Молниезащита в электроэнергетических системах

Молниезащита в электроэнергетических системах

Общее и допустимое число отключений воздушных линий

Годовое число отключений линии электропередачи длиной l, км, при D _г грозовых часов в году определяется как

.                               (4.39)

Исходя из условий надежности электроснабжения, допустимое число отключений воздушных линий в год часто принимают равным

,                                 (4.40)

где N _доп – допустимое число перерывов электроснабжения в год (  при отсутствии резервирования и  при наличии резервирования);  – коэффициент успешности АПВ, равный для воздушных линий 0,65–0,9. Для линий напряжением 500–1150 кВ . Для линий, не оборудованных АПВ, .

Величина N _{откл.доп} также может быть оговорена особо. Следует заметить, что допустимое число грозовых отключений линии, оборудованной АПВ, зависит от номинального напряжения, типа выключателя, отношения отключаемых токов короткого замыкания к номинальному току отключения выключателя, длины отключаемой линии. Для воздушных выключателей на напряжение 110–500 кВ допустимое число грозовых отключений составляет, в основном, от 2 до 8, для элегазовых выключателей – несколько десятков. Более частая работа выключателей осложняет их эксплуатацию (требуются внеплановые ревизии).

Для надежной работы линии электропередачи необходимо, чтобы .

С целью достижения приемлемых показателей грозоупорности линий для грунтов с различными удельными сопротивлениями нормируются следующие значения сопротивления заземления опор при промышленной частоте тока:

, Ом×м	100	100–500	500–1000	Более 1000
R, Ом	До 10	До 15	До 20	До 30

При токах молнии сопротивления сосредоточенных заземлителей получаются несколько меньше из-за искрового эффекта.

В горных районах (скальные грунты) сопротивления заземления могут получаться более высокими, чем приведенные выше, но благодаря уменьшению токов молнии по сравнению с равнинной местностью число отключений может оказаться приемлемым.

В заключение отметим, что в ряде случаев расчет грозоупорности воздушной ЛЭП целесообразнее вести в порядке, обратном изложенному выше. По допустимому числу отключений линии найти по возможности вероятность перекрытия Р _оп, затем соответствующий этой вероятности критический ток, а по нему – импульсное сопротивление заземлителя опоры R _и. На основании полученной величины R _и окончательно спроектировать заземлитель.

Параметры импульсов грозовых перенапряжений, набегающих

На подстанцию

По экономическим соображениям уровень изоляции подстанционного оборудования устанавливается ниже уровня изоляции линии. Поэтому импульсы напряжения, возникающие при ударах молнии в линию и имеющие наибольшую амплитуду, равную импульсному разрядному напряжению линейной изоляции (или установленного на подходе к подстанции защитного аппарата), представляют опасность для подстанционного электрооборудования.

Импульсы грозовых перенапряжений, набегающие на подстанцию, могут иметь разную форму. Полные импульсы, близкие по форме к импульсам тока молнии, возникают при ударах в провода линии, если их амплитуда ниже импульсного разрядного напряжения изоляции линии.

Если амплитуда тока молнии выше критического значения и при ударе в провод происходит перекрытие линейной изоляции, то образуется срезанный импульс грозового перенапряжения. Максимальное напряжение срезанного импульса определяется вольт-секундной характеристикой изоляции линии. На линиях с номинальным напряжением до 330 кВ срезанные импульсы возникают примерно в 90 % случаев. На линиях напряжением 500 кВ и выше, имеющих значительно большие импульсные разрядные напряжения изоляции, доля срезанных импульсов снижается до 50 %.

Импульсы с очень крутым (практически вертикальным) фронтом возникают при ударах молнии в опору или в трос с последующим перекрытием линейной изоляции. Длительность таких импульсов обычно мала и составляет 6–15 мкс, что объясняется отводом части тока молнии через тросы вдругие опоры.

Индуктированные импульсы напряжения, возникающие при ударах молнии вблизи линии, могут иметь разную длительность. На линиях
6–35 кВ они могут вызывать перекрытия изоляции, и тогдаих длительность уменьшается.

Распространяющийся по линии импульс напряжения деформируется и затухает. Причина деформации импульса связана с явлением замедления скорости распространения волны вдоль линии при увеличении интенсивности коронирования проводов. При увеличении напряжения в импульсе коронирование возрастает, и скорость распространения уменьшается. В результате длительность фронта импульса увеличивается. Если импульс короткий или срезанный, то импульсная корона приводит не только к удлинению фронта, но и к понижению амплитуды за счет отбора части его энергии. В случае полных импульсов влияние импульсной короны сказывается в основном на удлинении фронта и в значительно меньшей степени – на снижении амплитуды. Снижение амплитуды импульса происходит в основном за счет активных потерь при возврате тока волны по земле.

Удлинение фронта полного импульса на 1 км длины линии , мкс/км, под действием импульсной короны можно рассчитать по эмпирической формуле

,                          (4.42)

где U _max– амплитудаполного импульса, кВ; h – средняя высота подвеса проводов, м; K – коэффициент, равный 1,0; 1,1; 1,45; 1,55 при числе проводов в фазе соответственно 1, 2, 3, 4 и более.

Точная оценка надежности защиты электрооборудования подстанций от импульсов, приходящих с линий электропередачи, требует учета всех возможных сочетаний форм и амплитуд импульсов напряжений, образующихся на линии. Практика проектирования и эксплуатации показала, что в инженерных расчетах допустимо применение приближенного подхода, состоящего в следующем: принимается, чтов месте удара молнии образуется импульс напряжения бесконечной длительности с вертикальным фронтом и амплитудой, равной U _50%линейной изоляции. Снижением амплитуды импульса пренебрегают, а удлинение фронта волны в результате действия импульсной короны подсчитывают по формуле (4.42).

 

Координации изоляции

Для защиты электрооборудования станций и подстанций от набегающих с воздушных ЛЭП грозовых импульсов используют главным образом ОПН и РВ. Эти защитные аппараты (ЗА) и защищаемое оборудование находятся друг от друга по ошиновке на некотором расстоянии. В результате напряжение на оборудовании оказывается выше, чем на ЗА. Оценим максимальную разницу напряжений на оборудовании и ЗА.

Рис. 4.8. Определение максимального напряжения на защищаемом оборудовании

На высоких частотах и при коротких воздействующих импульсах входная проводимость изоляции электрооборудования определяется
в основном ее входной емкостью по отношению к земле С _вх. Поэтому при анализе грозовых перенапряжений различное электрооборудование на эквивалентных схемах представляется конденсаторами с конкретными емкостями С _вх.

Основные закономерности поведения напряжения на изоляции оборудования при воздействии набегающего грозового импульса рассмотрим на примере схемы рис. 4.8. Пусть набегаю-щий на подстанцию импульс имеет косоугольный фронт с крутизной напряжения а. Тогда в преде-лах фронта импульса его напря-жение увеличивается со временем по линейному закону

.                                         (4.43)

Для упрощения анализа примем, что С _вх = 0. Тогда импульс, прошедший точку 1, через время, равное l / v, придет в точку 2 и отразится от нее с тем же знаком. Отраженный импульс еще через время l / v вернется в точку 1 и наложится на падающий импульс. Под действием суммарного напряжения в некоторый момент времени t _р в соответствии с вольт-секундной характеристикой РВ произойдет пробой его искрового промежутка и напряжение в точке 1 снизится (рис. 4.9). Наибольшее напряжение на разряднике перед пробоем

.     (4.44)

Напряжение в точке 2 будет повышаться еще в течение времени l / v и достигнет

.           (4.45)

Лишь после этого напряжение в точке 2 снизится вследствие подключения в точке 1 нелинейного сопротивления РВ и, следовательно, изменения коэффициентов преломления и отражения в точке 1.

Рис. 4.9. Изменение напряжений в схеме на рис. 4.8

После срабатывания разрядника возникают многократные отражения волн между разрядником и объектом, причем в точке 1 отражения волн происходят с переменой знака вследствие небольшого сопротивления разрядника, в то время как от заряженной емкости (точка 2)волны отражаются с тем же знаком. Вследствие этого эффекта в точке 2 возникают осцилляции напряжения (см. рис. 4.9). Благодаря пологой вольт-амперной характеристике разрядника напряжение на нем почти не изменяется под влиянием отраженных волн. Поэтому для упрощенных расчетов можно заменить действительную форму напряжения на разряднике волной с косоугольным фронтом (пунктирная кривая на рис. 4.9) с крутизной, равной крутизне набегающей волны а, и с максимальным значением, равным остающемуся напряжению на разряднике U _ост при токе координации I _к.

Разница напряжений на защищаемом оборудовании и на разряднике составляет

.                       (4.46)

Таким образом, максимальное напряжение на защищаемом оборудовании тем больше превышает пробивное напряжение разрядника, чем дальше оно удалено от разрядника и чем выше крутизна фронта падающего импульса.

Если оборудование в схеме находится до разрядника, то картина изменения со временем напряжения на изоляции оборудования отличается от рис. 4.9. Однако вывод из (4.46) остается тем же.

Разность допустимого напряжения на защищаемом оборудовании и пробивного напряжения разрядника называется интервалом координации изоляции . Поскольку пробивное напряжение разрядника примерно равно остающемуся напряжению при токе координации, задача практически сводится к выбору интервала между остающимся напряжением разрядника или ограничителя перенапряжений и допустимым напряжением на изоляции электрооборудования подстанции. Характеристики защитных аппаратов и допустимые импульсные напряжения на изоляции оборудования U _доп связаны соотношением

.                                  (4.47)

Координационный интервал учитывает повышение напряжения на защищаемом оборудовании по отношению к напряжению на защитном аппарате. Экономически приемлемый интервал координации достигается за счет снижения крутизны набегающего грозового импульса. Допустимая крутизна импульса напряжения а _доп и расстояние l между защитным аппаратом и защищаемым оборудованием связаны соотношением

.                                  (4.48)

Если из конструктивных соображений установлено значение l, то для соблюдения координационного интервала необходимо, чтобы на входе подстанции грозовой импульс имел в соответствии с (4.48) крутизну фронта не больше допустимого значения.

Электрооборудования

При воздействии набегающего грозового импульса напряжения в схеме подстанции возникает сложный волновой процесс. Напряжения в разных точках схемы могут иметь как апериодическую, так колебательную форму.

Даже в простейших схемах расчет напряжения на изоляции электрооборудования подстанции весьма громоздок. Поэтому исследования молниезащиты подстанций проводятся на ЭВМ или на физических моделях, получивших название анализаторов молниезащиты. В этих моделях оборудование представляется сосредоточенными емкостями, ошиновка подстанции – цепочечными схемами, защитные аппараты – специальными схемами. Источником напряжения является генератор импульсных напряжений (низкого напряжения), который допускает изменение параметров импульса в широких пределах.

Задача исследования молниезащиты подстанции заключается в таком размещении ОПН или вентильных разрядников на территории подстанции, при котором напряжения во всех ее точках не превышают допустимых значений. Так как подстанции всегда защищаются с очень высокой степенью надежности, то в эксплуатации напряжения на изоляции достигают расчетных значений очень редко (не более 2–3 раз в течение времени жизни оборудования).

При изготовлении внутренняя изоляция проходит испытания полным и срезанным импульсами, причем амплитуда срезанного импульса может превосходить амплитуду полного импульса на 20–25 %. Поэтому принято допустимые напряжения на изоляции ставить в соответствие амплитудам испытательных импульсов.

Допустимое напряжение на трансформаторе по условию работы внутренней изоляции определяется по формуле

,                            (4.49)

где U _п.и – испытательное напряжение при полном импульсе для трансформаторов, испытываемых без возбуждения, кВ; U _ном – действующее значение номинального напряжения, кВ.

В эксплуатации при набегании импульса трансформатор находится под напряжением промышленной частоты, поэтому второе слагаемое в (4.49) является поправкой на возбуждение. Коэффициентом 1,1 учитывается отличие реальной формы грозового импульса от импульса испытательного напряжения, а также ограниченное число перенапряжений в течение срока службы трансформатора.

Допустимые грозовые перенапряжения для внешней изоляции (вводов, разъединителей, выключателей, конденсаторов связи) устанавливают исходя также из испытательных напряжений полным и срезанным импульсами. Допустимые напряжения изоляции U _доп должны лежать ниже ее вольт-секундной характеристики.

Сравнение допустимых уровней грозовых перенапряжений для силовых трансформаторов и защитных характеристик вентильных разрядников показывает, что интервал координации для сетей различного номинального напряжения колеблется в пределах 25–40 % пробивного напряжения вентильного разрядника. При этом в типовых схемах молниезащиты подстанций разрядник обеспечивает необходимый интервал координации при удалении от защищаемого оборудования не более чем на 30–50 м. Причем меньшие удаления соответствуют подстанциям с небольшим номинальным напряжением и разрядниками старых типов, а также тупиковым подстанциям, а большие – подстанциям с высоким номинальным напряжением и ОПН и подстанциям проходного типа.

4.10. Молниезащита подстанций от набегающих с линии
импульсов грозовых перенапряжений

Для того чтобы вентильный разрядник подстанции обеспечивал защиту ее оборудования, импульсный ток через разрядник не должен превышать тока координации. Если он превысит ток координации, то напряжение на разряднике окажется выше нормированного, что может представить опасность для изоляции оборудования. В отдельных случаях при больших токах (десятки килоампер) и многократных воздействиях защитный аппарат может выйти из строя и даже разрушиться.

Рассмотрим случай удара молнии в провод вблизи ближайшей к подстанции опоры. При достаточно большой амплитуде импульса тока молнии практически одновременно пробивается искровой промежуток разрядника и перекрывается гирлянда изоляторов на опоре. Если время возврата отраженных от опоры и разрядника грозовых импульсов много меньше длительности фронта импульса тока молнии, то в точке удара на эквивалентной схеме параллельно подсоединено волновое сопротивление линии z _к, сопротивление опоры с заземлителем z _оп и сопротивление разрядника R _РВ. Поскольку z _к значительно больше, чем z _оп и R _РВ, практически весь ток молнии I _м распределяется между опорой (I _оп) и разрядником (I _РВ). В результате имеем

                                  (4.50)

Решая систему уравнений (4.41), легко получить

.                                  (4.51)

Так сопротивление разрядника РВМГ-110 при токе координации I _к = 10 кА составляет . Тогда при токе молнии I _м = 60 кА
и сопротивлении z _оп = 10 Ом ток в разряднике будет равен 15 кА, что недопустимо.

Рассмотренный случай удара молнии является наиболее сложным в режиме работы защитного аппарата подстанции. Однако он показывает, что прямые удары молнии в провода линии вблизи подстанции необходимо исключать. Для этого участки линии длиной 1–3 км, примыкающие к подстанциям, защищаются тросовыми молниеотводами. Такие участки линии получили название защищенных подходов к подстанциям. Кроме того, из (4.51) следует, что для уменьшения тока через разрядник опоры в пределах защищенного подхода должны иметь сопротивления z _оп меньше, чем сопротивления промежуточных опор линии.

При удаленных ударах молнии в провод обычно гирлянды на нескольких ближайших к точке удара опорах перекрываются, и дальше после них к подстанции распространяется срезанный импульс с амплитудой U _50% для гирлянд изоляторов. При этом в эквивалентной схеме источник напряжения подключен к разряднику через последовательное волновое сопротивление линии z _к. В результате ток в разряднике не превышает значения U _50%/ z _к. Например, в системе 110 кВ I _РВ < 660/300 = 2,2 кА, что меньше тока координации.

Рис. 4.10. Защищенный подход к подстанции для воздушной линии: а – на деревянных опорах; б –на металлических или железобетонных опорах

На рис. 4.10, а показана схема защищенного подхода, когда подходящая к подстанции линия выполнена на деревянных опорах. Трос подвешивается только в пределах защищенного подхода. Так как на деревянных опорах от тросов к заземлителям прокладываются по стойкам токоотводящие спуски, прочность изоляции опоры относительно земли существенно снижается. В этом случае первая подтросовая опора является местом с ослабленной изоляцией и для того чтобы не ухудшить грозоупорность линии, в начале защищенного подхода на каждой фазе устанавливают трубчатые разрядники PT1 или другие защитные аппараты, которые позволяют самопроизвольно погасить дугу после импульсного грозового перекрытия и не допустить отключения линии (РВ, ОПН).В конце подхода иногда устанавливают второй комплект защитных аппаратов (РТ2),которые служат для защиты разомкнутого линейного выключателя.

Если линия выполнена на металлических или железобетонных опорах и защищена тросами по всей длине (рис. 4.10, б), то трубчатые разрядники на подходе не устанавливаются. Однако на примыкающих к подстанции участках линии особенно тщательно выполняются требования молниезащиты: снижаются сопротивления заземления опор и уменьшаются углы защиты тросов. Целью этих мероприятий является уменьшение вероятностей прорыва молнии через тросовую защиту и обратных перекрытий при ударах в опоры в пределах защищенного подхода к подстанции.

Защищенный подход выполняет еще одну важную функцию. При прохождении импульса напряжения по защищенному подходу вследствие действия импульсной короны происходит удлинение его фронта в соответствии с (4.42) и, таким образом, снижение крутизны фронта импульса, набегающего на подстанцию. Длина защищенного подхода должна быть достаточной для того, чтобы крутизна фронта импульса напряжения снизилась до значения, безопасного для оборудования подстанции. Для этого должно выполняться условие . С целью повышения надежности расчетов, как уже говорилось в подразд. 4.7, полагают, что в месте удара молнии образуется импульс напряжения бесконечной длительности с вертикальным фронтом и амплитудой, равной U _50% линейной изоляции. При таком допущении длительность фронта импульса, дошедшего до подстанции, с учетом (4.33) равна , где l _зп – длина защищенного подхода. Тогда крутизна дошедшего импульса . Из указанного выше условия

.                                   (4.52)

Из (4.52) окончательно запишем формулу для нахождения минимальной длины защищенного подхода

,                                    (4.53)

где l _зп в км, U _50% в кВ,  в кВ/мкс,  в мкс/км.

Молниезащита в электроэнергетических системах