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

Подождите немного. Документ загружается.

- схема "ВЛ-ГИЛ-ВЛ" при использовании ГИЛ в качестве вставки

длиной 300…500 метров в воздушную линию в местах пересечения

нескольких ВЛ;

- схема "ВЛ-ГИЛ-КРУЭ" при длинах кабельной вставки от нескольких

сотен метров до единиц километров.

Примером практического использования ГИЛ в схеме "ВЛ-ГИЛ-ВЛ"

может служить замена пятисотметрового участка ВЛ 400 кВ на ГИЛ при

строительстве шестого выставочного зала в выставочном центре Палермо

(Швейцария), а в схеме "ВЛ-ГИЛ-КРУЭ" - ГИЛ 275 кВ, предназначенная

для вывода большой мощности с электростанции Шин-Нагоя на узловую

подстанцию Токай (длина ГИЛ 3,3 км, пропускная способность - 3 ГВА)

[124-125].

7.3.2 КОНСТРУКЦИИ И ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ ГИЛ ВН

РАЗЛИЧНОГО КОНСТРУКТИВНОГО ИСПОЛНЕНИЯ

Конструктивно ГИЛ 220..500 кВ выполняются, как в однофазном так

и в трехфазном исполнениях (ТИ). В однофазном исполнении (ОИ) ГИЛ

представляет собой коаксиальную систему, где алюминиевая полая

токопроводящая жила (ТПЖ) фиксируется внутри трубы-оболочки из

алюминиевого сплава, с помощью диэлектрических распорок (из

эпоксидных композитных материалов) различной формы, во втором случае

- три алюминиевые ТПЖ заключены в одну оболочку из стали. На рис. 7.4

приведены конструкции ГИЛ различного конструктивного исполнения.

В ГИЛ ОИ оптимальное соотношение радиусов внешнего и

внутреннего проводника, с точки зрения электрической прочности

элегазовой изоляции, отвечает соотношению R/r = e =2,71.

В ГИЛ ТИ электрическое поле имеет более сложную форму. При

симметричном расположении ТПЖ в вершинах правильного треугольника

максимальная электрическая прочность соответствует определенным

соотношениям между тремя конструктивными параметрами ГИЛ:

внутренним радиусом оболочки – R, внешним радиусом ТПЖ – r и

эксцентриситетом расположения ТПЖ – b. Согласно исследованиям в

[121-122] оптимальное распределение напряженности электрического поля

в изоляционной системе ГИЛ ТИ соответствует следующим соотношениям

этих геометрических параметров: r/R ≅0,18…0,2 и b/R ≅0,5. Изолирующие

распорки в рассматриваемой конструкции ГИЛ располагаются в

промежутке между жилой и оболочкой в радиальном направлении.

Для уменьшения влияния опорной изоляции на электрическую

прочность изоляционной системы в целом, в качестве альтернативного,

рассматривался вариант асимметричного расположения ТПЖ,

предполагающий их размещение не по радиусу относительно оболочки, а

по хорде, проходящей через ТПЖ, т.е. асимметрично относительно

а)

б) в)

Рис.7.4 ГИЛ однофазного (а) и трехфазного исполнений при

симметричном (б) и асимметричном (в) расположении ТПЖ

продольной оси кабеля [123]. Для поддержания ТПЖ используются

стержневые изоляторы, устанавливаемые на специальной платформе, при

этом средний изолятор сдвинут вдоль оси кабеля на определенное

расстояние относительно крайних изоляторов. Для этой конструкции ГИЛ

оптимизируемые параметры имеют следующие соотношения: r/R = 0,15,

b/R = 0,55, z/R = 0,45. При этом авторы также утверждают, что

предложенная асимметричная конструкция ГИЛ обладает достаточно

высокой электрической прочностью, определяемой свойствами чисто

газового промежутка, и при неизменном значении радиуса оболочки

кратковременная электрическая прочность асимметричной конструкции на

10% выше, чем при симметричной с "радиальным" расположением

изоляторов. Однако, эта конструкция ГИЛ ТИ не получила широкого

распространения на практике, во-первых, из-за сложности технологии

изготовления асимметричной конструкции, во-вторых, совершенствование

материала и формы опорных изоляторов практически сняли вопрос о

влиянии диэлектрических распорок на электрическую прочность

изоляционной системы ГИЛ.

Изоляционная конструкция ГИЛ состоит из трех элементов – газовой

изоляции, твердого диэлектрика и поверхности раздела между ними,

каждому из которых соответствует собственный механизм разряда и

величина допустимой напряженности электрического поля. Выбор

поперечных габаритов ГИЛ определяется следующими факторами:

• электрической прочностью чисто газового промежутка, собственно

твердого диэлектрика и комбинированной изоляции (на границе раздела

двух диэлектрических сред);

• условиями теплоотдачи и температурным режимом оболочки (не

более 70

С) и токоведущей жилы (не более 105С).

Толщины полых ТПЖ выполненных из алюминия, в зависимости от

токовых нагрузок (от 1 до 3 и более кА) составляют 1,2…2 см. Оболочка

ГИЛ ОИ выполняется из сплавов на основе алюминия. При трехфазном

исполнении - из стальной трубы толщиной около 1 см, либо из сплавов на

основе алюминия. В настоящее время для уменьшения потерь от вихревых

токов в стальной оболочке (примерно 160 Вт/м для ГИЛ 420 кВ с рабочим

током 3 кА) предлагается использовать двухслойную конструкцию

оболочки, состоящей из внутренней алюминиевой трубы толщиной около

2 мм и внешней стальной трубы толщиной 7…9 мм [124].

ГИЛ ТИ имеют следующие преимущества по отношению к ГИЛ

однофазного исполнения [131]:

- в ГИЛ ТИ практически не существует риска прожигания оболочки

при однофазных к.з., переходящих в течение десятков мс в трехфазное к.з.,

при котором ток в оболочке резко уменьшается. Поэтому толщина

оболочки в ГИЛ ТИ может быть уменьшена и определяется лишь

механическими воздействиями;

- потери в ГИЛ ТИ примерно на 15% меньше, чем в ГИЛ ОИ,

поскольку в нормальном режиме в оболочке ГИЛ ТИ продольный ток

отсутствует, а текут же лишь вихревые токи;

- ГИЛ ОИ требуют в три раза больше приспособлений для

организации мониторинга, концевых устройств и устройств герметизации;

- для прокладки ГИЛ ТИ требуется примерно на 30…40% меньше

отведенной под трассу земли.

К основным недостаткам ГИЛ ТИ можно отнести усложнение

изоляционной конструкции ГИЛ, а также процесса сборки и монтажа,

наличие электродинамических усилий между ТПЖ в нормальном и

аварийном режимах эксплуатации.

ГИЛ собираются из отдельных сегментов строительной длиной 12-15

м, при этом через каждые 100…120 м устанавливаются внутренние

герметичные перегородки для предотвращения утечек элегаза при

нарушении герметичности конструкции ГИЛ, а специальные устройства

поддерживают рабочее давление элегаза (0,35…0,45 МПа) на заданном

уровне при изменении температуры окружающей среды, режима работы

ГИЛ и т.д.

Несмотря на заметные успехи в разработке жестких конструкций

ГИЛ, последние имеют недостатки, связанные с малой изготавливаемой на

заводе строительной длиной секции и высокой стоимостью монтажа. В

этой связи за рубежом рассматривалась возможность разработки и

создания ГИЛ ОИ гибкой конструкции со строительными длинами

150…200 м, в которых гофрированные ТПЖ и оболочка выполнены из

меди. Однако, предел передаваемой мощности гибких ГИЛ ограничен

уровнем номинального напряжения и сечением ТПЖ, что предопределяет

использование гибких ГИЛ в основном при напряжениях 110…220 кВ,

поэтому широкого практического применения гибкие ГИЛ ОИ не нашли,

из-за низкого показателя в виде отношения передаваемой мощности к

себестоимости изделия.

На практике выбор конструкции ГИЛ осуществляется на основе

технико-экономического обоснования с учетом необходимости

обеспечения требуемого предела передаваемой мощности, длины ГИЛ и

трассы прокладки.

Изоляционная система ГИЛ является одним из важных факторов,

определяющих ее габаритные (стоимостные) показатели. Наличие

изоляционных распорок, диэлектрическая проницаемость которых в 3…5

раз превышает проницаемость газовой изоляции, при их нерациональной

конструкции может привести к усилению напряженности электрического

поля в газе вблизи поверхности твердого диэлектрика и в его толще и, как

следствие, к уменьшению напряжения пробоя на 10…20% по отношению к

напряжению пробоя чистого газового промежутка.

Конструктивные габариты ГИЛ в основном зависят от двух

взаимосвязанных факторов: необходимости обеспечения требуемой

пропускной способности, определяемой также тепловым режимом работы

ГИЛ, и допустимой рабочей напряженности электрического поля на

поверхности ТПЖ. В настоящее время габариты ГИЛ выбирают несколько

большими, чем следует из расчета электрической прочности чистого

газового промежутка, что приводит к некоторому удорожанию ГИЛ.

Согласно [125-126] в первых конструкциях ГИЛ применяемые для

опорной изоляции материалы выдерживали без теплового разрушения и

возникновения частичных разрядов (ЧР) в толще твердых диэлектриков

нагрев температурой не более 85

С при напряженности электрического

поля в 3…5 кВ/мм. В последние годы интенсивные исследования по

совершенствованию тепловых и электрических характеристик опорной

изоляции позволили при использовании эпоксидных композитов и

современной технологии изготовления изделий из синтетических

компаундов повысить максимально допустимую температуру ТПЖ до

105

С при одновременном увеличении уровней допустимых импульсных

перенапряжений и длительно приложенного напряжения. Например,

длительное воздействие напряженности электрического поля 20 кВ/мм при

С не вызывают повреждений и эпоксидные диэлектрические распорки

успешно работают при рабочих напряженностях электрического поля

доп.раб

=11…14 кВ/мм. На практике же напряженность электрического

поля в ГИЛ и КРУЭ с изоляторами из эпоксидных компаундов обычно

составляют около 3…6 кВ/мм.

Для обеспечения экономичности и требуемой эксплуатационной

надежности ГИЛ помимо улучшенных тепловых характеристик твердых

диэлектриков необходимо принимать меры по уменьшению

напряженности электрического поля в толще опорной изоляции и на

границе раздела двух сред-диэлектриков. Высокие значения внутренней

электрической прочности твердого диэлектрика и поверхностного

разрядного напряжения комбинированной изоляции достигаются за счет

применения специальных мер: выбора оптимальной формы изолятора,

использования встроенных экранов, обеспечения плотного соединения

твердого диэлектрика с электродами [127-130]. Применение этих мер

позволяет добиться электрической прочности элегазовых конструкций,

определяемой практически электрической прочностью газовой среды.

В таблице 7.4 в качестве примера приведены конструктивные

габариты и номинальные токи находящихся в эксплуатации ГИЛ

различных номинальных напряжений. В таблице также приведены год

ввода в эксплуатацию ГИЛ и приняты следующие обозначения: R и r –

соответственно, радиусы оболочки и ТПЖ; Δ

об

и Δ

тпж

- толщины оболочки

и ТПЖ.

Таблица 7.4

Конструктивные параметры ГИЛ

ном

, кВ R, мм r, мм

об

, мм Δ

тпж

, мм

ном

, А

210, 1998 г. 304 110 - - -

242, до 1985 г. 307 102 6,6 12,7 1700

275, до 1985 г. 480 160 10 5 4000

275, 1998 г. 460 170 10 20 6300

362, до 1985 г. 381 127 7,6 12,7 2000

550, до 1985 г. 508 178 6,4 12,7 2350

7.3.3 ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ И ВЫБОР УРОВНЯ

ИЗОЛЯЦИИ ГИЛ

При исследовании перенапряжений атмосферного и коммутационного

происхождения в типовых схемах использования ГИЛ 220-500 кВ

необходимо иметь информацию о ВСХ и соответствующих ей

коэффициентах импульса (К

) газовой изоляции при таких воздействиях. В

[131-132] показывается, что коэффициент импульса зависит от давления,

расстояния между электродами и их площади. Причем для грозовых

перенапряжений в диапазоне давления 0,35…0,45 МПа коэффициент

импульса равен 1,0…1,1 и 1,3…1,4, соответственно для электродов малой

и большой площади. Для коммутационных волн К

становится

существенно меньше – для волн отрицательной полярности он близок к

единице (не выше 1,1 и часто меньше 1,05) при любой площади

электродов. Исследования, проведенные в [131-132] по анализу

электрической прочности элегазовых устройств, показали, что

электрическая прочность промежутка при отрицательной полярности

импульсного напряжения меньше, чем при положительной, но разница не

превышает 10%. Интересно также отметить, что элегазовые промежутки с

квазиоднородным полем ГИЛ и КРУЭ имеют пологий характер ВСХ

вплоть до 1,0…1,5 мкс в отличие от ВСХ ВЛ [125].

Проведенные в [133] исследования позволили установить, что К

соотношение коэффициентов импульса для различных воздействий не

являются постоянными и зависят от давления газа и геометрических

параметров изоляционных промежутков: соответственно может

изменяться и определяющее уровень изоляции воздействие. В

конструкциях ГИЛ и КРУЭ 110…500 кВ изоляцию определяет ее

прочность при грозовых импульсах. При этом соотношение между

электрической прочностью изоляции этих устройств при воздействии

грозовых импульсов и напряжения промышленной частоты не превышает

1,4. С ростом же номинального напряжения увеличивается площадь

электродов и, следовательно, возрастает К

газовой изоляции при грозовой

волне, в частности соотношение между пробивными напряжениями при

воздействии грозового и коммутационного импульсов. Граничным

уровнем напряжения, при котором изоляцию будет определять

воздействие коммутационных импульсов, является 1000 кВ и, как

следствие, для достижения высоких технико-экономических показателей

необходимо глубокое ограничение уровня коммутационных

перенапряжений.

В настоящее время представляется целесообразным в качестве

базовых принять выдерживаемые импульсные уровни реально

существующих конструкций ГИЛ и КРУЭ с учетом рекомендаций МЭК и

уровней импульсных испытательных напряжений грозовым импульсом

для КРУЭ в соответствии с ГОСТ-1516.3-96 (табл.7.5) [134].

Сопоставление данных табл.7.5 показывает на хорошее согласие

между уровнями испытательных напряжений, рекомендуемыми МЭК, и

принятыми импульсными выдерживаемыми напряжениями ГИЛ и КРУЭ,

выполненными изготовителями различных стран.

Таблица 7.5

Импульсные испытательные напряжения ГИЛ и КРУЭ

ном

кВ

существующих

конструкции ГИЛ

для КРУЭ

(рекомендации МЭК)

Для КРУЭ

(по ГОСТ15163-96)

220

245

900…950

950

500

550

1550…1600

1550

1425

Выше уже отмечалось, что использование в качестве защитных

аппаратов ОПН, позволяет несколько снизить уровень изоляции ГИЛ и,

как следствие, за счет уменьшения поперечных габаритов ГИЛ повысить

ее экономичность. Примерами отмеченного, могут служить результаты

исследований в [135] и положительный опыт в Японии, где после

улучшения диэлектрических характеристик опорной изоляции и

применения в качестве защитных аппаратов ОПН был пересмотрен в

сторону снижения допустимый уровень импульсной электрической

прочности для ГИЛ 550 кВ с ранее принятого значения 1425…1550 кВ до

1300…1425 кВ [136].

Вопросам рационального выбора уровня изоляции ГИЛ, связанные в

том числе, с исследованием грозовых перенапряжений в различных схемах

их применения, за рубежом посвящено относительно небольшое

количество работ, а в отечественной литературе их практически нет. Такое

состояние проработок обусловлено небольшим сроком внедрения в

энергетику ЗЭП нового поколения. При этом следует отметить, что

существующие исследования грозовых перенапряжений в КРУЭ и ГИЛ

осуществлены при детерминистской постановке задачи и не могут

претендовать на исчерпывающую полноту, так как по своему уровню

существенно уступают исследованиям по анализу импульсной

электрической прочности ВЛ.

Выбор допустимых рабочих напряженностей электрического поля в

ГИЛ осуществляется исходя из длительно воздействующего рабочего

напряжения с учетом деградации изоляционной системы ГИЛ вследствие

различных факторов. Для ГИЛ к основным факторам ухудшения

диэлектрических свойств комбинированной изоляции можно отнести:

технологические дефекты в изолирующих распорках (воздушные

микрополости, расслоение и инородные включения) и

неудовлетворительная "чистота" изолирующего газа (наличие примесей

или микрочастиц); инжекция инородных микрочастиц извне в процессе

транспортировки, монтажа; появляющиеся и развивающиеся в процессе

эксплуатации частичные разряды; перегрев контактных соединений,

способствующий отделению и инжекции в газообразную среду

проводящих микрочастиц.

В табл.7.6 приведены для комбинированной изоляции зарубежных

конструкций ГИЛ значения допустимых рабочих и импульсных

напряженностей электрического поля.

Таблица 7.6

Допустимые рабочие напряженности электрического поля ГИЛ

ном

, кВ E

раб

, кВ/мм Е

имп

, кВ/мм

242 2,6 16,8

362 3,1 15,4

550 3,5 17,0

7.3.4 ВОПРОСЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ

НАДЕЖНОСТИ ГИЛ ВН

В виду относительно малой наработки ГИЛ приведем статистические

данные по основным причинам отказов элегазового оборудования КРУЭ,

которые в некоторой степени характерны и для ГИЛ:

• основной причиной аварийности КРУЭ по данным СИГРЕ являются

дефекты конструкции (32%), наличие заводского брака, не выявленного в

ходе типовых испытаний (24%) и дефекты, возникшие при

транспортировке (35%);

• основной причиной пробоя изоляции являются - свободные

частицы, инородные объекты на поверхности оболочки и изолятора – 20%,

некачественный "электростатический" контакт (перекрытие по

поверхности границы раздела сред) – 18%, некачественные контактные

соединения – 11%, пустоты в изоляционных распорках - 10%,

неправильный выбор изоляционных промежутков разъединителей (в

КРУЭ) –10%, внешние механические повреждения, приведшие к пробою

изоляции – 8%, конденсация влаги на изоляторах или оболочки – 7%,

острые выступы или частицы у токопроводящей жилы – 5%;

• большая часть (60%) отказов зафиксировано во время нормального

эксплуатационного режима.

Из приведенных данных видно, что вопросам обеспечения

необходимой надежности эксплуатации ГИЛ необходимо уделять

внимание как на стадии проектирования и изготовления ГИЛ, так и на

стадии их эксплуатации при осуществлении постоянного мониторинга

состояния изоляционной системы ГИЛ.

Для своевременного выявления возможных будущих повреждений и

отказов ГИЛ необходимо по возможности оперативно (в некоторых

случаях - мгновенно ) контролировать и выявлять:

• Снижение давления газа;

• Электрическую дугу, фиксация которой (в отличие от утечки газа)

должна быть по возможности мгновенной. К сожалению электрические,

акустические и оптические методы фиксации не позволяют достаточно

точно определить место повреждения, что может вызвать некоторые

затруднения, поскольку ремонт сопровождается полным либо частичным

удалением газа из оборудования;

• Температурный режим. Поскольку ГИЛ выполняется из составных

секций, эффективным средством диагностики является выявление мест

повышенного нагрева контактных соединений, так называемых "тепловых

пятен", которое производится при помощи оптоволоконного кабеля,

прокладываемого вдоль оболочки ГИЛ. Надежность и эффективность

таких устройств проверена при эксплуатации КРУЭ, невысокая стоимость

объясняется отлаженной технологией их изготовления.

• Частичные разряды. Для своевременной диагностики снижения

диэлектрических свойств комбинированной изоляции ГИЛ необходимо

проведение с заданной периодичностью замеров ЧР. Устройства

регистрации ЧР основаны на улавливании высокочастотного

электромагнитного излучения, возникающего при разряде частицы около

электрода либо при столкновении (приближении) с другой такой же

частицей. Существуют так же акустические датчики, настроенные на

улавливание аудиосигнала определенной частоты, соответствующей

появлению ЧР.

• Повреждение антикоррозийного покрытия;

Наиболее правильным и экономически целесообразным способом

повышения эксплуатационной надежности ГИЛ является своевременное

проведение профилактических мероприятий по выявлению в процессе

эксплуатации "слабых мест" в изоляционной системе с целью

предупреждения будущего отказа ГИЛ. В настоящее время при

современном развитии аппаратно-измерительной техники не представляет

каких либо сложностей осуществление постоянного мониторинга за

уровнем давления в ГИЛ, регистрации ЧР, выявления "теплых пятен" и

других диагностируемых параметров.

7.4 ГРОЗОВЫЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ В ТИПОВЫХ

СХЕМАХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЗЭП ВН

7.4.1 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Внедрение в электроэнергетику ЗЭП нового поколения должно

базироваться, в том числе, и на детальных теоретических исследованиях,

направленных на обеспечение необходимой эксплуатационной надежности

ЗЭП ВН в различных режимах их эксплуатации. В частности, необходимо

проработать комплекс вопросов, связанных с условиями эксплуатации

ЗЭП в типовых схемах их использования при воздействии грозовых

перенапряжений, которые являются определяющими, поскольку

коммутационные перенапряжения характеризуются относительно

невысокими кратностями.

Постоянное углубление знаний в области физики исследуемых

явлений, появляющиеся новые экспериментальные и теоретические

результаты, а также постоянно расширяющиеся возможности

вычислительной техники позволяют вносить соответствующие дополнения

и коррективы в разрабатываемые методики и математические модели по

исследованию электромагнитных процессов в типовых схемах

использования КПИ и ГИЛ. Очевидно, что совершенствование

математических моделей позволит получить более полную и достоверную

информацию об условиях эксплуатации ЗЭП, по возможности, адекватно

отражающую физическую суть исследуемых явлений.

Численные исследования по влиянию полноты математических

моделей на расчетную грозоупорность электрических сетей различного

назначения показали, что в ряде случаев использование упрощенных

моделей может привести к заведомо неправильным конечным результатам

по оценке грозоупорности различного электрооборудования сети и, как

следствие, к принятию неверных технических решений по защите

изоляции от грозовых перенапряжений.

В этой связи для получения информационно-значимой в качественном

и количественном отношениях информации исследование грозоупорности

КПИ и ГИЛ в типовых схемах их применения и разработку требований к

токовым и энергетическим характеристикам ОПН необходимо проводить

с учетом современных концепций, как оценки грозоупорности ВЛ, так и

полноты моделирования на высоких частотах отдельных элементов

исследуемой системы. В частности, можно отметить следующие две

группы факторов, влияющих в той или иной степени на грозоупорность

ЗЭП и условия эксплуатации ОПН:

• Параметры грозовых волн, набегающих с ВЛ на кабельную вставку,

зависящих от: расстояния места грозового поражения провода ВЛ от КЛ;

реальной формы волны тока молнии; случайного характера ориентировки