Совершенствование алгоритма расчета сложных неэквипотенциальных заземляющих устройств электроустановок с учетом проводимости естественных заземлителей

Цель. Целью статьи является разработка алгоритма расчета электрических характеристик неэквипотенциальных заземляющих устройств электроустановок с учетом большого числа естественных сосредоточенных заземлителей, а также собственных активных и реактивных сопротивлений горизонтальных заземлителей. Ме...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2017
Hauptverfasser:	Старков, К.А., Федосеенко, Е.Н.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України 2017
Schriftenreihe:	Електротехніка і електромеханіка
Schlagworte:	Електричні станції, мережі і системи
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/147583
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Совершенствование алгоритма расчета сложных неэквипотенциальных заземляющих устройств электроустановок с учетом проводимости естественных заземлителей / К.А. Старков, Е.Н. Федосеенко // Електротехніка і електромеханіка. — 2017. — № 4. — С. 66-71. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-147583
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1475832019-02-16T01:23:40Z Совершенствование алгоритма расчета сложных неэквипотенциальных заземляющих устройств электроустановок с учетом проводимости естественных заземлителей Старков, К.А. Федосеенко, Е.Н. Електричні станції, мережі і системи Цель. Целью статьи является разработка алгоритма расчета электрических характеристик неэквипотенциальных заземляющих устройств электроустановок с учетом большого числа естественных сосредоточенных заземлителей, а также собственных активных и реактивных сопротивлений горизонтальных заземлителей. Методика. Проведены теоретические исследования с использованием метода наведенных потенциалов, методов конечных разностей для расчета электрического поля простых заземлителей в земле с двухслойной структурой и последовательного применения метода наведенных потенциалов и методов расчета разветвленных электрических цепей с распределенными параметрами. Результаты. Получен алгоритм расчета сложных неэквипотенциальных заземляющих устройств, позволяющий получить уточненные значения распределения потенциала на территории электроустановки. Научная новизна. Новые положения, по сравнению с известными решениями, состоят в учете проводимости естественных сосредоточенных заземлителей совокупностью вертикальных и горизонтальных электродов, обоснованной по равнозначным электрическим характеристикам применительно к двухслойной модели электрической структуры земли. Практическое значение. Использование предложенного алгоритма расчёта в электрических сетях АК «Харьковоблэнерго» позволили определить значения распределения потенциалов при КЗ на электрической подстанции с учетом влияния проводимости естественных сосредоточенных заземлителей. Скорректированные таким образом результаты расчета дадут более точную информацию о величинах нормируемых параметров по заземляющим устройствам действующих электроустановок. С помощью предложенного алгоритма могут быть получены уточненные значения падения напряжений по заземляющим устройствам при КЗ, а, следовательно, рассчитаны напряжения, воздействующие на изоляцию кабелей вторичных цепей, – параметры, нормируемые по условиям электромагнитной совместимости. Мета. Метою статті є розробка алгоритму розрахунку електричних характеристик нееквіпотенціальних заземлюючих пристроїв електроустановок з огляду на велику кількість природних зосереджених заземлювачів, а також з урахуванням власних активних і реактивних опорів горизонтальних заземлювачів. Методика. В роботі були проведені дослідження з послідовним застосуванням методу наведеного потенціалу і методів розрахунку розгалужених електричних кіл з розподіленими параметрами. Результати. Отримано алгоритм розрахунку складних нееквіпотенціальних заземлюючих пристроїв, що дозволяє отримати уточнені значення розподілу потенціалу на території електроустановки. Наукова новизна. Нові положення, в порівнянні з відомими рішеннями, складаються в обліку провідності природних зосереджених заземлювачів сукупністю вертикальних і горизонтальних електродів, що обґрунтована по рівнозначним електричним характеристикам стосовно двошарової моделі електронної структури землі. Практичне значення. Використання запропонованого алгоритму розрахунку в електричних мережах АК «Харківобленерго» дозволили визначити значення розподілу потенціалів при короткому замиканні (КЗ) на електричній підстанції з урахуванням впливу провідності природних зосереджених заземлювачів. Скориговані таким чином результати розрахунку дадуть більш точну інформацію про величини нормованих параметрів заземлюючих пристроїв діючих електроустановок. За допомогою запропонованого алгоритму можуть бути отримані уточнені значення падіння напруги по заземлюючим пристроям при КЗ, а, отже, розраховані напруги, що впливають на ізоляцію кабелів вторинних кіл, - параметри, нормовані за умовами електромагнітної сумісності. Purpose. The method of natural concentrated groundings substitution by the set of electrodes taking them into account in the algorithm of electric characteristics calculation for complicated grounding connections of electric installation is offered. An equivalent model as a set of linear electrodes is chosen in accordance with two criteria: leakage resistance and potentials on the ground surface. Methodology. We have applied induced potential method and methods for computing branched electrical circuits with distributed parameters. Results. We have obtained the algorithm for calculating complex non-equipotential grounding connections, which makes it possible to obtain refined values of the potential distribution in the electric stations and substations with outdoor switchgear. Originality. For the first time, we have taking into account the conductivity of natural concentrated grounds by a set of vertical and horizontal electrodes based on equivalent electrical characteristics applied to a two-layer ground. Practical value. The using of the proposed calculation algorithm in the electric grids of JSC «Kharkivoblenergo» made it possible to determine the values of the potential distribution at short circuit in electrical substation taking into account the influence of the conductivity of natural concentrated groundings 2017 Article Совершенствование алгоритма расчета сложных неэквипотенциальных заземляющих устройств электроустановок с учетом проводимости естественных заземлителей / К.А. Старков, Е.Н. Федосеенко // Електротехніка і електромеханіка. — 2017. — № 4. — С. 66-71. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 2074-272X DOI: https://doi.org/10.20998/2074-272X.2017.4.11 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/147583 621.316 ru Електротехніка і електромеханіка Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Електричні станції, мережі і системи Електричні станції, мережі і системи
spellingShingle	Електричні станції, мережі і системи Електричні станції, мережі і системи Старков, К.А. Федосеенко, Е.Н. Совершенствование алгоритма расчета сложных неэквипотенциальных заземляющих устройств электроустановок с учетом проводимости естественных заземлителей Електротехніка і електромеханіка
description	Цель. Целью статьи является разработка алгоритма расчета электрических характеристик неэквипотенциальных заземляющих устройств электроустановок с учетом большого числа естественных сосредоточенных заземлителей, а также собственных активных и реактивных сопротивлений горизонтальных заземлителей. Методика. Проведены теоретические исследования с использованием метода наведенных потенциалов, методов конечных разностей для расчета электрического поля простых заземлителей в земле с двухслойной структурой и последовательного применения метода наведенных потенциалов и методов расчета разветвленных электрических цепей с распределенными параметрами. Результаты. Получен алгоритм расчета сложных неэквипотенциальных заземляющих устройств, позволяющий получить уточненные значения распределения потенциала на территории электроустановки. Научная новизна. Новые положения, по сравнению с известными решениями, состоят в учете проводимости естественных сосредоточенных заземлителей совокупностью вертикальных и горизонтальных электродов, обоснованной по равнозначным электрическим характеристикам применительно к двухслойной модели электрической структуры земли. Практическое значение. Использование предложенного алгоритма расчёта в электрических сетях АК «Харьковоблэнерго» позволили определить значения распределения потенциалов при КЗ на электрической подстанции с учетом влияния проводимости естественных сосредоточенных заземлителей. Скорректированные таким образом результаты расчета дадут более точную информацию о величинах нормируемых параметров по заземляющим устройствам действующих электроустановок. С помощью предложенного алгоритма могут быть получены уточненные значения падения напряжений по заземляющим устройствам при КЗ, а, следовательно, рассчитаны напряжения, воздействующие на изоляцию кабелей вторичных цепей, – параметры, нормируемые по условиям электромагнитной совместимости.
format	Article
author	Старков, К.А. Федосеенко, Е.Н.
author_facet	Старков, К.А. Федосеенко, Е.Н.
author_sort	Старков, К.А.
title	Совершенствование алгоритма расчета сложных неэквипотенциальных заземляющих устройств электроустановок с учетом проводимости естественных заземлителей
title_short	Совершенствование алгоритма расчета сложных неэквипотенциальных заземляющих устройств электроустановок с учетом проводимости естественных заземлителей
title_full	Совершенствование алгоритма расчета сложных неэквипотенциальных заземляющих устройств электроустановок с учетом проводимости естественных заземлителей
title_fullStr	Совершенствование алгоритма расчета сложных неэквипотенциальных заземляющих устройств электроустановок с учетом проводимости естественных заземлителей
title_full_unstemmed	Совершенствование алгоритма расчета сложных неэквипотенциальных заземляющих устройств электроустановок с учетом проводимости естественных заземлителей
title_sort	совершенствование алгоритма расчета сложных неэквипотенциальных заземляющих устройств электроустановок с учетом проводимости естественных заземлителей
publisher	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
publishDate	2017
topic_facet	Електричні станції, мережі і системи
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/147583
citation_txt	Совершенствование алгоритма расчета сложных неэквипотенциальных заземляющих устройств электроустановок с учетом проводимости естественных заземлителей / К.А. Старков, Е.Н. Федосеенко // Електротехніка і електромеханіка. — 2017. — № 4. — С. 66-71. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.
series	Електротехніка і електромеханіка
work_keys_str_mv	AT starkovka soveršenstvovaniealgoritmarasčetasložnyhneékvipotencialʹnyhzazemlâûŝihustrojstvélektroustanovoksučetomprovodimostiestestvennyhzazemlitelej AT fedoseenkoen soveršenstvovaniealgoritmarasčetasložnyhneékvipotencialʹnyhzazemlâûŝihustrojstvélektroustanovoksučetomprovodimostiestestvennyhzazemlitelej
first_indexed	2025-07-11T02:25:25Z
last_indexed	2025-07-11T02:25:25Z
_version_	1837315652726030336
fulltext	66 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №4 © К.А. Старков, Е.Н. Федосеенко УДК 621.316 doi: 10.20998/2074-272X.2017.4.11 К.А. Старков, Е.Н. Федосеенко СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ АЛГОРИТМА РАСЧЕТА СЛОЖНЫХ НЕЭКВИПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК С УЧЕТОМ ПРОВОДИМОСТИ ЕСТЕСТВЕННЫХ ЗАЗЕМЛИТЕЛЕЙ Мета. Метою статті є розробка алгоритму розрахунку електричних характеристик нееквіпотенціальних заземлюю- чих пристроїв електроустановок з огляду на велику кількість природних зосереджених заземлювачів, а також з ураху- ванням власних активних і реактивних опорів горизонтальних заземлювачів. Методика. В роботі були проведені до- слідження з послідовним застосуванням методу наведеного потенціалу і методів розрахунку розгалужених електрич- них кіл з розподіленими параметрами. Результати. Отримано алгоритм розрахунку складних нееквіпотенціальних заземлюючих пристроїв, що дозволяє отримати уточнені значення розподілу потенціалу на території електроуста- новки. Наукова новизна. Нові положення, в порівнянні з відомими рішеннями, складаються в обліку провідності при- родних зосереджених заземлювачів сукупністю вертикальних і горизонтальних електродів, що обґрунтована по рівно- значним електричним характеристикам стосовно двошарової моделі електронної структури землі. Практичне зна- чення. Використання запропонованого алгоритму розрахунку в електричних мережах АК «Харківобленерго» дозволили визначити значення розподілу потенціалів при короткому замиканні (КЗ) на електричній підстанції з урахуванням впливу провідності природних зосереджених заземлювачів. Скориговані таким чином результати розрахунку дадуть більш точну інформацію про величини нормованих параметрів заземлюючих пристроїв діючих електроустановок. За допомогою запропонованого алгоритму можуть бути отримані уточнені значення падіння напруги по заземлюючим пристроям при КЗ, а, отже, розраховані напруги, що впливають на ізоляцію кабелів вторинних кіл, - параметри, нор- мовані за умовами електромагнітної сумісності. Бібл. 9, рис. 1. Ключові слова: природні зосереджені заземлювачі, електрична підстанція, метод наведеного потенціалу, розподіл по- тенціалу, двошарова модель землі. Цель. Целью статьи является разработка алгоритма расчета электрических характеристик неэквипотенциальных заземляющих устройств электроустановок с учетом большого числа естественных сосредоточенных заземлителей, а также собственных активных и реактивных сопротивлений горизонтальных заземлителей. Методика. Проведены теоретические исследования с использованием метода наведенных потенциалов, методов конечных разностей для расчета электрического поля простых заземлителей в земле с двухслойной структурой и последовательного приме- нения метода наведенных потенциалов и методов расчета разветвленных электрических цепей с распределенными параметрами. Результаты. Получен алгоритм расчета сложных неэквипотенциальных заземляющих устройств, позволяющий получить уточненные значения распределения потенциала на территории электроустановки. Научная новизна. Новые положения, по сравнению с известными решениями, состоят в учете проводимости естественных сосредоточенных заземлителей совокупностью вертикальных и горизонтальных электродов, обоснованной по равно- значным электрическим характеристикам применительно к двухслойной модели электрической структуры земли. Практическое значение. Использование предложенного алгоритма расчёта в электрических сетях АК «Харьковобл- энерго» позволили определить значения распределения потенциалов при КЗ на электрической подстанции с учетом влияния проводимости естественных сосредоточенных заземлителей. Скорректированные таким образом резуль- таты расчета дадут более точную информацию о величинах нормируемых параметров по заземляющим устройст- вам действующих электроустановок. С помощью предложенного алгоритма могут быть получены уточненные зна- чения падения напряжений по заземляющим устройствам при КЗ, а, следовательно, рассчитаны напряжения, воз- действующие на изоляцию кабелей вторичных цепей, – параметры, нормируемые по условиям электромагнитной совместимости. Библ. 9, рис. 1. Ключевые слова: природные сосредоточенные заземлители, электрическая подстанция, метод наведеного потенциала, распределение потенциала, двухслойная модель земли. Введение. Характеристики заземляющих уст- ройств (ЗУ) электроустановок с открытыми распреде- лительными устройствами непосредственно опреде- ляют электромагнитную обстановку на энергетиче- ских объектах. Естественные сосредоточенные зазем- лители в силу большой поверхности контакта с грун- том выравнивают потенциал в узлах ЗУ и, тем самым, разгружают по току горизонтальные искусственные и естественные заземлители. Поэтому их подробный учет в решении задачи расчета электрических харак- теристик сложных неэквипотенциальных ЗУ пред- ставляется обязательным, так как влияет на уровень электромагнитных помех. Расчет электрических характеристик неэквипо- тенциальных заземлителей производится на основе последовательного применения метода наведенного потенциала и методов расчета разветвленных элек- трических цепей с распределенными электрическими параметрами. Использование возможностей указанно- го алгоритма расчета сложных ЗУ предполагает за- мещение естественных сосредоточенных заземлите- лей (железобетонных оснований и фундаментов) со- вокупностью вертикальных и горизонтальных элек- тродов, диаметры которых принимаются такими же, как у соответствующих искусственных электродов. При этом достигается единообразие расчетных форм всех электродов ЗУ. Метод расчета сложного комбинированного за- землителя может базироваться на условии его эквипо- ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №4 67 тенциальности, так и на условии неэквипотенциаль- ноости, т.е. с учетом продольного сопротивления го- ризонтальных электродов. Современные вычисли- тельные возможности позволяют реализовать алго- ритм расчета неэквипотенциальных сложных комби- нированных заземлителей как универсальный. Анализ последних исследований и публика- ций. Предложенная в работе [1] математическая мо- дель неэквипотенциального ЗУ подстанции, разме- щенного в двухслойном грунте, базируется на основ- ных положениях совместного представления ЗУ, в общем случае, как сложной электрической цепи и создающего установившееся электрическое поле тока в земле. Дополнительно учитывает изменение плот- ности тока, стекающего с горизонтальных электродов, по линейному закону и их произвольное расположе- ние. Однако влияние на формирование электрических характеристик ЗУ электроустановок, которое могут оказать естественные сосредоточенные заземлители в данной работе не учитывается. Реализован в виде программного комплекса «Контур» [2] алгоритм расчета, основанный на еди- ной математической модели и одновременно учиты- вающий как неравномерность распределения потен- циалов по ЗУ объекта, так и процесс растекания тока с заземлителя в землю. Предложенная математиче- ская модель, судя из построения алгоритма, не учиты- вает нелинейной зависимости распределенных пара- метров горизонтальных электродов от протекающего по ним тока. В работе [3] рассматриваются различные методы расчета сопротивления различных заземляющих уст- ройств в однородных и двухслойных моделях элек- трической структуры земли. Полученные результаты сравниваются с соответствующими формулами мето- да конечных элементов, которые рассматриваются как эталонные. В работе [3] отмечена необходимость по- иска лучших аппроксимаций в ходе расчета сопро- тивления сложного ЗУ, особенно для случая много- слойной модели земли. Основная идея метода [4] заключается в совме- стном рассмотрении ЗУ в общем случае как сложной электрической цепи и создающего установившееся электрическое поле тока в земле. По этому методу вертикальные элементы представляются сосредото- ченными параметрами, а горизонтальные – распреде- ленными параметрами, нелинейно зависящими от проходящего по ним тока. Анализ приведенных в [4] выражений показыва- ет, что они не охватывают все возможные варианты расположения элементов сложных ЗУ применительно к двухслойной модели грунта. Форма представлений этих выражений отображает те ограничения в части геометрии расчетной модели ЗУ, которые приняты в алгоритме, реализующем выражения. Согласно [4] при проектировании сложных ЗУ арматурные карка- сы железобетонных оснований (естественные сосре- доточенные заземлители) с учетом возможностей из- вестных алгоритмов расчета заземлителей приходится замещать совокупностью вертикальных и горизон- тальных электродов. Следует, однако, отметить, что расчетная совокупность замещающих электродов в данном случае не обоснована по эквивалентным элек- трическим характеристикам. Целью работы является совершенствование ал- горитма, реализующего математическую модель, ос- нованную на совместном рассмотрении ЗУ как слож- ной электрической цепи и создающего установившее- ся электрическое поле тока в земле, путем подробного учета естественных сосредоточенных заземлителей открытых распределительных устройств электроуста- новок высокого напряжения. Метод расчета сложных ЗУ. Основой для алго- ритма расчета сложных неэквипотенциальных ЗУ электроустановок с учетом проводимости естествен- ных заземлителей принят метод расчета сложных ЗУ, учитывающий продольное сопротивление горизон- тальных элементов [4]. Этот метод разработан для случая, когда ЗУ содержит наряду с горизонтальными и вертикальные элементы. Под горизонтальными эле- ментами, продольное сопротивление которых учиты- вается, понимаются части заземлителя, заключенные между двумя соседними узловыми точками (точками, в которых пересекаются и сходятся два или большее число элементов) и которые конструктивно представ- ляют собой электроды заземляющей сетки. В качестве узловой можно принять любую точку, расположен- ную на горизонтальной части заземлителя [4]. При замещении железобетонных подножников и стоек совокупностью вертикальных и горизонтальных ли- нейных электродов, продольное сопротивление по- следних элементов не учитывается. Исходную модель сложного заземлителя опреде- ляют допущения в соответствии с [4]: 1) в пределах данного сложного заземлителя те го- ризонтальные элементы, продольное сопротивление которых учитывается, обладают однородными (в пре- делах элемента) распределенными удельными пара- метрами, т.е. на единицу длины: продольными актив- ными сопротивлениями, индуктивностью и попереч- ной проводимостью растеканию тока; 2) значения поперечной проводимости элементов зависят также от их продольных параметров, которые в свою очередь при использовании элементов из стали являются нелинейной функцией проходящего по ним тока; 3) отсутствует влияние на распределенные пара- метры заземлителя электромагнитного поля тока од- нофазного замыкания на землю, проходящего по воз- душным линиям; 4) вертикальные элементы и те горизонтальные эле- менты, продольное сопротивление которых не учиты- вается, являются идеальными сосредоточенными; 5) в пределах заземлителя может быть несколько «задающих» узловых точек, т.е. точек непосредствен- но электрически связанных с внешней электрической цепью («задающими» являются узловые точки зазем- лителя, непосредственно связанные с нейтралями трансформаторов или автотрансформаторов, и точка, на которую в расчетном аварийном режиме замкнута фаза линии электропередачи); 6) при расчетном однофазном замыкании через за- дающие узловые точки проходят задающие токи (ус- тановившиеся значения тока однофазного замыкания 68 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №4 на землю и токов, «возвращающихся» в систему через нейтрали трансформаторов и автотрансформаторов). В соответствии с требованиями о прямолинейно- сти электродов заземления предложен следующий способ учета естественной проводимости растеканию тока с арматуры железобетонных заземлителей для реализации возможностей указанного алгоритма рас- чета. Представим естественный сосредоточенный за- землитель эквивалентной совокупностью линейных электродов, например, таким образом, чтобы эти электроды были расположены по абрису естественно- го заземлителя. В частности, арматурный каркас под- ножников замещается совокупностью вертикальных электродов, размеры и расположение которых опре- деляется по соответствующим геометрическим харак- теристикам стойки подножника, и совокупностью горизонтальных электродов – в соответствии с гео- метрическими характеристиками его плиты. Сово- купность замещающих электродов расположена в земле с послойно однородной электрической структу- рой, как и моделируемый естественный сосредото- ченный заземлитель. Далее к указанной совокупности электродов можно применять метод наведенного по- тенциала [4] для решения задачи электрического поля как к сложному ЗУ и определить значения сопротив- ления растеканию и потенциалов точек на поверхно- сти земли. Замещение естественных сосредоточенных за- землителей. Полифункциональность ЗУ электроуста- новок напряжением выше 1 кВ сети с глухозаземлен- ной или эффективно заземленной нейтралью привела к необходимости нормирования нескольких парамет- ров ЗУ - или напряжения прикосновения, или сопро- тивления ЗУ [5]. В связи с этим, принимаем два кри- терия эквивалентности схемы замещения естествен- ных сосредоточенных заземлителей совокупностью линейных электродов: приближение по сопротивле- нию и приближение по потенциалам точек на поверх- ности земли. При этом в качестве исходных данных для оценки достаточности приближения принимаем результаты решения краевой задачи для уравнения Лапласа применительно к модели естественного со- средоточенного заземлителя в ограниченном объеме земли. Достаточность достигнутого приближения в процессе наращивания замещающих линейных элек- тродов оцениваем таким образом: по сопротивлению lim, m, m,, R p pes R R RR     ; (1) по потенциалам точек lim, 1 m,, m,,e,,1           n i pi pisi n , (2) где Rs,e, Rp,m – сопротивление растеканию совокупности электродов и апробированной модели соответственно; φi,s,e, φi,s,e – потенциал на поверхности земли совокуп- ности электродов и апробированной модели соответст- венно; n – число точек на поверхности земли. Варианты замещения естественных сосредото- ченных заземлителей (железобетонных стоек и под- ножников) расчетной совокупностью линейных элек- тродов получены по способу, описанному ранее с ис- пользованием ξR- и ξφ-критериев, и представлены в работах [6, 7]. Расчетные выражения для взаимных и собст- венных сопротивлений. Предложенный способ уче- та естественной проводимости растеканию тока с ар- матуры железобетонных естественных заземлителей может потребовать использования выражений для взаимных и собственных сопротивлений примени- тельно к горизонтальным электродам расположенным в нижнем слое двухслойной модели земли. Необхо- димость в указанных выражениях появится при заме- щении арматурного каркаса подножников, плита ко- торых располагается на глубине около 3 м, совокуп- ностью вертикальных и горизонтальных электродов. Расчетные выражения для взаимных и собствен- ных сопротивлений получены на основании общей формулы для взаимного сопротивления Rqg между двумя электродами с индексами g и q, расположен- ными в проводящем полупространстве применитель- но к электродам, размеры поперечного сечения кото- рых в сотни раз меньше их длины [4], т.е.    )( )( 00 )()( 1 q gl l GQQGgq gq qg dldlGfQf ll R  , (3) где lq и lg – длина электродов; )(0 Qf q и )(0 Gf g – функция неоднородности линейной плотности тока по длине электрода; ΨQG – функция пропорциональности между током, выходящим в проводящее полупро- странство из окрестностей точки G, и потенциалом, наводимым этим током в точке Q. Как результат вывода согласно (3) получены следующие выражения: взаимное сопротивление двух горизонтальных электродов, расположенных в ниж- нем слое и параллельных друг другу; взаимное сопро- тивление двух горизонтальных электродов, располо- женных в нижнем слое и перпендикулярных друг другу; взаимное сопротивление двух горизонтальных электродов, в случае если один электрод расположен в верхнем слое, второй – в нижнем слое; взаимное сопротивление двух горизонтальных скрещивающих- ся под прямым углом электродов, расположенных в верхнем и нижнем слое; взаимное сопротивление го- ризонтального электрода, расположенного в нижнем слое, и вертикального электрода, пересекающего гра- ницу раздела слоев. Корректность выражений подтверждена путем сопоставления результатов тестовых расчетов по ним и по выражениям, приведенным в работе [4] для усло- вий расположения горизонтального электрода (элек- тродов) в верхнем слое, и исходных данных, соответ- ствующих положению указанного электрода (элек- тродов) на границе раздела слоев. Полученные рас- четные выражения для взаимных и собственных со- противлений электродов опубликованы в работе [8] и вместе с ранее опубликованными охватывают все возможные комбинации расположения электродов при расчетах сложных ЗУ с учетом естественных со- средоточенных заземлителей. ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №4 69 Алгоритм расчета сложного неэквипотенци- ального ЗУ. Полученные модели естественных со- средоточенных заземлителей в виде совокупности линейных вертикальных и горизонтальных электро- дов вводятся в алгоритм расчета сложного неэквипо- тенциального ЗУ, которое принимаем за исходное. Эти элементы наряду с искусственными линейными заземлителями участвуют в токораспределении ЗУ. При этом продольное сопротивление горизонтальных электродов, замещающих естественные заземлители, не учитывается. При промышленной частоте электри- ческое поле тока, выходящего из заземлителя в зем- лю, можно рассматривать как стационарное. В этом случае токораспределение между элементами эквипо- тенциального ЗУ определяет система линейных ал- гебраических уравнений (СЛАУ) [4]:    n p pmpG I 1  , при nm ,1 (4) где n – число элементов заземлителя; αmp – взаимное сопротивление элементов ЗУ с индексами m и p (при m ≠ p) и собственное сопротивление элементов при одинаковых индексах; Ip – ток, выходящий в землю с p-го элемента; φG – потенциал заземлителя (эквипо- тенциального). В данном случае имеем СЛАУ (5) аналогичную СЛАУ с собственными и взаимными потенциальными коэффициентами в системе заряженных тел [9]. Согласно [4] в случае неэквипотенциального за- землителя СЛАУ в матричной форме имеет вид: UAI 0 , (5) где А – матрица взаимных и собственных сопротивле- ний элементов; I0 – матрица-столбец комплексных значений токов, выходящих из элементов сложного заземлителя в землю; U – матрица-столбец комплекс- ных значений напряжений элементов (для горизон- тальных элементов берут среднее из значений напря- жения в начале и конце элемента, а для вертикальных элементов – напряжение узловой точки, с которой он соединен). Комплексные значения напряжений элементов ЗУ связаны со значениями задающих токов и с па- раметрами сложной нелинейной электрической це- пи, имитирующей исходное ЗУ – без учета естест- венных заземлителей. Выражаем эту связь по мето- ду узловых напряжений в матричной форме (все узлы, начиная с опорного, в качестве которого при- нимаем «землю» – зону нулевого потенциала, про- нумерованы от нуля до q) [4]: ,setnodal IYU  (6) где Y – квадратная матрица полной проводимости цепей; Unodal – матрица-столбец узловых напряжений; Iset – матрица столбец задающих токов. В соответствии с [4] расчет сложной электриче- ской цепи, замещающей многоэлементное ЗУ, сво- дится к совместному решению двух матричных урав- нений (5) и (6). Учитывая то, что параметры горизон- тальных элементов нелинейно зависят от проходяще- го по ним тока, уравнение (6) – нелинейно. Верти- кальные элементы ЗУ замещают сосредоточенными проводимостями на землю; также замещают те горизонтальные элементы, продольное сопротивление которых не учитывается. На следующем этапе алгоритма расчета горизон- тальные элементы, продольное сопротивление кото- рых учитывается, замещают эквивалентными П- образными схемами с сосредоточенными параметра- ми (рис. 1). а b Рис. 1. Горизонтальный k-й элемент с распределенными параметрами r, L, g (а) и его эквивалентная П-образная схема замещения (b) Связь сосредоточенных параметров П-образной схемы замещения k-го горизонтального элемента ( kY и kY 0 ) c его распределенными параметрами известна [6]:   ,sh1ch ;sh1 0 kkwkkkk kkwkk lZlY lZY     (7) где wkZ – волновое сопротивление; k  – коэффици- ент распространения. Величины, входящие в формулы для волнового сопротивления wkZ и коэффициента распростране- ния k  , представляют собой удельное полное сопро- тивление элемента kZ и удельную полную попереч- ную проводимость gk. Удельное полное продольное сопротивление горизонтального электрода определя- ется активным сопротивлением и индуктивностью, причем последняя имеет две составляющие: внеш- нюю Lext, обусловленную магнитным полем вне элек- трода, и внутреннюю Lint, связанную с магнитным полем внутри электрода. Внутренняя индуктивность Lint вычисляется в зависимости от магнитной прони- цаемости стали электрода μk, которая определяется по основной кривой намагничивания при данном дейст- вующем значении напряженности магнитного поля на поверхности электрода. Магнитная проницаемость стали элемента μk нелинейно зависит от тока Ik, про- ходящего по k-му элементу. Внешняя индуктивность Lext определяется на основании известной формулы Поллячека. Удельная проводимость 1 kkk lGg , 70 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №4 причем Gk определяется с помощью метода наведен- ного потенциала. Для первого приближения или первой итерации [4] заземлитель принимают эквипотенциальным и находят численные значения вектора решения мат- ричного уравнения (4). Далее определяют поперечные проводимости G всех горизонтальных и вертикальных элементов заземлителя; на первой итерации считаем, что все рассматриваемые проводимости имеют актив- ный характер. Далее, задавшись некоторым начальным значе- нием магнитной проницаемости стали электрода μ, определяют распределенные продольные параметры горизонтальных элементов заземляющей сетки и па- раметры их эквивалентных П-образных схем замеще- ния. Решение матричного уравнения (6) при заданных задающих токах позволяет получить численные зна- чения узловых напряжений и рассчитать токи во всех ветвях схемы замещения сложного ЗУ. При втором приближении [4] напряжения в уз- лах и токи в ветвях схемы замещения заземлителя, вычисленные в первом приближении, используются в качестве дополнительных исходных данных, а имен- но, заземлитель представляется как неэквипотенци- альный – СЛАУ имеет вид (5), а указанные выше зна- чения токов позволяют уточнить магнитную прони- цаемость стали электрода μ. Для этого уточнения ве- личины μ используют среднее между значениями тока в начале и в конце каждого горизонтального элемента с распределенными продольными параметрами. Ре- шение системы (3) относительно токов в комплексной форме позволяет далее определить значения полных поперечных проводимостей G всех элементов; ука- занные проводимости имеют реактивные составляю- щие, что формально связано с наличием у узловых напряжений на первой итерации сдвига по фазе по отношению друг к другу. Далее по μ и G определя- ются распределенные продольные параметры тех го- ризонтальных элементов заземлителя, продольное сопротивление которых учитывается, и т.д. В части определения напряжения до прикосно- вения в заданных точках на поверхности земли и входного сопротивления ЗУ, расчет выполняется из- вестным способом [4]. Полученное решение токов во всех ветвях схемы замещения сложного ЗУ дает значения проходящих по горизонтальным элементам ЗУ токов как среднее между значениями тока в начале и в конце каждого горизонтального элемента с распределенными про- дольными параметрами. Как результат этого – добав- ление в алгоритм расчета сложных неэквипотенци- альных ЗУ электроустановок решения задачи опреде- ления уровня электромагнитной совместимости. Достаточность достигнутого приближения оце- нивают по -критерию:       , 1 lim 1 1       q j n jo n jo n jo U UU q (8) где (n) – верхний индекс, показывающий номер по- следней итерации; q – число узлов схемы замещения заземлителя; Ujo – модуль напряжения j-го узла отно- сительно опорного. Выводы. Обоснована необходимость учёта влияния есте- ственных сосредоточенных заземлителей при форми- ровании электрических характеристик сложных неэквипотенциальных ЗУ электроустановок путём их эквивалентирования совокупностью вертикальных и горизонтальных электродов. Получены расчетные выражения для взаимных и собственных сопротивлений горизонтальных элек- тродов сложных неэквипотенциальных ЗУ, располо- женных в нижнем слое двухслойной модели земли, которые охватывают все возможные комбинации их расположения и обеспечивают учет естественных со- средоточенных заземлителей. Использование в электрических сетях АК «Харь- ковоблэнерго» предложенного алгоритма расчёта распределения потенциалов при КЗ на подстанции с учетом влияния проводимости естественных сосредо- точенных заземлителей позволило обеспечить опти- мальное нормирование параметров ЗУ действующих электроустановок за счёт более точного определения величины напряжения прикосновения. Определены выражения для расчёта величин па- дений напряжений на ЗУ при КЗ, которые позволяют оценить уровень напряжений, воздействующих на изоляцию кабелей вторичных цепей, что необходимо для нормирования их параметров по условиям элек- тромагнитной совместимости. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Линк И.Ю., Колиушко Д.Г., Колиушко Г.М. Матема- тическая модель неэквипотенциального заземляющего устройства подстанции, размещенного в двухслойном грунте // Электронное моделирование. – 2003. – Т.25. – №2. – С. 99-111. 2. Матвеев М.В., Кузнецов М.Б., Лущишин А.Р. Оценка электромагнитной обстановки при проектировании элек- трических станций и подстанций // Вести в электроэнерге- тике. – 2005. – №2. – С. 1-8. 3. Katsanou V.N., Papagiannis G.K. Substation grounding system resistance calculations using a FEM approach. – IEEE Bucharest PowerTech, Jun. 2009. doi: 10.1109/PTC.2009.5282044. 4. Бургсдорф В.В., Якобс А.И. Заземляющие устройства электроустановок. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 400 с. 5. Правила улаштування електроустановок. Розділ 1. Зага- льні правила. Глава 1.7. Заземлення і захисні заходи від ураження електричним струмом. – К.: Міненерговугілля України, 2011. – 72 с. 6. Федосеенко Е.Н. Минченко А.А. Вариант замещения естественных сосредоточенных заземлителей – арматурных каркасов железобетонных фундаментов (подножников) в виде расчетной совокупности электродов // Східно- Європейський журнал передових технологій. – 2006. – №6/3(24). – С. 81-84. 7. Минченко А.А., Федосеенко Е.Н. Учет естественной проводимости растеканию тока с арматуры железобетонных стоек при расчетах сложных заземляющих устройств элек- троустановок с помощью совокупности вертикальных элек- тродов // Вісник НТУ «ХПІ». Тем. випуск: Електроенерге- тика і перетворююча техніка. – 2006. – №28 – С. 97-100. 8. Федосеенко Е.Н. Определение взаимных и собственных сопротивлений вертикальных и горизонтальных электродов сложных заземлителей в двухслойной земле // Вісник НТУ ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №4 71 «ХПІ». Тем. випуск: Електроенергетика і перетворююча техніка. – 2006. – №34 – С. 84-91. 9. Демирчян К.С., Нейман Л.Р., Коровкин Н.В., Чечурин В.Л. Теоретические основы электротехники: В 3-х т. Учеб- ник для вузов. Том 2. – СПб.: Питер, 2003. – 576 с. REFERENCES 1. Link I.Yu., Koliushko D.G., Koliushko G.M. A mathemati- cal model is not an equipotential ground grids substation placed in a double layer. Electronic modeling, 2003, vol.25, no.2, pp. 99-111. (Rus). 2. Matveev M.V., Kuznetsov M.B., Lushchishin A.R. Evalua- tion of the electromagnetic environment in the power station and substations engineering. Vesti v elektroenergetike, 2005, no.2, pp. 1-8. (Rus). 3. Katsanou V.N., Papagiannis G.K. Substation grounding system resistance calculations using a FEM approach. IEEE Bucharest PowerTech, Jun. 2009. doi: 10.1109/PTC.2009.5282044. 4. Burgsdorf V.V., Yakobs A.I. Zazemlyayushchie ustroystva elektroustanovok [Grounding device of electrical installations]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1987. 400 p. (Rus). 5. Pravila ulashtuvannya elektroustanovok. Rozdil 1. Zagal'nі pravila. Glava 1.7. Zazemlennya і zakhisnі zakhodi vіd urazhen- nya elektrichnim strumom [Rules of the device electroinstalla- tions. Chapter 1. General rules. Grounding and protective meas- ures against electric shock]. Kyiv, Mіnenergovugіllya Ukrayiny Publ., 2011. 72 p. (Ukr). 6. Fedoseenko E.N. Minchenko A.A. The substitution option of natural concentrated grounds, such as concrete pole armature, by the calculated set of electrodes. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2006, vol.3, no.6(24), pp. 81-84. (Rus). 7. Minchenko A.A., Fedoseenko E.N. Taking into account the natural conductivity of current spreading with concrete pole armature for calculation complicated grounding connections by the set of vertical electrodes. Bulletin of NTU «KhPІ», 2006, no.28, pp. 96-100. (Rus). 8. Fedoseenko E.N. Finding of mutual and own resistances of vertical and horizontal electrodes for complicated grounding connections in a double layer ground. Bulletin of NTU «KhPІ», 2006, no.34, pp. 84-91. (Rus). 9. Demirchian K.S., Neiman L.R., Korovkin N.V., Chechurin V.L. Teoreticheskie osnovy elektrotekhniki: V 3-kh t. Uchebnik dlia vuzov. Tom 2 [Theoretical bases of electrical engineering. In 3 vols. Vol.2.]. St. Petersburg, Piter Publ, 2003. 576 p. (Rus). Поступила (received) 25.04.2017 Старков Константин Александрович1, к.т.н., Федосеенко Елена Николаевна2, ст. преподаватель, 1 АК «Харьковоблэнерго», 61037, Харьков, ул. Плехановская, 149, тел/phone +380 57 7401268, e-mail: ptu1@obl.kh.energy.gov.ua 2 Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», 61002, Харьков, ул. Кирпичева, 2, тел/phone +380 57 7076977, e-mail: fedosejenko@gmail.com K.A. Starkov1, E.N. Fedoseenko2 1 JSC «Kharkivoblenergo», 149, Plekhanovskaia Str., Kharkiv, 61037, Ukraine. 2 National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute», 2, Kyrpychova Str., Kharkiv, 61002, Ukraine. Improved algorithm for calculating complex non-equipotential grounding devices of electrical installations taking into account conductivity of natural groundings. Purpose. The method of natural concentrated groundings sub- stitution by the set of electrodes taking them into account in the algorithm of electric characteristics calculation for complicated grounding connections of electric installation is offered. An equivalent model as a set of linear electrodes is chosen in ac- cordance with two criteria: leakage resistance and potentials on the ground surface. Methodology. We have applied induced potential method and methods for computing branched electri- cal circuits with distributed parameters. Results. We have ob- tained the algorithm for calculating complex non-equipotential grounding connections, which makes it possible to obtain re- fined values of the potential distribution in the electric stations and substations with outdoor switchgear. Originality. For the first time, we have taking into account the conductivity of natu- ral concentrated grounds by a set of vertical and horizontal electrodes based on equivalent electrical characteristics applied to a two-layer ground. Practical value. The using of the pro- posed calculation algorithm in the electric grids of JSC «Khar- kivoblenergo» made it possible to determine the values of the potential distribution at short circuit in electrical substation taking into account the influence of the conductivity of natural concentrated groundings. References 9, figures 1. Key words: natural concentrated groundings, substitution, induced potential method, the potential distribution, a two- layer ground model.

Совершенствование алгоритма расчета сложных неэквипотенциальных заземляющих устройств электроустановок с учетом проводимости естественных заземлителей

Institution

Ähnliche Einträge