О системе мониторинга разрядов атмосферного электричества на основе математического моделирования молниеприёмников систем молниезащит

первичных измерительных преобразователей, по функциональным возможностям могут иметь различные уровни автоматизации (в виде нижнего, среднего и верхнего уровней) и др. [1-3]. В общем случае мини-АСКУ подстанции предназначена для наблюдения, регулирования, получения информации и архивирования данных по энергообъектам подстанции. На верхнем уровне происходит взаимодействие оператора с различными процессами с помощью человекомашинного интерфейса (HMI – Human-Maсhine-Interface), реализованного с помощью пакетов, например, ПО SCADA-систем. Удаленный доступ к технологическим параметрам оборудования подстанции возможен с помощью сети Internet. Особенность этого уровня автоматизированной системы заключается в том, что он является самым интенсивным по объему информации и самым жестким по времени реакции на происходящие события в энергообъектах подстанции. Использование SCADA-технологий позволяет на уровне распределенных объектов осуществлять процессы сбора информации, обработки, анализа, а также возможность управления удаленными энергообъектами. Основное требование, связанное с функционированием системы в режиме псевдо реального времени, обусловлено необходимостью передачи информации и данных на пульт диспетчеру, основным специалистам энергосистем по каналам связи и др. На этом уровне осуществляется оперативное управление оборудованием подстанций, анализ полученной информации, принимаются тактические решения и т.д. Применение SCADA-технологий позволяет достичь относительно высокого уровня автоматизации контроля и управления распределенными энергообъектами.

Особенность среднего уровня мини-АСКУ заключается в том, что он предназначен для передачи команд управления с верхнего уровня на нижний, а также сбора информации с контроллеров нижнего уровня, датчиков и других измерительных приборов для передачи полученной информации на верхний уровень. Нижний уровень этой системы – это уровень сбора данных, передающихся на верхний уровень автоматизированной системы, а также автоматического регулирования энергообъектов. На этом уровне находятся датчики контроля трансформаторного оборудования, датчики состояний на вводах трансформаторов, датчики элегазового выключателя и т.д., а также системы автоматического регулирования (САР), например, циркуляционными маслонасо-сами, вентиляторами обдува и др., а также системы контроля и регулирования температуры шкафов управления и т.д. Типовая блок-схема мини-АСКУ подстанции показана на рис. 1, которая содержит следующее:

• 1) нижний уровень с системами и элементами автоматизации:

• •    локальные САР i (основная и резервная) циркуляционными маслонасосами;

• •    локальные САР j (основная и резервная) вентиляторами обдува;

• •    локальная система регулирования напряжения под нагрузкой и др.;

• •    датчики параметров изоляции вводов D 1i – D 1j с помощью модулей ввода параметров М 1i – М 1j связаны со шкафом контроля параметров высоковольтных вводов трансформаторного оборудования (шкаф КПВВ);

• •    датчики параметров элегазового выключателя (О2) D 2i – D 2j с помощью модулей ввода параметров М_2i – М₂ j связаны со шкафом мониторинга состояния элегазовых выключателей (шкаф МЭВ);

• •    датчики параметров трансформатора (О1) D 3i – D 3j , …, D 5i – D 5j с помощью модулей ввода параметров МВ i – МВ к связаны со шкафом управления и мониторинга трансформаторного оборудования (шкаф УМТ) и др. системы и элементы автоматизации;

• •    управление коммутирующими устройства У 2i – У 2j и другими элементами оборудования подстанции с помощью модулей ввода/вывода контактных сигналов МВВ i осуществляется со шкафа УМТ и др.

• 2.    средний уровень со шкафами автоматизации:

• •    шкаф УМТ на базе контроллеров;

• •    шкаф КПВВ;

• •    шкаф МЭВ и др.

• 3.    верхний уровень с системами и элементами автоматизации:

• •    шкаф автоматизированного рабочего места системы управления и мониторинга (шкаф АРМ СУМ), при этом в его состав входит автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора;

Рис. 1. Блок-схема многоуровневой мини-АСКУ подстанции

• •    центральный пульт управления на базе сервера с АРМ диспетчера;

• •    персональные компьютеры ПК 2i ,…, ПК 2k в сети Ethernet для доступа к параметрам миниАСКУ подстанции главным специалистам энергосистем;

• •    персональные компьютеры ПК 1i ,…, ПК 1k в сети Internet для удалённого доступа к основной информации мини-АСКУ подстанции и др.

В мини-АСКУ подстанции используется интеграция различных сетей, например, на базе RS-485, локальной вычислительной сети в виде сети Ethernet, волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) и др. При выборе структуры АСМ разрядов атмосферного электричества необходимо учитывать современные типы АСМ. Если рассматривать АСМ применительно к подстанциям (см. рис. 1), то в качестве энергообъектов может быть оборудование О1 (трансформаторы, автотрансформаторы, шунтирующие реакторы), элегазовые выключатели как О2, маслобаки систем охлаждения, теплообменники и др. Основные особенности типовых АСМ следующие.

• 1.    Первый тип этих систем по аналогии с мини-АСКУ подстанции является 3-х уровневым [4] и имеет следующие особенности (рис. 2):

• •    нижний уровень содержит: датчики, осуществляющие непрерывно или с минимальным интервалом усреднения измерение параметров энергообъектов по точкам учета;

• •    средний уровень содержит: контроллеры (специализированные измерительные системы или многофункциональные) со встроенным программным обеспечением с учётом решения задач автоматизированного мониторинга, осуществляющие сбор измерительных данных с распределенных датчиков, обработку и передачу этих данных на верхний уровень;

• •    верхний уровень содержит ПК со специализированным программным обеспечением и осуществляет сбор информации с контроллеров среднего уровня, обработку этой информации, как по точкам учета, так и по группам измеряемых параметров, отображение, документирование данных для анализа и управления и др.

• 2.    Следующие типы АСМ являются 2-х уровневыми (рис. 3), т.е. из первого типа АСМ можно получить двухуровневую структуру на основе применения «интеллектуальных» датчиков и/или «интеллектуальных» измерительных приборов, например, типа электросчётчиков (рис. 3а). Другой случай связан с расположением контроллера в ПК (рис. 3б), т.е. компьютер дополнительно комплектуется специальными модулями сбора данных или в системах используются более упрощенные контроллеры типа концентраторов и др. В общем случае эта система трансформировалась в структуры «интеллектуальных» измерительных систем.

  

• 3.    Комбинированный тип АСМ может быть основан на базе сочетаний различных структур, представленных на рис. 2 и рис. 3, что значительно расширяет возможности этих систем.

Рис. 2. Блок-схема 3-х уровневой АСМ

Связь между нижним и средним уровнем этой системы осуществляется на основе измерительных каналов, например, от фидера через измерительные преобразователи и двухпроводную линию связи с контроллером. Верхний уровень связан с нижним соответствующим каналом связи, в качестве которого могут использоваться проводные или беспроводные линии связи, телефонные каналы и др. Передача данных по этим каналам возможна по стандартным интерфейсам связи типа RS-485, сети Ethernet и т.п., причём с определенным протоколам обмена стандартным или специализированным (от производителя).

б

Рис. 3. Блок-схемы 2-х уровневых АСМ с использованием «интеллектуальных» датчиков (а) или ПК с платой контроллера (б)

Для разработки АСМ разрядов атмосферного электричества использовались результаты математического моделирования распределённых молниеприёмников в виде стержневых (СМ) или тросовых молниеотводов (ТМ). Исследования осуществлялись по схемам для моделирования на основе метода инверсии для полубеско-нечных сред (МИПС) [5]. Схема модели подстанции представлялась в виде территории В 0 с размерами l 1 x l 2 и с некоторыми объектами на ней от x 11 до x 34 (в виде агрегатированных устройств подстанции).

АБ - АБ

Рис. 4. Схема для вычислительных экспериментов с применением СМ: а – расчетная область В ⁰ 1 ( x,z ); б – объекты от x 11 до x 34 на В 0

За основу для оценки напряжённости поля относительно молниеприёмников традиционных способов молниезащит была принята схема, в которой в вертикальной плоскости между поверхностью земли G ( x, y ) и облаком V ( x,y ) находятся молниеприёмники, как в [6] или агрегати-рованные устройства подстанции. Схема расположения молниеприёмников СМ на защищаемой территории В 0 подстанции с расположенными объектами с учётом их максимальной высоты h показана на рис. 4. Следует отметить, что в схеме для СМ вместо стержневых могут быть установлены молниеотводы активного типа [7, 8].

Схема расположения молниеприёмников ТМ на защищаемой территории В 0 подстанции с расположенными объектами с учётом их максимальной высоты h показана на рис. 5. Основное отличие схемы на рис. 5 от схемы для СМ заключается в том, что тросовые молниеотводы проходят непосредственно над объектами, причём их проекции на горизонтальную поверхность земли имеют вид параллельных линий и в связи с этим мачтовые крепления находятся по периметру этих объектов с внешней их стороны.

СС - СС

Рис. 5. Схема для вычислительных экспериментов с применением ТМ: а – расчетная область В 1 ( x,z ); б – объекты от x 11 до x 34 на В 0

При численных расчётах распределённых СМ установлено, что при увеличении высоты СМ H^*_m (в относительных величинах к h ) в пределах до 1,36 раза максимальная напряженность поля E_mэ^* на их верхних концах увеличивается, причём на объектах подстанции в их верхних угловых зонах напряженность E mi снижается, что важно учитывать для этих типов систем молние-защит [9]. Типовые результаты расчета для схемы с СМ в расчётной области В ⁰ 1 ( x,z ) (см. рис. 4)

для объектов подстанции ( х 11 – х 14 ) показаны на рис.6 в виде поверхностей равных напряженностей поля (уравнения Е_i = const).

Рис. 6. Типовые результаты расчета электрических полей для схемы с СМ в виде уравнений Е_i =const при H^*=H_m/h =1,22

При исследованиях распределённых ТМ установлено, что при увеличении высоты подвеса этих молниеотводов H^* m в пределах до 1,36 раза относительно базовой высоты максимальная напряженность поля E_mn^* на тросовых молниеотводах увеличивается в среднем 1,52 раза, однако на объектах подстанции в их верхних угловых зонах величины напряженности E_mi также пропорционально увеличиваются [10]. Типовые результаты расчета для схемы с ТМ в исследуемой области В 1 ( x,z ) (см. рис. 5) для объектов подстанции ( х 11 – х 14 ) показаны на рис. 7 в виде уравнений Е i = const.

Рис. 7. Типовые результаты расчета электрических полей для схемы с ТМ в виде уравнений Е i =const при H^* m =H m /h =1,22

Сравнительный анализ полученных результатов численных расчётов для распределенных систем молниезащит в виде молниеприём-ников СМ и ТМ типов показал, что при всех одинаковых условиях для этих вариантов максимальная напряжённость поля Emn* наблюдается на тросовых молниеприёмниках, причём она выше в среднем в 1,38 раза (например, с высотой подвеса H*m=1,22), чем в случае для напряженности Emэ* для СМ [11]. Однако при использовании молниеприёмников ТМ с увеличением их высоты подвеса увеличивается напряжённость поля на объектах подстанции в их верхних угловых зонах, т.е. для этих систем молниезащит имеется оптимум в соотношениях высот подвеса ТМ и высот h объектов подстанции. Таким образом, каждый элемент системы молниезащиты типа СМ или ТМ должен быть снабжен измерительной схемой (ИС) разрядов атмосферного электричества.

Для АСМ разрядов атмосферного электричества к элементам СМ (см. рис. 4) или мачтовым креплениям ТМ систем молниезащит (см. рис. 5) подключается одна из возможных ИС, например, [12]. Также за основу ИС можно принять известное устройство, которое используется в электроэнергетике для присоединения к измерительным отводам высоковольтных вводов. По назначению – это устройство обеспечивает безопасное функционирование систем контроля параметров высоковольтных вводов трансформаторного оборудования (см. рис. 1). Это устройство для систем молниезащит может различаться конструкцией переходного узла в отличие от устройств для присоединения к измерительным отводам высоковольтных вводов (возможна доработка при комплектации) с учётом подключения к СМ или мачтовым креплениям ТМ систем молниезащит. В цепь измеряемого тока включается измерительный трансформатор тока, который может быть расположен вблизи молниепри-ёмников.

Блок-схема АСМ разрядов атмосферного электричества комбинированного типа показана на рис. 8. Основные особенности АСМ с учётом схемы для пяти СМ (см. рис. 4) следующие: - нижний уровень содержит устройства подключения к молниеотводам (измерительные схемы) ИС1 – ИС5 для непрерывного измерения параметров в распределённых элементах молниеза-щит по точкам учета с целью мониторинга атмосферных электрических разрядов в окрестностях подстанции;

• -    средний уровень содержит контроллеры в виде модулей аналогового ввода для сигналов с высоким напряжением (КМ1 – КМ5), связанных с контроллером универсального типа I-7188 EX (КСУ), расположенного в шкафу УМТ;

• -    верхний уровень включает шкаф АРМ системы управления и мониторинга (шкаф АРМ СУМ) с учётом АРМ оператора со специализированным программным обеспечением для ПК с возможностью выполнения сбора информации с контроллеров среднего уровня типа модулей аналогового ввода для сигналов с высоким напряжением и I-7188 EX, обработку этой информации, как по точкам учета, так и по их группам, отображение, документирование данных учета в виде удобном для анализа и принятия решений и др.

Выводы: для анализа особенностей и выбора основных схем расположения молниепри-ёмников типа СМ и ТМ систем молниезащит на некоторой территории В0 в виде подстанции с энергообъектами и с учётом их максимальной высоты h необходимо определять максимальные величины напряженности поля, возникающие как на молниеприёмных частях молниеотводов в виде стержней или тросов, так и на исследуемых энергообъектах. Эти расчёты позволят оценить возможные точки удара молнии на основе анализа картины распределения напряженности поля относительно исследуемых объектов управления. Для анализа грозовой активности, особенно проявляющейся в ударах молнии в пределах подстанции, возможно применять структуру системы мониторинга разрядов атмосферного электричества, представленную в виде блок-схемы.

RS-485

Рис. 8. Блок-схема АСМ разрядов атмосферного электричества