CC BY
82
Литература
1. Н.И.Гумерова, Б.В.Ефимов. Анализ влияния короны в двухпроводной линии, подвешенной над идеально проводящей землей // Моделирование переходных процессов и установившихся режимов высоковольтной сети. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2008. С.16-38.
2. Б.В.Ефимов. Грозовые волны в воздушных линиях. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2000. 134 с.
3. Справочник по электрическим установкам высокого напряжения / под ред. И.А.Баумштейна, С.А. Бажанова. М.: Энергоатомиздат, 1989. 768 с.
Сведения об авторах
Гумерова Натэлла Идрисовна,
доцент кафедры «Электроэнергетика, техника высоких напряжений» Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, к.т.н., ст.н.с.
Россия, Санкт-Петербург, ул.Политехническая, д.29
Тел. 8-911-257 3809
эл. почта: [email protected]
Ефимов Борис Васильевич,
директор Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, д.т.н. Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А эл. почта: [email protected]
УДК 621.311
Ю.М.Невретдинов, Д.И.Власко
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАЩИТЫ ПОДСТАНЦИИ 150 кВ ОТ ГРОЗОВЫХ ВОЛН С УЧЕТОМ РЕАЛЬНЫХ ЗАЗЕМЛИТЕЛЕЙ ОПОР ЛЭП НА ПОДХОДАХ
Аннотация
В статье рассмотрены особенности молниезащиты подстанций в районах с низкой проводимостью грунта. На примере типовой подстанции с использованием показателя опасности ударов молнии показана опасность обратных перекрытий изоляции ВЛ на подходах. Обоснована эффективность дифференцированного подхода к выбору грозозащитных мероприятий и применения показателя опасности ударов молнии. Показана необходимость совершенствования защиты подстанций от грозовых волн, набегающих по ВЛ.
Ключевые слова:
грозозащита, подстанция, перенапряжение
Yu.M.Nevretdinov, D.I.Vlasko
RESEARCH OF 150 kV SUBSTATION PROTECTION FROM LIGHTNING WAVES WITH A GLANCE REAL POWER LINE POLE GROUNDING ELECTRODE AT TO APPROACHES
The substations lightning protection features on areas with the low conductivity of ground have been examined in the article. The danger of power line insulation backflashovers by the example of type substation with application danger lightning strikes index have been shown. The efficiency of varied approach for choice lightning protection action and application of danger lightning strikes index have been shown. The need of protection substation improving from lightning waves surged along power line have been shown.
Keywords:
lightning protection, substation, overvoltage
Линии электропередачи (ЛЭП) являются протяженными элементами электрических систем, поэтому они наиболее часто подвергаются воздействию атмосферных перенапряжений. Грозовые волны, образованные на проводах ЛЭП в результате прорывов мимо грозозащитных тросов и обратных перекрытий с опоры на провод, могут представлять большую опасность для высоковольтного оборудования на подстанциях. Наибольшую актуальность эта проблема имеет в районе с низкой проводимостью грунта [1], в частности, на Кольском п-ове.
Рассмотрим эту проблему на примере подстанции ПС-81, которая выполняет функции распределения энергии и обеспечивает связь ГЭС Туломского каскада.
Подстанция включает два идентичных не связанных между собой ОРУ 150 кВ, в каждом из которых установлены по два силовых трансформатора 40 МВА 150 кВ и подключены по две воздушные ЛЭП (ВЛ) 150 кВ (рис.1).
ОРУ1 ОРУ2
Рис.1. Принципиальная схема подстанции ПС-81
Открытые распределительные устройства (ОРУ) имеют компактное расположение оборудования и незначительно отличаются друг от друга типом коммутационных аппаратов и длиной шин присоединения силовых трансформаторов.
Грозозащита подстанции ПС-81 включает защиту от прямых ударов молнии (ПУМ) в ОРУ и защиту от волн перенапряжений, набегающих по линиям. Защита от ПУМ осуществляется стержневыми молниеотводами, установленными на ОРУ подстанции. Защита оборудования от грозовых перенапряжений (ГПН) выполнена с помощью нелинейных ограничителей перенапряжений ОПН-Ф-150/105/101, установленных на удалении 26 м по ошиновке, от силовых трансформаторов (рис.1), что соответствует требованиям ПУЭ [2].
Условия формирования перенапряжений от набегающих по ВЛ волн определяются отводом части энергии волны в другую ВЛ и во второй комплект защитных аппаратов. Снижение напряжения и энергии волн происходит в узлах разветвления ошиновки, а защитное действие второго комплекта проявляется с некоторым запаздыванием. Например, при рассмотрении перенапряжений на силовом трансформаторе Т-3 запаздывание защитного действия второго ОПН, удаленного на расстоянии 160 м от узла разветвления ошиновки (с ТН-3), проявляется за 0.58 мкс. Таким образом, обеспечивается эффект каскадного ограничения перенапряжений и повышение эффективности традиционной схемы грозозащиты при выполнении требований к грозозащите подходов ЛЭП [2].
Для исследования эффективности защиты электрооборудования ПС-81 от грозовых волн разработаны расчетные модели с учетом конструктивного исполнения ОРУ и подходов (рис.2).
Л-223 Л-162
Рис. 2. Расчетная модель ОРУ 150 кВ подстанции ПС-81
Модели соответствуют методике составления схем замещения для расчетов грозозащиты подстанций по РД 153-34.3-35.125-99 [3]. Расчетная модель ОРУ 150 кВ ПС-81, на которой указаны расстояния по ошиновке, представлена на рис.2.
По данным обследования подходов определены конструктивные характеристики ВЛ, в том числе взаимные расположения трасс (рис.3).
Линии 150 кВ на подходе к ПС-81 имеют двухцепное исполнение, расположены вблизи друг друга на расстоянии около 90 м, их зоны ориентации разрядов молнии частично перекрываются. Поэтому на подходе проявляется эффект взаимного экранирования линий от разрядов молнии [4], который учтен при анализе эффективности грозозащиты ПС-81.
Для повышения точности анализа эффективности грозозащиты экспериментально измерены импульсные характеристики (Язи) заземлителей опор. Результаты измерений приведены в табл.1. Как видно, Язи опор № 3 и 4 не соответствуют требованиям ПУЭ [3], что характерно для грунтовых условий Мурманской обл.
Рис. 3. Трассы линий 150 кВ на подходе к ПС-81
Таблица 1
Результаты измерений импульсных характеристик заземлителей опор
Л-161/Л-224 Л-162/Л-223
номер опоры сопротивление Язи, Ом номер опоры сопротивление Язи, Ом
№ 1 8 № 1 14
№ 2 18 № 2 20
№ 3 73 № 3 53
№ 4 70 № 4 50
На модели ОРУ с подходами ВЛ выполнены расчеты формирования перенапряжений при прорывах молнии на провода на подходах ВЛ, а также при ударах в опоры и тросы с последующими обратными перекрытиями изоляции с опоры на провод. В модели учтены:
• волновые процессы в схеме ОРУ и на подходе;
• возможность импульсных перекрытий изоляции с провода на опору и обратных перекрытий с опоры на провод;
• нелинейность вольт-секундной характеристики линейной изоляции;
• действие импульсной короны;
• экспериментально полученные характеристики заземлителей опор на подходах (R3u от i4 до 7G Ом).
Промежуточные результаты расчетов получены в виде кривых опасных токов молнии (КОТМ) для случаев ударов с прорывами на провода или с обратными перекрытиями изоляции ВЛ на различном удалении (їх) от портала ОРУ. На рис.4 даны КОТМ для трансформатора Т-3 (ОРУ!, рисЛ) при прорывах молнии на провода (рис.4, а) или обратных перекрытиях изоляции ВЛ (рис.4, б).
По полученным КОТМ рассчитаны интегральные вероятности опасных токов молнии (ОТМ). Так, для разрядов молнии в непосредственной близости от портала (їх = G м) с прорывами на провода (кривые i, рис.4, а) при ударе в подход л-162 (сплошная) и Л-223 (пунктирная) интегральные вероятности появления ОТМ составляют G.674 и G.76 для случаев ударов в подход Л-162 (сплошная) и Л-223 (пунктирная) соответственно. Вблизи опоры № 1 (їх й 7G м) (кривые 2, рис.4, а) интегральные вероятности появления ОТМ снижаются до G.G477 и G.G7S для случаев ударов в подход Л-162 и Л-223 соответственно. На удалении їх й 32G м при разряде молнии вблизи опоры № 2 в результате прорывов опасные волны появляются лишь на Л-223, интегральная вероятность появления ОТМ равна G.G19 (кривая 3, рис.4, а). При прорывах молнии на провода Л-162 и Л-223 вблизи опоры № 3 (їх й 57G м) интегральные вероятности ОТМ (для Т-3) составляют G.G236 и G.G36 соответственно (кривые 4, рис.4, а). При прорывах молнии на провода Л-162 и Л-223 вблизи опоры № 4 и далее опасных для Т-3 перенапряжений не возникает.
Рассмотрим вероятности появления ОТМ для разрядов молнии в трос вблизи опоры с последующими обратными перекрытиями. Так, для разрядов молнии в непосредственной близости от портала (їх = G м) с обратными перекрытиями изоляции ВЛ (кривые 1, рис.4, б) при ударе в подход Л-162 (сплошная) и Л-223 (пунктирная) интегральные вероятности появления ОТМ составляют G.G197 и G.G16. Вблизи опоры № 1 (їх й 7G м) (кривые 2 рис.4, б) интегральные вероятности появления ОТМ снижаются до G,G243 и G,G3 для случаев ударов в подход Л-162 и Л-223 соответственно. На удалении їх й 32G м при разряде молнии вблизи опоры № 2 в результате обратных перекрытий изоляции опасные волны практически невозможны. Кривая 3 на рис.4, б отсутствует. При обратных перекрытиях изоляции Л-162 и Л-223 вблизи опоры № 3 (їх й 57G м) интегральные вероятности ОТМ (для Т-3) составляют G.G236 и G.G24 соответственно (кривые 4 рис.4, б). При обратных перекрытиях изоляции Л-162 и Л-223 вблизи опоры №4 и далее опасных для Т-3 перенапряжений не возникает.
Расчетное число опасных перенапряжений на изоляции трансформатора Т-3, возникающих в результате прорывов молнии на провода и обратных перекрытий на подходах Л-162 и Л-223, составит G.GG113 (i/год). Таким образом, расчетное число лет без грозовых повреждений трансформатора Т-3 соответственно составит SS9 лет. Результаты расчетов показателей надежности грозозащиты силового трансформатора Т-3 сведены в табл.2.
S2
а
80
60
40
20
0 о 20 40 60 80 100
0 0 20 40 60 80 100
Рис. 4. Пример кривых опасных для Т-3 токов молнии при ударах в подход Л-162 (сплошная линия) и Л-223 (пунктирная линия) с прорывами молнии на провода (а) и с обратными перекрытиями изоляции ВЛ (б)
Таблица 2
Результаты расчетов показателей надежности грозозащиты силового трансформатора Т-3
Образование волны на ВЛ Вероятность опасных токов молнии при ударе вблизи портала или опор, РПН.Л.к [1ы ’ 1М ’ 1Х ) Вероятное число опасных перенапряжений х 10-3, 1/год
портал № 1 № 2 № 3
0,5 Ом 14 Ом 20 Ом 53 Ом
Прорывы на Л-162 0.674 0.048 0 0.024 0.01
Обратные 0.02 0.024 0 0.024 0.53
перекрытия на Л-162
Прорывы на Л-223 0.76 0.078 0.019 0.036 0.015
Обратные
перекрытия на Л- 0.016 0.03 0 0.024 0.571
223
Всего 1.125
Число лет без грозовых повреждений 889
Из табл.2 видно, что основную часть числа опасных для Т-3 перенапряжений создают не прорывы молнии на провода, а обратные перекрытия, несмотря на то, что вероятность опасных токов молнии при прорывах вблизи портала значительно превосходит по величине вероятность опасных токов молнии при обратных перекрытиях вблизи портала. Это вызвано тем, что при определении числа опасных перенапряжений вероятность опасных токов молнии в случаях обратных перекрытий уже учитывает факт образования волны на проводе, т.е. вероятность прорывов мимо тросовой защиты
РПР.Л.к(1Х ) ~00062.
Аналогичные расчеты выполнены для трансформаторов напряжения. Примеры КОТМ для ТН-3 даны на рис.5. Результаты расчетов показателей надежности грозозащиты ТН-3 сведены в табл.3.
а
б
80
60
40
20
їм - ісА
Кривая Удаление 1х, м С МЩІI I ТИВЛШИн К;п, Ом
1 0 0,5
’0 14
320 20
4 5Т) 53
-------Л 162
-------Л-223
Ім, кА/мкс
20
40
80
100
60
Рис.5. Пример кривых опасных для ТН-3 токов молнии при ударах в подходы Л-162 (сплошная линия) и Л-223 (пунктирная линия) с прорывами молнии на провода (а) и с обратными перекрытиями изоляции ВЛ (б)
Приведенные показатели надежности для Т-3 и ТН-3 получены для нормального режима работы подстанции. Как было указано выше, повышение эффективности защиты обеспечивается за счет ответвления энергии грозовой волны в другую линию и срабатывания второго комплекта ОПН, что создает эффект каскадной защиты [4]. В ремонтных режимах с выводом силового трансформатора из работы отключение второго комплекта ОПН приводит к снижению надежности примерно на 120 лет.
Таблица 3
Результаты расчетов показателей надежности грозозащиты трансформатора напряжения ТН-3
Образование волны на ВЛ Вероятность опасных токов молнии при ударе вблизи портала или опор, РПН.Л.к [1ы , ’ 1Х ) Вероятное число опасных перенапряжений х 10-3, 1/год
портал № 1 № 2 № 3
0.5 Ом 14 Ом 20 Ом 53 Ом
Прорывы на Л-162 0.727 0.056 0 0.044 0.013
Обратные перекрытия на Л-162 0.012 0,027 0 0,023 0,523
Прорывы на Л-223 0.786 0.773 0 0.021 0.043
Обратные перекрытия на Л-223 Всего 0.03 0.032 0.018 0.003 0.595 1.173
Число лет без грозовых повреждений 852
Для дальнейшего анализа возможности совершенствования грозозащиты рассмотрим показатель опасности ударов молнии, предложенный в работе [5], в соответствии с которой рассчитаны степени опасности ударов молнии в подход к-й ВЛ на удалении 1Х от ОРУ для следующих случаев:
• прорывов молнии на провода с учетом вероятности прорывов
РПР Лк (1Х ) на удалении 1х:
Б пр (1Х ) — РПР.(1Х ) ' РПН.ПР. ,1м Лх
\СГ
’ПРУ ‘X/ _ ПРЛ X / -* ПН.ПР. \М’*-М’1Х I ПР. /’
• обратных перекрытий с опоры на провод:
БОП {1Х ) — РОП {[М ’ [М ’ 1Х )' РПН.ОП (Р'оп.ПН ’ 1Х \ СОБР. ) — РПН.ОП {[М ’ [М ’ 1Х )’
(1)
(2)
ПН.ОПУ^ Оп.ПН’ 1Х I ОБР.
где Рпн.пр.{1М,1М,1х \ СПР.) - условная вероятность ОТМ при прорывах молнии на провода ВЛ на удалении 1х; РОП {[м ,1м,1х ) - вероятность образования обратных перекрытий при ударах молнии в опору или трос к-й ВЛ на удалении 1х; РПН ОП{[мЛм,1х \ СПР ) - условная вероятность ОТМ при возникновении обратных перекрытий изоляции ВЛ на удалении 1х от портала ОРУ.
Результаты расчетов показателя опасности для Т-3 ударов молнии приведены на рис.6. Показатель опасности для прорывов молнии на провода $ПР значительно меньше показателя опасности при опасности ударов молнии с последующими обратными перекрытиями БОП. Наибольшую опасность представляют прорывы молнии вблизи портала (БПР (/Х)=0.0035). Поэтому для наглядности значения $ПР умножены на 10. В расчетах учтены реальные характеристики заземлителей опор Л-162/223 (табл.1).
а б
.ЧпрхЮ, Яоп к .чпр V / Спп /<Л П и\
\ ^ / Яоп (40 Ом)
V \ \ V \ // \У // 4 // V XV 5>ои (30 Ом) // Ч\ / ^ ^ ^ \ 1\\м
0,01
^прхЮ, в \ ОП оп (11зи = 0 ...50 Ом)
Vх * / \ /
/ \ ' \ \ \ 8Щ ш (30 Ом) 1х, м
\ \ \ V/ \\
Рис.6. Зависимости опасности ударов молнии Бум для Т-3 с прорывами и обратными перекрытиями на Л-162 (а) и Л-223 (б) от длины подхода при различных импульсных сопротивлениях заземления опоры № 3
Из рис.6 видно, что для изоляции оборудования ПС существенную опасность представляют удары молнии с прорывами на провода в пределах первого пролета.
Опасность ударов молнии вблизи опоры № 2 пренебрежимо мала как при прорывах молнии, так и при ударах в опору или трос с последующим перекрытием. Удары молнии в обе линии Л-162 и Л-223 вблизи опоры № 3 представляют значительную опасность для изоляции оборудования. Сопротивление заземления опоры № 1 составляет 14 Ом, и дальнейшее его снижение достигнуть трудно, поэтому рассмотрим повышение эффективности
грозозащиты за счет снижения сопротивления заземления опоры № 3 (опасность ударов молнии вблизи опоры № 3 составляет SОП = 0.024). Расчеты БОП при снижении Rзи опоры № 3 также приведены на рис.6. Как видно, при снижении Rзи опоры № 3 до 40 Ом вероятность опасных ударов молнии снижается незначительно (5'ОП ~ 0.0018). Дальнейшее снижение Rзи до 30 Ом дает весьма значительный эффект, при этом опасность ударов молнии вблизи опоры № 3 для Л-162 и Л-223 снижается практически на порядок до 0.002. Таким образом, это мероприятие является достаточно эффективным.
По полученным оценкам опасности ударов молнии 5ПР и БОП рассчитано вероятное число опасных для Т-3 перенапряжений для ударов молнии с прорывами на провод (3) ЫПРЛ-162 и Ып обратными перекрытиями (4) N перенапряжений ЫПН (5):
223 и для ударов молнии с опл-162 и №ОПЛ_113, а также полное число опасных
NПР.л. — пум.л. Е КУМ.Л.
N — п
1У ОП .л . ПУМ .Л.
ПР .Л-162
{1х )н
{х )-
ПР.Л-223
5О
{1х )],
I {х )],
Х
NПН — NПР.Л. + NОП .Л. — (NПР..Л-162 + NПР.Л-223
) + (NОП .Л-162 + NОП.Л-223
(3)
(4)
(5)
где КУМЛ(1Х) - коэффициент, учитывающий долю ударов молнии в элемент подхода ВЛ на удалении 1Х от ОРУ; пУМ Л - число ударов молнии в ВЛ (для 20 грозовых часов в году).
Результаты расчетов NПР Л и NОП Л для каждой ВЛ в зависимости от сопротивления заземления опоры № 3 приведены на рис.7, а. Результаты расчетов вероятного числа опасных перенапряжений на Т-3 и вероятное число лет работы без грозовых повреждений приведены на рис.7, б, в виде зависимостей от сопротивления заземления опоры № 3.
Из приведенных графиков видно, что вероятное число опасных перенапряжений NПН может быть эффективно уменьшено до 0.0018 1/год с помощью предлагаемого снижения Rзи опоры № 3 до 30 Ом. Дальнейшее уменьшение КПН ограничено опасностью ударов в первый и частично второй пролеты.
а б
.]>*, 1/год N011. Л-162
7
]Уо11.Л 223 /
N11] / .. .Л-223
Л-162
30 40
Кш, Ом
Рис. 7. Зависимости показателей надежности грозозащиты трансформатора Т-3 от величины сопротивления заземления при изменении Rзи опоры № 3
Критерием эффективности снижения Rзи опоры № 3 может быть показатель Т (число лет работы без грозовых повреждений):
т — ^Пн . (6)
Например, при необходимости обеспечения Т = 450 лет Rзи опоры № 3 должно быть не более 35 Ом (рис.7, б).
Приведенным примером иллюстрируется целесообразность использования показателя опасности ударов молнии при дифференцированном выборе грозозащитных мероприятий, в данном случае путем уменьшения сопротивления заземления одной из опор.
Удары молнии вблизи опоры № 4 опасности не представляют. Следовательно, длина опасной зоны не превышает 800 м.
Рассмотрим возможность демонтажа грозозащитного троса на четвертом пролете. Это приведет к увеличению опасности ударов молнии в провод на этом
пролете (кривая БПР, рис.6); БПР(1Х « 570) составляет 0,013.
Выводы
1. Показано, что даже при выполнении требований ПУЭ [2] к размещению защитных аппаратов и применении ОПН возможно появление опасных грозовых перенапряжений от волн, набегающих по ЛЭП. В районах с низкой проводимостью грунта опасность этих перенапряжений увеличивается.
2. На примере грозозащиты подстанции показано, что значительную опасность представляет образование волн на проводе вследствие обратных перекрытий.
3. Показана эффективность дифференцированного подхода к выбору грозозащитных мероприятий и целесообразность применения показателя опасности ударов молнии. В приведенном примере достаточным мероприятием является снижение сопротивления заземления только опоры № 3 до 30-35 Ом, то есть снижаются требования к заземлениям последующих опор.
Литература
1. Грозозащита электрических сетей в районах с высоким удельным сопротивлением грунта / М.В.Костенко, Ю.М.Невретдинов, Ф.Х.Халилов. Л.: Наука, 1984. - 112 с.
2. Правила устройства электроустановок / Госэнергонадзор. 6-е изд. М., Энергосервис, 2002. 608 с.
3. Руководство по защите электрических сетей 6-1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений: РД 153-34.3-35.125-99. М., 1999.
4. Анализ надежности грозозащиты подстанции / М.В.Костенко., Б.В.Ефимов, И.М.Зархи, Н.И.Гумерова; под ред. И.Р.Степанова. Л.: Наука, 1981.
5. Проблемы молниезащиты подстанций высоковольтной сети при низкой проводимости грунта / Д.И.Власко, Ю.М.Невретдинов // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2010, № 1.
