Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ВОЛН ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ВНЕШНЕГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НЕФТЯНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ В РАЙОНАХ С ВЫСОКИМ УДЕЛЬНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ ГРУНТА 22
1.1. Проблемы деформации волн перенапряжений на подходах линий электропередачи к подстанциям в условиях высоких сопротивлений грунтов 22
1.2. Математическое моделирование продольных токов смещения и поверхностного эффекта в многослойной земле и проводах линий электропередачи з 2
1.3. Уточнённая математическая модель поверхностного эффекта в многослойной земле 42
1.4. Методика анализа грозозащиты В Л 110 кВ „ 49
1.5. Методика анализа грозозащиты подстанций 55
1.6. Выводы по первой главе 72
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЯ НАДЕЖНОСТИ ГРОЗОЗАЩИТЫ ПОДСТАНЦИЙ В РАЙОНАХ С ВЫСОКИМ УДЕЛЬНЫМ СОПРО ТИВЛЕНИЕМ ГРУНТОВ 73
2.1. Математические модели анализа волновых процессов и исследования надежности грозозащиты подстанции 73
2.2. Построение эквивалентных схем замещения подстанций 73
2.3. Алгоритмы анализа перенапряжений в узловых точках подстанций 76
2.3.1. Реализация метода эквивалентной волны при определении напряжений в узлах эквивалентной схемы замещения подстанции 76
2.3.2. Алгоритм определения узловых напряжений при отсутствии в нем go элементов соединенных с землей
2.3.3. Алгоритм определения напряжений в узле с емкостью по методу подкасательной 80
2.3.4. Алгоритм определения напряжений на нелинейных ограничителях напряжения и вентильных разрядниках ., 82
2.3.5. Алгоритм определения напряжений в узлах при последовательно включенных элементах 89
2.3.6. Алгоритм для расчета напряжений в узлах при наличии последова тельных элементов и взаимной связи между проводами всех линий, сходящихся в узлы 90
2.4. Анализ надежности грозозащиты подстанции 94
2.4.1. Показатели надежности грозозащиты и число лет безаварийной работы 94
2.4.2. Принципы и алгоритмы построения кривой и объема опасных волн... 96
2.4.3. Критериальная оценка грозоупорности подстанции 99
2.5. Учет заземляющего контура при анализе оценки схем грозозащиты подстанций 102
2.5. Выводы по второй главе 106
ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ ПРИ АНАЛИЗЕ ГРОЗОЗАЩИТЫ ПОДСТАНЦИЙ РАСПОЛОЖЕННЫХ В УСЛОВИЯХ ГРУНТОВ С ВЫСОКИМ УДЕЛЬНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ 107
3.1. Необходимость и принципы реализации протяженных заземлителей .. 107
3.2. Конструкции и физические процессы в заземляющих устройствах подстанций в районах с высоким удельным сопротивлением грунта Х08
3.3. Исследование перенапряжений в схемах подстанции без учета и с учетом заземлителей в районах с высоким удельным сопротивлением грунта 111
3.4. Оценка физических условий многолетнемерзлых многослойных грунтов из
3.5. Построение схем замещения протяженных заземлителей 1 \j
3.6. Анализ напряжений вдоль протяженных заземлителей 126
3.7. Выводы по третьей главе 129
ГЛАВА 4. АНАЛИЗ ГРОЗОЗАЩИТЫ ПОДСТАНЦИЙ В УСЛОВИЯХ ГРУНТОВ С ВЫСОКИМ УДЕЛЬНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ
4.1. Конструкции подстанций систем электроснабжения нефтяной промышленности и их особенности в грунтах с высоким удельным сопротивлением ... 131
4.2. Математическое моделирование волновых процессов в схемах грозозащиты подстанций с учетом заземляющих устройств 133
4.2.1, Результаты расчетов волновых процессов схемах грозозащиты систем
электроснабжения нефтяной промышленности. 133
4.3. Исследование волновых процессов в схемах грозозащиты подстанций
с учетом влияния заземляющего устройства 137
4.3.1. Особенности волновых процессов в схемах грозозащиты подстанции,
с учетом заземляющих устройств 137
4.3.2. Частотно-зависимые параметры заземлителя и их влияние в условиях
высоких удельных сопротивлениях грунтов 138
4.3.3. Скорость распространения волн в схемах грозозащиты и ее влияние на волновой процесс в условиях высоких удельных сопротивлений грунтов 143
4.3.4. Влияние длины шлейфа на волновые процессы в схеме грозозащиты подстанции 145
4.3.5. Учет взаимного влияния между проводами на волновой процесс в схемах грозозащиты подстанции 146
4.3.6. Влияние защитных аппаратов и мест их установки на надежность защиты подстанций в условиях высоких удельных сопротивлений грунтов 148
4.3.7. Исследования надежности грозозащиты типовых подстанций с учетом заземляющего устройства 151
4.4. Анализ надежности грозозащиты подстанций с учетом заземляющего
контура в районах с ВУСГ 152
4.5. Исследование погрешностей в расчете сопротивления простого заземляющего устройства 157
4.6. Выводы по четвертой главе 164
ГЛАВА 5. НЕТРАДИЦИОННЫЕ СРЕДСТВА И МЕРОПРИЯТИЯ ПО ЗАЩИТЕ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ СЕТЕЙ ВНЕШНЕГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НЕФТЯНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ В РАЙОНАХ С ВЫСОКИМ УДЕЛЬНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ ГРУНТА 167
5.1. Необходимость и основные положения нетрадиционной грозозащиты.. 167
5. 2. Результаты исследования по нетрадиционной грозозащите ВЛ с по
мощью ОПН 168
5.3. Максимальные расстояния между ОПН на опорах В Л 177
5.4. Технико-экономическая оценка установки ПОПН на линиях j 82
5.5. Выводы по пятой главе 190
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 190
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 192
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Документы о внедрении результатов диссертационной работы 200
- Проблемы деформации волн перенапряжений на подходах линий электропередачи к подстанциям в условиях высоких сопротивлений грунтов
- Математические модели анализа волновых процессов и исследования надежности грозозащиты подстанции
- Необходимость и принципы реализации протяженных заземлителей
- Конструкции подстанций систем электроснабжения нефтяной промышленности и их особенности в грунтах с высоким удельным сопротивлением
- Необходимость и основные положения нетрадиционной грозозащиты..
Введение к работе
В. 1. Краткая характеристика диссертационной работы
Актуальность темы. В настоящее время развитие нефтяной промышленности 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 [1-10].
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 и электрических машин, устройств связи, автоматики, релейной защиты 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 [1,2,8] более чем на 15% и имеют устойчивую тенденцию к увеличению. Ограниченное финансирование ремонтов и технического обслуживания 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 [17,35,37,69-73] превышает 30%, и статистика этих нарушений в районах с ВУСГ, по сравнению с Европейской частью России, имеет устойчивую тенденцию к увеличению.
Актуальность диссертационной работы определяется интенсивным развитием промышленного освоения северных районов России .
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 исследованиях таких известных ученых и исследователей, как: Костенко М.В., Бургсдорф В.В., Халилов Ф.Х., Якобе 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 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 перенапряжения электрооборудования систем электроснабжения нефтяной промышленности путем обеспечения электромагаитной 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 перена- пряжений (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:
Разработана 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;
Разработана 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;
Разработана математическая модель и метод определения уточненных характеристик заземлителей электрооборудования в системах электроснабжения с учетом высокого удельного сопротивления грунтов с многослойной структурой и вечной мерзлотой;
Предложены научно обоснованные технические решения по повышению надежности грозозащиты электрооборудования СЭС в районах с высоким удельным сопротивлением грунта с многослойной структурой и вечной мерзлотой, заключающиеся в использовании ПОПН и нестандартных (не традиционных) 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», ООО «Ноябрьскэнергонефть» (г. Ноябрьск), ОАО «Проект-электро» (г. Самара), 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 ХЇЇІ-ой межвуз. конф. "Математическое моделирование и краевые задачи" (Самара, 2003), на Всероссийской науч.-техн. конф. ТГУ (Тольятти, 2004), на X и XI-ой Международной научн.-техн. конференции "Радиотехника, электротехьшка и энергетика" МЭИ (ТУ) (Москва, 2004 и 2005), на V-ой Международной научно-технической конференции «Эффективность и качество электроснабжения промышленных предприятий» (Мариуполь, 2005), на П-ой Всероссийской конф. по заземляющим устройствам (Новосибирск, 2005).
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 на кафедре "Автоматизированные электроэнергетические системы" Самарского государственного технического университета, 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 литературы, содержит 191 стр. основного текста, список использованной литературы из 125 наименований.
В.2. Основные положения построения СЭС НП и их защиты от перенапряжений в районах с ВУСГ.
Рассмотрим технологическую иерархически-структурную классификацию электроустановок СЭС НП [4,21-24].
Сети бурения, добычи и транспорта нефти можно разделить на внешние (35-110 кВ и выше, по которым нефтепромыслы питаются от внешних источников) и внутренние (распределительные сети 0,4-35 кВ - для передачи энергии и питания промысловых потребителей) со стыковкой на трансформаторных подстанциях 110/6(10) и 110/35/6(10) блочного исполнения (КТПБ). Они расположены на кустовых насосных и нефтеперекачивающих станциях (КНС и НПС), совмещенных с установками комплексной подготовки нефти (УКПН), компрессорными станциями - КС и др.), у которых имеются мощные потребители 6-Ю кВ (буровые установки, установки механизированной добычи нефти, насосы, ЭД и др.). Кроме того, они могут питаться от КТПБ 35/6 глубокого ввода через КТПБ 110/35/6(10).
Не умаляя важности отдельных составляющих обобщенной структуры СЭС, представленных на рис. 1.1, выделим для дальнейшего рассмотрения объект исследования настоящей диссертационной работы - электроустановки сетей внешнего (разделы 2, 3 рис. В.1) электроснабжения НП.
Сети 220 кВ энергосистем
ЛЭП 220 кВ
ЛЭП 220 кВ
Сети 110 кВ нефтепромыслов
Сети 110 кВ нефтепромыслов
ЛЭП ПО КБ
Подстанции 110/35/6 (КПТБ) КНС, УКПН, КС, НПС, дне
ЛЭП ПОкВ \^7~Ш
ЛЭП ПОкВ
Подстанции 110/6 (КПТБ) кне, укпн, кс, нпс, дне
Подстанции 35/6 (КПТБ)
Сети 6 кВ
Сети 6 кВ
Буровые установки (КРНБ-6)
Кусты эксплуатационных скважин
Подстанции 6/0,4 (КШК-6) Станки-качалки
Подстанции ПЭД (КТППН) б/иРАБ
Подстанции ПЭД (КТППН) 6/0,4; 0,4/ирдь
Рис В.1. Обобщенная иерархически-структурная классификация электроустановок СЭС: 1 - сети 220 кВ энергосистем, 2,3 - сети внешнего и 4,5 внутреннего электроснабжения НП
Отметим некоторые, наиболее существенные, положения, характерные для построения и отраслевой специфики современного состояния систем внешнего электроснабжения НП, определяемые их иерархической структурой, условиями и особенностями основных технологических процессов в добыче и транспорте нефти.
1. Основная часть потребителей относится к 1 категории, и поэтому необ ходимо обеспечить надежную работу их изоляции.
2. Электрооборудование добычи нефти отличается от стандартного оборудования энергосистем и промышленных предприятий других облас тей [21-24]. Изоляция электрооборудования нефтяной промышленности работает в тяжелых природно-климатических и производственно- технических условиях, что вызывает её быстрое старение и сильное сокращение срока службы.
Необходимо учитывать в работе сетей внешнего электроснабжения условия и режимы работы высоковольтных электроприводов буровых насосов и лебедок буровых установок всех классов грузоподъемности, которые питаются непосредственно по ЛЭП 6-НО кВ через комплектные устройства, оснащенные вакуумными выключателями [23]. В последнее время они широко применяются в сетях нефтепромыслов. Их внедрение, с одной стороны, в значительной степени повысило аварийность такого электрооборудования, как дорогостоящие дефицитные электродвигатели для бурения скважин и перекачки нефти; с другой стороны, приводит к негативным последствиям и в сетях внешнего электроснабжения.
Также в работе сетей внешнего электроснабжения находят отражение специфичные условия работы потребителей при насосной добыче нефти: пульсирующие нагрузки станков-качалок, необходимость регулирования напряжения погружных электродвигателей (ПЭД) и кустования групп скважин на заболоченных территориях, применение компактных блоков, в которых, помимо аппаратуры распределения энергии, располагаются станции управления ТСН, ЭЦН и аппаратура механизмов капитального ремонта скважин.
При обустройстве и эксплуатации месторождений, для энергоснабжения широко используются комплектные трансформаторные подстанции блочного исполнения (КТПБ) и, в меньшей мере, применяются подстанции с ОРУ и ЗРУ, вследствие сжатых сроков строительства и недостаточной производственной базы по изготовлению строительных конструкций; однако, количество их, по-прежнему, велико.
Исключительные условия [69,72] с точки зрения характеристик грунтов (многослойность, многолетняя мерзлота, скальные породы и др.) и интенсивности грозовой деятельности районов Крайнего Севера, Восточной и Западной Сибири, Дальнего Востока, где идет широкое промышленное освоение и развитие нефтедобычи.
Сказанное выше определяет настоятельную необходимость, наряду с дальнейшей разработкой методов обеспечения ЭМС и надежности СЭС при воздействиях перенапряжений, в продолжении и расширении исследования по учету особенностей этих районов, где создаются мощные СЭС для обеспечения потребностей добывающих отраслей и, прежде всего, НП.
Проведенный анализ позволил определить районы, названные выше, и акцентировать внимание на специфике защиты от перенапряжений электроустановок СЭС нефтегазодобычи в этих районах, что, в первую очередь, связано с особенностями грунтов, их характеристиками, интенсивностью грозовой деятельности.
На территории России, наряду с обычными чернозёмами, супесчаными и глинистыми почвами, у которых ргр имеет невысокие значения на уровне 1О1000 Ом'М, часто встречаются грунты в виде: многолетнемерзлых пластов; сплошных скальных образований; морен с валунами и галькой; мощных пластов сухого песка и др.
В табл.В.1 приведены значения удельных сопротивлений грунта с учетом их разброса из-за изменения температуры, влажности, сезонных изменений [17].
Таблица В. 1 Данные по величинам удельных сопротивлений высокоомных грунтов
6,00
Рис. В.2. Данные по величинам удельных сопротивлений высокоомных грунтов Такие грунты в значительной мере затрудняют выполнение заземляющих устройств опор линий электропередачи и подстанций по нормам ПУЭ [1]. Так, по нормам ПУЭ, величина сопротивления растеканию заземления подстанций при ргр > 500 Ом.-м может быть повышена, по сравнению с сопротивлением заземления в обычных грунтах, приблизительно в 500 раз, но должна составлять не более 5 Ом. По данным [17,19] для северных районов Западной и Восточной Сибири, более 45% подстанций имеют величины сопротивления заземления, превышающие нормы.
На линиях электропередачи, проходящих в нефтегазодобывающих районах Ямала и Таймыра, в зависимости от места прохождения трассы ВЛ, от 20 до 65% заземлителей опор не удовлетворяют нормам [16]. Это приводит к увеличению числа грозовых отключений на ВЛ и снижению надежности подстанций в 2-^5 раз по сравнению с районами с умеренными значениями удельных сопротивлений грунта и слабой грозовой деятельностью [16]. Аналогичная картина имеет место и в других районах с высокоомными грунтами [23,24].
Защита от перенапряжений СЭС северных районов выполнена и выполняется в настоящее время с учетом грозовой деятельности, определяемой в среднем 20-^30 грозовыми часами в год [24]. Однако, как показывают сведения, полученные автором по СЭС нефтяной промышленности (Нижневартовск, Ноябрьск, Когалым, Варьеган, Нефтеюганск, Пыть-ях и др.), особенно за последние (2000 + 2005) годы, интенсивность грозовой деятельности максимально до 15 раз может превысить среднестатистические данные.
В.З. Анализ исследований надежности электроустановок нефтяной промышленности в районах с ВУСГ.
В эксплуатации на изоляцию линий и электрооборудования подстанций воздействуют длительное рабочее напряжение и кратковременные перенапряжения, поэтому, с самого начала развития электрических сетей и систем электроснабжения, их максимально оснащали аппаратами и средствами защиты от перенапряжений. Большое внимание при этом уделяется грозозащите или защите от атмосферных перенапряжений, что находит отражение в "Руководящих указаниях по защите от перенапряжений", опубликованных в различные годы несколькими изданиями [2].
Однако и в последних официальных документах [8] в вопросах грозозащиты недостаточно учтены особенности и опыт эксплуатации, накопленный в электрических сетях, и, в том числе, в системах внешнего электроснабжения НП.
В настоящее время, при выполнении действующих правил устройства электроустановок ПУЭ [1], защита от прямых ударов молнии (ПУМ) в подстанцию отличается весьма высокой надежностью, на порядок и выше превосходящей надежность защиты от грозовых волн, набегающих на подстанцию с линий электропередачи. Поэтому уточненная оценка надежности защиты линий электропередачи и подстанционного оборудования СЭС от волн, набегающих с линий, является актуальной проблемой при их проектировании, эксплуатации [4, 14] и, особенно, проведении крайне необходимых работ по техническому перевооружению и реконструкции.
Поэтому, в связи с качественными и количественными изменениями функций СЭС, условий их работы и необходимостью учета специфики отраслей (например, добычи и транспорта нефти и газа, и многих других) в их защите от перенапряжений необходимо реализовать новые возможности и способы применения современных защитных аппаратов (нелинейных ограничителей перенапряжений и, в определенной мере, вентильных разрядников), в том числе, с выносом их на линию электропередачи в виде подвесных конструкций и каскадных схем грозозащиты. Также весьма перспективно, особенно в условиях ВУСГ, применение новых систем тросовой защиты с ограниченной длиной тросовых подходов, отказом от них вообще [4]. Последнее обстоятельство связано с авариями, вызванными обрывами тросов вследствие коррозии и роста токов короткого замыкания.
Рассмотренные выше положения были сформулированы на основе проведенного обзора и анализа основных теоретических результатов и соответствующих технических решений ло актуальным проблемам работы электрооборудования в районах с ВУСГ, изложенных в исследованиях таких известных ученых и исследователей, как: Бикфорд Дж. П., Богатенков И.М., Бонштедт Б.А., Борисов В.Н., Бургсдорф В.В., Гиндуллин Ф.А., Гольдштейн В.Г., Гринберг Г.А., Дульзон А.А., Ефимов Б.В., Жаков Е.М., Зархи И.М., Зоммерфельд А., Кадомская К.П., Колечицкий Е.С., Костенко М.В., Костру-ба СИ., Михайлов Ю.А., Мюлине Н., Невретдинов Ю.М., Ослон А.Б., Пе-рельман Л.С, Подосинкин А.И., Рид Дж. Р., Сливкин В.Г., Станкеева И.Н., Тиходеев Н.Н., Халилов Ф.Х., Шкарин Ю.П., Якобе А.И., R.G. Wasley, L.M.Wedepohl, W.H.Wise, и многих других исследователей.
Изучение проблем надежности и обеспечения ЭМС электрооборудования СЭС в районах с ВУСГ позволяет констатировать, что рад теоретических и технических задач в этом направлении исчерпывающих решений не имеет.
Основные положения по защите подстанций и линий электропередачи от перенапряжений, закрепленные ПУЭ и Руководящими указаниями по грозозащите [1,2,6,7], основаны на теоретическом анализе развития перенапряжений, связанных с распространением электромагнитных волн вдоль системы проводов линий и ошиновки. Следует, в этой связи, отметить общее решение для электромагнитного поля провода в однородной среде [51], точные и приближенные решения волновых полей линий электропередачи, полученные и развитые в дальнейшем в работах [15,31,32,76-82], результаты исследований на физических моделях и натурных измерений [14,15,64,69].
Это дало возможность усовершенствовать схемы грозозащиты подстанций СЭС, критерии оценки грозоупорности подстанций [4,26] с учетом влияния различных физических и эксплуатационных факторов [4]. Значительным шагом в научно-технических представлениях о надежности грозозащиты СЭС стали исследования волновых процессов распространения атмосферных перенапряжений, проведённые с помощью анализаторов переходных процессов (АПП) [4,13-15,25,26,47,48]. Однако основные методические положения и допущения, принятые в этих исследованиях в структуре моделей и методах моделирования, не позволили ликвидировать расхождения расчетных оценок надежности грозозащиты СЭС с данными опыта их эксплуатации.
С этих позиций и с учетом известного прогресса в развитии вычислительных средств, достигнутых в математическом моделировании, алгоритмы и программы анализа волновых процессов и обоснованного выбора схем грозозащиты подстанций и линий электропередачи реализуются [4,46] с большим быстродействием и удовлетворительным контролем погрешностей моделирования. При этом общепринятыми являются следующие допущения: однофазная схема замещения линий и подстанций СЭС; приближенный учет влияния поверхностного эффекта в проводах и процессов в однослойной земле; приближенный учет импульсной короны на проводах линии.
Дальнейшее развитие комплексных экспериментальных и теоретических исследований волновых процессов в линиях и подстанциях связано с решением названных выше задач в многопроводной постановке с учетом короны на одном из проводов многопроводной линии, дискретного заземления тросов, конструктивных особенностей линий электропередачи, час- тотнозависимых и нелинейных параметров линий, а также потерь в земле и проводах [31,32,36,37,41,42,46].
Это позволяет уточнить методику расчета надежности грозозащиты подстанций на основе общего анализа волнового процесса в комплексе «подстанция - отходящие линии» с определением вероятного числа опасных перенапряжений на электроустановках СЭС. Данная методика позволяет приблизить показатель надежности подстанции к данным опыта эксплуатации.
В СПбПУ, Кольском филиале РАН, СамГТУ и других организациях в последние годы проводились исследования по учету специфики грозозащиты подстанций в районах с ВУСГ. Их основные направления: анализ особенностей деформации волн перенапряжений в линиях электропередачи и подстанциях за счет импульсной короны и сопротивления земли с вечной мерзлотой, высоких значений сопротивлений заземления опор ВЛ и подстанций, интенсивной грозовой деятельности, наличия так называемых зимних гроз [4,69-70].
Результаты этих исследований и их сопоставление с данными многолетних наблюдений, проведенных в СЭС северных районах Сибири, в отдельных районах Кольского полуострова (Кольский филиал РАН) и других районах с ВУСГ, приводят к выводам о значительных расхождениях эксплуатационных данных о надежности защиты от перенапряжений подстанций и ВЛ СЭС с проектными рекомендациями. [4,69-70].
В наибольшей мере это относится к эксплуатации заземляющих устройств, и, прежде всего, выносных заземлителей, длин защищенных тросовых подходов, обеспечения выполнения директивных документов по сопротивлениям заземлений линий и подстанций. Кроме того, становится объективной необходимостью применение нестандартных схем тросовой защиты и размещения защитных аппаратов (вентильных разрядников и нелинейных ограничителей перенапряжений).
Одним из существенных факторов при анализе волновых процессов в СЭС с учетом ВУСГ можно назвать влияние сопротивления заземления защитного аппарата Rm [16,33-36,64], а также разности напряжения в за- земляющем проводнике в местах установки защитного аппарата и оборудования AUP.06 на повышение напряжения на оборудовании при набегании на подстанции с линий грозовых волн, а, следовательно, на снижение надежности схем грозозащиты подстанций.
Учет влияния сопротивления заземления Яш защитных аппаратов на надежность грозозащиты подстанции показывает [17,68,69], что при R3a порядка 20 Ом надежность грозозащиты подстанции ухудшается примерно на 40 % и имеет устойчивую тенденцию к уменьшению при увеличении R3a на 100 % .
В условиях ВУСГ значение сопротивления заземления опоры линии порядка 20 Ом обеспечивается [63] заземлителями лучевой конструкции (2^3 луча и более) с длиной ~ 15 м. Поэтому можно утверждать, что, при высоких ргр , сосредоточенная схема замещения заземлителя является упрощенной и не полностью отражает физические процессы, происходящие в заземлителе, особенно при воздействии волн грозового происхождения, когда в нем начинает развиваться волновой процесс.
Обращает на себя внимание факт, что в распределительных сетях [4,22,33,34] величины и число появления опасных перенапряжений с учетом параметров за-землителей разрядников мало зависят от величины сопротивления заземления.
Специфичные переходные процессы возникают в элементах заземляющего устройства подстанций при набегании грозовых волн с линии на подстанцию и срабатывании защитного аппарата.
Для многослойной земли (со слоями вечной мерзлоты) с параметрами єі} ріі и проводимостями слоев у,-, задача распространения электромагнитного поля для системы «провод в грунте»[32,33,35,51] решается с помощью системы электродинамических уравнений для векторного потенциала совместно с условием непрерывности нормальных составляющих магнитного поля и тангенциальных составляющих электрического поля на границе раздела сред и условием излучения на бесконечности (условием Зоммерфельда).
Следует еще раз подчеркнуть, что учет заземляющего устройства подстанций требует совместного рассмотрения переходного процесса в систе- мах «проводник - земля» и «проводник в грунте». Здесь для частот гармонического воздействия ниже 10 МГц [51,80] возможно применение уравнений длинных линий [74] на основании представления заземлителей в виде линии с распределенными погонными параметрами (индуктивностью Lq, емкостью Со, продольным активным сопротивлением R0, активной проводимостью на земле G0) для включения заземлителя на постоянное напряжение, на напряжение произвольной формы, а также решение при введении в заземлитель волны тока с косоугольным фронтом.
Применение математического анализа волновых процессов в длинных линиях для решения задач распространения волн вдоль проводов воздушных линий, ошиновки подстанций и вдоль заземлителя, возможно с помощью численных методов - частотного [46], волнового [4] или метода конечных разностей [64] и законов Кирхгофа при замещении заземлителя пассивными двухполюсниками [46,64,74].
По результатам проведенного анализа можно сделать следующие выводы:
Эффективная длина тросовых подходов может быть меньше длины опасной зоны, поэтому длину тросовых подходов можно сократить на 10-15 %.
В качестве альтернативного решения необходимо рассмотреть возможность размещения дополнительного троса под проводами линии.
Можно утверждать, что, в протяженном противовесе, с точки зрения волнового процесса в распределенном заземляющем устройстве эффективно работает не более 30 метров его длины (при ргр = 5000 ^ 10000 Ом-м). Поэтому это устройство нельзя использовать для повышения грозоупорности на подходе ВЛ в районах с ВУСГ.
Применение нелинейных ограничителей перенапряжений позволяет получать наибольший эффект ограничения перенапряжений.
Установка защитных аппаратов по ходу волны и вынос их на подход линии значительно повышает надежность грозозащиты подстанции при уменьшении длины подхода.
Необходимо оценить нетрадиционное решение, связанное с отказом от подвеса грозозащитных тросов, по крайней мере, над проводами линии с установкой на ее опорах подвесных ОПН.
7. Заземлители опор целесообразно выполнять по многолучевой схеме с короткой длиной лучей.
Анализируя приведенные выше положения, можно определить два основных научных направления диссертации по разработке методов, средств и мероприятий, позволяющих повысить надежность электрооборудования СЭС НП при воздействиях перенапряжений в условиях многослойных грунтов с вечной мерзлотой:
Уточнение методики анализа грозозащиты линий электропередачи СЭС НП;
Уточнение методики анализа грозозащиты подстанций СЭС НП при приходе волн перенапряжений с линий электропередачи с учетом волновых процессов в протяженных заземлителях.
С названными направлениями, с точки зрения теоретической электрофизики, непосредственно связаны следующие физические задачи анализа волновых процессов при распространении перенапряжений: по многопроводным в условиях импульсной короны и поверхностного эффекта в многослойной земле при наличии слоев с ВУСГ; на подстанциях перенапряжений, приходящих с линий, с учетом распределенных заземлителей и разнообразных электроустановок; в протяженных заземляющих устройствах в многослойных грунтах с учетом вечной мерзлоты.
К названным вопросам и задачам необходимо добавить необходимость оценки влияния сезонных изменений удельных сопротивлений оттаивающих поверхностных слоев грунтов в летний период, когда максимальные температуры в ряде северных регионов достигают 30 С.
Все сказанное выше является обоснованием научно-технических задач, которые формулируются и решаются в настоящей диссертационной работе (они приведены в В. 1 на стр. 7).
Проблемы деформации волн перенапряжений на подходах линий электропередачи к подстанциям в условиях высоких сопротивлений грунтов
Мощные электромагнитные воздействия на электрооборудование СЭС возникают вследствие грозовой деятельности при ударах молний непосредственно в линии электропередачи и подстанции. Известно, что [1-3] защита от прямых ударов в подстанционное электрооборудование осуществляется системами молниезащиты, для которых характерна высокая надежность. В данной работе рассматриваются вопросы защиты от волн перенапряжений, которые возникают при ударах молний в линии сетей внешнего электроснабжения НП с номинальным напряжением 35 + 110 кВ. На рис 1.1 представлена логическая схема совокупности электромагнитных процессов, возникающих при ударах молнии в линию электропередачи, из которой видно, что при этом по линии от точки удара начинают распространяться перенапряжения вызванные непосредственно воздействиями молнии, или воздействиями, сопровождающими прямые и обратные перекрытия изоляции.
Во всех случаях, в том числе, и при ударах молнии рядом с линией, когда на ее проводах возникают индуктированные перенапряжения, по линии распространяются характерные волны перенапряжений, имеющие фронты в диапазоне от десятых долей до единиц микросекунд. Длины этих волн имеют значения от единиц до нескольких десятков микросекунд. Анализ показывает, что характерные эквивалентные частоты этих электромагнитных явлений лежат в диапазоне 106 + 105 Гц. При таких частотах существенным образом проявляются процессы поверхностного эффекта, как в проводах линий, так и в земле. Как уже говорилось, объектом исследований являются электроустановки НП, расположенные в районах с многослойной землей, имеющей слои вечной мерзлоты с большим удельным сопротивлением. Это требует учета частотно-зависимых параметров в системах уравнений многопроводных линий электропередачи.
Другим характерным физическим процессом, оказывающим сильное влияние на деформацию волн атмосферных перенапряжений, является импульсная корона. Для нее определяющими оказываются условия непосредственно вблизи провода, где образуется характерный ионизированный «чехол», отсасывающий энергию волны перенапряжения, существенно деформируя ее как по амплитуде, так и по сглаживанию фронта.
Математические модели анализа волновых процессов и исследования надежности грозозащиты подстанции
Анализ литературы, проведенный выше, позволяет разработать алгоритм исследования надежности схем грозозащиты подстанции и отдельных электроустановок в районах с высоким удельным сопротивлением грунта, а, значит, нетривиальную конструкцию заземляющего устройства, заключающийся в следующем:
1. Составляется электрическая эквивалентная схема замещения подстанции - традиционная, или схема с учетом заземляющего контура подстанции, либо с учетом магистрального троса ОСЗ.
2. Определяются напряжения в отдельных узлах схемы замещения при набегании на нее волны с косоугольной формой с амплитудой и и длиной
фронта г,,ав общем случае - волны с длиной фронта и длиной волны г .
3. Сравниваются напряжения в отдельных точках схемы замещения U с импульсными допустимыми напряжениями и. аппаратов или трансформатора и определяются либо кривые опасных волн [4Д4], либо объем опасных волн [46].
4. По кривой или объему опасных волн определяется показатель надежности грозозащиты подстанции или отдельной электроустановки.
Построение эквивалентных схем замещения подстанций.
В зависимости от рабочего напряжения сети, эквивалентная электрическая схема замещения подстанции составляется однофазной или трехфазной - на основании главной электрической схемы подстанции, ее компоновки и конструкции. Полная электрическая эквивалентная схема для подстанций, как правило, составляется как однофазная. В ней сохраняются действительные длины вило, составляется как однофазная. В ней сохраняются действительные длины соединительных проводов, сборных шин и их волновые сопротивления.
В точках подключения трансформаторов и высоковольтных аппаратов в схеме замещения включаются на землю емкости, равные их входной емкости. Разрядники в эквивалентной схеме подсоединяются в тех же точках, в которых они подсоединены на реальных подстанциях.
Полная электрическая схема может быть упрощена до двух - четырех узлов по правилам, приведенным в [14].
Упрощение схемы замещения до двух - четырех узлов приводит к погрешности около ± 10% в амплитуде колебательной составляющей напряжения на аппарате, но позволяет быстро, при минимальной затрате машинного времени, выбрать вариант, близкий к оптимальному [14]. Окончательный вариант должен быть исследован на развернутой схеме замещения с минимальным числом упрощений.
В настоящей работе электрическая эквивалентная схема замещения принята однофазной. Такое допущение основано на том, что однофазная схема замещения не вносит заметных погрешностей, но существенно уменьшает трудоемкость расчетов.
Отрезки линий, соединяющие узловые точки схемы замещения, в диссертационной работе замещались линиями без потерь. Кроме того, на подстанции, из-за небольших длин пробега на основании выводов, приведенных в [4,14,46], не учитывается влияние импульсной короны и частотно-зависимых параметров земли и проводов.
Многочисленные расчеты, проведенные в СПбГПУ и СамГТУ [4,46], показывают, что амплитуды напряжений в отдельных узлах подстанции, определяемые при замещении аппаратов, трансформаторов емкостями, включаемыми на землю, и многополюсниками с частотнозависимыми параметрами, совпадают с точностью до единиц процентов. Поэтому в данной работе аппараты, трансформаторы замещаются емкостями, равными их входной емкости.
Необходимость и принципы реализации протяженных заземлителей
Методики исследования схем грозозащиты подстанции от волн, набегающих с воздушных линий, при всей полноте учета факторов, влияющих на переходной процесс, в большинстве своём не учитывают волновой процесс в сложном заземляющем устройстве подстанции, с которым непосредственно связаны защитные аппараты, а через входные емкости - все элементы оборудования. Сопротивление растеканию заземляющего устройства значительно меньше сопротивлений других элементов схем замещения и в часто используемой при этом традиционной электрической эквивалентной схеме замещения обычно принимается близким или равным нулю.
В условиях ВУСГ обеспечение требований ПУЭ [1] к сопротивлению растекания заземляющего контура подстанции значительно увеличивает разветвлен-ность и протяженность заземлителей, что приводит к большому расходу металла. При этом основной заземлитель подстанции обычно выполняется в виде выравнивающей сетки, сооружаемой на территории самой подстанции и выносного заземлителя, а также одного - трех проводников - шлейфов, соединяющих основной и выносной заземлители. Наличие выносного заземлителя позволяет снизить величины сопротивления растеканию заземляющего устройства до величин, удовлетворяющих требованиям [1].
В зависимости от взаимного расположения основного и выносного заземлителей, длина шлейфов может составлять десятки - тысячи метров, поскольку выносной заземлитель, как правило, сооружают на дне рек, озер, заливов морей, где удельное сопротивление грунта значительно ниже, чем в местах расположения площадки подстанции. Это накладывает дополнительные ограничения при выборе площадок под строительство подстанций
Поэтому при исследованиях схем грозозащиты подстанции от волн, набегающих с воздушных линий, учет волнового процесса в сложном заземляющем устройстве подстанций в условиях ВУСГ необходим, прежде всего, в силу того, что с проводников сетки, соединяющих корпуса и опорные конструкции аппаратов, подлежащих заземлению, при больших ргр стекание тока незначительно, и 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.
Он проявляется в том, что по элементам сетки и по шлейфу могут распространяться волны с конечной скоростью, определяемой параметрами грунта с электрической егр и магнитной \хгр 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 ЬХ]за.0е - разность между точками присоединения к заземлителю корпусов оборудования и защитных аппаратов - ОПН или вентильных разрядников.
Как показано в [58,73], напряжение на оборудовании, защищенном вентильным разрядником, будет зависеть от его характеристик и от перепада Ы]ш. 0б- При значительных ргр следует ожидать повышения перепада напряжения AU3a„o6 повышения напряжения на изоляции оборудования подстанции, и, следовательно, снижения надежности схем грозозащиты, выполненных без учета развивающегося волнового процесса в заземляющем устройстве (ЗУ) подстанции. Вследствие развития СЭС НП, в ближайшие годы следует ожидать увеличения количества таких подстанций,
Конструкции подстанций систем электроснабжения нефтяной промышленности и их особенности в грунтах с высоким удельным сопротивлением
Теоретический анализ схем замещения подстанций при набегании на подстанцию грозовой волны в общем виде невозможен даже для простейших схем. Поэтому в диссертационной работе был принят численный анализ процессов в схеме замещения подстанции при набегании на нее волн с воздушных линий [5,20]. Подстанции на напряжениях 35-110 кВ, с одной стороны, наиболее распространенные в СЭС НП, с другой - они имеют примерно одинаковые относительные запасы по изоляции.
Объектом исследования была принята подстанция 110 кВ, выполненная по блочной схеме: линия - трансформатор. Подстанция защищается одним ЗА (ОПН-110 или разрядником типа РВМГ-110). Она расположена в районе с ВУСГ- рг/, 1000Ом.м.
Схемы замещения подстанций, приведенные на рис. 4.1 а, б, в, составлены для предельных случаев. Первый случай соответствует схеме замещения подстанции, когда в качестве заземляющего проводника принят один проводник, соединяющий точки ЗА и трансформатора, подлежащие заземлению (рис. 4.1 а, б). Второй случай соответствует традиционной схеме замещения подстанции (рис. 4.1 в). ЗА при проведении исследований (РВМГ-110) располагался до и после защищаемого оборудования (рис. 4.1 а, б).
Результаты первичных исследований сравнивались между собой для всех вариантов схем замещения при учете заземляющего устройства подстанции и по отношению к результатам традиционной схемы замещения, которая принималась в качестве базисной.
При расчете схем грозозащиты подстанций, помимо допущений, которые обсуждены ранее (в главах 2, 3), были приняты следующие, дополнительные. импульсные разрядные напряжения при предразрядных временах тх и т2, например, разрядное напряжение при срезанной волне 2 мкс и 50 %-ное разрядное напряжение при воздействии полного стандартного импульса (т2 =20 мкс).
3, Вольт-секундная характеристика разрядника принималась горизон тальной на уровне импульсного пробивного напряжения при предразрядном времени 2-20 мкс [5].
4. Вольтамперная характеристика аппроксимировалась двумя-лятью от резками прямых.
Важным допущением для всех вариантов схем является неизменность параметров линии на подходе к подстанции, что позволяет использовать для сравнительной оценки надежности той или иной схемы грозозащиты максимальные длины опасной зоны оп.
Необходимость и основные положения нетрадиционной грозозащиты
Защита от перенапряжений представляет собой комплекс специальных средств и мероприятий, определяемых, в основном [1,2], которые, главным образом, ориентированы на объекты энергосистем и распространяются на любые промышленные электроустановки. Однако, непринятие во внимание специфики отрасли, особенностей технологических процессов и условий работы электрооборудования приводит, как правило, к увеличению нарушений в электроснабжении и снижению его надежности. Это особенно относится к грозозащите ВЛ, снабжающих потребителей нефтяной промышленности.
Традиционная грозозащита базируется, главным образом, на грозозащитных тросах с углами а 35, достаточном уровне линейной изоляции, импульсном сопротивлении величиной Язи КК20 Ом, а также автоматике повторного включения (АПВ). Кроме того, должны быть предусмотрены мероприятия по защите ослабленных мест ВЛ (пересечение с другими ВЛ, инженерными сооружениями, переходы через реки, заливы и озера). Однако, такая грозозащита ВЛ в ряде случаев недостаточна, поскольку не обеспечивается приемлемая величина числа ожидаемого грозового отключения ВЛ в течение года. К таким случаям относятся [1,2]:
- участки ВЛ с гололедными зонами, где сооружение тросов нецелесообразно;
- большие переходы через водные преграды;
- ВЛ и их участки, для опор которых не удается обеспечить требуемую величину R3K - чаще всего, из-за высоких удельных сопротивлений грунта, характерных для вечной мерзлоты северных районов России и скальных грунтов Восточной Сибири;
- двухцепные ВЛ, имеющие вертикальное расположение фаз и входящие в системы электроснабжения предприятий нефтегазовой промышленности, цветной металлургии и др.
В таких случаях необходимая надежность грозозащиты достигается с помощью применения нетрадиционных способов [11-13]. Основными из этих способов являются:
- отказ от грозозащитных тросов, сооружаемых над фазными проводами; их сооружение под нижними проводами;
- защита изоляции ВЛ с помощью ограничителей перенапряжений, устанавливаемых на опорах;
- снижение требований к величине импульсного сопротивления заземления опор и другие мероприятия.
Перечисленные способы подробно анализированы на примере ряда ВЛ 35 и ПО кВ нефтяной промышленности Западной Сибири, Поволжья и Республики Казахстан. В качестве примера рассмотрим качественные и количественные результаты по одной из В Л ПО кВ Ноябрьских электрических сетей ОАО «Тюменьэнерго». Отметим, что эти результаты носят общий характер, и, с соответствующей коррекцией, могут быть распространены и на другие ВЛ.
