Determination of the electric field strength of high-voltage substations

Abstract

he 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 безпечноїексплуатаціїелектроустановок. 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.