2011_ananjev_tecn_hv

Техника высоких напряжений: методические указания к лабораторному практикуму / Ананьев В.П.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ВОЛОГОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра электроснабжения

ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Методические указания к лабораторному практикуму

Факультеты: электроэнергетический, ФЗДО

Специальность 140211 “ Электроснабжение” Направление 140400 “ Электроэнергетика и электротехника.

Профиль – Электроснабжение”

Вологда

2011

Вологодский государственный технический университет

Техника высоких напряжений: методические указания к лабораторному практикуму / Ананьев В.П.

УДК

Техника высоких напряжений: методические указания к лабораторному практикуму. – Вологда: ВоГТУ, 2011.- 19с.

В методических указаниях излагаются нормативные требования к заземляющим устройствам электроустановок, станций и подстанций. А так же методика автоматизированного (компьютерного) проектирования и проектирования по инженерной методике заземляющего устройства подстанции.

Утверждено редакционно-издательским советом ВоГТУ

Составитель В.П. Ананьев, канд. техн. наук, доцент

Рецензент А.Е. Немировский, д-р техн. наук, профессор, зав.каф. “ Электрооборудование”

2

Вологодский государственный технический университет

Техника высоких напряжений: методические указания к лабораторному практикуму / Ананьев В.П.

ВВЕДЕНИЕ

Лабораторная работа посвящена закреплению знаний по разделам “ Режимы электрической нейтрали в электроустановках” и “ Молниезащита станций и подстанций” лекционного курса “ ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ”.

Целью работы является изучение и освоение компьютерной и инженерной методик проектирования заземляющего устройства подстанции. Получение навыков выбора типа подстанции, основного электрооборудования, схемы распределительных устройств, размеров заземляющего контура. Выбор и обоснование режима нейтрали, требуемого согласно ПУЭ сопротивления заземляющего устройства.

1.НОРМАТИВНАЯ ЧАСТЬ

1.1.Основные понятия и определения

Заземление – преднамеренное электрическое соединение какой-либо точки сети, электроустановки или оборудования с заземляющим устройством. [1] п.1.7.28.

Защитное заземление – заземление, выполняемое в целях электробезо-

пасности. [1].п. 1.7.29.

Работа электрических сетей напряжением 2-35кВ может предусматриваться как с изолированной нейтралью, так и с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор или резистор.

Работа электрических сетей напряжением 110кВ может предусматриваться как с глухозаземленной, так и с эффективно заземленной нейтралью.

Электрические сети напряжением 220кВ и выше должны работать только с глухозаземленной нейтралью.[1] п. 1.2.16.

Искусственный заземлитель – заземлитель, специально выполняемый для целей заземления.[12] п.1.7.16.

Естественный заземлитель – сторонняя проводящая часть, находящаяся в электрическом контакте с землей непосредственно или через промежуточную проводящую среду, используемую для целей заземления.[1] п.1.7.17.

Заземляющие устройства электроустановок напряжением выше 1кВ в сетях с эффективно заземленной нейтралью следует выполнять с соблюдением требований либо к их сопротивлению, либо к напряжению прикосновения, а также с соблюдением требований к конструктивному выполнению.[1] п.1.7.88.

3

Вологодский государственный технический университет

Техника высоких напряжений: методические указания к лабораторному практикуму / Ананьев В.П.

Для исключения электрической связи внешней ограды с заземляющим устройством расстояние от ограды до элементов заземляющего устройства, расположенных вдоль нее с внутренней, внешней или с обеих сторон, должно быть не менее 2м.[1] п.1.7.93.

Заземляющее устройство, которое выполняется с соблюдением требований к его сопротивлению, должно иметь в любое время года сопротивление не более 0,5 Ом с учетом сопротивления естественных и искусственных зазем-

лителей. [1] п.1.7.90.

Горизонтальные заземлители следует прокладывать по краю территории, занимаемой заземляющим устройством так, чтобы они в совокупности образовывали замкнутый контур на глубине 0,5 – 0,7 м. Вертикальные заземлители должны быть длиной 3 – 5 м. [1] п.1.7.90.

Считается, что сопротивления естественных и искусственных заземлителей взаимодействуют параллельно.

Если заземляющее устройство используется одновременно для электроустановок до 1кВ и выше 1кВ, то при выборе его сопротивления должны учитываться требования для обоих диапазонов напряжения с учетом режима электрической нейтрали.

Искусственные заземлители могут быть из черной или оцинкованной стали или медными.

Искусственные заземлители не должны иметь окраски.

Материал и наименьшие размеры заземлителей должны соответствовать приведенным в табл. 1.7.4. [1] п.1.7.111.

1.ИНЖЕНЕРНАЯ МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ

a. Определим необходимое сопротивление искусственного заземлителя

сучетом использования естественных заземлителей.

где Rи - сопротивление искусственного заземлителя, Ом; Rе - сопротивление естественного заземлителя, Ом; Rзу -сопротивление заземляющего устройства, требуемого согласно ПУЭ, Ом.

b. Определим расчетное сопротивление растеканию горизонтальных электродов [2]:

Вологодский государственный технический университет

Техника высоких напряжений: методические указания к лабораторному практикуму / Ананьев В.П.

где ρ - удельное спротивление грунта, Ом/м; l – длина горизонтальных стержней ( периметр контура ), м; t – глубина залегания горизонтальных электродов (контура) , м.

Если RГ > RИ , то необходимо применение вертикальных электродов.

c. Сопротивление растеканию одного вертикального электрода стержневого типа определяем по выражению из [2]:

где l – длина вертикального электрода, м; t – расстояние от поверхности земли до центра вертикального электрода, м; d – диаметр вертикального электрода, м.

d. Для дальнейшего проектирования необходимо предварительно задаться числом вертикальных электродов. Этот параметр выбирается либо произвольно, либо из компьютерной методики.

Далее определяется расчетное сопротивление растеканию горизонтальных электродов с учетом влияния вертикальных электродов:

где КИ , Г – коэффициент использования горизонтальных электродов. КИ , Г на-

ходят из табл. 8.7 [3], рассчитав предварительно отношение расстояния между вертикальными электродами к их длине.

Уточняем необходимое сопротивление вертикальных электродов

Определяем коэффициент использования вертикальных электродов K И ,В

из табл. 8.5 [3].

Находим число вертикальных электродов:

На этом шаге инженерной методики необходимо сделать итерацию, т.е. вернуться к п.d. и повторить расчет необходимое число раз до получения устойчивого решения.

5

Вологодский государственный технический университет

Техника высоких напряжений: методические указания к лабораторному практикуму / Ананьев В.П.

2.МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

2.1.Расчет трехмерных электрических полей в однородных средах

Рассмотрим систему стержневых электродов, образующих заземлитель, в однородной среде с удельным сопротивлением ρ. Для токов промышленной частоты можно принять, что электрическое поле является постоянным, а проводники эквипотенциальны. Линейные размеры проводников заземлителя существенно больше их поперечных размеров, так что их можно принять бесконечно тонкими.

каждого отрезка принимается постоянной, J=const. Тогда потенциал в расчетной точке P равен:

Величины h1 и h2, определяющие координаты отрезка интегрирования в новой

системе, находим по известным из аналитической геометрии формулам: h1 = Ax(x1 − xp) + Bx(y1 − yp) + Cx (z1 − zp ),

6

Вологодский государственный технический университет

Техника высоких напряжений: методические указания к лабораторному практикуму / Ананьев В.П.

h2 = Ax(x2 − xp) + Bx(y2 − yp) + Cx(z2 − zp),

где (x1,y1,z1) – координаты точки 1; (x2y2,z2) – координаты точки 2; (xp,yp,zp) –

где n = L21 − h 12 ; L1 – расстояние от точки 1 до точки P.

Потенциальный коэффициент для расчетной точки P, обусловленный током отрезка интегрирования, равен:

Выражение для собственного потенциального коэффициента при n=R и h2=-h1=0.5h принимает вид:

где R- радиус стержня, h- длина отрезка интегрирования.

Найдем производные потенциального коэффициента по координатным

осям:

В отличие от потенциальных коэффициентов, которые инвариантны к системе отсчета, коэффициенты βx,βy необходимо преобразовать в реальную трехмерную систему отсчета XYZ. Для этого производится поворот координатных осей, так что

где A,B,C – определенные ранее направляющие косинусы координатных осей x,y относительно системы XYZ.

7

Вологодский государственный технический университет

Техника высоких напряжений: методические указания к лабораторному практикуму / Ананьев В.П.

Рассчитав потенциальные коэффициенты, получим систему уравнений с квадратной матрицей N-ого порядка [a]×[J]=[U], где [a]- матрица коэффициентов, [J]- искомый вектор-столбец линейной плотности тока, [U]- потенциал заземлителя. Поскольку при расчете заземлителей задан полный ток, правая часть системы неизвестна. Перенесем неизвестный потенциал в левую часть системы и добавим для каждого заземлителя дополнительное условие, определяющее полный ток через токи отрезков:

N

I= ∑ h i × J i ,

i= 1

где hi – длина отрезка с плотностью тока Ji. Для уединенного заземлителя получим систему N+1 порядка:

Решение системы производится стандартным методом гауссова исключения с выбором главного члена. Результатом является вектор плотности токов и потенциал заземлителя Uзаз. Сопротивление заземлителя находим как Rзаз=Uзаз/I, распределение потенциала на поверхности земли U(x,y,0) определяем по формуле (2.1), напряжение прикосновения как Uпр=Uзаз-U(x,y,0). Составляющие и модуль вектора напряженности электрического поля в любой точке пространства определяются суммированием влияния токов отрезков стержней как:

где коэффициенты β определены соотношением (2.2). Плотность тока связана с напряженностью соотношением J=E/ρ.

2.2. Примеры расчета заземлителей

На базе рассмотренного алгоритма создана программа для персональных компьютеров. Пользователю достаточно освоить ввод исходных данных и вывод результатов, чтобы рассчитывать сложные заземлители в однородных средах. Рассмотрим ряд примеров, которые помогут в этом вопросе.

8

Вологодский государственный технический университет

Техника высоких напряжений: методические указания к лабораторному практикуму / Ананьев В.П.

Пример 1. Рассчитать электрическое поле вертикального стержня (рис.2.3) радиуса r=0.01м, длиной L=5м и глубиной погружения h=1м. Ток заземлителя I=100А, удельное сопротивление земли

ρ=100 Ом/м. Влияние поверхности земли во всех задачах автоматически учитывается как симметрия сис-

x

темы по оси Z. 0;0;1

h=1

Запустив программу, увидим окно 1 с названием

Нашей задачи в списке нет, ее надо создать. Для этого,

установив курсор на последней строке, нажмем клавишу F5. Появится вопрос:

“ Копировать строку? Да Нет”

Установим курсор на слово Да и нажмем Enter. Появится новое окно, в котором набирается название задачи. Перед названием условимся указывать фамилию и группу студента. Например,

Иванов А.А. ЭС-51 Вертикальный стержень

Закончив ввод, нажмите Enter. С этого момента окно 1 будет выглядеть следующим образом

Окно 1

Загрузим файл задачи. Для этого нажмем Enter и появится окно 2

Окно 2

Вологодский государственный технический университет

Техника высоких напряжений: методические указания к лабораторному практикуму / Ананьев В.П.

В п.1,2 зададим отсутствие симметрии по осям X,Y. Для этого установим курсор на нужную строку, нажмем Enter, выберем ответ “ Да” и вновь нажмем Enter. В п.3 зададим значение ρ. Для этого необходимо нажать Enter, после появления курсора набрать число и вновь нажать Enter. В п.4,5 задаем множители геометрических размеров по осям x,y. В большинстве случаев они равняются 1. В п.6,7 укажем глубину погружения и длину вертикальных стержней. Все размеры задаются в метрах. Установим курсор на п.8 “ Границы” и нажмем Enter. Появится окно 3, которое в наших задачах будет всегда содержать 1 строку

Окно 3

1 Заземлитель 1

Нажмем Enter и откроем параметры этого заземлителя в окне 4

Окно 4

Установим курсор на п.1 и нажмем Enter. Появится окно 5, содержащее общие для всего заземлителя параметры.

Окно 5

Установив значения окна 5, закроем его, нажав на клавишу Esc, расположенную слева-вверху клавиатуры. Мы вновь находимся в окне 4. Опустим курсор на п.2 этого окна с названием “ Стержень 1”. Нажмем Enter и откроем окно 6, содержащее параметры данного стержня.

Окно 6

10

Вологодский государственный технический университет