ryabkova_e_ya_zazemleniya_v_ustanovkakh_vysokogo_napryazheni

удельного сопротивления грунта, величины тока молнии и длительности его фронта [52-+-54J. Импульсное сопро¬

тивление заземлителя подстанции определяется отноше¬ нием напряжения на заземлителе к току, стекающему с него, и изменяется во времени с момента протекания

тока.

На рис. 7-1 приводятся характерные стилизованные

осциллограммы тока и напряжения заземлителя под¬ станции, из которых видно, что максимум импульса на¬

пряжения опережает максимум импульса тока. Причи¬ ной этого является, как рассматривалось в § 6-1, влия¬

ние индуктивного падения напряжения на фронте им¬

пульса тока и искровых процессов в земле около зазем¬ лителя, приводящих к нелинейности его проводимости.

В результате этого импульсное сопротивление заземли¬ теля в момент максимума напряжения zn=Ujiv больше

его сопротивления в момент максимума тока ZH=HJ //. Для анализа грозоупорности подстанции и сопостав¬

ления потенциала на заземлителе с импульсным испыта¬

тельным			напряжением		изоляции		оборудования			имеют
значение как напряжение на заземлителе Ы/									в	момент
максимума импульса тока 1 с заданной длительность^)¬
фронта		Тф, так и максимальное напряжение на							заземли
теле	V	с	фронтом	импульса напряжения				ти,	длитель¬
ность которого меньше Тф						(см. гл.	5 и 6). Здесь и далее
под длительностью фронта						тока и	напряжения подразу-
2и,	<л		*.
Ом	кВ	к А
3 -			70				I
	50		S O				и
г -			50					80 м
	100		зо		У.
						и/		i
-	50 -				1а
			го			2и=-/Г
			w			6 7 8 7 t./0 мкс
о	о о 0 1 ^ 2 3			k	5
			Ги

Рис. 7-1. Стилизованные осциллограммы тока и напряжения и им¬ пульсное сопротивление заземлителя подстанции.

I30

мевается

время

от начала

импульса

до максимума

им¬

пульса соответственно

тона

или напряжения (рис. 7-

1) .

Максимальное

значение

импульса

тока молнии

/

и

длительность

его

фронта Тф

являются

исходными

вели¬

чинами при

рассмотрении

процесса

в

заземлителе,

ма¬

ксимальное же значение импульса

напряжения на

зазем¬

лителе и

длительность

его

фронта

являются величинами,

зависимыми

не только

от

исходных

значений / и

Тф,

но

также от

конструкции

заземлителя

и

удельного

сопро¬

тивления

грунта.

Поэтому

все

дальнейшие

значения импульсных

со¬

противлений

приводятся при

максимальном значении

то¬

ка молнии с

заданной

длительностью

фронта импульса

тока, т. е.

«j

/

/.

zH=

ниже импульсные

В соответствии с этим приводимые

коэффициенты

а

—

zu R

—

и,/ R

1

(

7

-

1

)

также относятся

к

импульсному

сопротивлению

в мо

¬

мент максимума

тока

молнии

/

с

заданной

длитель¬

ностью фронта тф.

Исследовались

2

заземлителей

подстанций

квадрат¬

ной

формы в

И

основном

со следующими

данными:

заземляющие

контуры

без

сетки

со

сторонами

разме¬

ром

)AS

==

40 м

из

вертикальных

электродов

длиной

/в

2 и 8

м

при

относительном

расстоянии между

ними

=

сетки

а//в=2,5;

со

сторонами

У

5

20,

40,

60,

80 м

с

ячейками

10x 10

м

;

те

же

сетки

,

=

с вертикальными

2

но

электродами

длиной

/

„

8 м

при

а

/

2,5

с

¬

нием их по контуру

=

/

в=

расположе

заземлителя.

Исследования

проводились

в

основном

при

вводе то¬

ка

в центре

заземлителя

подстанции

. Кроме того,

были

сделаны

сравнительные

измерения

при

вводе

тока

в

центре

заземлителя,

в

углу

и

на

одной

из

его сторон.

Выяснялось

также

влияние на

zv

заземлителей

подстан

¬

ций дополнительных

вертикальных

электродов,

распола¬

гаемых около места

ввода тока

,

т.

е.

около

молниеотво¬

дов

внутри

контура.

Импульсные

сопротивления

зазем¬

лителей подстанций

измерялись

при

максимальных

зна

-

9

*

131

чениях импульса тока до 200 кА с тф=*1,5-«-12 мкс в грун¬

те с р=5=100-!-1000 Ом -м.

Исследования показали, что заземлители ОРУ под¬ станций высокого напряжения являются сложными про¬ тяженными заземлителями, у которых za зависит не только от тока молнии из-за искровых процессов в зем¬ ле, но также от тф и от места ввода тока молнии в за-

землитель.

Искровая зона электродов заземлителя уменьшает

2И заземлителя тем значительнее, чем больше плотность

тока /', и удельное сопротивление р, приводящие к появ¬

лению значений напряженности в поле заземлителя Е=

=/р, достигающей электрической прочности грунта £Пр.

Длительность переходного процесса из-за индуктив¬

ности протяженного заземлителя при малых токах мол¬ нии характеризовалась постоянной времени

Т	1	—	1мЛ	“	и	(7-2)
			я2	—	n*R »

пропорциональной индуктивности всего заземлителя Ы и обратно пропорциональной его стационарному сопро¬ тивлению R (см. § 4- 1 ) .

Очевидно, что влияние индуктивности на замедление выравнивания напряжения по длине заземлителя и на

повышение

его сопротивления

будет

тем

значительнее,

чем меньше отношение t / Tt ,

где t —

расчетное время,

например равное Тф.

Следует отметить, что при наличии искрообразова-

ния в земле и нелинейном параметре импульсной про¬

водимости на единицу длины, зависящей от

напряжения

в данной точке заземлителя, длительность

переходного

процесса лишь

приближенно

может характеризоваться

выражением (7-2) .

Рассмотрим простейший заземлитель из вертикальных

электродов длиной /в,

расположенных

по

квадратному

контуру со

сторонами|/S и

с

относительным расстоя¬

нием а

/

1в,

где

а

—

расстояние

¬

между вертикальными

электродами. Такой контурный заземлитель из верти

кальных электродов используется вокруг закрытых рас¬

пределительных устройств и как элемент сложного

за¬

землителя с сеткой для ОРУ подстанций

высокого

на¬

пряжения.

132

'

|

Приводим данные измерений z„ и а заземляющего

контура размером|/5=40 м с вертикальными электро¬

дами, имеющими /„=2 м, а //в=2,5, #=0,01Зр в грунте

с различными р при /=100 кА и Тф=6 мкс:

р, Ом м .

ZB, Ом

а

. . . . 150		300	500	700
3,5	5,1		7	8,5
1,8 1		,31 1,08		0,94

Приведённые данные показывают, что, несмотря на

значительный импульсный ток, а заземляющего контура

велики и

снижение их

до

значений

а

<

1

наблюдается

лишь при р>500 Ом -

м.

контура

на

Выясним

влияние

индуктивности

полос

значение его

гя. Для этого проведем расчет

импульсного

сопротивления

этого контура без учета искровых про¬

цессов в

грунте (z) по импульсным коэффициентам про¬

тяженного заземлителя (ем.

рис. 4-2) , рассматривая кон¬

тур как

две

.параллельные

полосы

с

вертикальными

электродами и пренебрегая их взаимным влиянием из-за

большого расстояния между ними.

полосы (/=80

Импульсное сопротивление одной

м)

с вертикальными электродами

z'=2Roo,

где 2#=2 * 0,013р — стационарное сопротивление

и сю

импульсный коэффициент полосы длиною 80 м с верти—¬

кальными электродами.

мкГ/м, определяем по (4-1)

Индуктивность полосы L,

и постоянную

времени

71,

по 7-2.

В рассматриваемом

случае для одной полосы с

вертикальными

электродами

Tj=

Найдя отношение

%ф/Т,,

определяем

а,

по

рис. 4-2.

Импульсное сопротивление всего контура, т. е. обеих

параллельных

полос

с

вертикальными

электродами

z=z'/2=2#ao/2=#ao.

результаты расчета,

из

которых

Ниже

приводятся

133

видно влияние индуктивности на z и <ю, а следователь¬ но, и на 2И и а при наличии искровых процессов:

р,	Ом м		150		300		500		700
г,	Ом		4	,93 7,4			9	,75	12,3
а0			2	,53	1	,9	1	,5	1,35
	Из сравнения приведенных значений z					и	ао	с опыт¬
ными данными следует, что искровые процессы								в земле
снижают ги		и а примерно в 1 ,4 раза.					с	тем же
	При увеличении размеров такого контура
количеством вертикальных электродов его za							по сравне¬
нию с его R		меняется мало, особенно в грунте с малым
р. Объясняется это усилением влияния					индуктивности
с увеличением размеров контура и ослаблением искро¬
вых процессов при неизменном значении тока импульса.
Вследствие этого а заземляющего контура при неизмен¬
ном токе I		тем выше,	чем больше размеры контура и
меньше р грунта, где			относительное	влияние индуктив¬
ности значительнее.

Увеличение числа вертикальных электродов по тако¬

му заземляющему контуру при неизменном импульсном токе / также менее эффективно, чем при токе промыш¬

ленной частоты, не только из-за ослабления искровых

процессов, но также из-за замедления переходного про¬

цесса в индуктивности при увеличенной проводимости заземлителя и из-за большего взаимного влияния более

часто расположенных электродов, окруженных искровой

зоной. Таким образом, при увеличении числа вертикаль¬ ных электродов а возрастает.

Некоторое снижение zn и а контура из вертикальных

электродов достигается при использовании более длин¬

ных вертикальных электродов без дополнительной за¬ траты металла.

Использование	длинных	вертикальных	электродов
(/в>2 м) вместо коротких при той же общей			длине всех
вертикальных электродов заземлителя (ni/„i=/i2/B2)				и
одинаковом относительном расстоянии между ними а//в,
как известно [18],	позволяет	снизить стационарное со
				¬

противление заземляющего контура и находит подтверж¬

дение в данных физического моделирования (см. § 3-4) .

Исследования, проведенные в импульсном режиме,

показали, что длинные вертикальные электроды по срав¬ нению с короткими также более эффективно снижают

гя. Причиной этого как в стационарном, так и в импульс-

134

ном

режимах

является

уменьшение

взаимного

влияния

элементов

контура

при

меньшем

числе

более

длинных

электродов, что

приводит

к

лучшему

использованию

про¬

водимости

заземлителей.

измерения

стацио

Были

выполнены

сравнительные

контура

40X 40

¬

нарного и импульсного

сопротивлений

3

м

из

32

электродов

длиной

/

2

м

и

того же

контура

из

=

в=

их

длине

8

электродов

с

/

в

м

при

одинаковой

общей

8

=

Ba),

а

следовательно

и

при

одинаковом относи

¬

(rti/Bi

а

/ .

тельном^расстоянии между

электродами

/

в

испытаний

в

Ниже

приводятся

результаты

указанных

грунте

с

р

700

Ом -

м

в

стационарном

режиме,

т.

е.

^

’

кА

мкс

,

Гц,

тока

7

200

с

6

при

50

и

при

импульсе

Тф

=

=

где

02

—

импульсный

коэффициент

указанного

выше

кон

¬

=

as

—

с

=

м,

а

/?2

и

7?в —

соответствую

тура с

/в

2 м,

/

в

8

¬

щие

им стационарные

сопротивления

при

токе

50

Гц:

л/,

м

e//B

Rt /Ra

zJzVt

./

ч

а

<

64

2,5

0,91

0,80

0,88

Как

видно

из

приведенных

данных,

длинные

верти

¬

кальные

элёктродь/ по

сравнению

с короткими

обеспечи

¬

вают

R

меньше на

9 %,

a

zH

при

7=200

кА

—

уже на

20%

при

той

же общей длине

электродов

nl

.

Импульсный

0

на

12%

коэффициент

контура

при

этом

уменьшается

(см. приложение

6).

по

снижению

рассматривае¬

Эффективной

мерой

мого

контура

является

уменьшение

его

индуктивности

путем

увеличения

параллельных

путей

для

растекания

тока от

места

подсоединения

к

контуру

молниеотвода

,

например

при

прокладке

пересекающих

контур

полос

или

лучей

вне

контура.

заземлителя

с

сеткой

за

Импульсное

сопротивление

¬

висит

от

места

ввода

тока,

т.

е.

от

места

присоединения

молниеотвода

к

заземлителю.

Заземлитель

ОРУ

под¬

станции

из сетки

с

вертикальными

электродами

по

кон¬

туру или без

них

при

вводе тока

в

центре

или

на

сторо

¬

не

контура

приближенно

можно

рассматривать

как

сложный

протяженный

заземлитель

из

ряда

параллель

¬

ных

горизонтальных

полос

Импульсное

.

при

вводе

тока

в

цен

сопротивление

zHi

¬

тре

заземлителя

будет

меньше,

чем

при

вводе

тока

на

его

стороне

вследствие уменьшения

индуктивности

из-за

увеличения

числа

параллельных

полос

и

уменьше

¬

ния

их

длины.

Благодаря

этому

уменьшается

-

длитель

135

ность переходного процесса, к интересующему нас мо¬ менту времени распределение напряжения по заземлите-

лю будет более равномерное и его проводимость будет

использована лучше.

Таблица 7-1

Результаты измерений

импульсных

сопротивлений

заземлителя подстанции при вводе

тока в

центр,

в

середину стороны

и в угол сетки

Условия опыта

Отношения результатов измерений

р, Ом м

/. кА

VZH1

гт,гпг

600

100

1

,

10

*1

,

16

20

1

,

10

1

,

19

260

-

1

,

21

100

5

1

—,40

—

1,31

20

100

5

1 ,50

Вследствие

этого предпочтительнее расположение и

подсоединение

молниеотвода

ближе к центру заземли-

теля или по крайней мере, в

тех местах, где обеспечено

растекание тока по трем,

четырем

горизонтальным ма¬

гистралям.

заземлителя

размером }/$ = 20 м

влия¬

Если для

нием места

ввода тока на^

можно

пренебречь,

то при

больших размерах ]/5^ этогивлияние

существенно.

В табл. 7-1 дано сравнение измеренных

импульсных

сопротивлений при вводе тока в центре (гИ1), в середине

стороны (zm) и в углу (zH1) сетки

с|AS =40 м,

ячейка¬

ми ЮХЮ м*

при тф =6

мкс.

Из приведенных отношений следует, что импульсные

сопротивления при вводе тока в угол или на стороне

сетки увеличиваются по сравнению с вводом тока

в центр сетки при уменьшении р и / вследствие усиле¬

ния влияния индуктивности при ослаблении искровых

процессов. Стационарное сопротивление заземлителя не зависит от места ввода тока, поэтому отношение им¬

пульсных сопротивлений равняется отношению импульс¬

ных коэффициентов заземлителя при различном месте

ввода тока.

Эффективность дополнительных вертикальных элек¬ тродов, размещаемых внутри заземлителя вблизи места

136

ввода тока, т. е. у молниеотвода, сильно ослабляется экранированием вертикальных электродов, расположен¬

ных ,по контуру заземлителя.

Измерение импульсного

сопротивления

заземлителя

из сетки ( ячейки 10 X 10 м2)

с вертикальными электрода¬

ми с /в=8 м показали, что дополнительные электроды

с /в=8 м

заметно влияют на снижение zu заземлителя

размером

j/S

м

только при малом

числе

верти¬

кальных

электродов

по

контуру заземлителя

( я=8) и

токе / <50 кА.

-

м

и

добавлении вблизи центра

за ¬

При р=300 Ом

землителя

¬

одного,

двух и четырех вертикальных элек

тродов снижение ги

составило соответственно 4,

8,

12%

при 7=25

к

А.

четырех

вертикальных

Влияния

дополнительных

электродов

при увеличении числа электродов по контуру

"заземлителя с 8 до

16 шт. практически не сказалось на

унижении

zK.

дополнительных

вертикальных

Размещение четырех

электродов

с -/в=8 м

вблизи

центра сетки без

верти¬

кальных электродов с

большим размером

/

5

=60 м

|(

и

ячейками

10x10 м2)

в грунте

с р^»350 Ом -м дает

сни¬

жение аи

примерно

на 9, 7, 5%

соответственно при

токе

7

25, 50,

100 кА.

=При больших значениях р и / приходится ждать еще

меньшего

влияния дополнительных электродов из-за уси¬

ления новообразования и экранирования электродов.

7-2. Импульсные характеристики заземлителей ОРУ

подстанций

Зависимости импульсного сопротивления заземлите¬

лей. от тока. Из рассмотрения рис. 7-2 видно, что за¬ висимость от 7 значительна у заземлителя малых разме¬

ров (\fS=20 м) в обоих грунтах с р =282 и 450 Ом - м

и мала

у заземлителя большого

/

м) в

размера |( 5 =80

грунтах с р

=286 и

431 Ом -м.

,

приведенные

на

Значения

и

R

заземлителей

рис.

-

2,

позволяют

оценить а

рассматриваемых

зазем

7

ги

¬

,

У

сетки

с

/

S=20 м при 7=120ч-10 ч- 20 кА

лителей .

е.

]

ги<

#,

т.

a

zH/R<

1, тогда

как у

сетки с }/S=80 м

при

7 =120 ч-—20

кА

^ги>/? и а

>1.

137

Кроме

того,

у

сетки

с

V$

=

40

м

почти одинаковое

ги

при Тф

6

и

3

мкс.

Это

говорит

о

том,

что

эта

сетка

=

диапазоне

р

грунтов

,

токов

и

длительнос

в

указанном

¬

тей

фронта

является

сосредоточенным

заземлителем.

В

таком случае

ее

сопротивление

можно

приближенно

рассчитать

как

сопротивление

сетки в стационарном

ре

¬

жиме

(см.

§

3-4)

при

фиктивном

диаметре горизонталь

ных

из

-за

искрообразования

(см. §

4

-

2).

¬

электродов

Добавление

к

сетке

с

]/5

=

20 м вертикальных

эле

/в=8

а/ /в=2,5 значительно

¬

ктродов

с

м

при

снизило

ее

R

(на

34%)

в

грунте

с

р=450-<-463 Ом

-м

и

значительно

меньше

ее

zn

(

на

«

19

%

при

/

=

100

кА)

из

-за

ослабле¬

»

и

переходного

про

ния

искровых

процессов

замедления

¬

цесса

при

возросшей

проводимости

заземлителй.

Им

¬

пульсный

коэффициент

сетки

при

/

=

100

кА

и

Тф

3

мкс

0,69

до

6,9

8,0

=

увеличился

от

8,3

/

а

/

0,86.

Кро¬

а=

12=

==

=

ме того,

добавление

к

сетке

с

VS

20

м

вертикаль

=

, .

е.

сет¬

ее z„зависимым от

т$

т

¬

ных

электродов

сделало

ка стала

протяженным

заземлителем

.

Сетку

с

KS

=

80

м

отличает

'

не

только

малая

зави

-

но

¬

симость

от

тока

в

грунтах

с

р

286- -431

Ом

м

,

и

=

6

*

мкс

на

увели¬

большое

влияние

уменьшения

Тф

с

до 3

при

/

100

кА

и р

286

Ом

-

м) .

При

чение

ее

zu

(

на

42%

-

=

2

от

Тф

=

сделать

вы-

такой

большой

зависимости

можно

1

И

подстанции,

опасный

;

вод,

что

потенциал

на

заземлителе

:

для

изоляции

оборудования,

может быть

как

из

-за

боль-

шого

значения

тока

молнии,

так

и

из-за

большой

его<

крутизны

при

меньшей

амплитуде

тока.

сетки

с

/

S

Действительно

,

потенциал

заземлителя

]

и

*=

=

р

286

Ом

-

м

при

/

=

100

кА

тф=

80

м в

грунте

с

=

кВ

.

же потенциал

=

и

/

100•2, 1

210

Такой

6

мкс

J

ZH=

=

токе

(/

=

70

кА)

и

Тф

может быть

и

при

меньшем

=

=

=

=

кВ.

3 мкс:

«/

70

-3

210

и

стационарного

сопротив

Зависимости

импульсного

¬

ления

заземлителя

из

сетки

от

размера

ее

стороны.

Как

видно

из

сравнения

зависимостей

z

и

R

(рис.

7-3)

,

с

увеличением

размера

стороны

^

импульсное

со¬

противление

ги

снижается

медленнее;

чем

R,

из

-за

ослаб

¬

процессов

и

возрастания

влияния

индук

ления

искровых

¬

тивности,

в

результате

чего

a

zu

/

R увеличивается

.

При

=

(тем

меньшем,

чем

некотором

размере

заземлителя

меньше

р

грунта)

и

примерно

соответствующем

пересе-

138

чению кривых R и z„(a=l ) zu вообще перестает умень¬ шаться, достигнув своего минимального значения при

данных р, / и Тф.

Таким образом, увеличение размера заземлителя под¬

станции имеет значение для снижения его za только до

некоторых размеров при данных р, / и Тф. Из рис. 7-3 следует, что При р=250-*-500 Ом * м, 7=100 кА и Тф=

7	V
‘U

	аJjJs=?.0 f У "								,i "
	С
	'
	N					_		4
							J 5=20 м
						^~
							lg=8n,h=0
				гr				~		/ 6
	- Щ1 --			IP
				ifs =80 4
0	41		I	I		1			I	i_
	20		60	60		SO		WJ) кА

R , zu
\
\
1
\\
VV
L\. v\	iu
\ <NV	\
	f
/	X s	г
X
го	so	Vs
		м

Рис. 7

2.

Импульсные

сопротивления

заземлителей

из сеток

и

сеток

- с

вертикальными электродами в

зависимости от тока.

Тф-

6

икс;

р — Тф-

3

мкс;

1 — р

450 Ом • м,

Л

12

Ом;

2

—

р

—

463

R

8

Ом;

З -

•

м

.

R

7.5

—

Ом; 4

- р

352

—Ом • м

.

«

О м м,

282 Ом

6

-

-6 Ом; 6

—

-р

—

431 Ом -

м,-/?-2.8

Ом;

—

-р-

286 Ом

• м, -R-1

,85 Ом.

Рис. 7

3.

импульсного

и

стационарного сопротивления

Зависимости

ее стороны.

-

заземлителя из сетки от размера

2 —

при /—100 кА. Тф—р6—мкс250

;Ом • м.

R: /

— р—

600

Ом

- м;

=6 мкс минимальное импульсное сопротивление

сетки

.

=

--

ÿ<

достигается

соответственно

при

раз¬

28 <8=

2 5

3

8

мерах

VS ^

-

м. Эти

размеры являются предель¬

60-+

80

ными, которые

при данных

условиях

могут быть исполь¬

зованы.

Очевидно,

что при

меньшем

тф,

когда

влияние

индуктивности возрастает, эти

предельные размеры

сет¬

ки

уменьшатся. Так,

например,

при Тф=3 мкс в

грунте

139