Эффективность грозозащиты подстанции

Показателем эффективности защиты подстанции (грозоупорности) служит число лет безаварийной работы

.                                          (4.54)

Здесь  определяется по (4.41), а  (среднегодовое число опасных импульсов, приходящих на подстанцию по воздушным ЛЭП) находится по формуле

.                 (4.55)

Суммирование в (4.55) проводится по всем подходящим к подстанции воздушным ЛЭП. Обозначения параметров в (4.55) соответствуют обозначениям предыдущих разделов. Следует иметь в виду, что поскольку на подходах к подстанции осуществляются меры по повышению их молниезащищенности, то вероятности Р _α и Р _оп отличаются от значений, полученных для основной части линии.

Расчетные значения Т современных подстанций большей частью на порядок превышают сроки службы основного электрооборудования и составляют ориентировочно несколько сотен лет.

Точность расчета параметров грозоупорности различных объектов по описанным выше методикам невысока. Однако результаты таких расчетов позволяют достаточно объективно сравнивать различные варианты молниезащиты и тем самым оптимизировать их конструктивное
исполнение.

4.12. Особенности молниезащиты подстанций и станций
различного номинального напряжения

На подстанциях до 110 кВ включительно и на подстанциях
150–220 кВ, где установлены трансформаторы с повышенным уровнем изоляции, место установки вентильных разрядников выбирается таким образом, чтобы обеспечить защиту всего оборудования минимальным их числом (по одному комплекту на каждую систему шин). При этом допускается наличие коммутационных аппаратов между разрядниками и трансформаторами, поскольку уровень изоляции трансформаторов выше возможной кратности большинства коммутационных перенапряжений.

Между вентильными разрядниками и трансформаторами 220 кВ с основным уровнем изоляции, а также автотрансформаторами, трансформаторами и шунтирующими реакторами 330–750 кВ установка коммутационных аппаратов не допускается, так как в этих случаях на разрядники возлагается задача ограничения коммутационных перенапряжений.

Оборудование подстанций 330–500 кВ рекомендуется защищать не менее чем двумя комплектами вентильных разрядников, а 750–1150 кВ – тремя комплектами для уменьшения тока через каждый вентильный разрядник и остающегося напряжения на разряднике. Это условие почти всегда выполняется в связи с необходимостью установки разрядников для защиты каждого трансформатора и реактора по условию отсутствия коммутационных аппаратов между разрядником и защищаемым объектом.

В линиях СВН в отличие от линий номинального напряжения до 220 кВ включительно применяют защиту от коммутационных перенапряжений с помощью комбинированных вентильных разрядников РВМК или ОПН. Разрядники РВМК и ОПН защищают конец линии вместе с компенсирующими реакторами и устанавливаются обычно в ячейке реактора.

Рис. 4.11. Упрощенные схемы защиты комплектных подстанций, присоединенных с помощью отпаек к транзитным линиям без тросов: а –расстояние от трансформатора до линии 5–10 м; б – то же 50–200 м; в –то же более 200 м

При возникновении грозовых импульсов на вводах трансформатора с изолированной или разземленной (с целью уменьшения токов короткого замыкания) нейтралью в его обмотках развиваются колебания, которые могут привести к значительному повышению напряжения на нейтрали. Для защиты изоляции нейтрали от таких перенапряжений в нейтраль может быть включен вентильный разрядник с номинальным напряжением на класс ниже, чем класс трансформатора.

Если аппараты находятся от разрядника на небольшом расстоянии (), то необходимость в ограничении крутизны набегающего импульса отпадает. Такая ситуация складывается на небольших подстанциях (в частности, на комплектных подстанциях 35–220 кВ), которые часто присоединены к транзитным линиям с помощью отпаек (рис. 4.11). Задача состоит в том, чтобы не допустить близких от вентильных разрядников ударов молнии, способных привести к повреждению самого разрядника. При отсутствии тросов на линии (линии на деревянных опорах) необходимо, чтобы каждый грозовой импульс при распространении к подстанции прошел мимо двух трубчатых разрядников, которые отводят значительную часть тока молнии в землю. Ближайший к подстанции пролет желательно защитить тросом. Если транзитная линия защищена тросом, то отпайка также защищается тросом по всей длине и установка трубчатых разрядников не требуется.

Еще более просто выполняется защита от набегающих волн в распределительных устройствах 3–10 кВ. Воздушные линии такого номинального напряжения реже поражаются молнией, так как имеют небольшую высоту и часто проходят по застроенной местности, что обеспечивает их хорошее экранирование от поражений молнией. Эффективной мерой в этом случае может служить вынос дополнительного комплекта разрядников на линию (рис. 4.12). Подключение дополнительных разрядников на подстанции рядом с основными может оказаться недостаточно эффективным, поскольку даже небольшое различие в их вольт-амперных характеристиках приводит к резко неравномерному распределению токов между разрядниками. Чтобы дополнительные разрядники работали эффективно, их подключают обычно за один – два пролета до подстанции. Индуктивность этого участка линии создает подъем напряжения на первом по ходу волны разряднике, что повышает надежность его срабатывания. При выборе расстояния между разрядниками следует учитывать, что чрезмерно большое расстояние увеличивает опасность разряда молнии в пролеты линии между разрядниками, а при небольших расстояниях возрастает опасность отказа срабатывания разрядника, вынесенного на линию. Оптимальные условия расстановки соответствуют удалению разрядников друг от друга на расстояние 150–300 м.

Рис. 4.12. Схема защиты подстанций 3–10 кВ

На электрических станциях в качестве генераторов используются электрические машины. При выпуске с завода изоляция электрических машин обладает прочностью, в несколько раз превышающей наибольшее рабочее напряжение, а коэффициент импульса ее составляет 1,3–1,6. Однако в процессе эксплуатации электрическая прочность изоляции резко снижается из-за вибрации и электродинамических воздействий при коротких замыканиях, а также испарения пропитывающих веществ. Коэффициент импульса снижается до 0,7–1. Допустимое напряжение на главной изоляции машин, бывших в эксплуатации, можно оценить как U _доп» 2,3 U _ном.

Помимо ограничения напряжения на вводе машины схемой молниезащиты должно быть предусмотрено ограничение напряжения на нейтрали и ограничение крутизны падающего импульса с целью защиты продольной изоляции машины.

Для генераторов, соединенных с воздушными линиями через трансформаторы, обычно не требуется никакая дополнительная защита от грозовых перенапряжений и на генераторном напряжении вентильные разрядники могут не устанавливаться.

Молниезащита электрических машин, присоединенных к воздушным линиям, может быть успешно осуществлена с помощью вентильных разрядников при условии ограничения тока через разрядник (желательно до 1,5 кА); это необходимо для увеличения координационного интервала между остающимся напряжением разрядника и допустимым напряжением на главной изоляции машины. С этой целью применяются различные схемы защиты воздушных подходов и способы связи обмотки машины с воздушной линией (реактор, кабельная вставка).

Кроме того, для ограничения крутизны, обусловливающей напряжения на междувитковой изоляции, параллельно разряднику включается конденсатор. Ограничение крутизны до 1–2 кВ/мкс обеспечивает также слабое развитие колебаний на изолированной нейтрали обмотки.

Принципиальная схема защиты генератора, присоединенного непосредственно к воздушной линии, представлена на рис. 4.13, а. Так как линии 3–10 кВ имеют обычно одностоечные опоры и подвеска тросов удорожает стоимость линии, то подход бывает выгодно защищать отдельно стоящими стержневыми молниеотводами, что исключает также возможность обратного перекрытия. Если линия проходит по застроенной местности или рядом с другими линиями электропередачи, то установки молниеотводов не требуется, так как в этих случаях вероятность поражения линии мала. При длине подхода 500–600 м сопротивления заземления трубчатых разрядников должны быть порядка 5 Ом; если выполнить это требование невозможно, нужно установить еще один комплект трубчатых разрядников (на другой опоре). При меньших сопротивлениях заземления подход может быть короче.

Рис. 4.13. Схемы защиты электрических машин, соединенных с воздушными линиями (точками показаны стержневые молниеотводы)

Очень часто между линией и шинами генераторного напряжения имеется кабельная вставка длиной около 100 м, которая может быть использована для улучшения молниезащиты машин (рис. 4.13, б). При срабатывании разрядника РТ2, установленного в месте перехода воздушной линии в кабель, жила кабеля соединяется с оболочкой и они приобретают одинаковое напряжение относительно земли. Вследствие поверхностного эффекта ток вытесняется с жилы на оболочку кабеля. Если кабель проложен непосредственно в земле, часть тока стекает с оболочки в землю на пути к станции, а остальная часть замыкается через заземляющий контур станции. Напряжение между жилой кабеля, присоединенной к обмотке машины, и оболочкой, присоединенной к заземляющему контуру станции и корпусу машины, равно падению напряжения в активном сопротивлении оболочки кабеля, которое оказывается значительно ниже импульсной прочности машины. Схема с кабельной вставкой обладает большим уровнем грозоупорности при условии надежного срабатывания трубчатого разрядника РТ2. Это условие не всегда выполняется, так как коэффициент преломления при переходе воздушной линии в кабель примерно равен 0,1. Поэтому пробой разрядника возможен при непосредственном поражении молнией или при набегании с линии волн с максимальными значениями 400–500 кВ. Для обеспечения пробоя трубчатого разрядника его целесообразно удалить от места перехода воздушной линии в кабель на один – два пролета (разрядник РТ1 на рис. 4.13, б). Применение двух разрядников РТ1и РТ2повышает надежность схемы.

Улучшению молниезащиты способствует также реактор, включенный для ограничения токов короткого замыкания (рис. 4.13, в). Индуктивность реактора снижает крутизну напряжения на обмотке машины и повышает напряжение со стороны линии, способствуя ускоренному срабатыванию разрядника РТ2и ограничению максимального значения волны, приходящей с линии (вместо РТ2устанавливается вентильный разрядник в тех случаях, когда нельзя подобрать трубчатый разрядник, способный отключать большие токи короткого замыкания у шин станции). При одновременном использовании кабельной вставки и реактора получаются наиболее надежные схемы.

Следует заметить, что в последние годы все больше отрабатываются схемы молниезащиты на базе ОПН, которые позволяют заметно повысить надежность защиты. При этом описанные выше принципы остаются в силе.

Вопросы для самопроверки к разделу 4

1.Какого порядка величина напряжения, которое возникает на проводе ЛЭП при ударе в него типовой молнии?

2.Как можно оценить величину напряжения, возникающего на проводе линии без тросов при ударе в него молнии?

3.Какого порядка величина напряжения, возникающего на опоре воздушной ЛЭП после перекрытия изоляции провода, пораженного типовой молнией?

4.На работу каких ЛЭП оказывают наибольшее влияние индуктированные грозовые перенапряжения?

5.Какие основные способы используются для уменьшения числа грозовых отключений воздушных ЛЭП?

6.Какие воздушные ЛЭП в настоящее время сооружаются без грозозащитных тросов?

7.Как распределяются удары молнии между проводами и опорами ЛЭП без грозозащитных тросов?

8.По какому параметру молнии рассчитывается вероятность перекрытия линейной изоляции при ударе молнии в провод?

9.По каким параметрам молнии рассчитывается вероятность перекрытия линейной изоляции при ударе молнии в опору?

10. От чего зависит удельное число отключений воздушных ЛЭП?

11. Чем определяется вероятность перехода импульсного перекрытия изоляции в устойчивую дугу?

12. Для каких целей воздушные ЛЭП оборудуются грозозащитными
тросами?

13. От чего зависит вероятность прорыва молнии через тросовую защиту?

14. Чем определяется допустимое число грозовых отключений ЛЭП?

15. Каким образом осуществляется грозозащита пересечений линий высокого напряжения?

16. Какие мероприятия следует выполнять для защиты электростанций и подстанций от прямых ударов молнии?

17. Какие подстанции допускается не защищать от прямых ударов молнии?

18. Чем определяется эффективность защиты подстанции от прямых ударов молнии?

19. Как зависит максимальное напряжение на электрооборудовании станций от расстояния до защитного аппарата?

20. Что такое «интервал координации изоляции»?

21. Что представляют собой защищенные подходы к подстанции?

22. Какие задачи решают защищенные подходы к подстанции?

23. Каким показателем характеризуется эффективность грозозащиты
подстанций?

24. В чем заключаются особенности грозозащиты генераторов, присоединенных непосредственно к воздушным ЛЭП?