Повышение надежности защиты от перенапряжений систем электроснабжения нефтяной промышленности в районах с высоким удельным сопротивлением грунтов

На правах рукописи

ТАНАЕВ Алексей Кимович

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

НЕФТЯНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ В РАЙОНАХ

С ВЫСОКИМ УДЕЛЬНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ ГРУНТОВ

Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Самара – 2006

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Самарском государственном техническом университете на кафедре “Автоматизированные электроэнергетические системы”.

Научный руководитель:	доктор технических наук, профессор Гольдштейн Валерий Геннадьевич
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Рассказов Федор Николаевич
	кандидат технических наук, доцент Сенько Владислав Владимирович
Ведущее предприятие:	Петербургский энергетический институт повышения квалификации, г. Санкт-Петербург

Защита состоится 25 декабря 2006 г. в 10 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.217.04 при Самарском государственном техническом университете (СамГТУ) по адресу: г. Самара, Молодогвардейская ул., д. 244, Главный корпус, ауд. 200.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СамГТУ.

Отзывы по данной работе в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: Россия, 443100, г. Самара, Молодогвардейская ул. 244, Главный корпус, Самарский государственный технический университет, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.04,

тел.: (846) 278-44-96, факс (846) 278-44-00, e-mail: [email protected].

Автореферат разослан 24 ноября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 212.217.04,

кандидат технических наук, доцент Е.А. Кротков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время развитие нефтяной промышленности (НП) в районах Сибири и Крайнего Севера требует создания условий для надежного функционирования систем электроснабжения (СЭС) объектов добычи и транспортировки нефти. Для этого необходимо обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС) электрооборудования СЭС при воздействии перенапряжений.

Основными характерными физическими особенностями районов Сибири и Крайнего Севера являются относительно высокий уровень интенсивности грозовой деятельности, экстремальные погодные условия и высокие удельные сопротивления грунтов (ВУСГ), имеющих многослойную структуру с вечной мерзлотой.

Особую значимость в этих условиях приобретает решение задач обеспечения надежности защиты от перенапряжений и ЭМС силовых и измерительных трансформаторов, коммутационных аппаратов, реакторов, компенсирующих устройств, автоматики, релейной защиты, связи и систем заземления.

Эксплуатация электрооборудования СЭС в районах с ВУСГ способствует интенсивной выработке его технологических ресурсов. Об этом свидетельствует то, что эксплутационные затраты на ремонт и техническое обслуживание электрооборудования превышают установленные нормативы более, чем на 15% и имеют устойчивую тенденцию к увеличению. Ограниченное финансирование на ремонт и техническое обслуживание приводит к неизбежному интенсивному износу электрооборудования, что является дополнительным существенным фактором снижения надежности СЭС. Анализ показывает, что доля нарушений ЭМС из-за перенапряжений, которая определяется названной спецификой электромагнитных процессов в общем потоке отказов электрооборудования СЭС в районах Сибири и Крайнего Севера превышает 30%, и статистика этих нарушений в районах с ВУСГ, по сравнению с Европейской частью России, имеет устойчивую тенденцию к увеличению.

С учетом широкого развития промышленного освоения северных районов России это определяет актуальность диссертационной работы.

Рассмотренные выше положения были сформулированы на основе проведенного обзора и анализа основных теоретических результатов и сопутствующих технических решений по актуальным проблемам работы электрооборудования в районах с ВУСГ, изложенных в работах таких известных ученых и исследователей, как: Костенко М.В., Бургсдорф В.В., Халилов Ф.Х., Якобс А.И., Гринберг Г.А., Ефимов Б.В., Зоммерфельд А., Колечицкий Е.С., Перельман Л.С, R.G. Wasley, L.M.Wedepohl, W.H.Wise и многих других исследователей.

На основе подробного анализа проблем повышения надежности и обеспечения ЭМС электрооборудования СЭС НП в районах с ВУСГ, можно констатировать, что ряд теоретических и технических задач в этом направлении исчерпывающих решений не имеет. Это легло в основу определения цели и задач диссертации.

Целью диссертации является разработка научных методов повышения надежности защит от перенапряжений электрооборудования систем электроснабжения нефтяной промышленности путем обеспечения электромагнитной совместимости электрооборудования в районах с высоким удельным сопротивлением грунтов.

Для достижения поставленной цели в работе формулируются и решаются следующие научно-технические задачи:

• Исследование распространения волн атмосферных перенапряжений при электромагнитных взаимодействиях коронирующей воздушной линии (ВЛ) с землей, имеющей слои вечной мерзлоты.
• Разработка методики анализа волновых электромагнитных процессов и грозозащиты подстанций с протяженными заземлителями.
• Исследование электромагнитных процессов в заземлителях электроустановок в условиях ВУСГ.
• Разработка технических решений, рекомендаций и мероприятий по защите от перенапряжений электрооборудования СЭС НП в условиях ВУСГ с помощью нетрадиционных устройств, таких, как подвесные ограничители перенапряжений (ПОПН), нестандартные схемы тросовой защиты и др.

Основные положения, выносимые на защиту:

• Математическая модель электромагнитных волновых процессов в условиях ВУСГ с многослойной структурой для определения деформации волн атмосферных перенапряжений в коронирующей ВЛ.
• Методика и алгоритмы анализа электромагнитных волновых процессов для подстанций, имеющих протяженные заземлители.
• Результаты исследования характеристик заземлителей электроустановок в условиях ВУСГ.
• Способы повышения надежности грозозащиты СЭС НП в районах с ВУСГ с помощью ПОПН, нестандартных схем тросовой защиты и др.

Объектом исследования является система электроснабжения и функционально связанные с ней заземляющие устройства, протяженные заземлители и устройства защиты от перенапряжений.

Основные методы научных исследований: использованы методы математического анализа, теории вероятностей, физического и математического моделирования электромагнитных помех в схемах грозозащиты СЭС.

Научная новизна.

• Уточненная модель и методика для определения деформации волн атмосферных перенапряжений в воздушных линиях электропередачи с учетом влияний короны и высокого удельного сопротивления грунтов с многослойной структурой и вечной мерзлотой.
• Математическая модель и методика анализа электромагнитных волновых процессов для подстанций систем электроснабжения, имеющих протяженные заземлители в районах с высоким удельным сопротивлением грунтов с многослойной структурой и вечной мерзлотой.
• Математическая модель и метод определения уточненных характеристик заземлителей электрооборудования в системах электроснабжения с учетом высокого удельного сопротивления грунтов с многослойной структурой и вечной мерзлотой.
• Научное обоснование технических решений по повышению надежности грозозащиты электрооборудования СЭС в районах с высоким удельным сопротивлением грунта с многослойной структурой и вечной мерзлотой, заключающихся в использовании ПОПН и нестандартных схем тросовой грозозащиты.

Практическая ценность.

• Предложено алгоритмическое и программное обеспечение анализа надежности грозозащиты подстанций для составления схем замещения, расчетов напряжений в узлах, сравнительной оценки показателей надежности грозозащиты с учетом процессов в ВУСГ.
• Предложены технические решения для повышения надежности СЭС в районах с ВУСГ на основе подвесных ограничителей перенапряжения (ПОПН), нестандартные схемы тросовой защиты, каскадная схема грозозащиты и др.
• Результаты исследований предложены и используются в ОАО «НК Роснефть», ЗАО «Самарский Электропроект» и ОАО «Волжская Межрегиональная Распределительная Компания» для использования при проектировании и эксплуатации электрооборудования СЭС в районах с ВУСГ.

Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на XIII-ой межвуз. конф. "Математическое моделирование и краевые задачи" (Самара, 2003 г.), на Всероссийской науч.-техн. конф. ТГУ (Тольятти, 2004 г.), на X и XI-ой Международной научн.-техн. конференции "Радиотехника, электротехника и энергетика" МЭИ(ТУ) (Москва, 2004 и 2005 г.г.), на V-ой Международной научно-технической конференции «Эффективность и качество электроснабжения промышленных предприятий» (Мариуполь, 2005 г.), на II-ой Всероссийской конф. по заземляющим устройствам (Новосибирск, 2005 г).

Реализация результатов работы. Результаты диссертации в виде рекомендаций по применению новых средств защиты от перенапряжений, мероприятий, математического и программного обеспече­ния переданы для использования в практике проектирования систем электроснабжения ОАО «Проект-электро» (г. Самара) и ОАО «Самарский Электропроект» (г. Самара).

Разработанные методы моделирования и расчета волновых переходных процессов в схемах подстанций и систем электроснабжения используются в учебном процессе Самарского государственного технического университета на кафедре “Автоматизированные электроэнергетические системы”, Петербургского энергетического института повышения квалификации, Самарской государственной академии путей сообщения.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 9 печатных работах, опубликованных автором лично и в соавторстве.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 125 наименований, содержит 191 стр. основного текста.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель работы и основные задачи исследований. Показана научная новизна и практическая значимость работы, приводятся основные положения, выносимые на защиту, сведения об апробации и внедрении результатов работы.

С учетом нынешнего состояния, отраслевых особенностей нефтяной отрасли и производства, расположенного и развивающегося, в значительной мере, в районах с ВУСГ, и на основе технологической иерархически-структурной классификации электроустановок СЭС НП, рассматриваются принципы, положения и специфика построения СЭС НП и их защиты от перенапряжений в районах с ВУСГ.

Проведен анализ существующих методов и средств обеспечения надежности СЭС НП при воздействиях в виде перенапряжений, на основе которого сформулирована необходимость представленного в работе развития уточненных методов анализа сложных электромагнитных процессов с учетом специфики названных задач и условий. В основном, при решении задач грозозащиты линий и подстанций СЭС НП, они опираются на физическое и математическое моделирование, поскольку экспериментальные исследования переходных процессов при грозовых разрядах на реальных линиях и подстанциях чрезвычайно затруднены.

Констатируется также необходимость нетрадиционных методов, средств и схем защиты от перенапряжений, поскольку в названных условиях их известные аналоги становятся малоэффективными и многозатратными.

В первой главе описаны физические процессы, характерные для летнего (грозового) сезона в районах с ВУСГ. Они, по существу, определяются наличием вечной мерзлоты в многослойной структуре грунтов и оказывают влияние на надежность защиты электроустановок от перенапряжений. Здесь следует назвать:

- условия, способствующие грозообразованию - повышенная солнечная активность, резкий контраст температур над поверхностью земли и по времени суток;

- оттаивание грунта на глубину максимально до 1м;

- уменьшение удельного сопротивления грунта гр для верхних слоев до значений 100 Ом·м и менее при прежних значениях для нижних.

Для учета условий ВУСГ при методической оценке надежности грозозащиты линий электропередачи сетей внешнего электроснабжения НП рассматриваются вопросы развития уточненных методов анализа электромагнитных процессов при грозовых разрядах на реальных линиях. Они основаны на современных представлениях об анализе волновых процессов в многопроводных коронирующих ВЛ, проходящих над землей с многослойной структурой и вечной мерзлотой.

Ключевым моментом в оценках надежности грозозащиты линий и подстанций является определение деформации волн перенапряжений в многопроводных линиях под действием импульсной короны и поверхностного эффекта в земле и проводах, конструктивные особенности линии на подходе к подстанции и различие в величинах сопротивлений заземления опор линии на подходе к подстанции.

Систему дифференциальных уравнений многопроводной линии с уче­том частотно-зависимых сопротивлений земли и проводов и нелиней­ных характеристик короны на проводах представим в следую­щем условном виде:

, (1)

, (2)

где i, q, u - матрицы-столбцы токов, заря­дов и напряжений; -их операционные изображения; Zс(р) - квадратная матрица погонных сопротивлений соответствующей ли­нии без потерь; - квадратная матрица поправок, учитывающих по­тери в земле, проводах и тросах; А=АC-А - квадратная матрица потенциальных коэффициентов с учетом поправок на корону.

Приближенно, без значительных погрешностей, можно считать, что и многослойная структура, и величины проводимости слоев грунта практически не влияют на процессы коронирования. Поэтому, для построения физико-математической модели, целесообразно использовать подход, предложенный М.В. Костенко, Б.В. Ефимовым и др., который заключается в разделении линии на отдельные участки, в которых последовательными Z – звеньями учитываются частотно-зависимые параметры в продольных сопротивлениях линии, а поперечными Y – звеньями – нелинейные динамические емкости, учитывающие импульсную корону.

Совместное решение операторных уравнений (1) и нелинейных уравнений в частных производных (2) производится приближенно с разделением линии на участки. В каждом из них есть отрезок идеальной многопроводной линии без потерь и блоки - модели, раздельно учитывающие все влияющие факторы (рис. 1).

Рис. 1. Структурная схема модели участка многопроводной ЛЭП; блоки М – модели точки удара молнии, П – подстанции, Y – короны, Z – земли и проводов, Т – заземленного троса, Y, Z, Т - расстояния между соответствующими блоками.

Расчет искажения и затухания волны заключается в вы­числении многократного преломления и отражения волн, набегаю­щих со скоростью света с по идеализированной линии (без потерь) с параметрами ZC и C на Y и Z – узлы (рис. 1). В Y-уз­лы включены схемы, воспроизводящие нелинейные динамические характеристики импульсной короны на пораженном молнией про­воде А (и*)· Y на участке Y, где и*= и / инк – отношение мгновенного значения напряжения к напряжению начала короны на проводе. Эти характеристики учитываются в работе по методике, предложенной М.В. Костенко, Б.В. Ефимовым, Н.И. Гумеровой и др.

В Z-узлы включены индуктив­ности и сопротивления, отражающие, с достаточной для практики точностью, вещественную и мнимую частотные характеристики матриц сопротивлений проводов и земли Z (p)· Z на участке Z. Их определение, которое является фактическим учетом многослойной структуры земли с вечной мерзлотой, произведено в работе в виде уточненного и приближенного решения задачи электромагнитного поля.

Общее решение волнового уравнения ВЛ, вытекающего из системы уравнений Максвелла для провода над двухслойной землей (принято для упрощения изложения) с толщиной d верхнего слоя, с учетом известного допущения Карсона о том, что в земле поперечные составляющие Ez и Ey, может быть записано для электрической напряженности Ex в двух слоях земли в следующем виде:

для ,

для ,

,

Составляющие вектора H в соответствии с допущением Карсона о том, что в земле поперечные составляющие Ez << Ex и Ey << Ex, определены в работе из уравнения Максвелла rot EH.

Магнитное поле в воздухе может быть принято в виде:

, .

Для определения составляющих Ex, Hy, Hz в разных средах в работе из условий на границах сред , , найдены произвольные функции :

,

, , где

,

,

откуда после преобразований можно записать операторное выражение для учета влияния двухслойной земли для каждого элемента матрицы продольных сопротивлений ВЛ в условиях ВУСГ, выведенное с учетом допущений Карсона.

, (3)

где ,.

В выражении для учета влияния многослойной земли A() = I th, где

и

В работе получены также аналогичные выражения для решения поставленной задачи в точной постановке, без допущений Карсона. Проведенный анализ показал, что представленные выше более простые решения могут быть использованы в задачах анализа перенапряжений в СЭС НП с учетом влияния земли с ВУСГ с несущественными погрешностями по сравнению с более точными решениями. Этот учет производится путем включения в схемы Z –узлов простых эквивалентных схем, состоящих из активно - индуктивных звеньев, параметры которых подбираются из условия минимума расхождений их частотных характеристик продольных сопротивлений, определенных выше. На рис.2 представлены последовательные этапы упрощения модели Z – узла: а – исходная схема, где обозначениями Z с соответствующими индексами представлена модель продольных сопротивлений троса и фазных проводов 1 и т.д.; в канале возврата по земле включено среднее взаимное сопротивление между проводами Zср, которое приближенно можно принять одинаковым для всех возможных вариантов (Z12=Z13= …= Zср); б - преобразованная схема, в которой влияние земли проводов и тросов учитывается эквивалентным частотно-зависимым сопротивлением Zэ, вычисляемым с помощью выражения (3); в – схема из m R-L цепочек, частотно-эквивалентная Zэ.

а б в

Рис.2. Последовательные приближения расчетных схем Z - узла.

На основе полученного решения, для учета влияния сопротивления многослойной земли с ВУСГ с использованием приближенных моделей (рис. 2), а также моделей импульсной короны по методике М.В. Костенко, Б.В. Ефимова, Н.И. Гумеровой и др., произведено компьютерное моделирование деформации стандартных волн атмосферных перенапряжений (1/40 мкс) при их пробеге по ВЛ-110 кВ (грозотрос С-50, провода АС-150, опоры железобетонные высотой 17 м) над двухслойной землей с 1= 100 Ом·м, 2=1000 Ом·м. Были исследованы совместно и раздельно влияния земли, импульсной короны и заземленного грозозащитного троса. Результаты представлены на рис. 3, где индексы 2 и 3 (4, 5) соответствуют длинам пробега 2,5 и 5 км

Рис.3. Деформация волн 1/40 мкс в ЛЭП – 110кВ с учетом влияния земли (З), импульсной короны (К), тросов (Т). 1- начальная волна; а) 2, 3 – З; 4,5 – З, Т; б) 2,3 –З, К. Толщина первого слоя 0,5 м.

Рис. 4. Исследование деформации волн 1/40 мкс ВЛ-110кВ (2, 4, 5 для пробега 2,5км., 3, 6, 7 для 5км) 1 – исходная волна: а) при изменении толщины верхнего слоя 2,3 - 0,5м., 4,6 – 0,3м., 5,7 – 0 м.; б) при изменении удельного сопротивления верхнего слоя (толщиной 0,5м): 2,3 - 100 Ом·м, 4,6 – 500 Ом·м, 5,7 – 1000 Ом·м,.

По результатам расчетов деформации волн атмосферных перенапряжений по линиям СЭС НП установлено, что для искаженных волн может быть

использована общепринятая в анализе грозозащиты линейная аппроксимация фронта волны для широкого диапазона ее пробега по линии. Это позволяет предложить простую интерполяционную методику для определения как длины фронта волны, приходящей на подстанцию, так, при необходимости, уменьшения амплитуды (затухания).

Она заключается в том, что, с помощью представленных выше способов, определяются искаженные волны перенапряжений с учетом всех влияний для фиксированных расстояний пробега от точки удара молнии с постоянным шагом 0,25 0,5 км. Как правило, расчеты достаточно сделать для 5 10 точек. Далее производится линеаризация фронтов волн и находятся их эквивалентные смещения по сравнению с исходной волной. После этого результат искажения для любой длины пробега можно определить с помощью интерполяции.

Во второй главе для оценки работоспособности и надежности СЭС рассматриваются переходные процессы, как на подходе к ней воздушной линии, так и на самой подстанции, включая процессы в заземляющих устройствах, которые в условиях ВУСГ значительно усложняются.

Приводится алгоритм исследования надежности схем грозозащиты подстанций, изложены методы расчета напряжений в узлах подстанций. Так, расчет напряжения в узле с емкостью в дискретные моменты времени с шагом t производится по методам эквивалентной волны и подкасательной, предложенным в графической форме М.В. Костенко. Формульная реализация, где каждое следующее значение определяется по и суммам преломленных волн и , приходящих в этот узел, имеет вид:

где , , Zэ – эквивалентное сопротивление n ветвей, сходящихся в данном узле.

Кроме того, дается подробный вывод расчетных выражений для напряжений при наличии в узлах сопротивлений, моделей защитных аппаратов (ЗА), включаемых на землю, а также последовательных элементов схемы с учетом взаимосвязи между проводами линий, сходящихся в узлы и др.

Определение напряжения на ЗА (рис. 5) ОПН во всех режимах и вентильном разряднике в момент его срабатывания и после пробоя искрового промежутка (рис. 5 в) использует метод подкасательной, оно может быть найдено, исходя из правила эквивалентной волны, зависимости , путем исключения тока в выражении для эквивалентной волны. Тогда для каждого участка аппроксимации можно записать выражение для определения напряжения на разряднике в любой момент времени:

,

где ; .

Рис. 5. Схемы замещения защитных аппаратов: ОПН в режиме ожидания и вентильного разрядника до пробоя искрового промежутка (а, б); в режиме ограничения перенапряжений без учета (в) и с учетом (г) емкости

Вероятное годовое число случаев возникновения опасных грозовых перенапряжений будет суммой двух слагаемых: - при прорывах молнии и , - при обратных перекрытиях, (). Следовательно, показатель надежности грозозащиты подстанции М, характеризующий эффективность грозозащиты подстанции от волн, набегающих с линий, будет равен:

.

Величины и М могут быть определены в соответствии с методикой оценки надежности различных схем грозозащиты. Наряду с понятием "кривая опасных волн" используется более общее понятие "объем опасных волн" - трехмерная область в координатах: амплитуда - крутизна фронта - точка удара молнии, внутри которой расположены все возможные опасные сочетания этих параметров. Интегрирование внутри этой области соответствующих плотностей вероятности дает вероятное число появления опасных воздействий на исследуемое оборудование, значительно менее отличающееся от данных опыта эксплуатации по сравнению с ранее разработанными методиками.

Общая вероятность превышения допустимого уровня перенапряжений на подстанции при прорыве молнии в зоне защищенного подхода по данной методике определяется выражением:

,

где , - плотности закона распределения амплитуды волны и длин фронта; - функция зависимости критической длины пробега от параметров волны и . Интегрирование ведется по площади S всех возможных сечений и выше кривой опасных волн. При определении необходимо учитывать срез волны из-за перекрытий на гирляндах линии.

В третьей главе приведена разработка предлагаемой методики исследования надежности схем грозозащиты с учетом заземляющего контура и выносного контура заземления в районах с высоким гр, необходимость которой вызвана тем, что традиционная методика не учитывает волнового процесса в элементах заземления.

На основе изучения современного состояния вопроса по исследованию надёжности схем грозозащиты подстанций проведен анализ заземляющих устройств СЭС в целом, выявлены основные факторы, влияющие на величину импульсного сопротивления системы заземления оборудования, его роль в составе средств и мероприятий грозозащиты, приведены математические модели.

Методики исследования схем грозозащиты подстанции от волн, набегающих с воздушных линий, используют традиционную электрическую эквивалентную схему замещения, в которой входные емкости оборудования и защитные аппараты соединены с заземляющими устройствами, сопротивление растеканию которых значительно меньше сопротивлений других элементов схем замещения и обычно принимается равным нулю. То есть при всей полноте учета факторов, влияющих на переходной процесс, в большинстве своём, они не учитывают волновой процесс в сложном заземляющем устройстве подстанций в условиях грунтов с высоким удельным сопротивлением.

Проблема учета заземляющего устройства подстанций в условиях грунтов с высоким гр в значительной мере определяется тем, что выполнить требование ПУЭ к сопротивлению растекания заземляющего контура подстанции при наличии ВУСГ оказывается практически невозможным даже при значительном перерасходе металла. Поэтому, в условиях грунтов с высоким удельным сопротивлением, заземляющее устройство подстанции состоит из основного заземлителя (обычно выравнивающей сетки), сооружаемого на территории самой подстанции, выносного заземлителя и одного - трех шлейфов (проводников, соединяющих основной и выносной заземлители). Незначительное влияние многослойности структуры грунта, значительные погрешности в определении величины удельного сопротивления грунта , малая вероятность появления токов, при которых может возникнуть процесс искрообразования, позволяют принять в дальнейшем грунт однородным и не зависящим от величины и формы тока.

Выносной заземлитель, как правило, сооружают на дне рек, озер, заливов морей, где удельное сопротивление грунта значительно ниже, чем в местах расположения площадки подстанции. В зависимости от взаимного расположения основного и выносного заземлителей, длина шлейфов может составлять десятки - тысячи метров. Наличие выносного заземлителя позволяет снизить величины сопротивления растеканию заземляющего устройства до величин, удовлетворяющих требованиям ПУЭ.

В силу того, что с проводников сетки, соединяющих корпуса и опорные конструкции аппаратов, подлежащие заземлению, при больших гр стекание тока незначительно, выравнивающую сетку уже нельзя считать плоскостью нулевого уровня. В элементах сетки, шлейфе следует ожидать, при проникновении в них грозовой волны, развитие переходного процесса, носящего волновой характер. Волновой характер процесса проявляется в том, что по элементам сетки и по шлейфу могут распространяться волны с конечной скоростью, определяемой параметрами грунта с электрической гр и магнитной гр постоянными.

Последнее приводит к тому, что в определенные моменты времени, до наступления установившегося режима, потенциалы отдельных точек сетки заземляющего устройства будут разными, а, следовательно, будет иметь место перепад напряжения Uза-об - разность между точками присоединения к заземлителю корпусов оборудования и защитного аппарата, например, вентильного разрядника. В работе показано, что напряжение на оборудовании, защищенном ЗА. будет зависеть от его характеристик и от перепада Uза-об. При значительных гр следует ожидать повышения перепада напряжения Uза-об, повышения напряжения на изоляции оборудования подстанции, и, следовательно, снижения надежности схем грозозащиты, выполненных без учета развивающегося волнового процесса в заземляющем устройстве (ЗУ) подстанции. С учетом бурного развития нефтедобычи в районах с ВУСГ в ближайшие годы следует ожидать увеличения количества таких подстанций.

Проанализированы существующие модели и методы решения переходного процесса в заземлителях, изложены результаты разработки схем замещения заземлителей, а также выведены условия применимости метода бегущих волн для расчета переходного процесса в заземлителе, проведена сравнительная оценка расчета напряжений в отдельных точках заземлителя по предложенному методу и по уравнениям длинных линий.

Установлено, что сосредоточенные заземлители, величина сопротивления растеканию которых составляет менее 0,5 Ом, могут быть замещены постоянными сосредоточенными сопротивлениями или двухполюсниками, содержащими R, L, С, величина последних может быть найдена с помощью метода синтеза цепей по временным характеристикам заземлителей.

Протяженные заземлители можно замещать схемой, содержащей один участок с распределенными параметрами с волновым сопротивлением , сопротивлениями . При этом, длина заземлителя, при которой погрешность воспроизведения режима не превышает наперед заданную для установившегося режима - , а для волнового процесса , в зависимости от удельного сопротивления грунта может быть определена из выведенной в главе системы:

,

.

В случае, когда можно пренебречь волновым процессом в заземлителе, протяженный заземлитель можно замещать схемой, синтезированной по его временным характеристикам.

Сравнительная оценка расчетов напряжений вдоль заземлителя и напряжения в конце заземлителя по формулам длинных линий и по методу бегущих волн показала, что начиная с 1000 Омм, с погрешностью не более 10%, можно применить схему с разбиением заземлителя на один участок с распределенными параметрами и включенными в узловые точки сопротивлений в широком диапазоне длин заземлителей, а также целесообразность применения метода бегущих волн, ввиду простоты реализации на ПЭВМ и хорошего согласования с методом расчета напряжений в узлах подстанции.

В четвертой главе, на основании разработанных ранее схем замещения заземлителей, с помощью метода бегущих волн проведен анализ простейших схем грозозащиты подстанций в условиях ВУСГ и проведена экспериментальная проверка основных положений, которая дала удовлетворительное совпадение с расчетом. Все это позволило исследовать наиболее важные факторы, влияющие на процесс развития перенапряжений в схеме с учетом заземляющего контура.

Приведены результаты исследования путей повышения надежности грозозащиты подстанций и отдельных электроустановок в районах с высоким удельным сопротивлением грунта. На основании исследований, проведенных ранее, была принята окончательная упрощенная схема замещения подстанции, проведены многовариантные расчеты показателей надежности грозозащиты подстанции и анализ этих расчетов.

Учет ЗУ в простейших схемах грозоза­щиты подстанций приводит, при прочих одинаковых условиях, как и в традиционной схеме, к повышению напряжения на оборудовании под­станции до 50 % в зависимости от количества проводов шлейфа. В предельных случаях, когда проводник, соединяющий разрядник и емкость оборудования, и провода шлейфа находятся в воздухе, по­казатель надежности грозозащиты подстанции снижается в 1,65 раза.

Не установлено влияние частотно-зависимых параметров эле­ментов заземляющего устройства, поэтому в дальнейшем расчеты мож­но вести либо по пара-метрам схемы, рассчитанным на эквивалентной частоте, равной , с учетом глубины уровня нулевого потенциала либо по параметрам, определен­ным по формулам электростатики (, ). В последнем случае показатель надежности грозозащиты оказывается предельным и заниженным на 10-15 % по сравнению с первым случаем, а, следо­ватель-но, схема грозозащиты - выбранной с некоторым запасом.

Отмечается значительная зависимость относительного показателя надежности грозозащиты от удельного сопротивления грунта. Так, показатели грозоупорности простейших схем, рассчитанных при значении удельных сопротивлений грунта =500 Ом·м и =10 000 Ом·м, отличаются вдвое.

Скорость распространения волн в заземляющих магистралях и шлейфе начинает оказывать заметное влияние на процесс развития перенапряжений в схемах грозозащиты при значениях менее 100 м/мкс.

Длина шлейфа практически не влияет на надежность схем грозозащиты подстанции. Отмечено некоторое увеличение показателя надежности грозозащиты (на 2-3 %) при длинах шлейфа менее 10 м и снижение его (до 6 %) при длинах шлейфа от 20 м до 40 м, когда время срабатывания разрядника соизмеримо с временем двойного пробега волны по заземляющим магистралям и шлейфу. При больших временах пробега, длина шлейфа уже не оказывает влияния на волновой процесс. Поэтому, при незначительных мощностях (10-15 метров) верх­него слоя грунта оказывается целесообразным применение глубинных заземлителей в качестве выносного, а при значительных мощностях верхнего слоя - устройство шлейфа большой длины, если это не противоречит стоимостным показателям и параметрам заземлителя при частоте стекающего тока 50 Гц. С учетом изменения величин показателя надежности грозозащиты от длины шлейфа, приведенных выше и составляющих один порядок с погрешностью вводимых некоторых ве­личин, можно принять, что длина шлейфа не оказывает влияния на волновой процесс в схемах грозозащиты с учетом ЗУ ПС.

Учет взаимовлияния между ошиновкой подстанции и проводниками заземляющей сетки, расположенной в грунте, не приводит к заметному изменению показателя надежности грозозащиты. Так, например, неучет взаимного влияния между магистралями заземления подстанции приводит к снижению показателя надежности грозозащиты всего лишь на 10 %. В дальнейшем в работе будет учитываться только взаимное влияние между проводами, расположенными либо в воздухе, либо в грунте. Следует отметить, что проблема взаимовлияния между проводами системы требует дальнейшего самостоятельного теоретического и экспериментального исследования.

Выявлено заметное влияние места установки и типа защитного аппарата. Установка защитного аппарата до защищаемого оборудования и применение ЗА с улучшенными характеристиками (РВМГ, ОПН) приводят к увеличению (до 30 - 40 %) показателей надежности грозозащиты подстанции.

Результаты исследования сопротивления заземлителей в двухслойном грунте показывают, что максимальные погрешности в расчетах сопротивления простого и более сложных ЗУ электроустановок возникают при существенных изменениях удельного сопротивления первого 1 и второго 2 слоев земли. Значительные погрешности возникают, если длина заземлителя lВ становится меньше или равной толщине первого слоя двухслойной электрической структуры земли h, т.е. . Остальные рассмотренные величины расчетных выражений не оказывают существенного влияния на точность расчетов сопротивления заземлителя.

Проведенный анализ позволил разработать рекомендации по повышению надежности схем грозозащиты подстанций в районах с ВУСГ на базе современных грозозащитных средств.

В пятой главе рассматриваются вопросы обеспечения в условиях ВУСГ необходимой надежности грозозащиты ВЛ с помощью применения нетрадиционных способов. Основными из этих способов являются:

- отказ от грозозащитных тросов, сооружаемых над фазными проводами; их сооружение под нижними проводами;

- защита ВЛ с помощью подвесных ограничителей перенапряжений (ПОПН);

- снижение требований к величине импульсного сопротивления заземления опор и другие мероприятия.

Обратим внимание на подробно обсужденный в работе факт, что ПОПН работают в облегченных условиях по сравнению со стационарными ОПН в традиционных схемах грозозащиты, вследствие того, что они пропускают относительно небольшие токи, ограниченные значительными эквивалентными сопротивлениями в точках удара и перекрытий. Поэтому их можно изготовить, установить и эксплуатировать со значительно меньшими затратами.

Перечисленные способы подробно проанализированы на примере ряда СЭС 35 и 110 кВ нефтяной промышленности северных районов Западной Сибири. В работе приведены результаты по одной из ВЛ 110 кВ ОАО «Тюменьэнерго», где интенсивна грозовая деятельность (число грозовых часов Тч 50 ч) и имеет место высокое значение удельного сопротивления грунтов (800 1200 Ом·м), что не позволяет обеспечить приемлемого (по ПУЭ) сопротивления заземления опор (10 20 Ом).

Рассмотрим вначале традиционные мероприятия, влияющие на показатель надежности грозозащиты исследуемой двухцепной линии 110 кВ.

Уменьшение угла защиты грозозащитного троса для рассматриваемой двухцепной ВЛ-110 кВ не является действенным мероприятием, так как оно почти не отражается на общем годовом числе грозовых отключений ВЛ. Тем более, это мероприятие связано с техническими и экономическими проблемами (оборудования новой тросостойки, уменьшение коэффициентов связи между тросом и проводами, а, следовательно, снижение грозоупорности ВЛ, отключение ВЛ для выполнения работ по переоборудованию опоры, недоотпуск электроэнергии объектам технологического процесса транспорта нефти и т. д.).

Влияние импульсного сопротивления заземления опор. Как видно из рис. 6, где приведена зависимость n = f (Rзи), грозозащита отвечает требованиям ПУЭ только при импульсном сопротивлении заземления опор не более 1015 Ом.

Влияние уровня изоляции ВЛ. Зависимости n = (Rзи) от уровня изоляции (г) для одной цепи ВЛ и одновременно обеих цепей, приведенные на рис. 7 и 8, приемлемая грозозащита двухцепной линии даже при усилении изоляции на 6080 % достигается при сопротивлении заземления опор до 25 Ом.

Беcтросовая защита по результатам расчетов увеличивает ожидаемое годовое число грозовых отключений от 2,5 до 14 раз в зависимости от величины Rзи, поэтому возможность эксплуатации рассматриваемой линии без троса недопустима, если только не применяются дополнительные защитные средства и мероприятия.

Рассмотрим теперь нетрадиционные способы грозозащиты ВЛ 110 кВ.

Подвеска двух тросов на двухцепной линии. На рис. 9 приведена зависимость кратности снижения годового числа грозовых отключений названной линии при сооружении двух тросов над верхними проводами по сравнению с сооружением одного троса. Как видно из этого рисунка, при оснащении ВЛ двумя тросами над верхними проводами, число годовых грозовых отключений линии в среднем уменьшается в 1,5 раза, грозовых отключений одновременно двух цепей - в 1,4 раза.

Подвеска по одному тросу над верхними фазами и на уровне нижних фаз. При такой грозозащите ВЛ увеличиваются коэффициенты связи «тросы-провода», существенно уменьшаются волновые сопротивления фазных проводов и общее волновое сопротивление двух тросов. На рис. 10 приведены кратности снижения числа отключений при таком способе грозозащиты по сравнению со случаем сооружения двух тросов над верхними фазами. Как видно, при удалении двух тросов друг от друга число n по сравнению с сооружением двух тросов снижается от 1,5 до 2,3 раз (для одновременного отключения обеих цепей на 30–45 %).

Установка ПОПН на верхних фазах при отсутствии тросов. При этом ВЛ оказывается защищенной от обратных перекрытий и от ударов молнии на верхние фазы, находящиеся в наихудших условиях по вероятностям поражения и перекрытия. Число отключений двухцепной ВЛ и одновременного отключения обеих цепей (рис. 11) оказывается в 1,5 раза лучше, чем у базового варианта с одним тросом. Показатели грозозащиты этого варианта практически совпадают с показателями ВЛ с двумя тросами над верхним проводами, но он уступает варианту, в котором ВЛ имеет один трос над верхними проводами и один трос на уровне нижних проводов.

Установка ПОПН на верхних проводах при наличии троса на уровне нижних фаз. Результаты исследования для этого случая приведены на рис. 12. Вариант двухцепной ВЛ при таком расположении средств грозозащиты дает наилучшие показатели. Из рисунка видно, что при подвеске грозозащитного троса на уровне нижних проводов в комплексе с двумя ПОПН на верхних фазах эффект получается (рис. 12) по общему числу грозовых отключений и по числу отключений одновременно обеих цепей. По сравнению с базовым (существующим в настоящее время) вариантом, грозозащита рассматриваемой ВЛ улучшается в 34,5 раза в пределах сопротивлений заземления опор Rзи = 1030 Ом и в ~ 2,5 раза при Rзи = 40100 Ом.

Отметим, что эти результаты носят общий характер, и, с соответствующей коррекцией, могут быть распространены и на другие ВЛ.

Для определения расстояния, на котором друг от друга должны быть расположены ПОПН без снижения надежности грозозащиты ВЛ в работе предложена формула, полученная на основе приближенного анализа волнового процесса в линии.

,

где ф - длина фронта волны;

с - скорость распространения электромагнитной волны (с 300 м/мкс);

Рис. 13. К расчету расстояний между двумя ОПН, установленными на опорах линии

Uост - отстающее напряжение на варисторах ПОПН-1 и ПОПН-2 (рис. 13);

;

Uфнр - наибольшее фазное напряжение линии;

Uм = U50% 600 г – 50 %-е разрядное напряжение линии.

С учетом равномерности распределения ударов молнии в любое место на отрезке опн вероятность перекрытия гирлянды изоляторов на этом участке и, соответственно, отношение вероятностей Рпер при наличии ПОПН и Рпер0 при отсутствии ПОПН рассчитывается по формуле:

,

где Iм0 - ток молнии, соответствующий току, при котором происходит перекрытие изоляции линии при отсутствии ОПН, то есть, напряжение на линии достигает пробивного напряжения изоляции, а Iм - ток молнии, соответствующий условиям в точке удара: эквивалентному сопротивлению в точке удара молнии, и напряжению Uм 600 г.

Рис. 14. Зависимость отношения вероятностей перекрытия изоляции ВЛ 110 кВ, Рпер – защищенной ОПН, и Рпер0 - без ОПН, от отношения /опн

На рис. 14 приведены результаты расчетов, из которых видно, что, при уменьшении расстояния между двумя соседними ОПН, вероятность перекрытия уменьшается очень быстро. При уменьшении опн до 1 км (примерно три пролета ВЛ) вероятность перекрытия уменьшается приблизительно в 10–15 раз.

В работе также произведена технико-экономическая оценка применения нетрадиционных методов повышения надежности грозозащиты ВЛ и, в частности установки ПОПН.

Повышение показателя надежности линий, как отмечалось, можно обеспечить реализацией следующих мероприятий:

1. Уменьшение импульсного сопротивления заземления опор.

2. Усиление изоляции линий.

3. Установка ПОПН на опорах линии.

4. Сооружение дополнительного грозозащитного троса на уровне нижних проводов или перенос существующих тросов на уровень нижних проводов.

Каждый из перечисленных способов улучшения грозозащиты линий связан с определенными капитальными затратами, издержками и ущербами. В работе сравнивались 5 вариантов, которые отличались вариантами тросовой защиты и установкой ПОПН вместе с ними или вместо них (см. результаты, представленные на рис. 9 - 12). Для них сопоставлялись лишь соответствующие составляющие годовых приведенных затрат. По результатам сравнения, наихудшим оказался принятый за базовый существующий в настоящее время вариант грозозащиты двухцепной линии. В этом, при существующих сопротивлениях заземления опор на линии (от 2,5 до 52 Ом), имеется один грозозащитный трос над верхними фазами. Лучшими вариантами оказались варианты с установкой на верхних двух фазах подвесных ограничителей перенапряжений ПОПН и по одному грозозащитному тросу или над проводами ВЛ (можно использовать существующий), или, что более эффективно, на уровне нижних проводов.

Таким образом, можно констатировать, что в системах электроснабжения предприятий нефтяной промышленности нетрадиционные методы защиты от перенапряжений являются эффективными мероприятиями для повышения надежности электроснабжения в условиях ВУСГ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные практические и научные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Для многопроводных воздушных линий СЭС нефтяной промышленности разработаны приближенная и уточненная математические модели распространения волн перенапряжений для многослойной земли с вечной мерзлотой в целях определения деформации волн атмосферных перенапряжений в воздушных линиях.

2. Для подстанций, имеющих протяженные заземлители в многослойной земле, разработаны математическая модель и методика анализа электромагнитных волновых процессов.

3. Для заземлителей предложены сравнительные исследования в разнородных многослойных средах с вечной мерзлотой; предложены математические модели и проведены сравнительные исследования заземлителей электроустановок с учетом их различных конструкций и параметров, а также сопротивлений слоев грунтов.

4. На базе анализа расчетов волновых процессов распространения волн перенапряжений в многоузловых схемах подстанций с учетом выполнения заземляющей сетки подстанции в малопроводящих грунтах, показаны пути упрощения схемы без потери точности расчета, основанные на принципах эквивалентирования.

5. Показатели надежности грозозащиты для подстанций СЭС в районах с высоким удельным сопротивлением грунта (гр > 1000 Ом·м), определенные с учетом волновых процессов в заземлителях, на 20 - 60 % ниже по сравнению с результатами, полученными для традиционной схемы малыми сопротивлениями заземления. В этих условиях показатель надежности схемы грозозащиты с учетом заземляющего устройства на необходимом для эксплуатации уровне, можно обеспечить с помощью комплексных заземлителей с выносными конструкциями и шлейфами.

6. На основании анализа современных средств грозозащиты под­станций в районах с ВУСГ, исследования волновых процессов в протяженных заземлителях и их эквивалентирования, предложены схемы и конструкции комплексного заземления подстанций и отдельного электрооборудования.

7. Для подстанций систем электроснабжения нефтяной промышленности в районах с ВУСГ повышение надежности схем грозозащиты достигается без существенных дополнительных инвестиций в технические средства, путем:

- установки защитных аппаратов до защищаемого оборудования;

- применения защитных аппаратов с улучшенными характеристиками – ОПН, разрядников с магнитным гашением дуги;

- устройства противовесов длиной не более 30 м, подключаемых к заземляющей сетке или магистрали, со стороны, противоположной месту подключения шлейфа;

- применения каскадных схем грозозащиты.

8. Для систем электроснабжения нефтяной промышленности в районах с ВУСГ на основе нетрадиционных способов и устройств грозозащиты воздушных линии электропередачи, таких, как подвесные ограничители перенапряжений, нестандартные схемы тросовой защиты, вынос защитных аппаратов на линию, предложены решения, мероприятия и рекомендации по повышению надежности электрооборудования.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

1. Гольдштейн В.Г., Сайдова Н.В., Танаев А.К. Уточненное определение интегральных выражений, учитывающих влияние многослойной земли. Вестник СамГТУ. Серия "Физико-математические науки". Выпуск 19. – Самара, 2003. с. 129-133.

2. Гольдштейн В.Г., Сайдова Н.В., Танаев А.К. Математическое моделирование продольных токов смещения и поверхностного эффекта в многослойной земле и проводах линий электропередачи. Вестник СамГТУ. Серия "Физико-математические науки". Выпуск 30. – Самара, 2004. с. 170-178.

3. Гольдштейн В.Г., Танаев А.К., Тихомиров А.А., Шпиц Л.В. Проблемы электромагнитной совместимости при анализе работы заземляющих устройств подстанций. Сб. тез. докл. X Международной научн.-техн. конференции "Радиотехника, электротехника и энергетика". Том 3. МЭИ(ТУ). - М. 2004. с.338.

4. Гольдштейн В.Г., Калабин А.Г., Кузнецов Ю.С., Танаев А.К. Проблемы электромагнитной совместимости на подстанциях, имеющих сложные заземлители. Сб. трудов Всероссийской науч.-техн. конф. Часть 1. Тольяттинский госуниверситет.- Тольятти. 2004. с. 123-127.

5. Гольдштейн В.Г., Танаев А.К. Математическое моделирование электромагнитных помех грозового происхождения на подстанциях высокого напряжения в районах с высокими удельными сопротивлениями грунта. Сб. тез. докл. XI Международной научн.-техн. конференции "Радиотехника, электротехника и энергетика". Том 3. МЭИ(ТУ). - М. 2005. с. 373-374.

6. Гольдштейн В.Г., Сливкин В.Г., Танаев А.К. Расчет сложного заземлителя с учётом многослойной электрической структуры земли. Вестник СамГТУ. Серия "Технические науки". Выпуск 32. - Самара, 2005. с. 144-153.

7. Танаев А.К. Исследование электромагнитной совместимости систем электроснабжения в условия высоких удельных сопротивлений грунта. Сб. тр. V Mеждунар. науч.-техн. конф. "Эффективность и качество электроснабжения промышленных предприятий". - Мариуполь, Украина. 2005. с. 135-139.

8. Сливкин В.Г., Танаев А.К. Определение погрешности в расчете сопротивления простого заземляющего устройства. Вестник СамГТУ. Серия "Технические науки". Выпуск 37. - Самара, 2005. с. 202-206.

9. Танаев А.К. Техническая оценка электромагнитной совместимости заземляющего устройства ОРУ-220/110 кВ п/ст «Левобережная» ОАО «Самараэнерго Сб. докл. IIой Всероссийской конф. по заземляющим устройствам. Новосибирск, 22-25.03 2005 г. с. 112-116.

Личный вклад автора. Все основные положения диссертации разработаны автором лично. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат разработка математических моделей [1, 2, 3, 5], расчетная часть [6, 8] и обработка результатов исследований [4].

Разрешено к печати диссертационным советом Д 212.217.04 Протокол № 02 от 1.11.2006

Заказ № 1539. Формат 60х84 1/16. Бумага тип. №1. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз.

Самарский государственный технический университет. Типография СамГТУ. 443100, г. Самара, Молодогвардейская ул. 244, Главный корпус