Type here the title of your Paper

21, rue d’Artois, F-75008 PARIS
SC C4 PS2
CIGRE
2014
http : //www.cigre.org
Новые технологии регистрации токов молнии с высоким разрешением
А.В. Шурупов,
А.В. Козлов
ОИВТ РАН,
Россия
Э.М. Базелян
ОАО «ЭНИН»
Россия
А.Н. Чулков
ЗАО «СЭТ»
Россия
АННОТАЦИЯ
Авторским коллективом ЗАО «СЭТ», ОАО «ЭНИН» и ОИВТ РАН был разработан,
изготовлен и успешно испытан в полевых условиях регистратор тока молнии нового
поколения (РТМ). Регистратор собран на современной электронной базе.
Считывающий блок регистратора позволяет различать и записывать импульсы тока
первой и последующих компонент молнии с интервалами от 10 мс и выше. Общее
число зарегистрированных компонент молнии равно 20. РТМ обеспечивает
регистрацию фронта импульса тока в пределах 1 – 10 мкс с разрешением не более 0,1
мкс и длительности импульса тока до 500 мкс (по уровню 0,5). РТМ позволяет
регистрировать и длительно хранить в оперативной памяти данные об импульсных
токах любой полярности амплитудой 1 – 100 кА с привязкой их к местному времени с
погрешностью не более 0,01%. РТМ работает автономно не менее одного грозового
сезона в диапазоне температур от -10 °С до +50 °С и пригоден для массовой установки
на линиях электропередачи или на молниеприемниках любых наземных сооружений.
Принципиальные решения и результаты работы регистраторов описаны в данной
статье.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
Ток молнии, грозовая обстановка, многокомпонентные разряды молнии, фронт тока
молнии, грозовые перенапряжения, регистрация тока молнии, автономные
регистраторы, магниторегистраторы, защита от перенапряжений, воздушные линии
(ВЛ), линии электропередачи (ЛЭП), автономный ресурс работы.
[email protected]
ВЕДЕНИЕ
Измерения тока молнии не создают проблем в методическом плане. Они давно и
успешно проводятся на отдельных сооружениях большой высоты, где можно получить,
как минимум, несколько регистраций за грозовой сезон. Статистика, накопленная по
таким измерениям, без особых оснований распространяется на любые наземные
сооружения, в т.ч. и на воздушные линии электропередачи, невзирая на то, что
практически все известные гипотезы ориентировки молнии приходят к заключению об
изменении статистики ее токов в зависимости от высоты объекта. Еще больше
неясностей связано с распределением молний различной силы между молниеотводом и
защищаемым сооружением. Известная гипотеза о повышенной вероятности прорыва в
зону защиты молний со слабыми токами до сих пор не нашла достоверного
подтверждения результатами полевых измерений. Появившаяся надежда на
дистанционное определение токов молний по регистрациям ее электромагнитного поля
в дальней зоне вызывает вполне обоснованные сомнения. Они обусловлены оценками
параметров распространения волны тока в молниевом канале, демонстрирующими
принципиально различную степень затухания и деформации волны при различной
амплитуде тока. В итоге нарушается прямая пропорциональность между величиной
тока и фиксируемым электромагнитным излучением. К тому же пространственное
разрешение дистанционных регистраций молнии пока еще не позволяет различать
удары в молниеотвод и защищаемый объект, тем более в фазные провода ВЛ и
грозотрос.
Попытки ограничиться установкой на ВЛ простейших датчиков тока, подобных
магниторегистраторам, не ведут к успеху, поскольку они обладают большой
погрешностью, не способны фиксировать временные параметры импульса тока, не в
состоянии различать многокомпонентные разряды и не обладают необходимой
оперативностью доступа к данным.
Достоверные данные о токах молнии (их характеристиках), возникающих в
реальных объектах, подвергшихся грозовому воздействию, и, в частности, объектах
энергетики, практически отсутствуют. Существующие системы регистрации разрядов
молнии таких фирм, как АВВ, SIEMENS, PHOENIX и др. обладают рядом
существенных недостатков:
 отсутствует разрешение величины тока молнии во времени;
 не разрешаются многокомпонентные молнии;
 амплитудные значения токов измеряются интервалом;
 в большинстве случаев сложная технология монтажа;
 высокая стоимость.
В конце 2010 года по инициативе ОАО ФСК ЕЭС и ОАО «НПО «Стример» был
предложено разработать датчик (регистратор) тока молнии при ударах в опоры ЛЭП в
соответствие с современными требованиями. Итоги разработок и испытаний
регистраторов токов молнии представлены в статье [1].
1. ЗАДАЧИ И ЦЕЛИ РАЗРАБОТКИ ПРОЕКТА
Успехи дистанционных регистраций тока молнии по ее электромагнитному
излучению в дальней зоне на какое-то время приостановили совершенствование
методов прямых
регистраций, при которых датчик тока устанавливается
непосредственно на пораженный объект, например, на опору ВЛ. В последнее время
доверие к результатам дистанционных регистраций перестало быть безоговорочным. В
1
частности, выяснилась необходимость достаточно продолжительного периода
настройки многопунктовой системы дистанционных регистраций в течение которого
расшифровка получаемой информации не представляется однозначной. Теоретические
исследование задачи синтеза тока молнии по регистрациям магнитного поля на
расстоянии порядка 100 км от точки удара выявили трудно устранимые источники
методической погрешности, связанной с нелинейными параметрами волны тока return
stroke, распространяющейся по каналу нисходящего лидера от земли к облаку [2]. В
итоге исчезала прямая пропорциональность между амплитудами тока и напряженности
его магнитного поля в дальней зоне. В определенных условиях методическая
погрешность синтеза тока могла достигать десятков-сотен процентов, что вынуждало
относиться с большой осторожностью к результатам дистанционных измерений,
особенно при их использовании для оценки величины грозовых перенапряжений на ВЛ
высших классов напряжения.
Задача о статистике токов молний, поразивших опоры и грозотросы или
прорвавшихся к фазным проводам ВЛ не может решаться дистанционным методом изза недостаточного пространственного разрешения, которое при современном
исполнении регистрирующей аппаратуры, как правило, заметно превышает 100 м. Это
одна из причин, по которой до сих пор не получила достоверной апробации гипотеза о
повышенной вероятности прорыва к фазным проводам "ослабленных" молний, ток
которых существенно ниже статистически среднего.
Перечисленные задачи требуют разработки приборов для прямых измерений тока,
которые можно было бы разместить на опорах ВЛ, на их грозотросах, а при
необходимости – и на фазных проводах. В роли таких датчиков не могут выступать
такие пассивные элементы, как давно известные магниторегистраторы, поскольку
измерения их остаточной намагниченности в лучшем случае дают амплитудное
значение тока и полностью исключают регистрацию временных параметров, важных
для расчета грозовых перенапряжений.
В настоящем докладе представлены результаты разработки и опытной эксплуатации
в полевых условиях автономного регистратора тока молнии (РТМ) на современной
микроэлектронной базе, пригодного для работы на ВЛ высших классов напряжения в
течение всего грозового сезона без регламентных работ и замены источника питания.
Предполагалось, что техническое решение РТМ должно быть пригодным для
организации его массового производства.
2. ПРИНЦИПИАЛЬНОЕ
ЭЛЕМЕНТЫ РТМ
РЕШЕНИЕ
И
ОСНОВНЫЕ
СТРУКТУРНЫЕ
Выбор структурной схемы прибора и конкретных технических решений для его
структурных блоков было продиктовано стремлением сохранить максимально
возможное
быстродействие
регистраций
при
минимально
возможном
энергопотреблении. Основные технические требования к регистрации импульсного
тока молнии представлены в таблице I. При выборе предельных параметров
учитывалось, что ток молнии фиксируется РТМ лишь частично, поскольку при
поражении ВЛ он всегда растекается по нескольким конструктивным элементам. Этим
объясняется принятое значение максимального тока в 100 кА (а не 200) и чрезвычайно
низкий минимальный ток в 1 кА, явно не представляющий опасности для ВЛ высших
классов напряжения.
2
Таблица I
Наименование параметра
Единица
измерения
Значение
Длительность регистрируемого
импульса тока по полувысоте
мкс
20 - 500
Длительность фронта импульса тока
по уровням (0,1-0,9)
мкс
1 – 10
Амплитуда тока
кА
1 – 100
Число регистрируемых компонент
Минимальная пауза между
компонентами
не менее 20
мс
10
Представления о требованиях к условиям работы и допустимых погрешностях
регистрации дает таблица II.
Таблица II
Наименование параметра
Автономный ресурс работы (АРР) без замены источников
питания не менее
Фиксация времени и даты разряда молнии за период АРР с
точностью не менее
Временное разрешение записываемых данных на фронте
тока молнии (дискретность преобразования) не более
Разрядность преобразования регистрируемых данных не
менее
Хранение данных о количестве ударов молнии не менее
Хранение данных о грозовой активности в зоне установки
(количество гроз) не менее
Относительная погрешность измерения амплитуды тока
Относительная погрешность измерения временных
параметров импульса тока
Работоспособность в температурном диапазоне
Единица
измерения
Значение
месяц
> 10
%
0,01
мкс
0,25
Бит
12
2
50
%
10
%
0,5
С
-10 +50
В качестве датчика тока в разработанном РТМ использовался пояс Роговского. В
большинстве практически значимых ситуациях пояс не мог охватить все
металлоконструкции, по которым растекался ток молнии (рис.1). Поэтому регистрации
тока должны сопровождаться синтезом его значений в канале молнии при помощи
специальной компьютерной программы, учитывающей реальную структуру объекта,
3
например, опоры ВЛ. Создание такой программы не представляет проблемы, когда все
токопроводящие элементы присоединены к единому заземляющему устройству.
Рисунок 1.Установка РТМ на металлической и железобетонной опорах ВЛ.
Блок-схема одного из апробированных вариантов РТМ представлена на рис. 2.
Первичный
преобразователь тока
молнии
Модуль
преобразования и
записи данных
Модуль регистрации
тока молнии
Модуль
быстродействующей
энергонезависимой
памяти
Модуль управления
режимами
Модуль обмена
данными
Модуль контроля
грозовой обстановки
Батарея питания
Рисунок 2. Блок-схема РТМ с модулем контроля грозовой обстановки.
Ключевым элементом прибора явился блок контроля грозовой обстановки, который
регистрировал радиоизлучение из канала молнии в диапазоне 6-30 кГц в ближайшей
окрестности места установки датчика (на дистанции от 1 до 5 км). Именно этот блок,
отличающийся исключительно малым энергопотреблением, функционировал в течение
всего весенне-осеннего сезона. Все остальные элементы РТМ включались
кратковременно, когда грозовая обстановка над контролируемым объектам становилась
реальной. Такое решение резко снизило энергопотребление прибора и позволило
4
использовать для его питания малогабаритный аккумулятор, не требующий подзарядки
в течение грозового сезона.
Во время грозы по команде блока контроля грозовой обстановки РТМ переходил из
“спящего” режима в режим нормального функционирования и без каких-либо
временных задержек был готов к регистрации сигнала, поступающего с пояса
Роговского. После его первичного преобразования происходила запись в блок
быстродействующей памяти, а затем накопленная информация сбрасывалась для
неограниченного по времени хранения в блок энергонезависимой памяти, откуда она
могла быть считана стандартными средствами и передана на внешний интерфейс.
Наличие блока контроля грозовой обстановки позволяла выполнять
дополнительную функцию, точно определяя продолжительность грозы в месте
установки конкретного РТМ. С этой целью в энергонезависимой памяти фиксировалось
время появления каждого близкого атмосферика.
С июля 2012 г по сентябрь 2013 г. на линии электропередачи 220 кВ в одной из
энергосистем России были установлены и успешно функционировали 120 РТМ.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ РЕГИСТРАЦИИ ТОКОВ МОЛНИИ
На рисунке 3. представлены осциллограммы тока первой и второй компоненты
молнии, записанные при помощи РТМ, установленного на одном из узлов стальной
опоры П_МОД1(220) «Рюмка». Пауза между компонентами – 46 мс. Амплитуда
реального импульса тока первой компоненты приблизительно равна 40 кА, для тока
второй компоненты ~ 30 кА.
РТМ-51
12
1-ая компонента
2-ая компонента
10
8
кА
6
4
2
0
0
50
100
150
200
250
-2
мкс
Рисунок 3. Осциллограммы тока первой (синяя кривая) и последующей (красная) кривая
компонент при ударе молнии в ВЛ 220 кВ 16.05.2012 г. в 15:51:07.
Полная длительность импульсов тока (по уровню 0,5) близка к 50 мкс и незначительно
отличается для первой и последующей компонент. Временная развертка фронта
импульсов тока показана на рисунке 4.
5
РТМ-51
12
1-ая компонента
2-ая компонента
10
8
кА
6
4
2
0
40
42
44
46
48
50
52
54
56
58
60
-2
мкс
Рисунок 4. Осциллограммы тока первой (синяя кривая) и последующей (красная кривая)
компонент при ударе молнии в ВЛ 220 кВ 16.05.2012 г. в 15:51:07 – фронт тока молнии.
Можно отметить, что длительность фронта 2-ой компоненты тока молнии заметно
меньше длительности 1-ой компоненты.
Осциллограммы на рис. 5а) и 5б) записаны в один и тот же момент времени на
соседних опорах ВЛ 220 кВ.
Р ТМ -22
3,5
3
2,5
кА
2
1,5
1
0,5
0
0
50
100
150
200
250
-0,5
м кс
а)
6
РТМ-79
6
5
4
кА
3
2
1
0
0
50
150
100
200
250
-1
мкс
б)
Рисунок 5 а,б. Осциллограммы тока на соседних опорах ВЛ 220 кВ, записанные в один и
тот же момент времени 16.05.2012 г. 17:10:57.
Обращает на себя внимание различная длительность импульсов тока в опорах, что
может быть связано с различной величиной их сопротивления заземления,
меняющегося во времени, например, вследствие развития различных по длине
скользящих искровых каналов вдоль поверхности грунта, которые могут стартовать от
фундамента опоры [3].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Испытания в полевых условиях доказали возможность создания на современной
элементной базе относительно простого по конструкции и недорогостоящего
регистратора тока молнии, который способен к длительному функционированию на ВЛ
высших классов напряжения без ложных срабатываний от электромагнитных помех,
связанных с коммутационными режимами. Временное разрешение регистратора и
регистрируемый диапазон токов позволяют использовать РТМ как для набора
статистических данных о токах молнии, поражающих ВЛ, так и для контроля работы
линейных ОПН. РТМ не требует регламентных работ в течение грозового сезона и
потому может быть рекомендован для массового применения в электроэнергетике.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
[1].
[2].
[3].
А.В. Шурупов, Э.М. Базелян и др. Электроэнергия. Передача и распределение.
№.6 (15), С. 74-80.
Э.М Базелян., М.И.Чичинский. Физика плазмы. 2009, Т.35, № 9, С. 794-801
Э.М. Базелян, В.С. Сысоев, М.Г Андреев. Физика плазмы. 2009,Т.35, № 7, С.609615.
7