 |
Ограничители перенапряжений
Средство повышения грозоупорности
двухцепных ВЛ 110–330 кВ
Строительство одной двухцепной воздушной линии экономически более выгодно, чем двух одноцепных. Однако опыт эксплуатации показывает, что надежность двухцепных линий ниже. Одной из причин снижения надежности являются грозовые поражения воздушных линий, при которых иногда происходит перекрытие изоляции и выход из строя сразу двух цепей. Применение подвесных ограничителей перенапряжений (ОПН) позволяет повысить надежность работы двухцепных линий.
Требования к подвесным ОПН с учетом трассы ВЛ, величины сопротивления заземления опор и возможные решения по повышению грозоупорности двухцепных ВЛ рассмотрены в материале Александра Сергеевича Зубкова.
По мнению профессора Новосибирского ГТУ Киры Пантелеймоновны Кадомской, одного из ведущих российских специалистов в области ограничения перенапряжений, эта работа может помочь проектирующим и эксплуатирующим организациям в разработке методики по выбору мест установки и параметров подвесных ОПН. Автор рассматривает новый способ повышения грозоупорности ВЛ, к которому в настоящее время обращается целый ряд стран (Япония, Швеция и другие).
Александр Зубков,
инженер, ЗАО «Феникс-88», г. Новосибирск
В большинстве случаев воздушные линии на металлических опорах оснащены одним или двумя заземленными тросами, подвешиваемыми выше фазных проводов и принимающими на себя основную часть ударов молнии. Наличие тросов не исключает появление высоких потенциалов на фазных проводах за счет обратных перекрытий с опоры на фазные провода, а также удара молнии в фазный провод. На двухцепных опорах обратное перекрытие приводит к замыканию между двумя цепями и возникновению двухфазного короткого замыкания. Очевидно, что необходимо исключить такое развитие событий.
Для повышения надежности линий электропередачи в последнее время широкое применение находят защитные аппараты типа ОПН, установленные непосредственно на опорах ВЛ [1, 2].
На кафедре техники и электрофизики высоких напряжений Новосибирского ГТУ проведена оценка перенапряжений на изоляции двухцепных ВЛ 110–330 кВ. Оценка производилась как при ударе молнии в опору или в трос, расположенный в непосредственной близости от опоры, так и при прорыве молнии сквозь тросовую защиту и поражении фазного провода. Рассматривались также прямые удары молнии в провода двухцепных ВЛ при отсутствии тросов.
Уровни перенапряжений на ВЛ,
не оснащенных ОПН
Для расчета уровней перенапряжений на изоляции ВЛ при попадании молнии в опору или в трос вблизи от опоры, при неучете ориентировки канала лидера молнии, амплитуда Iм и крутизна Iўм волны тока молнии принимались подчиненными логарифмически нормальному закону распределения [3].
С вероятностью FX(xmax) = 0,95 принималось, что амплитуда тока молнии равна Iм.max = 84 кА, крутизна фронта Iўм.max = 34 кА/мкс. Уровни перенапряжений на линейной изоляции при сопротивлении заземления опор, равном 10 Ом для ВЛ 110 кВ, 150 кВ, 200 кВ и 330 кВ, при этих параметрах волны тока молнии составляют 1100 кВ, 1280 кВ, 1600 кВ и 2140 кВ соответственно.
При таких значениях перенапряжений на ВЛ 110–150 кВ, изоляция которых выполнена на изоляторах ПС6-Б и ПС210-В, при ударе молнии в трос вблизи опор или в опоры будут иметь место обратные перекрытия с опоры на провода (реальные разрядные характеристики были предоставлены Сибирским НИИ энергетики (СибНИИЭ)). Расчеты показывают, что в случае больших значений сопротивлений заземления опор (при RЗ.И > 20 Ом) на ВЛ 220 кВ, 330 кВ прямые удары молнии в опору или в трос вблизи опоры также приведут к возникновению обратных перекрытий. Следовательно, при оценке надежности в эксплуатации двухцепных ВЛ удар молнии в опору или в трос вблизи опоры является расчетным для ВЛ всех рассматриваемых классов напряжения.
Для оценки перенапряжений на изоляции ВЛ, возникающих при прорыве молнии сквозь тросовую защиту и поражении фазного провода двухцепных ВЛ, была использована математическая модель ориентировки канала лидера молнии, предложенная Сибирским НИИ Энергетики [4, 5].
На основе этой методики были получены законы распределения амплитуд токов молний, прорвавшихся на провода ВЛ 110–330 кВ сквозь тросовую защиту. Анализ показал, что при учете ориентировки канала лидера молнии амплитуды токов молний, поражающих провод, снижаются по сравнению с амплитудами, полученными при неучете этой ориентировки.
Так, при принятой вероятности FX(xmax) = 0,95 амплитуды токов молнии составляют при попадании молнии в провод и трос Iм.max = 50 кА и 84 кА соответственно.
Следует отметить что:
- увеличение высоты подвеса проводов приводит к увеличению вероятности поражения их молнией и к возрастанию амплитуд прорвавшихся молний;
- вероятность поражения молнией фазных проводов двухцепных ВЛ с вертикальным расположением фаз в 4–10 раз превышает вероятность поражения фаз одноцепной ВЛ. Уровень амплитуд прорвавшихся волн токов молний на провода двухцепных ВЛ в 1,6 раза выше, чем на провода одноцепных ВЛ того же класса напряжения и тех же габаритов;
- при вертикальном расположении проводов на опорах двухцепных ВЛ с одним тросом чаще поражаются верхние фазы.
Проведенное исследование позволяет заключить, что изоляция фаз двухцепных ВЛ при грозовых поражениях находится в более тяжелых условиях, чем изоляция фаз одноцепных ВЛ, и поэтому требует повышенного внимания в грозовые сезоны. Напряжения на изоляции ВЛ при ударах молнии в фазные провода приведены в табл.1.
Таблица 1. Максимумы волн напряжений на изоляции ВЛ
при ударах молний в провода с учетом ориентировки канала
лидера молнии (IМ при P = 0,95)
| ВЛ, кВ | 35 | 110 | 150 | 220 | 330 |
| Zпр, Ом | 485 | 450 | 455 | 430 | 320 |
| Uизол. max, кВ | 12125 | 11250 | 10692 | 11395 | 8160 |
Несмотря на то, что уровень напряжения на изоляции ВЛ при учете ориентировки канала лидера молнии снизился, из таблицы следует, что линейная изоляция линий всех рассмотренных классов напряжения при принятой амплитуде волны тока молнии будет перекрываться.
Из сопоставления напряжений на изоляции, возникающих при поражении молнией грозозащитного троса и провода, следует, что при прорыве молнии сквозь тросовую защиту напряжение на изоляции ВЛ примерно в 8 раз превышает напряжение на изоляции при ударе молнии в опору или в трос вблизи опоры. Однако большую часть ударов молний принимает на себя тросовая защита. Таким образом, расчетными случаями для ВЛ 110–330 кВ при оценке токовых и энергетических характеристик линейных ограничителей перенапряжений являются как удары молний в опору или в трос вблизи от опоры, так и прямые удары молний в фазные провода.
Наибольшее количество ударов молнии приходится на опору и на трос. При этом, благодаря ориентировке канала лидера слаботочных молний и инициированию встречных разрядов с проводов и тросов, основные удары при прорывах молнии сквозь тросовую защиту приходятся на верхние фазы. Нижние же фазы двухцепных ВЛ практически не подвергаются ударам молнии, так как экранированы фазами, расположенными выше (табл. 2). Как видно из таблицы, применение второго грозозащитного троса (на ВЛ с опорами типа П 220-2т, П 330-2т) приводит к лучшей защищенности верхних фаз и увеличению числа поражений молнией средних фаз.
Таблица 2. Процентное распределение количества ударов молнии по фазам двухцепных ВЛ
| Номер
провода | Тип опор |
| ПБ 110-2 | П 110-2В | П 150-2 | П 150-2В | П 220-2 | П 220-2т | П 330-2 | П 330-2т |
| 1 | 44 | 44 | 47 | 44 | 44 | 38 | 48 | 41 |
| 2 | 5 | 6 | 3 | 5 | 5 | 12 | 2 | 9 |
| 3 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 4 | 45 | 44 | 47 | 45 | 45 | 39 | 48 | 41 |
| 5 | 6 | 6 | 3 | 6 | 6 | 11 | 2 | 9 |
| 6 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Примечание: 1 и 4 – верхние провода; 2 и 5 – средние по высоте подвеса провода; 3 и 6 – нижние провода.
Защита ВЛ от перенапряжений
с помощью ОПН
Целесообразность установки подвесных ОПН на всех фазах защищаемого участка двухцепных ВЛ зависит от грозовой интенсивности в регионе трассы ВЛ, уровня сопротивления заземления опор, ущербов от перекрытий изоляции, требуемого уровня надежности и т.д.
Анализ влияния величины сопротивления заземления опор на грозоупорность ВЛ при установке ОПН на опорах позволяет сделать следующие выводы:
- при сопротивлениях заземления, не превышающих 10 Ом, удары молнии в опору или в трос не приводят к возникновению обратных перекрытий, прорвавшиеся же сквозь тросовую защиту молнии приведут к неминуемому перекрытию линейной изоляции. Поэтому, исходя из того, что основные удары молний при прорывах тросовой защиты приходятся на верхние фазы, при таких величинах сопротивления заземления целесообразна установка ОПН лишь на верхних фазах;
- при сопротивлениях заземления опор больше 10–20 Ом удары молнии в трос или в опору приведут к возникновению обратных перекрытий с опоры на провода нижних фаз. Установка дополнительных ОПН на нижних фазах в этих расчетных случаях позволит уменьшить вероятность возникновения обратных перекрытий.
Так, для двухцепных ВЛ 110–330 кВ при сопротивлениях заземления опор, равных 30 Ом и более 40 Ом, количество устанавливаемых ОПН на опоре необходимо довести до четырех и шести соответственно. Следует, однако, отметить, что при значениях сопротивлений заземления 30ё40 Ом для защиты от ударов молний в опору или в трос вблизи опоры одной двухцепной ВЛ потребуется меньшее количество аппаратов, чем при защите двух одноцепных ВЛ.
На величину требуемой энергоемкости ОПН влияет величина сопротивления заземления опор. Расчеты показали, что для оценки максимальных токовых нагрузок подвесных ОПН можно моделировать лишь один пролет ВЛ. Это объясняется тем, что в узлах поврежденного пролета при срабатывании ОПН уменьшается напряжение практически до значения остающегося напряжения на ОПН. В этом случае волна, движущаяся в сторону следующего узла, без учета обратных набегающих волн составит ~2Uопн. Коронирование проводов, а также отражение волн от соседних опор еще больше снижают амплитуду волны, увеличивают длительность ее фронта и, как следствие, снижают энергетические нагрузки ОПН. Очевидно, что токовые нагрузки ОПН соседних узлов существенно меньше, чем в узлах, непосредственно примыкающих к пролету, пораженному молнией.
Упрощенные расчетные схемы для исследования токовых и энергетических нагрузок подвесных линейных ОПН при ударе молнии в фазный провод в пролете ВЛ и в опору или в трос вблизи опоры приведены на рис. 1 (а и б). В схемах учтены импульсное сопротивление заземления опоры (RЗ.И), индуктивность части тела опоры (от траверсы до места подвеса троса) – LTТ, индуктивность части тела опоры (от траверсы до земли) – LTЗ, индуктивность опоры (LОП), волновые фазные сопротивления проводов (ZВФ) и тросов с учетом короны (ZТР).
Источник молнии моделировался в виде источника тока с нулевой производной тока в начальный момент времени, при моделировании ОПН были учтены динамические свойства его вольт-амперных характеристик [6].
В табл. 3 и 4 приведены токовые и энергетические нагрузки подвесных ОПН, установленных на верхних и нижних фазах, при ударе молнии в фазный провод и в опору или в трос вблизи опоры.
Из таблиц видно, что при ударах молнии в провод наибольшие энергетические нагрузки испытывают ОПН, установленные на верхних фазах. При этом максимальная поглощаемая энергия будет при наименьшем из рассмотренных сопротивлений заземления (10 Ом). При увеличении сопротивления заземления ток, протекающий через ОПН, уменьшается и, следовательно, уменьшаются энергетические воздействия, оказываемые на аппараты. При сопротивлениях заземления больше 100 Ом удары молнии в трос или в опору будут сопровождаться большими токами и энергиями. Так, при сопротивлении заземления 1000 Ом удар молнии в опору ВЛ 330 кВ приведет к тому, что через ОПН потечет ток с амплитудой 24,9 кА, а энергия, поглощенная аппаратом, будет 632 кДж, в то время как при ударе молнии в провод амплитуда тока составит 27,1 кА, а энергия – 721 кДж.
При ударах молнии в опору или в трос вблизи опоры аппараты, установленные на нижних фазах, испытывают большие энергетические воздействия, чем при ударах молнии в провод. Следовательно, определяющим грозовым воздействием при выборе аппаратов, устанавливаемых на нижних фазах, будут являться удары молнии в опору или в трос вблизи опоры.
Принципы установки ОПН
Таким образом, в зависимости от величины сопротивления заземления, грозовой активности, уровня изоляции ВЛ, требуемого уровня надежности ВЛ и т.д. можно предложить различные решения по установке ОПН на опорах. Основные же принципы установки можно сформулировать следующим образом:
- для защиты фаз ВЛ от перенапряжений, вызванных ударами молний в опору или в трос вблизи опоры, устанавливается необходимое количество ОПН с малой пропускной способностью;
- для защиты фаз ВЛ от перенапряжений, вызванных ударами молний в фазные провода, на верхних фазах устанавливаются ОПН с большой пропускной способностью;
- для экономически целесообразной надежной защиты ВЛ от перенапряжений, вызванных любыми проявлениями грозовой деятельности, на опорах целесообразно устанавливать ОПН как с большой, так и с малой пропускной способностью;
- проектирование грозозащиты двухцепных ВЛ с помощью подвесных ОПН необходимо производить при конкретной привязке к объекту.
Подвесные ОПН монтируются на опорах ВЛ. При этом они не должны срабатывать в случае коммутационных перенапряжений, сопровождающих эксплуатацию линии (от таких перенапряжений защищают ОПН, установленные на подстанциях).
Требования к токовым и энергетическим характеристикам подвесных ОПН зависят от их расположения на опорах ВЛ: на каждой опоре или через несколько опор, на всех фазах или только на тех, которые наиболее часто поражаются молнией и т. д.
Подвесные ОПН можно присоединять к проводам ВЛ двумя способами: с искровым промежутком и без него. Следует отметить, что каждый способ присоединения подвесного ограничителя к фазным проводам имеет свои преимущества и недостатки.
К основным преимуществам искрового присоединения можно отнести отсутствие постоянно протекающего тока в нормальном эксплуатационном режиме. Недостатком этого типа защиты является достаточно сложная координация пробивных напряжений открытых искровых промежутков с разрядными напряжениями защищаемой линейной изоляции.
Авторы [7] показали, что способ присоединения защитных аппаратов к проводам воздушной линии несущественно сказывается на их токовых нагрузках. При выборе способа присоединения в первую очередь должны учитываться различные внешние факторы: загрязнения изоляторов и ограничителей перенапряжений, возможность длительного воздействия повышенного напряжения промышленной частоты и др.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кawamura T., Nagano M., Ichihara M., Ishikawa K., Mizoguchi S., Imakoma T., Shimomura T. Development of metal-oxide transmission line arrester and it's effectiveness // CIGRE. – 1994 Session. – Rep. 33.201.
2. Washino, et al. Development of current limiting arcing horn for prevention of lightning faults on distribution lines //IEEE Trans. On Power Delivery. – Vol. 3.– No. 1. – 1988. – P. 138.
3. Базелян Э.М., Горин Б.Н., Левитов В.И. Физические и инженерные основы молниезащиты. – Л.: Гидрометеоиздат. – 1978. – 233 с.
4. Gaivoronsky A.S., Karasyuk K.V. Numerical model of lightning leader orientation on transmission line // Pros. 8-th Internat. Symposium on High Voltage Engineering. – Japan. Yokohama. – 1993. – P. 277.
5. Карасюк К.В. Численные исследования и разработка методов расчета грозоупорности ВЛ УВН / Диссертация на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. – Новосибирск. – НГТУ. – 1996. – 170 c.
6. Кадомская К.П., Рейхердт А.А. Влияние способа моделирования ОПН и волны тока молнии на энергетические характеристики защитных аппаратов, установленных на опорах ВЛ // Научный вестник НГТУ. – Новосибирск, 2002. – № 1(12).
7. Перенапряжения в электрических сетях различного назначения и защита от них: Учебник / Кадомская К.П., Лавров Ю.А., Рейхердт А.А. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. – 368 с. – (Серия «Учебники НГТУ»).
| 
|
