=

Q

испытании

ttH

s/H2H

200 •10

2000

кВ

при

заземлителей

в

натуре.

модели

индуктивности

протяженного

Уменьшение в

заземлителя

приводит

к

необходимости

отдельно

моде¬

лировать

его

распределенную

индуктивность.

ПО

Для моделей протяженных заземлителей ВЛ индук¬

тивность, мкГ/м, определялась по выражению

(5-10)

Для моделей заземлителей подстанции индуктив¬

ность определялась расчетом с учетом собственной и

взаимной индуктивности между параллельными элемен¬ тами заземлителя подстанции. Полная индуктивность на

единицу длины полосы заземлителя — сетки в натуре вы¬ числялась по выражению, мкГ /м:

Здесь / — длина— полосы; (т + 1) — число параллель¬

ных полос; гср средний геометрический радиус экви¬

валентного проводника системы из (т +1) параллель¬

ных полос [17] (см. приложение 3).

Катушка модели индуктивности, соответствующая 5 м длины горизонтального заземлителя в натуре, включалась. в рассечку его модели в грунте и располагалась над ванной Элементы моделей,

использующиеся только для крепления, изолировались от земли для

предотвращения стенания с них тока.

Катушки моделей индуктивности, соответствующие всей длине горизонтального заземлителя, надевались на бакелитовые трубки, укрепленные на бортах ванны. Отсутствие влияния катушек друг

на друга было установлено измерением их индуктивностей. Изоля¬ ция между концами— катушек индуктивности выдерживала импульс¬

ное напряжение 6 8 кВ.

При	выбранном			линейном масштабе моделей			зазем¬
лителей	т/ =1 /40 и допустимых горизонтальных						разме¬
рах модели не		более 1 x1 м2			ванна размером 2 X 2 м2 по¬
зволяет	испытывать модели				заземлителей подстанций
размером в натуре				не более 40x40 м2.
Для	испытания			моделей заземлителей размером бо¬
лее 40 X 40 м2,		а именно 60 X 60 м2 и 80 x80 м2,				изготов¬
лялась	и исследовалась 1 / 4				площади модели.	Четверть
модели	закладывалась в один из углов ванны, у которой
две роковые прилегающие стенки изолировались							плек¬
сигласом, с тем чтобы не исказить поле четверти всей
модели.	При	этом ввод тока производился в модель
в углу	ванны,		что	соответствует вводу тока		в	центре
полной модели.

Ванна с грунтом устанавливалась на изоляторах, а шунт для

измерения тока включался между ванной и землей. Использовались

111

активные безындуктнвные шунты с сопротивлением 2— 20 Ом в за¬

висимости от измеряемого тока. Напряжение па осциллограф пода¬

валось с активного или емкостного делителя напряжения, включен¬ ного у входа в модель. При обработке осциллограмм падение напря¬ жения в сопротивлении шунта вычиталось из напряжения, измерен¬ ного делителем.

Осциллографирование тока и напряжения производи¬

лось двухлучевым осциллографом ОК-17М. Импульсное

сопротивление модели заземлителя определялось по ос¬

циллограммам напряжения и тока с учетом поправки

на конечные размеры ванны, а затем по масштабу им¬

пульсного сопротивления пересчитывалось «на натуру».

При эюм за длительность фронта импульса тока и на¬

пряжения принималось время от начала импульса до его максимума.

Глава шестая

ИМПУЛЬСНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ЗАЗЕМЛИТЕЛЕЙ ОПОР ВЛ

6-1. Заземлители опор ВЛ в однородном грунте

Исследования импульсных характеристик заземлите-
лей опор ВЛ методом физического моделирования про¬
водились ранее [49] в однородном песчаном грунте
с удельным сопротивлением до 650 Ом -м, в основном
с моделями	заземлителей из горизонтальных лучей дли¬
ной до 20 м	и лучей с вертикальными электродами дли¬
ною до 6 м.

Рассматриваемые здесь исследования [50], выпол¬

ненные методом, изложенным в гл. 5, проведены в одйо-

родном песчаном грунте при 100^р^2000 Ом * м со сле¬

дующими моделями заземлителей:

из одиночных вертикальных электродов длиной /„<;

г^Ю м и диаметром dB=0,06 м;

из двух, трех и четырех лучей длиной /л^30 м, dn=

=0,02 м;

из лучевых заземлителей с вертикальными электро¬

дами указанных выше размеров при расстоянии между электродами а=10 м.

Электрическая прочность песка с примесью чернозе¬

ма (примерно 3% ) , заполнявшего ванну, в слабонеодно¬

родном поле при пробое на максимуме импульса напря¬ жения с длительностью фронта Тф=3 мкс составляла

112

ванные осциллограммы тока и напряжения горизонталь

ного заземлителя

(/л=30 м,

р=360

Ом * м,

/=120

¬

кА,

Тф-=6,5 мкс) .

Из

осциллограмм видно,

что максимум

им

¬

пульса напряжения U наступает раньше максимума

им

¬

пульса

тока /.

но

несколько

меньшее опережение на¬

Подобное же,

пряжения

наблюдается и

у

вертикальных

электродов.

И,8— 14 кВ

/см при

изменении

удельного

сопротивления

грунта от 200 до 1500 О м м.

На

рис

6-1 в

качестве

примера приведены стилизо

¬

.

u ,i , zu

кВ

-А-

ггои

и

и

2и

гм

жз

ё

I

1800

, t

то

2 Ти *

8

8

10

12 мкс

Гг

1Ш

SO

S0

00

100

кА

Рис. 6-1.

Стилизованные

осциллограммы тока

и

напряжения и им¬

пульсное

сопротивление

горизонтального

заземлителя.

1Л

30

м,

р

360 Ом • м,

/

120 кА, Тф

6.5

мкс.

Рис. 6 2

Вольт

-

—амперные

характеристики

вертикального

электрода

- .

—

при разных—

Тф.

—

/

Тф 4,3 мкс;

//

Тф

6 мкс.

Числа

на- кривых

—

время-

/, мкс

—

—

.

В обоих случаях это является следствием

тех процессов,

которые вызывают отличие

импульсного

сопротивления

заземлител

от его стационарного значения R,

измерен¬

ного при малой плотности

тока

промышленной

частоты.

^

В общем случае это опережение по времени U

перед /

может быть следствием влияния индуктивности заземли¬
теля,		искровых процессов в земле при напряженностях
электрического			поля, достигающих электрической проч¬
ности грунта, и			нелинейности его удельного сопротивле¬
ния	при напряженностях ниже электрической прочности,
т. е.		вследствие зависимости рa=f ( E ) .
Импульсные сопротивления заземлителей ВЛ опреде¬
лены		из осциллограмм как отношение напряжения на
8—534			113

заземлителе к току, стекающему с него, для момента

времени максимума импульса тока I с длительностью

фронта Тф

Zn— U! //,

(6-1)

где Uj

в

напряжение на заземлителе

момент максиму¬

ма импульса—

тока I.

коэффициент

заземлителя при

Отсюда

импульсный

токе I

с фронтом Тф

a=ZnlR,

(6-2)

где i?

стационарное сопротивление

заземлителя, опре¬

деляемое—

расчетом (§ 3 6)

или из непосредственных из¬

мерений на

моделях при-

частоте 50 Гц.

На рис.

-

2

приведены две вольт-

амперные характе

6

ристики

вертикального

электрода

¬

длиной

/в=10 м

в грунте с р=550 Ом * м

при разных Тф. Для исследуе

мых

вертикальных электродов индуктивность не

¬

модели¬

ровалась.

Поэтому наблюдаемый сдвиг по времени мо¬

жет

быть

лишь

следствием

снижения

сопротивления за¬

землителя

из-pa искровых

процессов

в земле

и

нели¬

нейности ее

удельного

сопротивления.

грунта

Однако

снижение

удельного

сопротивления

под

действием

напряженности

электрического

поля

в земле по сравнению с воздействием искровых

процес¬

сов,

в особенности для песка, мало. Так, при

исследуе¬

мых

фронтах Тф=3-^-6 мкс и при максимальной

напря

¬

женности поля Е=Епр это снижение удельного сопротив¬

ления песка не превышает 10% и практически не

оказывает заметного влияния на импульсное сопротив¬ ление заземлителя.

Итак, для вертикального электрода нелинейность вольт-амперной характеристики и петлевой ее характер

обусловлен в основном искровыми процессами в земле,

интенсивность которых, как видно из рис. 6-2, увеличи¬

вается не только с возрастанием тока, но и времени от начала процесса. Это видно из сопоставления вольт-ам-

перных характеристик при одинаковом значении тока.

Например, при /=80 кА кривая 2 в момент времени /=

=5 мкс расположена несколько ниже кривой 1 при ^3 мкс.

Однако из-за незначительной разницы в напряжени¬

ях, а следовательно, и в импульсных сопротивлениях

в моменты времени tf=3 и 5 мкс приводимые далее им¬

пульсные коэффициенты- вертикальных электродов могут

114

быть отнесены ко всему диапазону исследуемых фрон¬ тов от 3 до 6 мкс.

Для вертикальных электродов	небольшой	длины
(/в<Ю м) интенсивность искровых	процессов	можно
характеризовать средней плотностью	тока, стекающего

с единицы длины электрода 7 //в. Чем больше этот сред¬ ний ток и удельное сопротивление грунта, тем на боль¬

шее расстояние распространяется искровая зона и тем больше снижение сопротивления заземлителя (см. гл. 4).

ас

А1

к_

\

N

1

—

ip/ h

2000

шо 6000 8000 10000 12000к40н

Рис. б-З.

Импульсные

коэффициенты

вертикальных

электро¬

—

.

дов длиною /В=Й,5,

5, 10 и

в зависимости от величины

/р//,,

кА • Ом,

при /

10+ 100 кА10.Ом—

,/ -2.6

м; X —

f,-5 и;

А —

На основании этого при построении зависимостей

найденных

импульсных

коэффициентов

вертикальных

электродов

в

качестве

аргумента

принята

величина

/р/ /в.

Это дало возможность получить одну обобщенную

зависимость импульсных коэффициентов

вертикальных

электродов длиной 2,5, 5, Юм, при значениях тока мол¬

нии до

7

100 кА с Тф=3-*-6 мкс и при р 2000 Ом -м

.

6

- ^.

^

(рис

3)

Ом

-м для

Отсюда, например,

при 7=50 кА и р=250

„

/

=

кА

-

=

электрода с /

=2,5 м значение 7р

/„ 5000

Ом и а

=0,39,

а для /в=10 м

—

7р/ /„=1250 кА -Ом и а^=0,65.

Из

рис. 6-

3 видно,

что кривая импульсных коэффи¬

циентов с ростом значения 7р// вначале резко снижает ся, а начиная с величины 7р// в 10 000 кА -Ом становит¬

. в^ ¬

ся пологой, т е. значения коэффициента а мало изменя¬

ются.

115

Так, при /=50 кА для электрода с /в=^2,5 м замед¬

ление

спада кривой наступает при р

500

Ом

-

м,

а

для

/в=10

м .

при р

2000 Ом -м.

^

Использование^обобщенной зависимости, приведенной

на

рис

.

—

для вертикальных электродов длиной более

6-3

заниженные значения коэффициен¬

10 м, очевидно, даст

тов а при малых / и р, из-за того, что не учитывается

индуктивность вертикальных электродов при моделиро¬

вании.

7-

ц

г

U

ь

и-

1

i

V

?

L*— -

Л

А

А

\

'

*

\:

\

/у

S

р

7/

S

S

•7,

У

—

7

-

'

^

800

/

i

О

0

ц

SO

SO

100

ПО

нА

Ш

800

П00(

Омы

Рис.

6 4.

Вольт амперные

характеристики

горизонтального заземли

-

теля- при разной длительности т*

и

/=120 кА.

-

/

—

З

Б мне; II

—

X

ф

6,5

мкс.

Тф .

—

мкс.

¬

-на

кривых

-t

,

Рис.

6-5.

Числа

время

Импульсные

коэффициенты

двухлучевых

заземлителей в за

висимости

от удельного сопротивления

грунта

при разных значениях

Кривые

1

1/21л

,

кА/м.

4

5

6

7

8

2

3

1Я ,

м

30

10

30

10

30

10

10

ip

//2/л, кА/м

0

,5

0,

5

1 ,

25

1,

25

2.5 2

,5

5

10

Для

горизонтальных

заземлителей

большой

длины

и особенно в грунтах с небольшим удельным

сопротив¬

лением петлевой

характер вольт

-амперной характеристи¬

ки

и сдвиг

по времени между U

и

/ обусловлен не толь¬

ко

искровыми процессами

в

земле, но

и

индуктивным

падением напряжения в заземлителе на

фронте импуль¬

са тока.

напря¬

Помимо стилизованных осциллограмм тока и

жения

для горизонтального

заземлителя

/л

30

м

при

р=360 Омм и Тф=6 мкс ( рис.

6-1) , для него=на рис.6-4

116

1аны две вольт-амперные характеристики при одинако
иом значении максимума				импульса тока /			5 120	кА; но-
<• Тф=3,5		мкс	(кривая /) и		T<J>=6,5 мкс		=(=кривая //) .
II данном случае напряжения					на заземлителе, а следо-
нательно, и импульсные сопротивления заземлителя при
разных	Тф	более заметно отличаются друг от друга,
чем у вертикального электрода.
Однако даже в грунтах с невысоким удельным сопро¬
тивлением		влияние разной длительности фронта в ис¬
следуемом		диапазоне 3—		б мкс не превышает примерно
10% . Поэтому в дальнейшем импульсные коэффициенты
а лучевых заземлителей				ВЛ указанных длин приводят¬
ся только при			тф=3-^3,5	мкс. При Тф>		3,5 мкс исполь¬
зование	этих		значений	коэффициентов		а	дает	запас

II значениях импульсного сопротивления заземлителя.

Превышение максимума напряжения над напряже¬

нием в момент максимума тока для протяженного го¬

ризонтального заземлителя, как это видно из рис. 6-1,

6-4, даже в грунте с относительно низким удельным со¬

противлением невелико. При этом воздействие макси¬ мума напряжения соответствует меньшему времени с на¬

чала процесса стекания тока с заземлителя. Для выбора

изоляции линий целесообразно использовать напряже¬ ние на заземлителе в момент максимума импульса тока с заданной известной длительностью фронта.

Из рассмотрения зависимостей a=f (p) двухлучевых

заземлителей (рис. 6-5) с длиной лучей /л=30 м и /л—

=10 м при разном токе /, стекающем с заземлителя, вы¬ ясняется влияние индуктивности заземлителя и тока

молнии на импульсный коэффициент заземлителя в раз¬

личных условиях згго работы.

Сопоставление зависимостей а=/ (р) этих заземлите¬

лей при одинаковом значении / /2/л, т. е. в условиях

примерно одинаковой интенсивности искровых процес¬

сов, дает возможность разницу между кривыми (показа¬ но штриховкой) отнести за счет влияния большей индук¬

тивности заземлителя с длиной лучей 30 м.

Влияние индуктивности на увеличение импульсного коэффициента а видно из сравнения кривых / и 2, 3 к 4, а. также 5 и 6. Наиболее существенно оно проявля¬

ется у заземлителей с большей длиной лучей в грунте

с низким удельным сопротивлением из-за увеличения

длительности переходного процесса в индуктивности

заземлителя, характеризуемого величиной T=LI / K2R

117

(§ 4-1), а также и при меньшей интенсивности искровых

процессов, определяемой величиной / /2/л.

С увеличением удельного сопротивления грунта и ве*,

личины тока, стекающего с единицы длины заземлителя

влияние индуктивности на импульсный коэффициен!
уменьшается из-за усиления искровых процессов.																		Вслед»
ствие		этого					импульсные					коэффициенты заземлителеЦ
с	длиной			лучей 30 и Юм при одинаковом значении
7/2/?=2,5 кА /м A возрастанием р сближаются и уже пр
р	1600 Ом м становятся																		|
												одинаковыми				(кривые 5 и 5)
	Зависимости							а=/ р									заземлителя
=						-				(	) для двухлучевого
длиной 10 м приводятся на рис. 6-5 для токов 7=10, 25
50, 100, 200 кА,									т. е.		практически для всего диапазон!
и												16					t
	Г О К						I				I
																	V
	,					V7 \1д
о,в							г
		\						3		9 L		1,0 v\		Y
01			\												S *			г
				7								V
												0,8				9-		3
												0,6				ч	7ч	Т.
	о										р				'		10
				800			1200		1600 Ом м			01					-л12
Рис. 6-6. Сравнение зависимо¬												о,г
стей а двух- и четырехлучевых
заземлителей от р при одинако¬																		р
вых токах /				и 1/п, стекающих									т
с заземлителя и с одного луча.																	1200 1600 0м м
		лл-4;							1	«л-2.			4	5		6	7	8
	Кривые										2	3
	1„,	м							30		30	30	10	30		10	10	10
	/, кА								50		100	50	50	100		50	100	100
Рис. 6-7. Импульсные коэффициенты двухлучевых и четырехлучевьи!
заземлителей с вертикальными электродами														в зависимости от удели
								кого сопротивления грунта.
Кривые ..			1				2	3		4 "л"54-		6	7	"8л-2-		9	10	11	1
/л» м . . .			30				30	30		30	30	30	30	10		30	10	10	id
/,	м . . .		10				10	2,5		10	2,5	10	2,5	2.5		2,5	2,5 2,5 2,3
	кА . .		50		100			50		50	100	100	50	50		100	100	50	100
1!8

возможных токов

молнии.

Как видно из

кривых, этому

диапазону

токов

соответствуют

а

1,05--0,6 при р

=

«

100

Ом

*

м и а=0,57

-!

=

* *

м.

-0,20 при р=1600 Ом

Из зависимостей а=/(р) , приведенных на рис. 6-6,

следует, что импульсные коэффициенты для четырехлу-

чевого заземлителя всегда

выше, чем

для двухлучевого,

при одинаковых значениях тока 50

или 100 кА. Это вид¬

но

из сравнения кривых 1 и 3, 2 и 5 при /л=30 м, а так¬

же

кривых 4 и 6, 7 и 8 при /л=10 м. При этом разница

к

значениях а тем больше, чем выше р и /. Это объяс¬

няется меньшей интенсивностью искровых процессов

и

влиянием

взаимного экранирования электродов у четы¬

рехлучевых заземлителей по сравнению с двухлучевыми.

Взаимное экранирование между лучами заземлителя

при отводе токов молнии больше, чем в стационарном

режиме, из-за искровых процессов в земле вблизи элек-

грода

. Эти процессы как бы увеличивают размеры элек¬

трода

и

тем самым уменьшают отношение его длины

к

диаметру,

что

ведет

к более пологому снижению по¬

тенциала

его

поля ( 1-

11 )

и большему взаимному влия¬

нию электродов. Вследствие этого влияние взаимного

жранирования в импульсном режиме зависит от

р и /.

Сравнение импульсных коэффициентов тех же

зазем-

штелей на рис. 6-6 при одинаковом токе 7

/ял=25 кА,

стекающем с одного луча

(кривые 2, 3 при

/л=30 м и

кривые 6, 7 при /л=10 м) , показывает, что соотноше¬

ния

между

значениями

коэффициентов

заземлителей

с

лл=4 и

пл— 2

изменяются с увеличением р. В грунте

о низким

удельным сопротивлением коэффициенты а че-

гырехлучевого заземлителя при длине луча 30 и Юм меньше, чем двухлучевого, и при /л=10 м остаются та¬ кими во всем диапазоне удельного сопротивления грун¬ та. При /л=30 м в грунте с р>400 Ом -м кривые 2, 3 пересекаются и коэффициенты а четырехлучевого зазем-

.нителя становятся больше, чем двухлучевого, вследствие увеличения экранирования лучей четырехлучевого за-

(емлителя с возрастанием р. В грунте же с р<400 Ом * м

более низкие значения а четырехлучевого заземлителя

обусловлены снижением, по сравнению с двухлучевым,

нлияния индуктивности и уменьшения экранирования из—-за ослабления искровых процессов. Зависимости 1Х=^(р) двух- и четырехлучевых заземлителей при /л=

10 м с увеличением р сближаются и совпадают (кри-

иые 6 и 7) .

110