Кадомская К.П. Перенапряжения в электрических сетях различного назначения и защита от них
Подождите немного. Документ загружается.
канала лидера молнии в системе "грозозащитный трос - провода ВЛ-
земля".
• Параметры элементов исследуемой системы: схемы применения
ЗЭП (длина кабельной вставки и тип нагрузки в конце кабельной вставки
– ВЛ или КРУЭ); динамические свойства ВАХ ОПН при воздействии
крутых волн; волновые параметры ЗЭП различного конструктивного
исполнения.
Таким образом, при проведении компьютерных исследований
грозовых перенапряжений в типовых схемах применения ЗЭП ВН
необходимо учитывать весь комплекс отмеченных выше факторов,
поскольку игнорирование того или иного фактора может привести к
неправильным выводам о степени грозоупорности исследуемого объекта и
величинах токовых и энергетических воздействий на защитные аппараты.
7.4.2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ АНАЛИЗА
ГРОЗОУПОРНОСТИ ЗЭП ВН
С учетом изложенного математическая модель для анализа
грозоупорности кабельных вставок должна учитывать:
• Удаленность места грозового поражения ВЛ от КЛ, поскольку учет
волн, отраженных от КЛ, влияет на форму и энергетический потенциал
волн, формирующихся в месте прорыва молнии сквозь тросовую защиту
ВЛ и, как следствие, на уровни грозовых перенапряжений [137];
• Реальную форму волны тока молнии, учитывающей нулевую
производную волны тока молнии в начальный момент времени, что
обуславливает определенную длительность срезанного импульса
напряжения, набегающего на кабельную вставку, при грозовом поражении
провода ВЛ в непосредственной близости от ГИЛ (см. раздел 5.3);
• Динамику изменения вольтамперной характеристики ОПН при
набегании с ВЛ грозовых волн с крутыми фронтами, поскольку не учет
петлеобразного характера вольтамперной характеристики ОПН в области
импульсов тока с большой крутизной и амплитудой может привести к
заниженным (до 20-25%) оценкам уровня грозовых перенапряжений на
изоляции КПИ и ГИЛ (см. раздел 6.4.5);
•
Избирательную грозопоражаемость проводов ВЛ при учете
случайного характера ориентировки канала лидера разряда молнии в
системе "грозозащитные тросы - провода ВЛ - земля". Согласно [138] при
учете ориентировки канала лидера молнии вероятность грозового
поражения провода ВЛ зависит от амплитуды тока молнии, высоты
подвеса проводов, количества цепей на опоре ВЛ, углов тросовой защиты
и наличия естественного экранирования ВЛ (при прохождении трассы ВЛ
в гористой местности или в районе лесопосадок). В частности,
компьютерное моделирование грозоупорности ВЛ с учетом ориентировки
канала лидера молнии показало, что амплитуды волн токов молнии,
прорвавшихся на провода ВЛ сквозь тросовую защиту, существенно ниже
амплитуд волн, поражающих тросы ВЛ и землю. Учет ориентировки
канала лидера молнии приводит к тому, что лидеры, несущие большие
заряды, поражают, в основном, тросы ВЛ. На провода же сквозь тросовую
защиту прорываются более "слабые" удары молнии. Амплитуды этих волн
при учете ориентировки канала лидера молнии необходимо определять
при расчетах грозоупорности схем с КПИ и ГИЛ в соответствии с
разработанной методикой, изложенной, в частности в [ ].
Все волны грозового происхождения, набегающие с ВЛ на кабельную
вставку, в зависимости от возможного вида поражения ВЛ (ударе молнии
в опору, в трос в середине пролета или прорыве молнии сквозь тросовую
защиту на провод), амплитуды (I
м
)
и крутизны (А
м
) тока молнии,
импульсной прочности линейной изоляции воздушной линии U
всх
(t),
величины сопротивления заземления опоры (R
з
) и конструкции опоры, а
также удаленности грозового поражения провода ВЛ от кабельной вставки
имеют различный энергетический потенциал, характеризующейся
амплитудой волны U
в
и ее длительностью τ
в
. Таким образом, вид и
параметры грозовых волн, воздействующих на изоляцию ГИЛ, являются
случайными, так как определяются случайными факторами.
Рассматриваемые волны условно можно разделить на три группы:
- полные волны, образованные в результате прорыва молнии сквозь
тросовую защиту ВЛ и не приведшие к перекрытию линейной изоляции с
амплитудой, не превышающей 50%-ное импульсное разрядное
напряжение линейной изоляции ВЛ (рис.7.5,а);
- срезанные волны, образованные в результате прорыва молнии
сквозь тросовую защиту и последующим перекрытием линейной изоляции
ВЛ (рис.7.5,б);
- короткие волны, образованные при вторичных перекрытиях с тела
опоры на провод при ударах молнии в опору (7.5в).
Тип и энергетический потенциал воздействующей на кабельную
линию грозовой волны определяется пересечением исходной волны
напряжения, формирующейся на проводе в месте прорыва молнии сквозь
тросовую защиту
i
t
t
t
t
t
eeI
zz
titU
1
22
)()(
21
м
кпркпр
мВ
⎟
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎜
⎝
⎛
−==
−
(7.1)
с вольт-секундной характеристикой линейной изоляции ВЛ
tbUtU /1)(
)(
10
всх
+=
−
, (7.2)
где i
м
(t) и I
м
– соответственно, волна тока молнии и амплитуда тока
молнии;
)/exp(,5/),5,0lg/()(
1фф2фв1
tttt
i
τ
−
=
τ=−τ−τ=
- параметры волны;
τ
в
и τ
ф
– соответственно, длина волны и фронта воздействующего тока
молнии;
Z
к.пр
– волновое сопротивление провода с учетом импульсной короны;
)(
10
−
U
- разрядное напряжение линейной изоляции при воздействии волны
отрицательной полярности, примерно равное 50%-ному разрядному
напряжению (700, 1200 и 2430 кВ соответственно для ВЛ 110, 220 и 500
кВ);
b - параметр ВСХ линейной изоляции (2.5, 2.2 и 1.2 для ВЛ 110, 220 и
500 кВ);
t - время в мкс.
Вероятность образования срезанных волн при прорыве молнии
сквозь тросовую защиту ВЛ различных классов напряжения определится
как
Р
ср
=Р[U
в
(t)≥U
всх
(t)] , (7.3)
Согласно закону распределения амплитуд токов молнии [1] нижняя
граница реальных значений амплитуд токов молнии составляет I
м
= 5…7
кА. При волновом сопротивлении коронирующего провода ВЛ Z
к.пр.
=
350…415 Ом даже минимальные амплитуды волн напряжения,
образовавшихся при прорыве молнии на провода ВЛ составляют
1000…1400 кВ, что превышает и соизмеримо с импульсной прочностью
изоляции ВЛ 110 и 220 кВ. Таким образом, прорыв молнии на провода ВЛ
110-220 кВ приводит с вероятностью Р≅1 к образованию срезанных волн.
Для ВЛ 500 кВ соотношение количества полных и срезанных волн
напряжения, образовавшихся на проводе при прорыве молнии сквозь
тросовую защиту составляет примерно 30% и 70%. Рассмотренный случай
отвечает так называемому дальнему удару молнии (ДУМ), когда на
процесс формирования волны напряжения в месте прорыва молнии на
провод не влияют волны, отраженные от кабельной вставки. При ближних
же ударах молнии (БУМ), отвечающих прорыву молнии сквозь тросовую
защиту примерно за 300…500 метров до КПИ или ГИЛ, на кабельную
вставку могут набегать срезанные волны с несколько большим
энергетическим потенциалом (за счет большей длительности), что
обуславливает необходимость учета расстояния грозового поражения ВЛ
от кабельной вставки (рис.7.5,г).
Волны обратных перекрытий, возникающих на ВЛ в
непосредственной близости от кабельной вставки (рис.7.5в), при
рассмотрении грозовых перенапряжений на главной изоляции КПИ и ГИЛ
могут не учитываться, поскольку экраны КЛ (оболочка ГИЛ),
электрически соединенные с контуром заземления подстанции и тросами
ВЛ, принимают потенциал троса и полностью передают его на жилы
кабелей. При возникновении же этого типа волн на значительном
удалении от кабельной вставки они могут не приниматься во внимание из-
за затухания импульса напряжения относительно малой длительности с
практически прямоугольным фронтом вследствие импульсной короны и
потерь в земле.
t
U
Uв
τв = 50...130 мкс
ВСХ ВЛ
t
U
τв=τср=2...8 мкс
ВСХ ВЛ
Uвср 1
Uвср 2
а) б)
t
U
U
в
τв = 10...20 мкс
t
U
ВСХ ВЛ
Uвср 1
Uв ср 2
2
τ
у
д
12
1 - при ДУМ
2 - при БУМ
в) г)
Рис.7.5 Стилизованные кривые форм грозовых волн, набегающих на
кабельную вставку при ударе молнии в провод (а,б), опору (в)
и ударе молнии в провод в непосредственной близости от
кабельной вставки (г)
Таким образом, основными видами грозовых волн, воздействующих
на КПИ 110-220 кВ и ГИЛ 500 кВ являются:
- при дальних ударах молнии набегающие с примыкающей ВЛ 110-
220 кВ срезанные волны, а также срезанные и полные волны в случае ВЛ
500 кВ. При этом амплитуда и длительность срезанной волны в месте
прорыва молнии на провод определяется вольт-секундной
характеристикой линейной изоляции ВЛ;
- при ближних ударах молнии на кабельную вставку могут
воздействовать как полные так и срезанные волны напряжения, при этом
энергетический потенциал срезанных волн будет несколько больше, чем в
первом случае, за счет большей длительности импульса напряжения.
При исследовании грозовых перенапряжений в типовых схемах
использования КПИ и ГИЛ, расчетную схему можно представить в виде
совокупности узлов, включающих элементы с сосредоточенными и
распределенными параметрами. Определение изменения напряжения в
узлах такой схемы осуществляется на базе математической модели,
которая содержит уравнения, описывающие переходные процессы в узлах
схемы и уравнения линий, связывающих эти узлы.
На рис.7.6 представлены исходная и расчетная схемы замещения,
позволяющие исследовать грозовые перенапряжения, возникающие в
схеме при ударе молнии в линию на различном расстоянии от кабельной
вставки.
В схемах приняты следующие обозначения:
i
м
(t) и V
ист
(t) - форма воздействующего тока молнии и соответствующая ей
волна напряжения,
l
уд
- длина участка ВЛ между кабельной вставкой и местом грозового
поражения ВЛ,
Z
в
и Z
к
- волновые сопротивления воздушной и кабельной линий,
С
э
- эквивалентная определенная на грозовой частоте входная емкость
высоковольтного оборудования подстанции,
Z
э
- эквивалентное волновое сопротивление воздушных и кабельных
линий, отходящих от шин подстанции,
V
ik
(t) и V
ki
(t) - обобщенные волны, набегающие на узлы i и k.
При использовании метода обобщенных бегущих волн система
уравнений, описывающих процессы в расчетной схеме, имеет вид:
узел 1:
⎪
⎪
⎪
⎪
⎭
⎪
⎪
⎪
⎪
⎬
⎫
−=
≥
+
+
=
=
<
+
=
)()(2)(
)()(при,
2
)()(
)(
*)()(где
)()(при,
2
)()(
)(
21112
всх1
з
в
21ист
1
вмист
всх1
21ист
1
tVtUtW
tUtU
R
Z
tVtV
tU
ZtitV
tUtU
tVtV
tU
(7.4)
l
КПИ (ГИЛ)
ОПН-1
ОПН-2
ВЛ
i м(t)
0,5...3 км
КРУЭ
ВЛ
а)
lуд
ВЛ КПИ (ГИЛ)
1 2 3
V23(t)V12(t)V21(t) V32(t)
ОПН-1 ОПН-2
zвэ
Сэ
Vист
UВСХ(t)
zв zк
zв
б)
Рис. 7.6 Исходная (а) и расчетная (б) схемы замещения для анализа грозовых
перенапряжений в типовых схемах использования ЗЭП ВН
узел 2:
при ближних ударах молнии
⎪
⎪
⎪
⎭
⎪
⎪
⎪
⎬
⎫
−=
−=
=
+
−+
=
),()(2)(
),()(2)(
)],([)(
,
)()()(
)(
32223
12221
2опн
кв
квопнв32к12
2
tVtUtW
tVtUtW
tUfti
ZZ
ZZtiZtVZtV
tU
(7.5)
при дальних ударах молнии
⎪
⎪
⎪
⎭
⎪
⎪
⎪
⎬
⎫
−=
=
=
+
−
+
=
),()(2)(
)],([)(
2
)(
)(
,
)()()(
)(
32223
2опн
вм
ист
кв
квопнв32кист
2
tVtUtW
tUfti
Zti
tVгде
ZZ
ZZtiZtVZtV
tU
(7.6)
узел 3:
⎪
⎪
⎪
⎭
⎪
⎪
⎪
⎬
⎫
−=
=
≥≥
+
=
−+−
=
)()(2)(
)],([)(
,11,
,
)())(()()(
23332
3
кв
кквв
кв
э
кээ
экопнэк3э233
tVtUtW
tUfti
nиnпри
nZnZ
ZZ
Z
ZZС
ZZtiZZtUZtV
dt
tdU
опн
(7.7)
где
Z
э
- эквивалентное волновое сопротивление, характеризующее количество
примыкающих к шинам подстанции ВЛ и КЛ;
V
ik
(t) и V
ki
(t) - обобщенные волны, набегающие на узлы i и k,
W
ik
(t) и W
ki
- отраженные волны от узлов i и k,
U
i
(t) и i
i
(t) - напряжение и токи в i-ых узлах.
При не учете потерь в воздушной и кабельной линии (R=G=0)
отраженные волны будут падающими для узлов, через времена, равные
временам пробега волн по линиям:
V
ik
(t) = W
ik
(t -τ
ik
) ,
где τ
ik
- время пробега волны по линии между i и k узлами.
Математические модели реальной формы волны тока молнии и
динамические свойства ВАХ ОПН рассмотренны в разделах 4.4.5 и 5.3
настоящего пособия.
7.4.3 АНАЛИЗ ГРОЗОВЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ
И УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ОПН В ТИПОВЫХ
СХЕМАХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КПИ 110-220 кВ
7.4.3.1 НЕОГРАНИЧЕННЫЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ
Ниже в качестве примера приведены результаты компьютерных
исследований амплитудно-временных параметров грозовых
перенапряжений и условий эксплуатации защитных аппаратов
применительно к базовым конструкциям кабелей, выпускаемых
АО "АББ-Москабель" и корпорацией Nexans, при следующих исходных
данных: Z
вк
=
_
380…425 Ом - волновые сопротивления ВЛ с учетом
импульсной короны;
Z
к
= 35…45 и 50…60 Ом - волновые сопротивлений, соответственно КПИ
110 и 220 кВ, при сечениях токопроводящей жилы 350…800 мм
2
; U
0,5
= 700
и 1200 - 50%-ное разрядное напряжение линейной изоляции ВЛ 110 и 220
кВ; C
э
=3000…4000 пФ - диапазон варьирования суммарной емкости
аппаратов и трансформаторов электрооборудования ОРУ (или КРУЭ); l
каб
= 0,5…3,0 - диапазон варьирования длины КПИ, осуществляющего связь
ВЛ и КРУЭ.
На рис.7.7 и 7.8 в качестве иллюстрации приведены компьютерные
осциллограммы изменения напряжения в узлах исследуемой схемы при
воздействии на КПИ 110 кВ грозовых волн с различным энергетическим
потенциалом. Очевидно, что амплитудно-временные параметры
неограниченных грозовых перенапряжений, воздействующих на изоляцию
кабельной вставки, зависят как от формы воздействующего импульса
напряжения, так и от параметров схемы, в частности, от соотношения
волновых сопротивлений ВЛ и КПИ в месте их сопряжения, длины
кабельной вставки, значения суммарной емкости высоковольтного
оборудования подстанции и количества отходящих от шин ПС воздушных
линий.
Анализ приведенных компьютерных осциллограмм показывает, что
при воздействии на схему срезанной волны напряжения с длительностью
τ
в
, меньшей двойного времени пробега волны по кабельной вставке (2τ
кл
),
форма изменения напряжения в узлах исследуемой схемы повторяет
форму воздействующего импульса напряжения, а амплитуда определяется
коэффициентами преломления и отражения в соответствующих узлах.
Последнее связано с отсутствием наложения преломленных и отраженных
волн в линии с распределенными параметрами. В случае же, когда τ
в
>2τ
кл
,
уровни грозовых перенапряжений на изоляции кабельной вставки
увеличиваются за счет наложения волн, обусловленного волновым
процессом в кабельной линии с распределенными параметрами.
Иной характер волнового процесса будет иметь место при
воздействии на исследуемую схему полной волны. В этом случае за счет
наложения волн через время 2⋅τ
кл
кабельная вставка заряжается до
существенно большего значения напряжения, которое в пределе может
достигнуть двойного значения по отношению к амплитуде набегающей с
ВЛ полной волны.
Оценим предельные уровни грозовых перенапряжений, возникающих
на кабельной вставке, при воздействии срезанных волн. Для этого
рассмотрим процессы в простейшей схеме, когда к воздушной линии
примыкает одна кабельная линия в режиме холостого хода (т.е. для схемы
рис.7.6,б коэффициенты преломления и отражения, соответственно равны
μ
3
=2 и β
32
=1). При набегании на кабельную вставку волны напряжения
малой длительности (τ
в
<2τ
к
) с амплитудой, определяемой ВСХ линейной
изоляции ВЛ (U
Вср
), процесс имеет форму импульсов, повторяющих по
форме воздействующую волну и чередующихся с частотой f = 1/ 2τ
К
. При
этом в начале КПИ первый максимум определится как
кв
к
Вср23Вср
н
1
2
zz
z
UUU
i
+
=μ=
=
,
а) б)
Рис.7.7 Расчетные кривые неограниченных грозовых перенапряжений
при набегании с ВЛ полной волны (1,2/50) и различной длине
кабельной вставки: а - l
к
= 500 м , б - l
к
= 1000 м
а) б)
Рис.7.8 К анализу формы грозовых перенапряжений, воздействующих на изоляцию
КПИ, при набегании с ВЛ срезанных волн и различной длине кабельной
вставки: а – l
к
= 100 м, б - l
к
= 500 м
а последующие максимумы по выражению
2
кв
кв
2
кв
кв
Вср
2
23
2
32323Вср
н
2
)(
4
−
−−
≥
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+
−
+
=ββμμ=
i
ii
i
zz
zz
zz
zz
UUU
.
На разомкнутом конце кабеля амплитуда i-го импульса напряжения
будет
1
кв
кв
кв
к
Вср
к
1
4
−
≥
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+
−
+
=
i
i
zz
zz
zz
z
UU
.
На практике длительность срезанных волн для ВЛ 110-220 кВ не
превышает 2…4 мкс, т.е. такой характер процессов будет иметь место при
дальних ударах молнии для кабельных вставок длиной свыше 500 м.
Очевидно, что при примыкании к подстанции нескольких
воздушных (n
в
) и кабельных (n
к
) линий уровни перенапряжений в
исследуемой схеме существенно снизятся. При этом максимум
перенапряжений в конце кабельной вставки при набегании с ВЛ волны с
амплитудой U
в.ср
, определится как
()( )
вквккв
к
Вср323Вср
к
max
/1
4
zznnzz
z
UUU
+++
=μμ=
.
Поскольку в рассматриваемой схеме применения КПИ
максимальные перенапряжения возникают в конце кабельной вставки, то в
качестве допустимых уровней импульсных перенапряжений при
сопряжении КПИ с ОРУ необходимо принимать в соответствии с
ГОСТ1516.3-96 уровень, допустимый для изоляции силового
трансформатора (480 кВ), так как этот уровень ниже импульсной
электрической прочности КПИ (550 кВ). В случае же сопряжения
кабельной вставки с КРУЭ нормированные импульсные испытательные
напряжения КПИ и электрооборудования с частичной или полной
элегазовой изоляцией главных цепей одинаковы.
В табл.7.7 для сравнения приведены уровни испытательных
напряжений для КПИ и электрооборудования ОРУ (или КРУЭ) и
диапазоны изменения неограниченных перенапряжений при различных
параметрах набегающих с ВЛ волн атмосферного происхождения,
варьировании длины кабельной вставки и величины эквивалентной
входной емкости оборудования ВН. В табл.7.8 приведены нормируемые
испытательные напряжения грозовым импульсом для внутренней и
внешней изоляции подстанционного электрооборудования, а также КРУЭ
с частичной или полной изоляцией главных цепей элегазом. В табл.7.12
приняты следующие обозначения: ПГИ и СГИ - соответственно, полный и