Кадомская К.П. Перенапряжения в электрических сетях различного назначения и защита от них

Подождите немного. Документ загружается.

Рис.4.43 Характерные осциллограммы при отключении холостой

ошиновки, оснащенной ТН типа НАМИ-220, двухразрывным

выключателем с емкостным делителем напряжения

Из приведенных компьютерных осциллограмм видно, что установка

ТН типа НАМИ-220 на шинах привела к нарушению условий

существования квазистационарного феррорезонанса. Однако, в достаточно

редких эксплуатационных ситуациях квазистационарный феррорезонанс

может возникнуть и в случае установке на шинах ТН типа НАМИ. На

рис.4.45 приведены верхние границы областей в осях С

и С

, в которых

наблюдается квазистационарный феррорезонанс при установке на шинах

ТН типов НКФ и НАМИ.

Из этого рисунка видно, что квазистационарный феррорезонанс при

установке на шинах ТН типа НАМИ-220 наблюдается при весьма малых

емкостях шин: так при шунтировании одного разрыва выключателя

емкостью типа ДМК 1,1 нФ, емкость, включенная параллельно двум

разрывам, оказывается равной 550 пФ. При такой емкости выключателя

феррорезонанс будет наблюдаться лишь в случае, если емкость

присоединений к шинам будет меньше 700 пФ, т.е. в весьма редких

случаях. С помощью рис.4.44 может быть также определена

дополнительная емкость, которая при необходимости может быть

подключена к шинам для избежания феррорезонанса при установке ТН как

типа НКФ, так и НАМИ.

Рис.4.44 Верхние границы соотношения емкостей выключателя

и ошиновки, при которых возможно существование

квазистационарного режима с повышенными значениями

токов в обмотках ВН ТН

Выключатели 110 кВ с воздушным дугогашением, также , как и элегазовые

выключатели более высоких классов напряжения выполняются

одноразрывными. Однако, и в этом случае в эксплуатации возможно

возникновение опасных феррорезонансных явлений при некоторых

неполнофазных коммутациях. В этих случаях последовательной емкостью

в схеме рис.4.42 является междуфазная емкость.

Приведенные результаты показывают, что применение

антирезонансных трансформаторов напряжения типа НАМИ в сетях ВН

является наиболее эффективной и экономически оправданной мерой по

предотвращению опасных феррорезонансных процессов. В большинстве

реальных схем применение ТН типа НАМИ не требует дополнительных

мер защиты от феррорезонанса .

4.8 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ 4

1. Какие кратности коммутационных перенапряжений допустимы для

изоляции подстанционного и линейного электрооборудования в сетях

классов напряжения 110, 220, 330, 500, 750 и 1150 кВ?

Перечислите виды коммутационных перенапряжений, характерные

для сетей ВН с глухим заземлением нейтрали.

Поясните физику процессов, возникающих при плановом включении

ВЛ и приводящих к перенапряжениям. Опишите меры защиты,

которые могут быть применены в рассматриваемой коммутации для

ограничения уровня перенапряжений до допустимого уровня.

Классификация мер защиты от коммутационных перенапряжений.

Перечислите аппаратные меры защиты и охарактеризуйте меры,

связанные с выдвижением специальных требований к устройствам

системно автоматики и релейной защиты, позволяющие снизить

уровни коммутационных перенапряжений.

Какие выходные параметры нелинейных ограничителей

перенапряжений (ОПН) характеризуют их защитный уровень и

тепловую устойчивость самих аппаратов?

Охарактеризуйте все стадии отключения однофазного короткого

замыкания на ВЛ ВН с последующим восстановлением нормальной

эксплуатации ВЛ с точки зрения возникающих на этих стадиях

коммутационных перенапряжений.

Поясните физическую картину возникновения перенапряжений на

«здоровых» фазах ВЛ при одностороннем отключении однофазного

к.з. на ВЛ и сформулируйте требования к мерам защиты.

Поясните физическую картину возникновения перенапряжений при

отключении холостой ВЛ и сформулируйте требования к мерам

защиты.

Поясните физическую картину возникновения перенапряжений,

возникающих при включении ВЛ в цикле ТАПВ и сформулируйте

требования к мерам защиты.

10.

Какие меры Вы можете предложить для надежного гашения дуги

подпитки на отключенной с двух сторон фазе ВЛ в электропередаче,

оснащенной устройствами ОАПВ, за время «бестоковой» паузы

ОАПВ?

11. Поясните физическую картину возникновения перенапряжений,

возникающих при включении ВЛ в цикле ОАПВ и сформулируйте

требования к мерам защиты.

5. ГРОЗОВЫЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ НА ВОЗДУШНЫХ

ЛИНИЯХ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ И ЗАЩИТА

ОТ НИХ

5.1 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ОРИЕНТИРОВКИ

КАНАЛА МОЛНИИ

Физика образования атмосферного электричества достаточно

подробно описана в учебниках по ТВН и в соответствующих монографиях

см. например [32,33]. В настоящем разделе кратко изложим лишь вопросы,

связанные с ориентировкой канала молнии, так как анализ грозозащиты

воздушных линий следует проводить с учетом этого явления.

Как известно, разряд грозового облака может быть как в виде

линейной, так и в виде шаровой молнии. Линейная молния подобна

электрическому разряду в длинном промежутке со ступенчатым или

непрерывным лидером. Этот вид разряда представляет наибольшую

опасность для электрооборудования.

Грозовое облако характеризуется скоплением большого количества

заряда в ограниченном объеме. Измерения напряженности поля у земной

поверхности, а также при зондировании облаков показывают, что

распределение заряда по высоте облака является неравномерным: в

верхней части облака в большинстве случаев преобладают положительные,

а в нижней части – отрицательные заряды. Напряженность электрического

поля в облаке составляет величину порядка

мВ10

≈E

, в отдельных же

точках напряженность может достигать значения

мМВ3...1

Высокая неоднородность электрического поля в структуре облака

приводит к тому, что токи отдельных стримеров, сливаясь, образуют канал

лидера молнии, разогревая его до высокой температуры, при этом

проводимость канала резко увеличивается за счет термической ионизации

газа. Через проводящий канал лидера, имеющий погонное сопротивление

около 50 Ом/м и среднюю продольную напряженность электрического

поля порядка 10 кВ/м, потенциал облака передается головке стримерных

разрядов. Стримеры, в свою очередь, выносят заряд, создавая вокруг

канала лидера молнии объемный заряд. Согласно измерениям суммарный

заряд на единицу длины лидера лежит в диапазоне 0,2…1,0 мКл/м. Таким

образом, формирование каждой отдельной ступени нисходящего лидера

включает следующие стадии:

• стадию начальной вспышки стримерной короны от головки лидера;

• образование зародышей лидера на границе вспышки;

• прорастание пространственного лидера до соединения его с

головкой отрицательного лидера.

К параметрам нисходящего лидера следует отнести: длину (l

) и

длительность (t

) ступени, а также заряд на единицу длины канала (Q

) и

скорость лидера (V

По данным полевых наблюдений прорастание канала лидера молнии

сопровождается световой вспышкой молнии длительностью около 200 мс.

Вспышка состоит из нескольких импульсов примерно по 10 мс с

интервалом в 40 мс, что говорит о ступенчатом развитии лидерного канала.

Распространение канала лидера молнии к объекту, например, к ВЛ,

можно разделить на несколько стадий. Первоначальная стадия начинается

с местных неоднородностей в структуре облака и включает в себя

вспышки стримерной короны на достаточном расстоянии от объекта и

прорастание лидера. На этом этапе ориентировка канала лидера молнии

отсутствует и определяется лишь местными неоднородностями поля в

облаке и структуре воздушных масс и не зависит от наземных объектов. В

первом приближении можно принять, что заряды, образованные вокруг

головки нисходящего лидера, создают радиально-симметричное поле.

Направление распространения лидера в таком поле принимается

равновероятным [34] (рис.5.1).

Равномерное

распространение

Зона отсутствия

внешнего поля

канала лидера молнии

Зона внешнего

поля

ВН

Рис. 5.1 Формирование отдельной ступени нисходящего канала лидера

молнии от зоны равномерного поля к зоне учета внешних полей;

- напряженность в стримерной зоне,

ВН

- внешняя суммарная напряженность поля

Последующие стадии развития канала лидера, начиная с момента

появления электростатического влияния на направление распространения

лидера, включают уже стадии ориентировки канала. Влияние наземных

объектов начинает сказываться при достижении канала лидера так

называемой высоты ориентации

)105( hH

200...100

- высота

наземных объектов, м. В присутствии внешней напряженности поля (

ВН

)

распределение результирующей напряженности (

) поля на границе

вспышки становится асимметричным.

В перераспределении напряженности поля большую роль играют

встречные разряды, развивающиеся с объектов на земле. Развитие

встречных разрядов вызывает усиление напряженности поля. Наличие

сильного внешнего поля, обусловленного также развитием встречных

разрядов, определяет траекторию нисходящего канала лидера молнии,

который прорастает в сторону наибольшего усиления напряженности поля,

т.е. в сторону наибольшего встречного разряда. Длина канала лидера при

этом встречного лидера достигает 30…60% высоты объекта.

Лидерная стадия развития молнии завершается соединением каналов

нисходящего и встречного лидеров, в результате чего образуется

непрерывный проводящий канал от облака к земле (объекту). До

соединения нисходящего канала лидера молнии и встречного разряда с

наземного объекта напряжение на головке лидера лишь немногим меньше

напряжения у начала ствола лидера в грозовой ячейке облака. В момент

соприкосновения нисходящего лидера с объектом (встречным разрядом с

объекта) напряжение на конце лидера снижается на 1-2 порядка, ток

канала быстро возрастает до десятков, а иногда и сотен кА. Это

возмущение передается по каналу вверх со скоростью, близкой к скорости

света. Однако по данным исследователя Р. Лундхольма скорость

распространения главного разряда достаточно сильно зависит от тока

молнии. При изменении тока с 2 до 200 кА скорость распространения по

отношению к скорости света возрастает с 0,05 до 0,43. По данным другого

исследователя А. В. Корсунцева величина скорости волны нейтрализации

по отношению к скорости света лежит в диапазоне от 0,1 до 0,5, что

фактически соответствует данным Лундхольма.

Снижение напряжения приводит к возрастанию радиальной

напряженности электрического поля между объемными зарядами и

каналом лидера и, как следствие этого, к формированию стримеров

"возвратного разряда". Яркое свечение канала лидера молнии за счет

протекающего тока воспринимается как вспышка молнии, а быстрое

объемное расширение и сжатие воздуха порождает акустическую волну –

гром. Протекание тока канала лидера молнии приводит к дальнейшей

нейтрализации объемных зарядов вокруг канала лидера и к частичной

нейтрализации заряда облака. Финальная стадия разряда сопровождается

протеканием по каналу молнии тока порядка десятков и единиц

килоампер.

Экспериментально было замечено, что на проводах и тросах ВЛ,

одновременно инициируются несколько каналов встречных разрядов. В

реальных условиях длина встречных разрядов может достигать несколько

десятков метров, причем большая их часть останавливается в своем

развитии и далее развивается только 1…3 канала. Перекрытие происходит

всегда только по одному из каналов.

Развитие внутриоблачных разрядов может привести к формированию

последующих импульсов тока молнии, которые в большинстве случаев

развиваются в виде непрерывного (стреловидного) лидера. Основными

отличительными чертами повторных разрядов являются более крутой

фронт по сравнению с первым разрядом и меньшая амплитуда и

длительность волны тока молнии.

Эквивалентное сопротивление лидера молнии зависит от

протекающего тока в канале: на начальных стадиях эквивалентное

сопротивление молнии достаточно велико, с увеличением тока

молнии в процессе перехода от лидера к главному разряду канал молнии

разогревается и расширяется, что приводит к снижению сопротивления

канала. В [35] предложено выражение для определения волнового

сопротивления канала молнии:

ммм

/ iuZ =

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

240

1140

, [Ом], (5.1)

где - мгновенное значение тока на фронте импульса, кА.

5.2 ЗАКОНЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ АМПЛИТУД ТОКОВ

МОЛНИИ В ТОЧКЕ УДАРА ПРИ НЕУЧЕТЕ И УЧЕТЕ

ОРИЕНТИРОВКИ КАНАЛА ЛИДЕРА МОЛНИИ

Амплитуда волны тока молнии в месте её удара является одной из

основных характеристик волны тока молнии. Согласно [1] амплитуда

волны тока молнии (

), так же, как и её крутизна и условная длительность

фронта (τ

0.1-0.9

– время между ординатами волны тока молнии,

составляющими 0.1

и 0.9I

) принимаются распределенными по

логарифмически нормальному закону:

()

−

σπ

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

ФxF

)(

, (5.2)

где параметры и

Xln

- математическое ожидание и

среднеквадратическое отклонение логарифма случайной величины,

(x)=

dte

∫

−

- функция Лапласа.

В [1] даны параметры логарифмически нормальных законов

характеристик волн токов молнии, поражающих объект в виде опоры ВЛ.

При этом нет дифференциации параметров для волн токов молнии,

поразивших провода, тросы или землю по трассе ВЛ. Иными словами в [1]

параметры волны тока молнии даны без учета ориентировки канала

лидера молнии. Вместе с тем расчетная грозоупорность такого объекта,

как ВЛ, существенно зависит не только от распределения ударов в

провода, тросы или землю, но и от параметров волны тока молнии,

поразивших эти элементы объекта.

Методика ориентировки канала лидера молнии, основы которой

изложены в [34], по сути своей представляющая собой компьютерную

имитационную модель, позволяет определять не только

вероятность

прорыва

молнии в провода ВЛ (при большом числе компьютерных

экспериментов определяемую как отношение числа разрядов молнии в

провода к полному числу разрядов в систему "грозозащитные тросы -

провода - земля", но и амплитуды токов молнии, прорвавшихся на

провода.

На рис. 5.2 приведены полученные на основе компьютерного

эксперимента функции распределения амплитуды волны тока молнии на

проводах ВЛ 500 кВ на стандартных опорах типа ПБ1 с горизонтальным

расположение проводов и тросов при не учете (кривая 1) и учете (кривая

2) ориентировки волны тока молнии.

0,5

0 50 100 150 200 250

x, кА

Iм

(x)

(2)

(1)

Рис. 5.2. Функции распределения амплитуд волн токов молнии на

проводах ВЛ 500 кВ при не учете (кривая 1) и учете (кривая 2)

ориентировки канала лидера молнии

Значения максимальных и минимальных амплитуд токов молнии с

вероятностью появления 0,05 и 0,95 будут соответственно следующими:

при не учете ориентировки:

.м

=11 кА, = 84 кА, при учете

ориентировки: =9,5 кА, = 41 кА. Этот расчет показывает, что

при учете ориентировки канала лидера молнии амплитуды волн тока,

прорвавшихся на провода сквозь тросовую защиту, оказываются

существенно ниже тех значений, которые принимаются в расчетах

грозоупорности ВЛ, не учитывающих ориентировку канала лидера

молнии.

max.м

min.м

max.м

Очевидно, что эффект от учета ориентировки канала лидера молнии

зависит как от класса напряжения электропередачи, так и от таких

конструктивных параметров опор ВЛ, как высота подвеса провода и троса

и их взаимное расположение на опоре. Изменения конструкций опор могут

быть вызваны, в том числе, и экологическими аспектами, например,

требованием уменьшения интенсивности электромагнитного поля по

трассе ВЛ [36] или требованиями рационального использования земельных

и природных ресурсов отводимых под трассу ВЛ, например, в случае

значительного увеличения высоты опор с целью уменьшения зоны

вырубки леса [37]. Зачастую нестандартных конструкций опор требуют

условия трассы ВЛ (высокие переходные пролеты). Расчеты

грозоупорности таких нестандартных объектов необходимо производить с

учетом ориентировки канала лидера молнии.

Компьютерная реализация теории ориентировки канала лидера

молнии позволяет получить распределение ударов молнии в провода ВЛ

как одноцепного, так и двухцепного исполнения. При горизонтальном

расположении проводов одноцепных ВЛ, в основном, поражаются крайние

фазы. Нижние фазы одноцепных и двухцепных ВЛ с вертикальным

расположением фаз практически не поражаются молнией, так как они

экранированы верхними проводами. В табл.5.1 приведено распределение в

процентах ударов молнии в провода двухцепной ВЛ, приведенной на

рис.5.3.

трос

10,2

33,3

19,3

25,8

4,9

8,8

5,6

Рис.5.3. Эскиз конструкции двухцепной ВЛ 330 кВ

Таблица 5.1

Процентное распределение количества ударов молнии

в провода двухцепной ВЛ 330 кВ

Номер провода 1 2 3 4 5 6

Количество ударов, % 0 0 6,1 7,3 43,9 42,7

Следует отметить, что более 95% токов молнии, прорвавшихся на

провода, расположенные на среднем уровне (фазы 3 и 4, рис.5.3),

составляют токи от 4 до 20 кА. Это обстоятельство позволяет при анализе

грозоупорности двухцепных ВЛ с вертикальной подвеской фаз учитывать

удары молнии лишь в верхние провода и защищать от грозовых

перенапряжений изолирующие подвески лишь верхних проводов.

Приведенная методика ориентировки канала лидера молнии позволяет

также оценить эффективность подвески тросов при положительных и

отрицательных углах защиты (рис.5.4).

провода

тросы

−

провода

тросы

а) б)

Рис.5.4 Иллюстрация положительного (а) и отрицательного (б)

угла тросовой защиты

На рис.5.5 приведены зависимости вероятности прорыва молнии

сквозь тросовую защиту для крайних и средней фаз ВЛ 1150 кВ от угла

тросовой защиты.

0,005

0,01

0,015

0,02

0,025

-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

прор

угол тросовой защиты, град.

Рис.5.5 Зависимость вероятности прорыва молнии на фазные

провода ВЛ 1150 кВ от угла тросовой защиты;

1- для крайних фаз, 2 - для средней фазы