№ 3
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2015
УДК 621.316.9
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ЗАЩИТЕ ОБОРУДОВАНИЯ ПОДСТАНЦИЙ ОТ НАБЕГАЮЩИХ ВОЛН ГРОЗОВОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОГРАНИЧИТЕЛЕЙ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ
© 2015 г. Б.В. ЕФИМОВ1, Н.И. ГУМЕРОВА2, М.В. МАЛОЧКА3
1Центр физико-технических проблем энергетики Севера Федерального государственного бюджетного учреждения науки Кольского научного центра Российской академии наук (ЦФТПЭСКНЦРАН), г. Апатиты 2Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет " (СПбГПУ),
Санкт-Петербург
3Филиал ОАО "Россети" — Центр технического надзора, Региональное управление технического надзора Северо-Запада (ЦТНРУТНСеверо-Запада), Москва E-mail: bvefimov@rambler.ru, nigumerova@mail.ru
Одним из основных средств защиты от набегающих волн грозового происхождения высоковольтного оборудования подстанций являются нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН), но практически все руководящие документы не рассчитаны на их применение. Исследования авторов показали, что процессы в схемах подстанций при применении ОПН отличаются от аналогичных при использовании вентильных разрядников. Из-за множества нелинейных процессов пользоваться простыми пропорциями в данном случае невозможно. В результате при проектировании не учитываются все возможности повышения надежности и снижения затрат на грозозащиту при применении ОПН. В настоящей работе приведены рекомендации по размещению ОПН в схемах подстанций 110—750 кВ, а именно предельно допустимые расстояния между ОПН и защищаемым оборудованием и длины защищенных подходов. Рекомендации получены численными расчетами процессов развития грозовых перенапряжений в единой системе молния—ВЛ—подстанция.
Ключевые слова: молния, грозовые перенапряжения, нелинейные ограничители перенапряжений, подстанции, вольт-амперные характеристики, импульсная корона, предельно допустимые расстояния.
RECOMMENDATIONS FOR PROTECTION OF SUBSTATION'S EQUIPMENT FROM THE INCOMING LIGHTNING WAVES BY MEANS OF USING SURGE ARRESTERS
B.V. EFIMOV1, N.I. GUMEROVA2, M.V. MALOCHKA3
1Centre for Physical and Technological Problems of Energy in Northern Areas
of Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences, Apatity 2 Saint-Petersburg State Polytechnical University (SPbSPU), Saint-Petersburg 3Jointstock company "Russian Grids", Moscow E-mail: bvefimov@rambler.ru, nigumerova@mail.ru
A surge arrester is one of the main protection devices of high-voltage substation's equipment from the incoming lightning waves. However, most of the guidelines are not appropriate for its application. Research, which was carried out by the authors of this paper, has shown that the processes in schemes substations, where surge arresters were applied, are different from similar processes with valve arresters. In this case it is impossible to use a simple ratio due to the set of nonlinear processes. As a result, not all possibilities for improving the reliability and reducing the cost of lightning protection by means of using a surge arrester are considered at the design stage. This paper provides first recommendations for placement of surge arresters in the schemes of electrical substations 110—750 kV, namely, the maximum allowable distance between surge arrester and protected equipment and the length of protected approaches. Recommendations resulted from the numerical calculations of lightning overvoltage development processes in a unified system of lightning, transmission line, and electrical substation.
Key words: lightning, lightning overvoltage, surge arresters, electric substation, current-voltage characteristics, corona discharge, maximum allowable distance.
Документом, определяющим выбор системы грозозащиты подстанций от набегающих с ВЛ волн грозового происхождения, до настоящего момента является ПУЭ [1]. Для создания устойчивых к грозовым воздействиям схем подстанций классов напряжения 35—750 кВ в ПУЭ даются рекомендации по выбору следующих параметров:
— тип защитных аппаратов;
— количество защитных аппаратов;
— /ЗО—ЗА — расстояние между защищаемым объектом (ЗО) и защитным аппаратом (ЗА), м;
— Ьп — длина защитного тросового подхода с повышенным уровнем изоляции, км.
Для классов напряжения 330—750 кВ рекомендации приведены для типовых схем
подстанций и для основных типов опор (портальных и одностоечных), а для классов напряжения 35—220 кВ даются рекомендации только для различного соотношения числа приходящих ВЛ и количества защитных аппаратов.
Предлагаемые рекомендации по расстояниям между защищаемым объектом и защитным аппаратом являются предельно допустимыми, т.е. это наибольшие допустимые расстояния от ЗА до ЗО. На практике в большинстве случаев эти расстояния значительно меньше, в первую очередь между силовыми трансформаторами и защитными аппаратами. Длины защитных подходов должны быть не меньше, чем предложено в ПУЭ, т.е. это минимально допустимые значения. Все данные, приведенные в ПУЭ, были получены для 30 грозовых часов и без учета влияния сопротивлений заземления опор на подходе. Численный анализ показывает, что в ряде случаев для рекомендаций ПУЭ единственно допустимым сопротивлением заземления опор будет 10 Ом, которое нормируется ПУЭ для удельного сопротивления грунта не более 100 Ом • м. Все рекомендации ориентированы на использование вентильных разрядников (РВ). Переход от РВ к нелинейным ограничителям перенапряжений (ОПН) требует изменения рекомендаций и по выбору их параметров ОПН, и определению мест их установки в ОРУ подстанций. В ПУЭ для схем с ОПН предлагается формула простого пропорционального пересчета:
1ОПН = 1рВ(иисп — иОПы)/(иисп - Цре), (1)
где /ОПН — расстояние от ОПН до ЗО, м; /рВ — расстояние от разрядника до ЗО, м; Uисп — испытательное напряжение ЗО при полном грозовом импульсе, кВ; UОПН, ЦрВ — остающееся напряжение на ОПН (РВ) при номинальном грозовом токе (5 кА для классов напряжения 110—220 кВ).
Использование простой пропорции для схем с нелинейными параметрами является некорректным. Это и другие перечисленные факторы требуют переработки рекомендаций ПУЭ. Необходимо проанализировать схемы стандартных подстанций с точки
зрения удовлетворения показателей надежности грозозащиты основного высоковольтного оборудования требованиям РД [2]. При этом необходимо использовать в качестве защитных аппаратов нелинейные ОПН. Существующие рекомендации ПУЭ были выработаны с ориентацией на показатели надежности на уровне 60-х и 70-х годов. В качестве вычислительного устройства использовался анализатор грозозащиты подстанций. Самые большие допущения при этом касались моделирования процессов на подходах ВЛ к подстанции.
Решение такой задачи возможно с использованием авторской компьютерной программы МИНСК [2—5], которая позволяет с заданной степенью точности получить зависимость показателя надежности от многих характеристик подстанций и подходов ВЛ к ним. Программа производит расчет по определенному алгоритму при заданных начальных условиях (сопротивление заземления опор, количество и тип защитных аппаратов, ВАХ и ВСХ защитных аппаратов, конструкция линий в зависимости от класса напряжения, вид воздействия и т.д.). Расчеты распространения грозовых волн в подходах ВЛ выполняются с учетом основного фактора, ослабляющего набегающие волны, — импульсной короны. По итогам расчетов получаются кривые опасных волн, пришедших на подстанцию при конкретных условиях с определенных длин подхода. На конечном этапе с учетом интенсивности грозовой деятельности выполняется расчет показателя надежности грозозащиты, который рассчитывается отдельно для каждого типа воздействий (прорывы, обратные перекрытия) и каждой ВЛ. Полученные результаты суммируются. Методика и программа протестированы и рекомендованы к применению в РД [2]. Все основные модели, касающиеся распространения и деформации грозовых волн в ВЛ и подстанции, в том числе от импульсной короны, проверены путем проведения экспериментальными исследованиями и сопоставления с данными других авторов [3, 6].
В отличие от вентильных разрядников, прежде чем выбрать ОПН с определенными характеристиками, необходимо уточнить такие его параметры, как наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение, что предотвратит возможность выхода из строя аппаратов по этой причине, а затем определить требования к ОПН по энергоемкости. Это выполняется для защитных аппаратов на подстанциях по коммутационным перенапряжениям. В результате будет получена конкретная ВАХ ограничителя, которая определяет способность снижать грозовые перенапряжения на высоковольтных аппаратах подстанций.
Как правило, для каждого класса напряжения имеют место не менее шести вариантов параметров ОПН (три уровня рабочего напряжения и два варианта энергоемкости). Соответственно, для каждого класса напряжения имеется шесть вариантов ВАХ, которые отличаются друг от друга в диапазоне 15—20%. ОПН с самой высокой ВАХ характеризуется наибольшим длительно допустимым рабочим напряжением и наименьшей энергоемкостью, ОПН с самой низкой ВАХ рассчитан на самое низкое рабочее напряжение и максимальную энергоемкость. Чем ниже проходит ВАХ, тем меньше остающееся напряжение при одинаковых токах, протекающих через ОПН, соответственно, имеет место наибольшее ограничение грозовых перенапряжений.
Следующий фактор, влияющий на степень снижения грозовых перенапряжений — организация подхода. В настоящей работе рассматривается ситуация, когда ВЛ на подходе защищены грозозащитными тросами, которые снижают вероятность непосредственного поражения молниями фазных проводов, что является наиболее опасным воздействием (прорывы мимо тросовой защиты). При наличии грозозащитных тросов грозоупорность подстанций 110—330 кВ определяется ударами молний в опоры и тросы с последующими перекрытиями линейной изоляции (обратные перекрытия). Возможность прорывов молний определяется углами тросовой защиты. Вероятность перекрытий определяется линейной изоляцией (количеством изоляторов в гирляндах) и сопротивлениями заземления опор. Прави
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.