< Предыдущая ] [ Следующая >

Журнал 4(100) 2016 год

Грозозащита подстанций

Основополагающим документом для обеспечения грозозащиты высоковольтного электрооборудования от грозовых перенапряжений являются ПУЭ, которые регламентируют для различного рода подстанций расстояние между защитным аппаратом и защищаемым оборудованием. В зависимости от этого расстояния определяется длина грозозащитного подхода к подстанции.
В настоящее время в электрических сетях осуществляется массовая замена устаревших вентильных разрядников (РВ) на нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН). Это требует изменения рекомендаций нормативных документов по выбору параметров ОПН и их установке в электрических сетях распределительных устройств – именно так считают ученые СПбГПУ.

НАДЕЖНОСТЬ ГРОЗОЗАЩИТЫ ПОДСТАНЦИЙ 110–220 кВ
Зависимость от характеристик ОПН

Натэлла Гумерова, доцент, к.т.н.
Ольга Репкина,
Александр Колычев, доцент, к.т.н.
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет Петра Великого

ТРЕБОВАНИЯ И РЕКОМЕНДАЦИИ НТД

При использовании ОПН вместо РВ, согласно [1] расстояние до силовых трансформаторов или другого электрооборудования может быть определено по формуле:

_ОПН = _РВ · (U_ИСП – U_ОПН) / (U_ИСП – U_РВ), (1)

где _ОПН – расстояние от ОПН до защищаемого оборудования, м;
_РВ – расстояние от разрядника до защищаемого оборудования, м;
U_ИСП – испытательное напряжение защищаемого оборудования при полном грозовом импульсе, кВ;
U_ОПН, U_РВ – остающееся напряжение на ОПН (РВ) при токе 5 кА – для классов напряжения 110–220 кВ и 10 кА – для классов напряжения 330 кВ и выше.

При отличающихся данных защищенного тросом подхода возможна линейная интерполяция допустимого расстояния.

Согласно нормативным документам по применению ОПН в электрических сетях 110–750 кВ [2, 3] на класс напряжения 110 кВ и выше могут использоваться нелинейные ограничители перенапряжений, отличающиеся наибольшими рабочими напряжениями, защитными и энергетическими характеристиками.

Выбор наибольшего рабочего напряжения ОПН (U_НРО – напряжение, которое сколь угодно долго может быть приложено к ОПН) в первую очередь связан с квазистационарными перенапряжениями и длительностью их воздействия. Например, в сетях 110 кВ при наличии трансформаторов с разземляемой нейтралью, в которых высока вероятность появления феррорезонансных перенапряжений, устанавливаются ОПН 110 кВ с U_НРО = 88 кВ и 100 кВ.

Остающиеся напряжения ОПН (U_RES) при импульсных токах связаны с наибольшим рабочим напряжением ОПН (U_НРО) соответствующими коэффициентами. Например, для ОПН 110–220 кВ с удельной энергоемкостью 2,5–4,5 кДж/кВ отношение U_RES к U_НРО при грозовых импульсах тока 8/20 мкс с амплитудой 10 кА составляет 3,05÷3,2 в зависимости от производителя варисторов. Для ОПН с большей удельной энергоемкостью это отношение составляет 2,9.

Остающиеся напряжения ОПН при грозовой волне при других амплитудах импульсного тока определяют вольт-амперную характеристику (ВАХ) ОПН. Более высокие ВАХ ОПН при грозовой волне относятся к ОПН с большими рабочими напряжениями и меньшей энергоемкостью. Нормативный документ организации СТО [4] для ОПН 110 кВ и выше определяет максимальные значения остающихся напряжений при импульсах тока грозовой волны.

РАСЧЕТЫ ГРОЗОЗАЩИТЫ ПОДСТАНЦИЙ

Одним из факторов, который влияет на степень снижения грозовых перенапряжений, воздействующих на подстанционное оборудование, является организация грозозащитного подхода к подстанции.

На практике в большинстве случаев расстояние между ОПН и защищаемым оборудованием гораздо меньше допустимых в рекомендациях ПУЭ. При этом следует ожидать более глубокого ограничения грозовых перенапряжений на подстанции и, как следствие, снижения длин защищенных подходов ВЛ, с которых на подстанцию могут набегать опасные волны.

Расчеты грозозащиты проводились для двух типовых схем подстанций 110–220 кВ: «тупиковая» – с одной отходящей ВЛ и силовым трансформатором, и «мостик» – с двумя отходящими ВЛ и двумя трансформаторами (рис. 1). При анализе грозозащиты рассматривалось применение 3-х типов ОПН 110 кВ и ОПН 220 кВ с различными ВАХ: высокая (ОПН1), средняя (ОПН2) и низкая (ОПН3) (табл. 1).

Рис. 1. Принципиальные схемы подстанций 110–220 кВ для анализа грозозащиты:
а) тупиковая схема;
б) схема «мостик»

Цифрами в кружках обозначены номера узлов;
цифры между узлами – расстояние, м;
Var – варьируемое расстояние до трансформатора.

Табл. 1. Характеристики нелинейных ограничителей перенапряжений ОПН 110 кВ и ОПН 220 кВ
Наименование Условное обозначение UНРО ОПН Удельная энергоемкость ОПН, Э* Остающееся напряжение, кВ, при грозовых импульсах 8/20 мкс, с амплитудой тока
кВ кДж/кВ 5 кА 10 кА 20 кА
ОПНп-110/88/10/500 ОПН1 88 2,5 261 286 324
ОПНп-110/78/10/850 ОПН2 78 4,5 233 250 282
ОПНп-110/73/20/1500 ОПН3 73 8,0 203 215 234
ОПН-110 по СТО 73–88 2,1 и более 265 280 315
ОПНп-220/176/10/850 ОПН1 176 4,5 519 564 637
ОПНп-220/156/10/850 ОПН2 156 4,5 466 500 565
ОПНп-220/146/20/1500 ОПН3 146 8,0 406 430 467
ОПН – 220 по СТО 156–176 2,1 и более 505 540 585

Эквивалентные расчетные схемы исследуемых подстанций составлены в соответствии с РД [5]. Расчеты проводились с помощью программного комплекса «Минск», предназначенного для расчета грозозащиты в системе «ВЛ – Подстанция» [5].

В табл. 1 представлены характеристики ОПН 110 кВ и ОПН 220 кВ, взятые из каталогов российских производителей нелинейных ограничителей перенапряжений – ЗАО «Полимер-Аппарат», ЗАО «Феникс-88» и ОАО «Позитрон». В табл. 2 представлены остающиеся напряжения при грозовых импульсах тока для вентильных разрядников II и III групп [6]. Как видно из табл. 1 и 2, остающиеся напряжения для всех типов ОПН меньше остающихся напряжений РВ. Наиболее близки характеристики ОПН1 и характеристики РВ 2-й группы, так как данные ОПН обладают наибольшими рабочими напряжениями. Также в табл. 1 представлены характеристики ОПН в соответствии с требованиями СТО [4]. Как видно из таблицы, максимально допустимые значения остающихся напряжений ограничителей 110 и 220 кВ по СТО соответствуют ОПН1.

Табл. 2. Характеристики вентильных разрядников 110–220 кВ
Наименование Группа разрядника Амплитуда тока прямоугольной волны длительностью 2000 мкс Остающееся напряжение, кВ, при грозовых импульсах 8/20 мкс, с амплитудой тока
А 3 кА 5 кА 10 кА
РВС-110 III 150 315 335 367
РВМГ-110 II 400 245 265 295
РВМГ-220 II 400 475 515 570

Согласно РД [5] показатель грозоупорности подстанции N_Н.В (1/год) определяется как среднее число опасных перенапряжений от набегающих волн, возникающих на защищаемом аппарате или на ПС. Для класса напряжения 110 кВ рекомендуемый показатель надежности грозозащиты Т_Н.В = 1 / N_Н.В составляет 300–400 лет, для класса напряжения 220 кВ – 400–600 лет.

В программном комплексе «Минск» показатель надежности подстанции Т_Н.В представляет собой период времени между возникновением двух опасных воздействий и определяется обратной величиной к вероятности β_Н.В (1/год) прихода на ПС опасных набегающих волн Т_Н.В = 1 / β_Н.В. Для каждой схемы определялись показатели грозоупорности подстанции β_Н.В при варьировании расстояния между трансформатором и ОПН.

Расчеты в программном комплексе «Минск» позволяют определять расстояния, на которых удары молний могут создавать опасные перенапряжения, т.е. требуемые длины защитных подходов.

В ходе исследований сопротивление заземляющих устройств опор (ЗУ) на подходе принималось равным 20 Ом, как наибольшее допустимое значение по рекомендациям ПУЭ [1]. Анализ грозозащиты выполнялся как для прорывов молнии мимо тросовой защиты, так и для ударов в тросы и опоры. Также последовательно менялись расстояния от места удара молнии до подстанции. Сначала рассматривался удар в непосредственной близости от подстанции (расстояние 0 м), затем к первой опоре, ко второй опоре и т.д., пока при определенном расстоянии волны, приходящие на подстанцию, не создавали опасных перенапряжений на защищаемом оборудовании.

Результаты показателей грозоупорности подстанции β_Н.В (1/год), вероятности прихода на ПС опасных набегающих волн от расстояний между защитным аппаратом (ЗА) и защищаемым оборудованием (ЗО) для подстанций 110 кВ представлены на рис. 2, для подстанций 220 кВ – на рис. 3. Как показали расчеты, применение ОПН с более высокой ВАХ (ОПН1) приводит к ограничению расстояния между трансформатором и ОПН (_ЗА-ЗО). Для тупиковых подстанций 110 и 220 кВ оно не должно превышать 25 и 10 м соответственно.

Рис. 2. Зависимости показателя надежности грозозащиты от расстояния между СТ и ЗА и их аппроксимация для ПС 110 кВ:
а) по схеме ОРУ «Блок трансформатор–линия»;
б) по схеме «мостик»

а)

б)

Рис. 3. Зависимости показателя надежности грозозащиты от расстояния между СТ и ЗА и их аппроксимация для ПС 220 кВ по схеме ОРУ «Блок трансформатор–линия»

В ходе исследований предельно допустимых расстояний между ЗА и ЗО, при которых надежность грозозащиты соответствует требованиям РД, определялись длины защищенного подхода ВЛ к подстанции, как наибольшее расстояние, с которого возможен приход опасной набегающей волны.

Результаты расчетов наибольших расстояний приведены в табл. 3 вместе с расстояниями, рекомендованными ПУЭ при использовании РВ. Расчеты показали, что длины защищенных подходов при использовании ОПН существенно меньше предлагаемых в ПУЭ расстояний и могут быть ограничены 2–3 пролетами ВЛ (не более 1 км) в зависимости от используемого типа ОПН.

Рекомендации ПУЭ даны при варьировании расстояний между ЗА и ЗО. Минимальные длины подходов соответствуют меньшим рекомендуемым расстояниям, большие длины – большим расстояниям. Таким образом, полученные результаты должны соответствовать максимальным величинам из ПУЭ. Видно, что полученные предельно необходимые длины подходов существенно меньше предлагаемых в ПУЭ.

В табл. 4 и 5 приведены рекомендуемые расстояния между высоковольтными аппаратами и защитными аппаратами, полученные при проведении расчетов и по формуле пересчета (1) для ОПН, а также рекомендуемые ПУЭ для РВ.

Табл. 4. Рекомендуемые расстояния ЗА-ЗО (м) для подстанций 110 кВ.
Схема ОРУ Тип разрядника Длина защищенного подхода, км ПУЭ для РВ ОПН1 ОПН2 ОПН3
Расчет ПУЭ Расчет ПУЭ Расчет ПУЭ
Тупиковая: блок трансформатор–линия РВС 1,0 15 25 23 65 26 185 29
2,0 50 76 85 96
3,0 80 121 136 153
РВМГ 1,0 20 25 20 65 23 185 26
2,0 70 71 80 90
3,0 120 122 138 155
Схема «мостик»: проходная, с двумя ВЛ и двумя трансформаторами РВС 1,0 30 45 45 165 51 355 57
2,0 90 135 152 171
3,0 140 208 235 264
РВМГ 1,0 75 45 76 165 86 355 97
2,0 150 153 172 193
3,0 250 255 287 322

Табл. 5. Рекомендуемые расстояния ЗА-ЗО (м) для подстанций 220 кВ
Схема ОРУ Тип разрядника ПУЭ для РВ ОПН1 ОПН2 ОПН3
Расчет ПУЭ Расчет ПУЭ Расчет ПУЭ
Тупиковая: блок трансформатор–линия РВМГ 10–40 10 10–39 22 12–48 30 15–59
Схема «мостик»: проходная, с двумя ВЛ и двумя трансформаторами РВМГ 60–110 28 59–108 43 73–133 65 88–161

Приведенные в данных таблицах рекомендации позволяют при использовании ограничителя с худшими характеристиками (ОПН1) осуществить достаточную защиту от волн, набегающих на подстанцию при ударах молнии в ВЛ. Видно, что рекомендации для ОПН1 являются более жесткими по сравнению с рекомендациями ПУЭ для разрядников.

Это обуславливается тем, что при расчетах сопротивление ЗУ опор было принято равным 20 Ом – предельное значение по ПУЭ, а ВАХ ОПН1 незначительно отличается от вольт-амперной характеристики РВ. Также очевидно, что формула пересчета (1) для ОПН дает значительную погрешность. К тому же в отличие от РВ ограничители имеют более пологие вольт-амперные характеристики, поэтому в схемах с ОПН при крутых фронтах развиваются перенапряжения с существенной колебательной компонентой.

В ряде случаев возникает необходимость снятия грозозащитного троса с ВЛ [7] из-за высоких гололедных и ветровых нагрузок. В этом случае для классов напряжения 110–330 кВ увеличивается число ударов молнии в фазный провод. Показатель надежности для такой ситуации может быть получен путем умножения показателя надежности при ударах молнии в фазные провода на Р_ПР, что даст суммарный показатель надежности грозозащиты. Распределение ударов между опорами и фазными проводами принималось по рекомендациям РД равным 0,5/0,5.

Результаты расчетов показателя грозозащиты ПС 110 кВ без грозозащитного троса представлены на рис. 4.

Рис. 4. Зависимости показателя надежности грозозащиты от расстояния между СТ и ЗА и их аппроксимация для ПС 110 кВ для ВЛ без троса на подходе:
а) по схеме ОРУ «Блок трансформатор–линия»;
б) по схеме «мостик»

а)

б)

В ходе исследований было выявлено, что для тупиковой ПС 110 кВ при демонтаже грозозащитного троса на подходе возможно достичь допустимых показателей грозозащиты для ОПН1 и ОПН2 при расстоянии до силового трансформатора не более 10 м (_ЗА-ЗО = 10 м). Для ОПН3 с наиболее низкой ВАХ снятие троса возможно при расстоянии _ЗА-ЗО не более 100 м.

Ситуация обстоит лучше для ПС по схеме ОРУ 110 кВ «мостик». При равномерном распределении ударов между опорами и фазными проводами снятие троса возможно:

при использовании ОПН1 и _ЗА-ЗО не более 10 м;
при использовании ОПН2, ОПН3 и _ЗА-ЗО – 120 и 260 м.

ВЫВОДЫ

Таким образом, применение ОПН с повышенной ВАХ может не обеспечивать требуемых значений показателя надежности грозозащиты подстанций 110–220 кВ при сопротивлении заземлений опор не более 20 Ом.

Длина защищенного подхода для подстанций 110–220 кВ может быть ограничена двумя или тремя пролетами ВЛ в зависимости от используемого ОПН.

Отказ от грозозащитного троса значительно снижает показатель грозоупорности подстанций.

В последнем случае должны применяться ОПН с наименьшей ВАХ (ОПН3) и уменьшением расстояния до защищаемого электрооборудования.

ЛИТЕРАТУРА