Введение к работе
Рассматриваются заземляющие устройства (ЗУ) электроэнергетического оборудования и квазибессиловые магниты для создания сверхсильных магнитных полей, которые объединены в рамках настоящей работы в единый класс электротехнических устройств, характерным свойством которого являются сильные токи (десятки и сотни килоампер в стационарном и импульсном режиме). Проектирование этих устройств ставит задачи анализа электромагнитных полей и выбора рациональной конструкции системы проводников с токами с целью повышения электробезопасности, надежности, экономичности, выполнения требований электромагнитной совместимости (ЭМС) с параллельно работающим оборудованием, снижения электродинамических сил в магнитных системах.
Актуальность проблемы. ЗУ рабочего, молниезащитного и помехозащитного заземления играют важную роль в бесперебойной работе электрических станций (ЭС), подстанций (ПС), воздушных (ВЛ), кабельных линий (КЛ) и других объектов электроэнергетики. Требования электробезопасности на производстве и в быту, подлежащие безусловному выполнению, также достигаются с помощью ЗУ. Поэтому актуальны теоретические и экспериментальные исследования физических процессов в ЗУ, направленные на повышение эффективности, надежности при снижении металлоемкости ЗУ.
В теорию расчета ЗУ большой вклад внесли советские и российские ученые:
В.З. Анненков, Э.М. Базелян, В.В. Бургсдорф, А.Л. Вайнер, П.А. Долин, Б.В. Ефимов,
К.П. Кадомская, Р.Н. Карякин, Е.С. Колечицкий, А.В. Корсунцев, М.В. Костенко,
СИ. Коструба, Н.Ф. Марголин, М.Р. Найфельд, А.Б. Ослон, Е.Я. Рябкова,
Ю.В. Целебровский, А.И. Якобе и др. Среди иностранных ученых выделим классические работы Ф. Оллендорфа, Р. Рюденберга, Е. Зунде. Активные теоретические и экспериментальные исследования по данной тематике проводятся китайскими учеными.
Проектирование ЗУ ЭС и ПС с электромеханическими системами релейной защиты и автоматики (РЗА) проводилось по критерию электробезопасности с нормированием сопротивления ЗУ или напряжения прикосновения и допускало расчеты по инженерным методикам или упрощенным математическим моделям. Переход к микропроцессорным системам РЗА выдвинул на первый план критерий ЭМС силового и электронного оборудования ПС. Заземляющие устройства, спроектированные по критерию электробезопасности, оказались неудовлетворительными по требованиям ЭМС. Проектирование ЗУ по критериям электробезопасности и ЭМС требует новых подходов к анализу электромагнитных полей ЗУ, обладающих большей точностью и строгостью по сравнению с существующими методами. При этом следует учитывать потребности инженерной практики в относительно простых, физи-
чески понятных математических моделях, методиках и реализующих их компьютерных программах.
Измерения параметров ЗУ в России и других странах выполняют в предположении о чисто резистивном характере сопротивления ЗУ (резистивная модель ЗУ) и направлены на определение стационарного сопротивления R на низкой частоте и «импульсного» сопротивления Яи = max(w)/max(/) или rB{i) = u{t)li{t) при импульсных воздействиях. Резистивная модель ЗУ проста, но обоснована лишь для стационарных режимов ЗУ ограниченных размеров. Стремление повысить адекватность математической модели ЗУ при импульсных процессах ставит задачу синтеза RLC схем замещения ЗУ по осциллограммам тестовых импульсов напряжения и тока.
Грозоупорность ВЛ с тросом существенно зависит от стационарного сопротивления ЗУ опор. Трудности возникают при измерениях сопротивления ЗУ опор В Л с заземленным тросом, создающим параллельные пути растекания тока через соседние опоры. Проблемой остается измерение сопротивления ЗУ опор ВЛ в скальном грунте, что проявилось, в частности, при проектировании и эксплуатации В Л 330 400 кВ на Карельском перешейке, участвующих в экспорте электроэнергии из России в Финляндию. Расчеты, выполненные "НИИПТ", существенно отличались от измерений, выполненных фирмой "ЭЛНАП" импульсным методом. Измерения, выполненные сотрудниками кафедры Э,ТВН СПбГПУ, не внесли ясность. Поэтому теоретическое исследование методов измерения сопротивления ЗУ опор ВЛ, определение причин расхождений существующих методик расчетов и измерений, разработка новых методов обработки результатов измерений сопротивления ЗУ опор ВЛ с тросом актуальны.
Значительные трудности возникают при проектировании ЗУ ПС с токами КЗ в десятки килоампер в грунте с изолирующим (скальным) основанием, характерным, например, для Урала. Изолирующий слой препятствует растеканию тока, поэтому сопротивление ЗУ существенно больше, чем в аналогичном грунте с проводящим нижним слоем, характерным для большинства районов страны. Возникают проблемы с надежностью электрооборудования ПС, электробезопасностью и выносом высокого потенциала за территорию ПС. Опыт проектирования ЗУ ПС с большими токами КЗ в грунте с изолирующим (скальным) основанием недостаточен, а существующие компьютерные программы недостаточно эффективны.
Учитывая количество новых и реконструируемых ЗУ, поиск рациональной конструкции ЗУ, обеспечивающей минимальное напряжение прикосновения, сопротивление и(или) металлоемкость, является актуальной задачей, но уровень ее проработки является недостаточным. В ПУЭ (п. 1.7.90) рекомендуется выбирать размеры ячеек сетки не более 4, 5, 6, 7.5, 9, 11, 13.5, 16, 20 м (от периферии к центру), что является геометрической прогрессией со знаменателем р = 1.2-1.25 или ^= 1//? = 0.8-0.83. К аналогичным результатам
(q = 0.79) в однородном грунте приходят китайские исследователи. Однако в двухслойной земле q = 0.28-0.86, т.е. единых оптимальных пропорций сетки для произвольного грунта не существует. Тем более нельзя задать оптимальные размеры сетки по критерию напряжения прикосновения без учета тока КЗ, поэтому оптимальные сетки индивидуальны для каждой ПС. Их поиск методами многомерной оптимизации затруднителен из-за высокой трудоемкости, поэтому разработка и применение новых принципов построения заземляющих сеток, методов синтеза электромагнитных полей при проектировании ЗУ весьма актуальны.
Многие значимые открытия современной физики сделаны при исследовании магнитных полей. Новые эффекты удается обнаружить после повышения интенсивности поля, поэтому задача разработки все более сильных магнитов, требующая преодоления электродинамических сил взаимодействия проводников с токами и магнитного поля, является актуальной в технике сильных токов. Нестандартным решением данной задачи является использование бессиловых обмоток со спиральным током, плотность которого совпадает с вектором магнитной индукции. Строго бессиловое распределение тока возможно при бесконечной протяженности обмотки, т.е. реальные магниты квазибессиловые. Теоретические и экспериментальные достижения в области квазибессиловых магнитных систем в значительной мере связаны с именем Г. А. Шнеерсона. Часть обмотки проектируется бессиловой, на оставшейся части электродинамические усилия значительно снижены и компенсируются диэлектрическими бандажами. Форма бессилового слоя, на которую не действуют электродинамические силы, называется равновесной конфигурацией или фигурой равновесия в магнитном поле. Проблемы возникают на краю обмоток, где равновесную конфигурацию приходится поддерживать за счет внешних экранов или принудительного отведения тока, что заметно усложняет конструкцию. Более простым техническим решением является достижение условия равновесия путем синтеза формы краевого участка, однако в осесимметричной постановке данная задача не решена. Разработка методов синтеза равновесных конфигураций однослойных, многослойных и многомодульных систем, открывающая перспективу проектирования квазибессиловых магнитов с индукцией 100 Тл и выше на основе существующих материалов, актуальна для электрофизики.
Целью диссертационной работы является разработка новых методов анализа трехмерных электромагнитных полей широкого класса электротехнических устройств с использованием цепных схем, обеспечивающих повышение качества проектирования заземляющих устройств электрооборудования в стационарных и импульсных режимах; разработка нового метода синтеза заземляющих сеток, направленного на снижение напряжения прикосновения, сопротивления и металлоемкости ЗУ; а также разработка нового метода синтеза осесиммет-
ричных равновесных конфигураций, являющегося основой для проектирования обмоток квазибессиловых магнитов с сильными и сверхсильными магнитными полями. Поставленная цель достигается решением следующих основных задач:
-
Созданием новой цепно-полевой модели (ЦПМ) ЗУ для расчета стационарных и импульсных процессов, учитывающей: взаимные гальванические, индуктивные и емкостные связи между элементами, с протяженными, сосредоточенными, частотно зависимыми и нелинейными элементами.
-
Совершенствованием шаговых алгоритмов расчета переходных электромагнитных процессов в электротехнических устройствах при импульсных воздействиях, направленных на повышение точности, универсальности, расширение функциональных возможностей.
-
Разработкой метода построения дискретных схем для частотных зависимостей z(/co), повышающего эффективность расчета ЗУ шаговыми алгоритмами при импульсных воздействиях.
-
Разработкой метода идентификации электромагнитных параметров ЗУ по данным импульсных экспериментов для опор В Л и систем молниезащиты ПС.
-
Теоретическим исследованием методов измерений сопротивления заземления опор ВЛ с заземленным тросом.
-
Исследованием особенностей и совершенствованием методики расчета ЗУ в грунте с изолирующим (скальным) основанием.
-
Сведением сложных минимаксных задач, возникающих при проектировании электротехнических устройств, к более простым задачам синтеза, исследованием условий сходимости итерационного процесса, а также подтверждением эффективности предложенной методики стандартными методами многомерной оптимизации.
-
Разработкой нового метода синтеза формы заземляющих сеток и его применения для оптимизации заземляющих сеток по критерию минимума напряжения прикосновения в задачах электробезопасности и сопротивления ЗУ в задачах молниезащиты ПС.
-
Разработкой метода синтеза осесимметричных фигур магнитного равновесия, являющихся основой для проектирования обмоток квазибессиловых магнитов, предназначенных для создания сильных и сверхсильных магнитных полей.
Методы исследования. Основу методологии работы составляют положения теоретической электротехники, теории заземления, электрофизики, техники высоких напряжений, численные методы.
Для решения задач, поставленных в диссертационной работе, использованы:
фундаментальные положения теоретической электротехники, изложенные в трудах Л.Р. Неймана, К.С. Демирчяна, П.А. Бутырина, В.М. Юринова, П.Н. Матханова, Н.В. Коровкина;
методы анализа электромагнитных полей, изложенные в трудах Е.С. Колечицкого, В.Л. Чечурина, В.П. Ильина, П.А. Курбатова;
методы синтеза электромагнитных полей и электрических цепей, изложенные в работах В.Л. Чечурина, Н.В. Коровкина, А.А. Ланнэ, П.Н. Матханова, Э.А. Гиллемина;
методы расчета электромагнитных переходных процессов, изложенные в работах П.А. Бутырина, Н.В. Коровкина, М.В. Костенко, В.В. Базуткина;
базовые положения теории заземления и молниезащиты, изложенные в трудах В.В. Бургсдорфа, А.И. Якобса, Е.С. Колечицкого, Ю.В. Целебровского, Э.М. Базеляна, Е.Я. Рябковой, М.В. Костенко, Б.В. Ефимова, Д.В. Разевига;
опыт проектирования и диагностики заземляющих устройств, содержащийся в работах Р.К. Борисова, Е.С. Колечицкого, Ю.В. Целебровского, М.В. Матвеева.
задачи ЭМС и методы их решения, изложенные в трудах А.Ф. Дьякова, Е. Хабигера, Г. Кадена, Т. Уилльямса;
принципы получения сверхсильных магнитных полей в соленоидах, изложенные в трудах Г.А. Шнеерсона, А.А. Кузнецова, Д.Б. Монтгомери, Г. Кнопфеля;
численные методы вычислительной математики, изложенные в трудах А.А. Самарского, П.Н. Вабищевича, Н.С. Бахвалова, Р.В. Хемминга, В.М. Вербжицкого;
методы электроразведки, изложенные в трудах Б.К. Матвеева, В.П. Колесникова;
Объектом исследования являются заземляющие устройства электрических станций,
подстанций, воздушных, кабельных линий и квазибессиловые магнитные системы, а также их математические модели, методы измерений и обработки данных измерений.
Предметом исследования являются электромагнитные поля и переходные электромагнитные процессы объектов исследования.
Научная новизна представленной работы заключается в следующем: 1. Разработана новая схемная модель заземляющего устройства, включающего проводники, расположенные в земле и воздухе, естественные заземлители (трос-опоры, броня кабельных линий, железобетонные конструкции), в наиболее общей постановке, с учетом всех видов электромагнитных связей (гальванической, емкостной, индуктивной), отличающаяся универсальностью и широкими функциональными возможностями.
-
Разработана новая численная реализация шагового алгоритма на базе операторного метода, повышающая точность и расширяющая область применения метода дискретных схем на задачи расчета волновых процессов в ЗУ.
-
Разработан новый метод построения дискретных схем для частотных зависимостей z(/co) при расчете переходных электромагнитных процессов в электротехнических устройствах шаговыми алгоритмами, повышающий точность расчетов ЗУ на эквивалентной частоте и существенно упрощающий их по сравнению с использованием эквивалентных схем.
-
Получена оригинальная формула определения переходного сопротивления двухполюсника z(i) по осциллограммам напряжения и тока, позволяющая при переходе к операторному сопротивлению Z(s) = sL[z(?)] применить стандартные методы синтеза электрических цепей к поиску топологии и параметров эквивалентной схемы замещения ЗУ.
-
Разработан новый метод синтеза формы заземляющих сеток (ортогональных, криволинейных), позволяющий на единых принципах проводить оптимизацию заземляющих сеток по критерию минимизации напряжения прикосновения в режиме КЗ и сопротивления ЗУ при воздействии токов молнии.
-
Разработан новый метод синтеза формы осесимметричных контуров с двумя одновременно заданными граничными условиями, позволяющий эффективно решать новые задачи построения равновесных конфигураций в магнитной поле. Общность метода и его эффективность по сравнению с аналогами показана на примере конкретных задач синтеза электрических полей.
-
Систематически исследованы условия существования и впервые получены равновесные конфигурации в однослойных, многослойных и многомодульных осесимметричных магнитных системах. Подтверждена возможность устранения или существенного ограничения электродинамических сил, действующих на квазибессиловые контура с током в магнитном поле.
Практическая ценность определяется возможностью использования разработанных методов, исследований и компьютерных программ в практике проектирования электротехнических устройств с сильными токами, а именно:
-
Создана и внедрена в практику проектирования компьютерная программа расчета ЗУ с широкими функциональными возможностями, использованием САПР, СКМ, современной трехмерной графики, анимацией динамических процессов, позволяющая проводить расчеты рабочего, защитного, молниезащитного, помехозащитного заземления, систем молниезащи-ты и уравнивания потенциала ЭС, ПС, ВЛ и КЛ.
-
Разработан полный набор инструментов по формированию расчетной модели ЗУ, связанный с интерпретацией данных вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) в мно-
гослойной земле с приведением к двухслойной, расчетными моделями элементов ЗУ, включая проводники некруглого сечения, фундаменты, тросы, опоры, кабельные линии.
-
Даны теоретически обоснованные рекомендации по методике проведения и уточнению результатов измерений сопротивлений ЗУ ВЛ с грозозащитным тросом высокочастотным и импульсным методом, вскрыты причины существенных расхождений измеренных и рассчитанных сопротивлений (оба по действующим нормам) в скальном грунте.
-
Предложены, обоснованы и внедрены в практику проектирования ЗУ ПС в грунте со скальным основанием меры по снижению сопротивления ЗУ, исключению выноса высокого потенциала и обеспечению надежности КЛ с изоляцией из сшитого полиэтилена.
-
Разработаны, апробированы и доведены до практического использования методы обработки данных импульсных экспериментов, позволяющие идентифицировать стационарное сопротивление и электромагнитные параметры ЗУ опор ВЛ с тросом.
-
Разработаны методы построения заземляющих сеток и получены конструкции сеток в задачах электробезопасности и молниезащиты, позволяющие существенно снизить напряжение прикосновения, сопротивление или металлоемкость ЗУ по сравнению с существующими конструкциями.
-
Получены профили квазибессиловых обмоток, открывающие возможности проектирования реальных магнитов с индукцией до 100 Тл и более на основе существующих проводниковых и изоляционных материалов.
Внедрение результатов. Результаты диссертационной работы по расчету ЗУ внедрены в практику проектирования института «Уралсетьэнергопроект» инженерного центра «Энергетики Урала» при проектировании ПС 110 кВ и 220 кВ в г.Екатеринбург, использованы Отделом ТВН ОАО "НИИПТ" для оценки эффективности модернизации ЗУ опор ВЛ 330 и 400 кВ, участвующих в экспорте электроэнергии из России в Финляндию, методы обработки данных импульсных измерений сопротивления ЗУ опор ВЛ с тросом внедрены на кафедре Э,ТВН СПбГПУ. Результаты диссертационной работы по разработке квазибессиловых магнитов выполнены по гранту РФФИ 07-08-0057, гранту АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» (2009-2010) № 2.1.2/5669 и реализованы в виде опытных образцов на кафедре Э,ТВН СПбГПУ. Разработан учебный курс «Расчет заземлителей в электрооборудовании», внедренный в учебный процесс кафедры электрооборудования ВоГТУ.
Достоверность результатов. Достоверность обеспечивается: корректным применением фундаментальных законов и методов теории электромагнитного поля и электрических цепей; использованием стандартных вычислительных средств СКМ; сравнением с результатами расчета других авторов и измерений ЗУ В Л и ПС; сравнением результатов расчетов и экспериментов с квазибессиловыми магнитами, выполненными на кафедре Э,ТВН СПбГПУ;
обсуждением результатов работы на семинарах кафедры ТОЭ СПбГПУ, кафедры ТОЭ МЭИ, кафедры ТЭЦ СПбГУТ, секции НТС ОАО «НИИПТ», всероссийских и международных конференциях.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и российских конференциях, в том числе на Третьей Российской конференции по заземляющим устройствам (Новосибирск, 2008 г, доклад отмечен в достижениях конф.), Первой Российской конф. по молниезащите (Новосибирск, 2007 г.), 8-м Межд. симп. «Электромагнитная совместимость и электромагнитная экология» (Санкт-Петербург 2009 г.), Межд. конф. «Компьютерное моделирование» (Санкт-Петербург 2006, 2007 гг.), Всерос. конф. «Фундаментальные исследования и инновации в технических университетах» (Санкт-Петербург 2005, 2006, 2007, 2008 гг.), Межд. конф. «Высокие интеллектуальные технологии и инновации в образовательно-научной деятельности» (Санкт-Петербург 2006, 2008 гг.), 8-й Межд. конф. «Дни науки» (Днепропетровск 2005 г), Всерос. конф. «Вузовская наука - региону» (Вологда, 2007, 2008 гг.), 63-й конф., посвященной Дню радио (Санкт-Петербург 2008 г.), Int. Conf. «Megagauss Magnetic Fields and High Energy Liner Technology» (Santa Fe, New Mexico, USA, 2006).
Публикации. Основные научные и практические результаты диссертационной работы опубликованы в 37 печатных работах, в том числе в 16 статьях (из них 12 статей в изданиях, рекомендованных ВАК), 17 научных докладах, 2 методических работах.
Личное участие автора в проведении исследований и полученных результатах. Результаты диссертационной работы получены автором лично; постановка задачи синтеза формы обмоток квазибессиловых магнитов принадлежит Г.А. Шнеерсону.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 189 наименований, и пяти приложений.
