Допустимые напряжения на защищаемой изоляции

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.

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.