К ВОПРОСУ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ РАСЧЕТА НОРМИРУЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ ДЕЙСТВУЮЩИХ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК

In the paper, factors having effect on computation accuracy of ground grid rated parameters are analyzed. Directions and techniques for increasing the rated parameter computation accuracy are suggested. The techniques consist in improvement of both experimental and computational stages of electromagnetic diagnostics of the ground system condition.В работе проанализированы факторы, влияющие на точность расчета нормируемых параметров заземляющих устройств. Были выработаны направления и предложены способы для повышения точности расчетов нормированных параметров заземляющих устройств, заключающиеся в усовершенствовании как экспериментального, так и расчетного этапов электромагнитной диагностики состояния системы заземления.В роботі проаналізовано фактори, які впливають на точність розрахунку нормованих параметрів заземлювальних пристроїв діючих електроустановок. Були розроблені та запропоновані напрями для підвищення точності розрахунку нормованих параметрів заземлювальних пристроїв, які полягають у вдосконаленні як експериментального, так і розрахункового етапів електромагнітної діагностики стану систем заземлення

Method of integro-differential equations for interpreting the results of vertical electrical sounding of the soil

The paper is devoted to the problem of determining the geoelectric structure of the soil within the procedure of testing the grounding arrangements of existing power plants and substations to the required depth in conditions of dense development. To solve the problem, it was proposed to use the Schlumbergers method , which has a greater sounding depth compared to the Wenner electrode array. The purpose of the work is to develop a mathematical model for interpreting the results of soil sounding by the Schlumberger method in the form of a four-layer geoelectric structure. Methodology. To construct a mathematical model, it is proposed to use the solution of a particular problem about the field of a point current source, which, like the observation point, is located in the first layer of a four-layer soil. Based on this expressions, a system of linear algebraic equations of the 7-th order with respect to the unknown coefficients ai and bi was compiled. On the basis of its analytical solution, an expression for the potential of the electric field was obtained for conducting VES (the point current source and the observation point are located only on the soil surface). Results. Comparison of the results of soil sounding by the Schlumberger installation and the interpretation of its results for the same points shows a sufficient degree of approximation: the maximum relative error does not exceed 9.7 % (for the second point), and the average relative error is 3.6 %. Originality. Based on the obtained expression, a test version of the program was implemented in Visual Basic for Applications to interpret the results of VES by the Schlumberger method. To check the obtained expressions, the interpretation of the VES results was carried out on the territory of a 150 kV substation of one of the mining and processing plants in the city of Kriviy Rih. Practical significance. The developed mathematical model will make it possible to increase the sounding depth, and, consequently, the accuracy of determining the standardized parameters of the grounding arrangements of power stations and substations.Робота присвячена проблематиці визначення геоелектричної структури ґрунту в межах випробування заземлювальних пристроїв діючих електричних станцій та підстанцій на необхідну глибину в умовах щільної забудови. Для вирішення проблеми запропоновано використати установку Шлюмберже, яка має більшу глибину зондування у порівнянні з установкою Веннера. За допомогою методів інтегро-диференційних рівнянь було отримано аналітичні вирази для інтерпретації результатів зондування ґрунту установкою Шлюмберже у випадку чотиришарового ґрунту. Для перевірки отриманих виразів була проведена інтерпретація результатів вертикального електричного зондування на території підстанції 150 кВ одного з гірничо-збагачувальних комбінатів: максимальна відносна похибка не перевищує 9,7 %, а середня – 3,6 %

Determination of the scope of the experimental-calculation method for measuring the touch voltage

The work is devoted to the improvement of methods for determining the normalized parameters of the grounding system (GS) of operating power stations and substations. The aim of the work is determination of the scope of the experimental-calculated method for measuring the touch voltage, depending on short-circuit (SC) current value for the given dimensions of the GS and the type of soil. Methodology. The study analyzed the non-linear effect of the SC current value on the touch voltage, taking into account such factors as the GS size and the soil type. The calculation used statistical data on the GS size and the characteristics of the soil obtained by monitoring the GS state of 585 operating electrical substations with a voltage class of 110-750 kV using the induction method and the method of vertical soil sounding, respectively. For the calculation, a mathematical model of a non-equipotential GS located in a three-layer semiconductor space with plane-parallel boundaries was used, this model was developed using the method of integro-differential equations. Results. To determine the scope of the method, in this work it is proposed to use the linearity criterion, which is determined due to the ratio of the constant of reduced touch voltage to the current value. The example shows the method for determining the threshold minimum and maximum values of the measuring current of the soil, in the range between which the measurements by experimental-calculated methods are impossible. A table of threshold current values has been formed and recommendations have been developed on the possibility of using experimental-measuring methods for determining the touch voltage depending on the GS size and soil characteristics.Метою роботи є визначення області застосування експериментально-розрахункового методу вимірювання напруги дотику в залежності від значення струму короткого замикання для заданих розмірів заземлювального пристрою (ЗП) та типу ґрунту. В дослідженні було проаналізовано нелінійний вплив величини струму КЗ на напругу дотику з урахуванням таких факторів як розмір ЗП та тип ґрунту. Для розрахунку була використана математична модель нееквіпотенційного ЗП, розташованого у тришаровому напівпровідному просторі з плоско-паралельними границями поділу, що була розроблена за допомогою методу інтегро-диференційних рівнянь. Для визначення області застосування методу в роботі запропоновано використовувати критерій лінійності, який визначається через відношення сталої приведеної напруги дотику до поточного значення. Сформовано таблицю значень порогових струмів та розроблено рекомендації щодо можливості використання експериментально-вимірювальних методів визначення напруги дотику в залежності від розміру ЗП та характеристик ґрунту

ПРОГРАМА ДЛЯ ІНТЕРПРЕТАЦІЇ РЕЗУЛЬТАТІВ ВЕРТИКАЛЬНОГО ЕЛЕКТРИЧНОГО ЗОНДУВАННЯ «VEZ-4A»

Purpose. Creating a computer program for interpreting the results of vertical sounding the soil in the form of multilayer model most typical for Ukraine. Methodology. The algorithm of the program is constructed on determination the soil structure with the help of the method of point source current, method of analogy and method of equivalent. The option of automatic interpretation based on Hook-Jeeves method. The program is implemented in the programming language Delphi. Results. The computer program «VEZ-4A» has a possibility of the  interactive and automatic interpretation sounding results in the multi-layered geoelectrical model. Originality. In first time the computer program for analyzing and interpreting results of the soil sounding by Wenner configuration was created on the base of the analytical solution for field of current point source located in four-, three- or two-layer structure. In paper the review is presented and basic functions of our program are analyzed. Practical value. The program «VEZ-4A» is created and adapted for use in the electromagnetic diagnostics of grounding of existing power plants and substations.В роботі було запропоновано алгоритм роботи програми для інтерпретації результатів вертикального електричного зондування ґрунту в рамках діагностики стану заземлювальних пристроїв. Математичний апарат для реалізації алгоритму побудовано на базі методів точкового джерела струму, найменших квадратів, Хука-Дживса та еквівалентування. Наведено огляд та основні функції розробленої програми

Determination of the electric field strength of high-voltage substations

The electric field strength is one of the main factors influencing sensitive microprocessor equipment and personnel on power stations and substations, power lines. Determining its level is an important applied task for ensuring the safe operation of electrical installations. The aim is to develop calculation relationships for determining the electric field strength created by the busbar of high-voltage substations in the working areas of personnel. The solution of the problem was based on the use of the method of equivalent charges to determine the strength of the electric field created by the complex busbar of high-voltage substations. Methodology. The development was based on solving the problem of the potential of the electric field of a point charge located in a dielectric half-space for a cylindrical coordinate system. By representing the electrode in the form of a set of point charges and subsequent integration, an expression for calculating the potential is obtained, created by a busbar of arbitrary orientation of finite length in an analytical form. Using the principle of superposition of fields and the definition of the derivative, expressions were obtained for calculating the vertical component of the electric field strength at given heights. Results. Based on the obtained expressions, using Visual Basic, the simulation of the distribution of the electric field strength under a three-phase power line with a voltage of 150 kV was performed. Comparison with the known calculation results obtained on the basis of analytical expressions for infinitely long conductors showed that the obtained expressions have an error of no more than 7%. The scientific novelty lies in the fact that for the first time expressions were obtained for determining the electric field strength created by a system of electrodes of finite length, based on the analytical method for solving differential equations. Practical significance. The proposed technique is implemented as a test module of the LiGro specialized software package, which allows modeling complex busbar systems typical for power stations and substations and power lines. A test calculation was carried out for an operating substation of regional electric networks with a voltage class of 110 kV. By comparing the duration of the calculation of switchgears with a diagonal of about 500 m, it was found that the calculation time in the LiGro complex based on the analytical method is several tens of times less than the calculation based on the finite element method. In addition, a more powerful computer was used for the end element simulation.В електричних станціях та підстанціях, лініях електропередачі напруженість електричного поля є одним з головних факторів впливу на чутливе мікропроцесорне обладнання та персонал. Визначення її рівня є важливою прикладною задачею для забезпечення безпечної експлуатації електроустановок. Мета роботи – розробка розрахункових співвідношень для визначення напруженості електричного поля, що створюється ошиновкою високовольтних підстанцій в робочих зонах персоналу. Розв'язання задачі базувалося на використанні методу еквівалентних зарядів для визначення напруженості електричного поля, створюваного складною ошиновкою високовольтних підстанцій. Методика. В основу розробки покладено розв’язання задачі про потенціал електричного поля точкового заряду, розташованого в діелектричному наппівпросторі, для циліндричної системи координат. Шляхом представлення електроду у вигляді множини точкових зарядів та подальшого інтегрування отримано вираз для розрахунку потенціалу, що створений ошиновкою довільної орієнтації кінцевої довжини в аналітичному вигляді. Використовуючи принцип суперпозиції полів і визначення похідної, отримано вирази для розрахунку вертикальної складової напруженості електричного поля на заданих висотах. Результати. На основі отриманих виразів за допомогою Visual Basic виконано моделювання розподілу напруженості електричного поля під трифазною лінією електропередачі напругою 150 кВ. Порівняння з відомими результатами розрахунків, отриманими на основі аналітичних виразів для нескінченно довгих провідників, показало, що отримані вирази мають похибку не більше 7%. Наукова новизна полягає в тому, що вперше отримано вирази для визначення напруженості електричного поля, створюваного системою електродів скінченної довжини, на основі аналітичного методу розв’язування диференціальних рівнянь. Практична значимість. Запропонований спосіб реалізовано у вигляді тестового модулю спеціалізованого програмного комплексу LiGro, що дозволяє виконувати моделювання складних систем ошиновок, характерних для електричних станцій та підстанцій і ліній електропередачі. Виконано тестовий розрахунок для діючої підстанції регіональних електричних мереж класом напруги 110 кВ. Шляхом порівняння тривалості розрахунку розподільчих пристроїв з діагоналлю близько 500 м встановлено, що час розрахунку в комплексі LiGro на основі аналітичного методу в декілька десятків разів менший, ніж розрахунок на основі методу кінцевих елементів. Крім того, для моделювання методом кінцевих елементів використовувався комп’ютер з більш потужними характеристиками

ANALYSIS OF METHODS FOR MONITORING OF EXISTING ENERGY OBJECTS GROUNDING DEVICES STATE AT THE PRESENT STAGE

Purpose. The purpose of the work is to analyze the modern methods of control and determine the most effective ones for monitoring the state of grounding of existing energy objects in operation. Methodology. The analysis of the methods was carried on the basis of comparison the experimental and calculation methods for determining the rated parameters of the grounding of existing energy objects. Results. Significant imperfections of measurements of the rated parameters of the grounding with different methods and devices was established. It has been shown that the electromagnetic diagnostics is the most complete, which allows to comprehensively assess the current state of the grounding and establish the resistance of the grounding, the voltage on it, the touch voltage and the resistance of the contact joints. The deficiencies of electromagnetic diagnostics are established at the present stage and further directions of its perfection are determined. Originality. For the first time the comparative analysis of existing methods for monitoring the state of the grounding and directions for improving electromagnetic diagnostics was made. Practical value. The obtained results allow to choose the optimum method for monitoring the state of the grounding. Elimination of the revealed drawbacks of the method of electromagnetic diagnostics will improve the accuracy of the determination of rated parameters

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ОБҐРУНТУВАННЯ МЕТОДИКИ РОЗРАХУНКУ НОРМОВАНИХ ПАРАМЕТРІВ ЗАЗЕМЛЮВАЛЬНОГО ПРИСТРОЮ НА ОСНОВІ ТРИШАРОВОЇ МОДЕЛІ ҐРУНТУ

Purpose. Experimental substantiation of the possibility of using the calculation procedure of normalized parameters grounding devices on the basis of a three-layer model soil. Methodology. The research was based on comparison of the results of experimental measurements for the existing high voltage energy facilities of Ukraine with the results of the calculation. Results. Comparison showed that the average error decreased from 18 % for the two-layer model to 10 % for the three-layer model. The analysis of the calculated and experimentally determined values of the touch voltage showed a high degree of coincidence. Originality. The adequacy of the calculation procedure of the normalized parameters of the grounding device for model with three-layer soil is substantiated by the results of experimental research on the existing energy objects. Practical value. The obtained results allow us to use calculation procedure to create software to determine with increased accuracy the normalized parameters of grounding device located in three-layer soils.Проведено аналіз можливості застосування розробленої методики визначення нормованих параметрів заземлювального пристрою, розташованого в тришаровому ґрунті, шляхом порівняння результатів експериментальних вимірів з розрахунковими значеннями для діючих високовольтних підстанцій України. Показано, що середня похибка розрахунку значення опору заземлювального пристрою знизилася з 18 % для двошарової моделі ґрунту до менше 10 % для тришарової моделі. Порівняння розрахункових та експериментально визначених значень напруги дотику показало високу ступінь їх співпадіння

Simulation of electromagnetic processes in the grounding system with a short circuit in the operating high-voltage substation

The aim of the work is a test of the developed mathematical model of electromagnetic processes of short circuit and approbation of the created software complex «LiGro» on its basis for the existing grounding system located in three-layer soil. Methodology. To improve the accuracy of calculating the normalized parameters of operating power stations and substations, the authors developed the «LiGro» software package based on the expressions obtained in for calculating the potential of the electric field of a non-equipotential grounding system (GS). To monitor the state and assess the efficiency of the GS of operating power facilities, the electromagnetic diagnostics is used. The topology of the GS was determined with the induction method by complex KNTR-1, the geoelectric structure of the soil was determined by the method of vertical electrical sounding using the Wenner installation, the interpretation of the sounding results was made by the «VEZ-4A» program. The calculation results show that for the selected substation, the model developed in the «LiGro» complex has a deviation δ2 from the experimental values Ut by an average of 8,2 %, and the model implemented in Grounding 1.0 (IEEE model) δ1 is 17,2 %. Originality. The results of the study confirm the adequacy of the developed GS model in the «LiGro» complex based on a three-layer soil model, with the experimental values of the touch voltage obtained by simulating a single-phase ground fault on a real GS in operation. The first time was made approbation of the «LiGro» software package when performing the EMD of the GS of an operating substation with a voltage class of 150 kV. Practical significance. The program software can be used by special measuring’s laboratory to determining electrical safety parameters: touch voltage, GS voltage, and GS resistance. Метою роботи є перевірка розробленої математичної моделі електромагнітних процесів короткого замикання та апробація створеного програмного комплексу «LiGro на її основі для існуючого заземлювального пристрою (ЗП), який розташовано в тришаровому ґрунті. Перевірка практичного застосування була виконана на діючий підстанції класом напруги 150 кВ з використанням вдосконаленої методики електромагнітної діагностики. Топологія ЗП була визначена індукційним методом за допомогою приладу KNTR-1, параметри ґрунту визначені чотириелектродною симетричною установкою за схемою Веннера методом вертикального електричного зондування, інтерпретація результатів зондування виконана спеціалізованою програмою VEZ-4A. Результати порівняння розрахунку показують, що для обраної підстанції модель розроблена в комплексі LiGro має відхилення від експериментальних значень в середньому на 8,2 %, а модель реалізована в Grounding 1.0 (IEEE model) – 17,2 %. Виконано розрахунок нормованих параметрів ЗП в режимі короткого замикання: напругу дотику, опір ЗП та напругу на ЗП. Встановлено, що вони не перевищують допустимого значення. Проаналізовано переваги розрахункового комплексу у порівнянні з аналогами. Отримані результати дозволяють виконати повномасштабне впровадження програмного комплексу в діагностику стану ЗП.&nbsp

ВИЗНАЧЕННЯ НАПРЯМКУ РЕКОНСТРУКЦІЇ ЗАЗЕМЛЮВАЛЬНОГО ПРИСТРОЮ

Purpose. In paper the most efficient and economical way for bringing the grounding system of power facilities into compliance with requirements of normative parameters was determined. Methodology. The determination was based on the comparison of the calculated values of touch voltage and length of additional electrodes for reconstruction of grounding system by two ways. To calculate the software based on the method of point current source which located in the three-layer soil, method guidance potential, Gauss method and the method of ordinary least squares was used. Results. For three possible cases amount of material and labor costs for the reconstruction and modernization of the grounding system while maintaining the equipotent grounding system and allowable touch voltage was defined. Originality. For the first time the effectiveness the reconstruction of grounding system for requirements of touch voltage, not to her of resistance, both in terms of electrical safety and in terms of material and labor costs proved. Practical value. The implementation of results saves a national scale funds for modernization and reconstruction of existing grounding systems of power facilities.На основі розрахункових експериментів проаналізовано можливі випадки невідповідності заземлювальних пристроїв нормативним вимогам та способи їх реконструкції за вимогами до напруги дотику та опору. Визначено ефективність вказаних напрямків реконструкції як з точки зору електробезпеки, так і матеріально-трудових витрат

Determination of the scope of the experimental-calculation method for measuring the touch voltage

The work is devoted to the improvement of methods for determining the normalized parameters of the grounding system (GS) of operating power stations and substations. The aim of the work is determination of the scope of the experimental-calculated method for measuring the touch voltage, depending on short-circuit (SC) current value for the given dimensions of the GS and the type of soil. Methodology. The study analyzed the non-linear effect of the SC current value on the touch voltage, taking into account such factors as the GS size and the soil type. The calculation used statistical data on the GS size and the characteristics of the soil obtained by monitoring the GS state of 585 operating electrical substations with a voltage class of 110-750 kV using the induction method and the method of vertical soil sounding, respectively. For the calculation, a mathematical model of a non-equipotential GS located in a three-layer semiconductor space with plane-parallel boundaries was used, this model was developed using the method of integro-differential equations. Results. To determine the scope of the method, in this work it is proposed to use the linearity criterion, which is determined due to the ratio of the constant of reduced touch voltage to the current value. The example shows the method for determining the threshold minimum and maximum values of the measuring current of the soil, in the range between which the measurements by experimental-calculated methods are impossible. A table of threshold current values has been formed and recommendations have been developed on the possibility of using experimental-measuring methods for determining the touch voltage depending on the GS size and soil characteristics