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

Подождите немного. Документ загружается.

срезанный грозовые импульсы, А – аппараты, СТ- силовые

трансформаторы, ШР – шунтирующие реакторы, ЭМТН –

электромагнитные трансформаторы напряжения, ТТ – трансформаторы

тока.

Таблица 7.7

Сопоставление уровней неограниченных перенапряжений и

импульсной прочности КПИ и подстанционного оборудования

КПИ ОРУ КРУЭ Уровни

перенапряжений

ном

кВ

исп имп

, кВ U

исп имп

, кВ U

исп имп

, кВ U

max

, кВ

110

220

550

950

450…550

750…950

550

950

450…600

600…1100

Таблица 7.8

Нормируемые испытательные напряжения

электрооборудования грозовым импульсом

ОРУ КРУЭ

ном

кВ

Оборудование

ПГИ СГИ ПГИ СГИ

110

СТ, ШР, ТН

Аппараты, ТТ

480

450

550

220

СТ, ШР

Аппараты, ТТ

ЭМТН

750

900

950

835

1100

950

500

СТ

А, ШР,ТТ, ТН

1300

1425

1400

1550

1425

Примечание: * - уровень изоляции при использовании ОПН, ** - для ЭМТН.

Сопоставление уровней неограниченных перенапряжений с

импульсной прочностью изоляции (табл.7.7 и 7.8) приводит к заключению

о необходимости установки защитных аппаратов в типовых схемах

использования КПИ 110-220 кВ для обеспечения надежной эксплуатации

КПИ и электрооборудования, установленного на ОРУ или КРУЭ.

7.4.3.2 ТОКОВЫЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА

НЕЛИНЕЙНЫЕ ОГРАНИЧИТЕЛИ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

(ОПН)

В качестве защитных аппаратов в настоящем подразделе

рассматриваются серийно выпускаемые отечественными производителями

ОПН с защитными характеристиками, приведенными в табл.7.9 [1].

Таблица 7.9

Защитные характеристики ОПН 110 кВ

Остающееся напряжение, кВ

при импульсном токе 8/20 мкс, кА

Фирма –

Изготовитель

Тип

ограничителя

0,5 3,0 5,0 10,0 20,0 40,0

"Таврида-Электрик"

ОПН-110/84

ОПН-110/146

213

366

251

436

269

466

289

502

"Феникс-88"

ОПН-110/88

ОПН-220/146

217

366

242

409

253

428

273

461

297

502

331

"АВВ – УЭТМ"

EXLIM -110/86

EXLIM -220/156

270

488

288

521

320 -

На рис.7.9 приведены компьютерные осциллограммы при

воздействии срезанной грозовой волны (I

=10 кА, 5/50 мкс) и различном

расположении защитных аппаратов по концам кабельной вставки.

Численные исследования показали, что при воздействии полной волны

(прорыв молнии непосредственно у кабельной вставки) и установке по

одному защитному аппарату по концам КПИ токовые нагрузки на ОПН не

превышают 3 кА, при наличии же двух ОПН происходит

перераспределение токовых нагрузок и их величина не превышает 2 кА.

При набегании с ВЛ срезанной волны с амплитудой, обусловленной

импульсной прочностью линейной изоляции ВЛ, токовые нагрузки

несколько больше (3…6 кА), но длительность импульсов тока,

протекающих через ОПН составляет единицы микросекунд.

Очевидно, что величины токовых воздействий на ОПН зависит от тех

же факторов, что и амплитуды неограниченных перенапряжений.

Например, при увеличении длины кабельной вставки с 0,5 км до 1,5 км и

воздействии полной волны уровень неограниченных перенапряжений на

изоляции КПИ 110 кВ снизился с 683 кВ до 458 кВ, что привело к

уменьшению токовых нагрузок в ОПН, при их установке по концам

кабельной вставки в 1,5…2 раза (ток составил не более 1,5 кА).

Выбор защитных характеристик ОПН непосредственно связан с

проблемой координации изоляции, представляющей собой приведение в

соответствие уровней электрической прочности изоляции КПИ и

электрооборудования ОРУ (КРУЭ) с уровнями воздействующих на

изоляцию грозовых перенапряжений с учетом аппаратных средств и

средств релейной защиты, линейной и противоаварийной автоматики.

Наряду с остающимся напряжением на защитном аппарате необходимо

а)

б)

Рис.7.10 Расчетные кривые грозовых перенапряжений в конце кабельной

вставки при набегании с ВЛ срезанной волны и наличии

ОПН в начале (а) и конце (б) КПИ (l

= 500 м, I

=10 кА, 1,2/50 мкс)

обратить внимание и на другую его защитную характеристику –

энергоемкость, обуславливающую способность ОПН без разрушения

поглощать энергию в варисторах.

Расчеты показали, что удельная энергия, поглощаемая в нелинейных

оксидно-цинковых варисторах ОПН на 1 кВ наибольшего рабочего

напряжения не превышает 0,2…0,5 кДж, что на порядок меньше

регламентируемых для ОПН величин. Таким образом, для ограничения

перенапряжений никаких дополнительных требований к энергоемкости

ОПН выдвигать нет необходимости и в качестве защитных аппаратов

могут быть использованы любые ОПН из номенклатурного ряда

выпускаемых защитных аппаратов.

При установке ограничителей перенапряжений по концам кабельной

вставки максимальные перенапряжения в исследуемых схемах применения

КПИ 110-220 кВ не превышают 50…60% от допустимых импульсных

уровней для изоляции кабельных линий и электрооборудования

понизительной подстанции (ОРУ или КРУЭ). При этом токовые нагрузки

находятся в допустимых пределах и не превышают 3…6 кА.

Относительно легкие условия эксплуатации ОПН и низкие уровни

воздействующих грозовых перенапряжений обусловлены такими

демпфирующими факторами как малое значение волнового сопротивления

КЛ и относительно низкий уровень разрядных напряжений линейной

изоляции ВЛ 110-220 кВ, определяющий малый энергетический потенциал

набегающих на кабельную вставку грозовых волн.

Выше были рассмотрены условия эксплуатации ОПН, обусловленные

грозовыми поражениями ВЛ, непосредственно связанной с КПИ.

Необходимо, однако, помнить, что выбор требуемых характеристик ОПН,

а, следовательно их типов из номенклатурного ряда соответствующего

класса напряжения различных производителей, основывается на

комплексном рассмотрении всех воздействий и характеристик

электрической прочности защищаемого электрооборудования. Кратко

можно сформулировать следующие этапы выбора ОПН следующим

образом.

1.Определяется величина напряжения, которая может быть приложена

к аппарату в течение длительного времени (U

). Так например, в условиях

нормальной эксплуатации ОПН в сети с глухозаземленной нейтралью в

качестве U

может быть принято наибольшее фазное рабочее напряжение.

В сети с изолированной нейтралью или с нейтралью, заземленной через

дугогасящий реактор или резистор в качестве U

может быть принято

наибольшее линейное напряжение. Если время приложения повышенного

значения напряжения на защитный аппарат (ЗА) ограничено, то расчетная

величина длительно приложенного напряжения может быть больше, чем

, поскольку в этом случае U

=k(t)⋅U

, где

k(t)>1 увеличивается с

уменьшением времени приложения повышенного значения напряжения к

ЗА.

2.По характеристикам электрической прочности электрооборудования

при импульсных воздействиях (отвечающих воздействию грозовых и

коммутационных волн) выдвигаются требования к остающемуся

напряжению на ЗА при токах в ЗА, определяемых структурой сети и

рассматриваемыми воздействиями.

3.В условиях п.2 производится оценка энергии, поглощаемой

варисторами ОПН при единичных грозовом воздействии и при расчетной

коммутации. На основе этой энергии определяется удельная энергия,

равная отношению поглощаемой энергии к длительно выдерживаемому

напряжению и устанавливается группа ОПН по этому показателю.

Выбор ОПН в сети, содержащей кабельные линии, производится по

изложенному алгоритму, одним из этапов которого и явилась приведенная

выше оценка условий эксплуатации КПИ при воздействии грозовых

перенапряжений.

7.4.4 ГРОЗОУПОРНОСТЬ ГИЛ 500 кВ В ТИПОВЫХ

СХЕМАХ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

7.4.4.1 НЕОГРАНИЧЕННЫЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ

Поскольку для ГИЛ характерны относительно небольшие

протяженности (вставки между воздушными линиями, вводы в КРУЭ,

прокладка в мегаполисах), при которых кратности коммутационных

импульсов относительно невелики, то определяющими импульсными

воздействиями являются грозовые перенапряжения, возникающие при

ударе молнии в воздушную линию, примыкающую к ГИЛ.

Анализ грозоупорности проводился применительно к ГИЛ 500 кВ

трехфазного исполнения с симметричным расположением

токопроводящих жил внутри стальной оболочки. При расчетах

принимались следующие конструктивные параметры ГИЛ: R=0,5м,

r=0,09м, b=0,25м, толщины полой алюминиевой токопроводящей жилы и

стальной оболочки составили 1 см. При этом в соответствии с

зарубежным опытом применения ГИЛ в качестве расчетных приняты

следующие схемы: "ВЛ-ГИЛ-ВЛ" - в случае пересечения нескольких

воздушных линий при длине ГИЛ в несколько сотен метров и "ВЛ-ГИЛ-

КРУЭ" - при глубоком вводе мощности в крупные города с высокой

концентрацией нагрузки при длинах ГИЛ в единицы километров.

Принципиальная и расчетная схемы, позволяющие исследовать

грозовые перенапряжения в системах "ВЛ-ГИЛ-ВЛ" и "ВЛ-ГИЛ-КРУЭ"

приведены на рис.7.6. В схеме рис.7.6,б КРУЭ моделируется в виде

входной емкости трансформатора, а воздушная линия в системе "ВЛ-ГИЛ-

ВЛ" – в виде активного сопротивления, по величине равного волновому

сопротивлению. Участок ВЛ, примыкающий к ГИЛ со стороны удара

молнии и ГИЛ моделируются в виде элементов с распределенными

параметрами.

Молния моделировалась в виде источника тока с параметрами,

отвечающими прорыву молнии сквозь тросовую защиту ВЛ. При

определении закона распределения амплитуды тока молнии учитывалась

её ориентировка в систему "грозозащитные тросы-провода ВЛ-земля" с

помощью методики, основанной на физическом представлении

распространения канала лидера молнии [138]. В случае не учета

ориентировки канала лидера молнии амплитуда волны тока молнии

принималась распределенной по логарифмически нормальному закону с

параметрами: = 3,41, = 0,62. При этих параметрах значения

амплитуд волны тока молнии, вероятности превышения которых

составляют 0,95 и 0,05, оказываются равными: I

Iln

м,0.05

=84 кА, I

м,0.95

=11кА.

Вычислительные имитационные эксперименты, учитывающие

ориентировку канала лидера молнии, показали, что амплитуда волны тока

молнии, поражающей провод ВЛ, также распределена по логарифмически

нормальному закону, причем I

м,0.05

= 42,5 кА, I

м,0.95

= 6,8кА. Следует

отметить, что вероятность прорыва молнии на провода ВЛ 500 кВ сквозь

тросовую защиту согласно имитационным экспериментам составила 0,007.

Волна тока молнии записывалась в виде, обеспечивающем её нулевую

производную в начальный момент времени:

)()(

)(

м0

tytxIti

, (7.8)

где ,

)exp(-t/y(t) ),1/()( τ=+=

kktx

, τ

и τ

– времена,

определяемые возрастанием и спадом волны тока молнии.

Из (7.8) видно, что помимо амплитуды волна тока молнии зависит еще

от четырех параметров: τ

, τ

, n

. Обычно исследователи задают законы

распределения трех параметров волны тока молнии: амплитуды (I

условной длительности фронта τ

0,1-0,9

(τ

=1,25τ

0,1-0,9

) и длительности волны

(времени до её полуспада - τ

). При заданном коэффициенте n=2,

остальные коэффициенты, входящие в (7.8), определяются следующим

образом:

= k

(τ

− τ

)/ ln 0.5, τ

= k

exp(− ln (40)/5), η = [ exp(− τ

/τ

)]

Коэффициенты k

и k

зависят от отношения τ

/τ

, причем

может

быть определен как

3775.0

−

−=

а k

- с помощью графика рис.7.11 (q=τ

/τ

). Коэффициент k

принимается

равным k

=1,7.

0,5

1,5

2,5

0 10203040506070

Рис.7.11 К определению

параметра волны

тока молнии

Условная длительность фронта по данным ряда исследователей также

может быть принята распределенной по логарифмически нормальному

закону с параметрами: М[lnτ

0,1-0,9

]=1,338, σ[lnτ

0,1-0,9

] = 0,576 (M[τ

0,1-0,9

]=4,5

мкс, σ[τ

0,1-0,9

]=2,82 мкс). Значения τ

=1.25τ

0.1-0.9

, отвечающие вероятностям

превышения 0,05 и 0,95, даны в табл.7.10. В этой же таблице приведены

параметры волн тока молнии, входящие в выражение (7.8).

Таблица 7.10

Расчетные значения параметров волны тока молнии

Параметры волны тока молнии

Р(Х>х)

, кА

, мкс τ

, мкс

0,05 42,5 11,6 4,0 0,76 0,99 5,5 42,0 0,62

0,95 6,80 1,85 27,0 1,0 0,28 0,25 69,5 0,95

Волны напряжения в месте удара молнии определятся как

.2/)()(

влмв

ztitu

⋅

В случае, если напряжение волны окажется больше электрической

прочности изолирующей подвески на опоре, эта подвеска перекрывается и

в место сопряжения ВЛ с ГИЛ набегает срезанная волна. В противном

случае набегающая на ГИЛ волна напряжения совпадает по форме с

волной тока молнии. Вольтсекундная характеристика изолирующей

подвески ВЛ 500 кВ может аппроксимироваться следующей зависимостью

tU /23,112430

всх

На рис.7.12 приведены волны напряжения на ВЛ отвечающие

параметрам волны тока молнии, приведенным в табл.7.10 при амплитуде

тока молнии 42,5 кА (кривые 1 и 2). На этом же рисунке нанесена ВСХ

линейной изоляции (кривая 3). Согласно принятому закону распределения

амплитуд волн токов молнии вероятность перекрытия линейной изоляции

составляет 0,272. Наибольшая амплитуда полной волны составляет

=6680 кВ при τ

= 2 и 12,9 мкс. Эти волны были приняты в качестве

расчетных при анализе условий эксплуатации ОПН.

Оценка уровней неограниченных перенапряжений. Уровни грозовых

перенапряжений зависят от сочетания следующих факторов: вида

"нагрузки" ГИЛ (ВЛ или КРУЭ), длины вставки газоизолированной линии,

а также энергетического потенциала набегающих с ВЛ импульсов

напряжения, зависящих от характеристик волн тока молнии (крутизны и

амплитуды) в месте прорыва молнии на провода ВЛ и от расстояния места

поражения ВЛ от ГИЛ.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

t,mks

u,kV

Рис.7.12 Волны, набегающие на ГИЛ; 1 и 2 – расчетные полные волны;

3 – ВСХ линейной изоляции ВЛ 500 кВ

Если двойное время пробега от точки удара молнии до места

сопряжения ВЛ и ГИЛ больше длительности фронта волны напряжения в

месте удара молнии, то фронт падающей волны будет совпадать с фронтом

волны в месте удара молнии. Длина пролета ВЛ 500 кВ составляет

примерно 400 м. Длительности фронтов волн в месте удара молнии и в

месте сопряжения ВЛ и ГИЛ будут совпадать в случае, если длина фронта

будет не более двойного времени пробега волны от места удара молнии до

места сопряжения ВЛ и ГИЛ. Такому условию отвечает, в частности,

полная волна 1 на рис.7.12 при ударе молнии в начало последнего пролета

ВЛ. Следовательно, неограниченные перенапряжения в месте сопряжения

ВЛ и ГИЛ при набегании этой волны определятся как:

макс

ГИЛ

= 2⋅6680⋅Z

ГИЛ

/(Z

ГИЛ

+ Z

ВЛ

) = 2144 кВ,

что превосходит импульсный допустимый уровень изоляции ГИЛ 500 кВ

(принятый равным 1500…1550 кВ). Таким образом, в месте сопряжения

ВЛ и ГИЛ необходимо установить ОПН. Очевидно, что необходима также

установка ОПН и в конце ГИЛ. Так, если длина ГИЛ будет превышать

300 м, то неограниченные перенапряжения в конце ГИЛ в системе "ВЛ-

ГИЛ-ВЛ" составят 3600 кВ.

7.4.4.2 УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ ОПН

Произведем оценку условий эксплуатации ОПН, установленных в

начале и конце ГИЛ, при набегании на место сопряжения ВЛ и ГИЛ

полной волны вида 1 на рис.7.12. Для получения не заниженных

результатов рассмотрим условия, при которых на формирование волн

напряжения в начале и конце ГИЛ не будут сказываться волны,

отраженные от соседних узлов (места удара молнии в ВЛ, начала и конца

ГИЛ). Выше были сформулированы эти условия. В качестве расчетной

примем волну напряжения в месте удара молнии, характеризующуюся

наибольшей амплитудой и крутизной. Характеристики ОПН (с учетом их

динамических свойств), принятые при проведении расчетов, приведены в

табл.7.11.

Таблица 7.11

Характеристики ОПН-500

, кВ

макс

кВ

эфф

r8/20

кВ

эфф

r1/4

кВ

эфф

1,5 кА 10 кА 20 кА 40 кА

Vc,

кВ

эфф

396 910 1060 790 910 975 1035 336

На рис.7.13 приведены напряжения в начале и конце ГИЛ в системе

"ВЛ-ГИЛ-ВЛ" и токи в ОПН, установленных в этих узлах, при воздействии

полной волны 1, приведенной на рис.7.12. Энергия, поглощаемая

варисторами ОПН, и удельная энергия, отнесенная к длительно

выдерживаемому напряжению 336 кВ, составили W

ВЛ-ГИЛ

= W

=533 кДж,

ГИЛ-ВЛ

=670 кДж, W

1уд

=1,6 кДж/кВ, W

2уд

=2,0 кДж/кВ. Следует

отметить, что при моделировании ОПН в виде нелинейного активного

сопротивления поглощаемая энергия оказалась существенно (примерно в

1,5…2 раза) меньше. Такое соотношение обусловлено достаточно высокой

крутизной воздействующих на ОПН волн напряжения.

На рис.7.14 приведены расчетные кривые напряжений в начале и

конце ГИЛ и токи в ОПН в системе ВЛ-ГИЛ-КРУЭ. Сравнение токовых

воздействий на защитные аппараты согласно рис.7.13 и 7.14 показывает,

что токи в ОПН в системе "ВЛ-ГИЛ-КРУЭ" оказываются несколько

большими, чем в системе "ВЛ-ГИЛ-ВЛ". Однако, это увеличение

практически не сказывается на уровнях перенапряжений. Энергия,

поглощаемая в защитных аппаратах в системе "ВЛ-ГИЛ-КРУЭ"

составляет: W

=530 кДж, W

=936 кДж, W

1уд

=1,6 кДж/кВ, W

2уд

=2,8 кДж/кВ.

Таким образом, численные исследования грозоупорности ГИЛ 500 кВ

в типовых схемах их использования показали, что при глубоком

ограничении перенапряжений на основе современных защитных аппаратов

типа ОПН принципиально возможно снизить уровни импульсных

испытательных напряжений примерно на 20% по отношению к принятому

в настоящее время импульсному уровню изоляции ГИЛ.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

1200

0 5 10 15

а) б)

Рис.7.13 Напряжения (а) и токи в ОПН (б) в начале и конце ГИЛ 500 кВ

в схеме "ВЛ-ГИЛ-ВЛ"

а) б)

Рис.7.14 Напряжения (а) и токи (б) в начале и конце ГИЛ 500 кВ

в схеме "ВЛ-ГИЛ-КРУЭ"

При этом токовые воздействия на защитные аппараты не превышают

допустимого уровня. С учетом быстро прогрессирующих достижений в

области конструировании изоляционных систем ГИЛ, а также в области

технологии их изготовления и монтажа выбор поперечных габаритов ГИЛ

в недалеком будущем может осуществляться исходя из рабочей

напряженности электрического поля в нормальном эксплуатационном

режиме без учета импульсных воздействий, что приведет к снижению

стоимости ГИЛ.

20 25 30 35 40 45 50

200

400

600

800

t,mks

iMOA

iMOA1

iMOA2

t,mks

1000

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

200

400

600

800

1000

1200

t,mks

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

t,mks

iMOA

iMOA1

iMOA2