CC BY
66
в) невысокая (недостаточная) пропускная способность линий;
г) недопустимо большие потери, как в сетях, так и в силовых трансформаторах;
д) значительный износ, вызванный большим сроком эксплуатации, превышающим нормативный срок на 20-40 лет;
е) недопустимо большие эксплуатационные затраты.
Таблица 6
Загрузка трансформаторов 0.4-110 кВ
Номинальное напряжение трансформаторов, кВ Загрузка трансформаторов, %
110/35/10 18
110/10 14
110/6 15
35/10 10
35/6 9.5
Таким образом, в настоящее время назрела необходимость реконструкции сетей 0.38-110 кВ и внедрения новой техники.
Сведения об авторах Халилов Фирудин Халилович,
профессор Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, д.т.н. Россия, 194251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д.29 Эл. почта: natalia-shilina@yandex.ru
Смоловик Сергей Владимирович
профессор Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, д.т.н. Россия, 194251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д.29 Эл. почта: smol401@ yandex.ru
УДК 621.311
А.Н.Данилин, В.Н.Селиванов, П.И.Прокопчук, В.В.Колобов, Д.В.Куклин
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ НА ШИНАХ ПОДСТАНЦИЙ КЛАССА НАПРЯЖЕНИЯ 110-150 КВ*
Аннотация
Приводятся результаты экспериментальных исследований распространения и деформации волн напряжения, приходящих на ошиновку и оборудование подстанций классов напряжения 110-150 кВ по воздушным линиям. Показано, что на вводах трансформаторов возникают перенапряжения, значительно превышающие остающееся напряжение на ОПН, превосходящие
нормированные испытательные напряжения изоляции силовых трансформаторов при полном грозовом импульсе 1.2/50 мкс.
Ключевые слова:
волновые процессы на шинах подстанций, грозовая волна, перенапряжения, остающееся напряжение.
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 09-08-00276).
A.N.Danilin, V.N.Selivanov, P.I.Prokopchuk, V.V.Kolobov, D.V.Kuklin
EXPERIMENTAL RESEARCH OF WAVE PROCESSES IN BUSBARS OF 110-150 KV SUBSTATION
Abstract
Information is given on the results of further experimental studies on the propagation and deformation of voltage waves, coming from overhead lines on busbars and substation equipment of 110-150 kV voltage class. It is shown that overvoltages at the terminal of voltage transformers are exceed remaining voltage on the arresters and normalized test voltages of transformers isolation under lightning impulse 1.2 / 50 ps.
Keywords:
waves processes on substation busbars, surge wave, overvoltages, remaining voltage.
Ранее нами приводились результаты исследований на подстанции № 204 класса напряжений 330 кВ [1]. Большие габариты подстанции и значительная удаленность силовых трансформаторов от защитных аппаратов позволили предположить, что перенапряжения на вводах трансформаторов будут иметь значительную величину, вызванную резонансными колебаниями в контуре трансформатор - ОПН. Опыты на подстанции № 204 подтвердили это предположение. Величина напряжения на вводах трансформатора была выше остающегося напряжения ОПН в 2.3 раза.
В нормативных документах по защите основного оборудования подстанций [2-4] приводятся нормированные испытательные напряжения (иисп) изоляции силовых трансформаторов полным грозовым импульсом 1.2/50 мкс и остающиеся напряжения ОПН разных заводов-изготовителей (иост) при токе грозового импульса 10 кА (табл.1).
При соотношении напряжения на вводе трансформатора к остающемуся на ОПН, равному 2.3, напряжение на вводе трансформатора 330 кВ может составить, в зависимости от ОПН разных заводов-изготовителей, 1400-1600 кВ, что значительно превышает испытательное напряжение, которое по ГОСТ [3] при испытаниях не может прикладываться более 3 раз, в силу опасности повреждения изоляции трансформатора. К сожалению, в нормативных документах не указано допустимое превышение напряжения. В любом случае эта величина не должна превышать значение испытательного напряжения.
Таблица 1
Испытательные напряжения трансформаторов и остающиеся напряжения ОПН для различных классов напряжения
Класс напряжения, кВ иисп, кВ иост ОПН, кВ
110 480 222-280
150 550 332-365
330 950 608-696
С целью накопления исходного материала для изучения этого вопроса и разработки рекомендаций по улучшению защиты основного оборудования подстанций такие исследования были выполнены на ряде подстанций ОАО «Колэнерго» классов напряжения 110-150 кВ: на двух подстанциях 110 кВ (№ 15 и № 360) и на одной - 150 кВ (№ 112). В данной статье приведены результаты этих исследований.
Методика выполнения исследований и генераторно-измерительная аппаратура были такими же, что и в опытах на подстанции 330 кВ.
Методика и результаты измерений на подстанции № 15 (110 кВ).
В методике моделирования грозовых волн и их регистрации на оборудовании подстанций 110-150 кВ, исходя из опыта моделирования на подстанции 330 кВ, приняты следующие допущения, которые позволили значительно упростить опыты.
1. Следует отметить, что собственная емкость ОПН практически не влияет на колебания в контуре Собм т. - Ьконт. - ОПН, где Собм т. - емкость вторичной обмотки трансформатора, Ь конт. - индуктивность контура, при этом принимается, что динамическое сопротивление ОПН при его работе на напряжении, превышающем остающееся, близко к нулю; его емкость зашунтирована этим сопротивлением, и на порядки меньше емкости обмоток трансформатора и практически не сказывается на переходных процессах в этом контуре. В связи с этим при проведении исследований принято решение использовать ту же группу модельных ОПН, что и на подстанции 330 кВ.
2. В принципе интерес представляет величина перенапряжения на вводе силового трансформатора, которая при моделировании является относительной по отношению к остающемуся напряжению на ОПН.
План подстанции № 15, способ и место подключения генератора импульсов (ГИН) при моделировании грозовой волны и точки измерений импульса, приходящего на аппараты подстанции, приведены на рис.1. Из рисунка видно, что ГИН был размещен в 3 км от подстанции и был подключен к фазному проводу (фаза А) у опоры № 60 ВЛ-107.
ограждение Г~ ~\
Рис.1. План размещения оборудования на ПС-15 с местом подключения импульсного генератора и точками измерений (вторая ячейка)
Результаты измерений в виде осциллограмм приведены на рис.2-4. Показано, что при отсутствии короны деформация импульса при прохождении по участку линии длиной 3 км от места генерирования до ввода Тгр-1 заключается в увеличении длительности фронта от 0.15 до 1.5 мкс, т. е. в 10 раз.
Относительное превышение напряжения на вводе Тгр-1 над остающимся напряжением на ОПН составило 1.85.
и.
кВ
20
17.5 15
12.5 10 75
5
2.5 0
V,
О 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 икс
Рис. 2. Импульс напряжения, генерируемый в линию Л-107
и,
кВ
12
10.5
7.5 6
4.5 3
1.5 о
Напряжение на вводе Тгр-1
]
0 2 4 6
10 12 14 16 18 мкс
Рис. 3. Напряжение на вводе Тгр-1 при отсутствии ОПН-5
7.5 6
4.5 3
1.5 О
Напряжение на ОПН и вводе Тгр-1
\ - Тгр-1 ОПН
\ Т —
4,
0 2 4 6
10 12 14 16 18 мкс
Методика и результаты измерений на подстанции № 360 (110 кВ).
Следует отметить, что выполнение экспериментов подобного рода с генерацией импульса в воздушную линию (ВЛ) и измерение волн в узловых точках подстанции организовать крайне тяжело, поскольку такие опыты можно выполнить только в нерабочее время при выводе в плановый ремонт как подстанции, так и подходящей к ней ВЛ. Такое совпадение графиков ремонтов крайне редко. В связи с этим была разработана методика выполнения экспериментов с генерированием импульсов, имитирующих грозовую волну, в шину разъединителя со стороны подстанции при отключенном линейном разъединителе.
Для имитации деформации волны после прохождения ее по ВЛ в схему генератора вносятся элементы, позволяющие регулирование фронта генерируемого импульса.
Опыты с генерацией импульсов на входе подстанций выполнены на ПС № 360 и № 112.
План подстанции № 360, способ и место подключения генератора импульсов при моделировании грозовой волны и точки измерений импульса, приходящего на аппараты подстанции, приведены на рис.5. Как указано выше, генератор был подключен к шинному разъединителю, при этом регулировался фронт генерируемого импульса.
Рис.5. План размещения оборудования на ПС-360 с местом подключения импульсного генератора и точками измерений (вторая ячейка)
Основные результаты измерений, включая относительное превышение напряжения на вводе Т-2 над остающимся напряжением на ОПН, представлены на осциллограммах (рис.6-9). Показано, что в зависимости от длительности фронта волны, приходящей на ввод трансформатора, превышение составляет от 1.65 до 2.0.
17.5
15
12.5
10
7.5
2.5
Напряжение на вводе Т-2
/
У
0.5 1 1.5
2.5
3.5
4.5 мкс
Рис. 6. Напряжение на вводе Т-2 при отсутствии ОПН и пологом фронте
и,
кВ
20
17.5 15
12.5 10
7.5 5
2.5 0,
Напряже ние на зводе Т 2
/
У
/
1
0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 мкс
Рис. 7. Напряжение на вводе Т-2 при отсутствии ОПН и крутом фронте
Рис. 9. Напряжение на вводе Т-2 и ОПН при включенном ОПН-5 и крутом фронте
Методика и результаты измерений на подстанции № 112 (150 кВ).
План подстанции, способ и место подключения генератора импульсов при моделировании грозовой волны, а также точки измерений импульса, приходящего на аппараты подстанции показаны на рис.10. Как и в опытах на подстанции № 360, генератор был подключен к шинному разъединителю, при этом регулировался фронт генерируемого импульса. Результаты измерений, включая относительное превышение напряжения на вводе Т-2 над остающимся напряжением на ОПН, представлены в виде осциллограмм (рис.11-14). Как и на подстанции № 360, в зависимости от длительности фронта волны, приходящей на ввод трансформатора, превышение составляет от 1.6 до 2.0.
Портал-3 Портал-2 Портал-1
Рис.10. План размещения оборудования на ПС-112 с местом подключения импульсного генератора и точками измерений (вторая ячейка)
и,
кВ
20
17.5 15
12.5 10
7.5 5
2.5 0
Напряжение на вводе Т-2
/■ У "
/
У
О 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 мкс
Рис.11. Напряжение на вводе Т-2 при отсутствии ОПН и пологом фронте
и,
кВ
20
17.5 15
12.5 10
7.5 5
2.5 0
Напряжение на вводе Т-2
/
О 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 мкс
Рис.12. Напряжение на вводе Т-2 при отсутствии ОПН и крутом фронте
и.
кВ
15
12.5
10
7.5 5
2.5 О
Напряжение на вводе Т-2 и ОПН
N Т-2 ОПН (Сф= 9870 пФ)
/ ■ /
у
У Ї,
О 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 мкс
и,
кВ
15
12.5 10
7.5 5
2.5
Рис.14. Напряжение на вводе Т-2 и ОПН при включенном ОПН-5 и крутом фронте
Обсуждение результатов
1. Во всех опытах было показано, что напряжение на вводе трансформаторов, по сравнению с остающимся напряжением на ОПН, больше в 1.6-2 раза, в зависимости от фронта волны, набегающей по ошиновке на ОПН и трансформатор.
2. Волна, приходящая на ОПН, даже при длительном фронте (>2 мкс) при срезе ее ОПН превращается в волну с крутым фронтом, при этом, чем больше амплитуда волны, тем круче фронт.
3. В табл.2 приведены данные по перенапряжениям на вводах трансформатора при длительностях фронта набегающей волны тФ~ 2 мкс. Показано, что перенапряжения при нормированных значениях остающегося напряжения на ОПН близки или превышают величину испытательного напряжения изоляции трансформаторов.
Таблица 2
Значения перенапряжений на вводах трансформаторов
Класс Испытательное Остающееся Подстанция
напряжения напряжение напряжение
подстанции, трансформаторов, ОПН, кВ № 15 № 360 № 112
кВ кВ (110 кВ) (110 кВ) (150 кВ)
110 480 222-280 422-532 444-560
150 550 332-365 662-730
4. Полученные результаты показывают, что задача защиты основного оборудования подстанций от набегающих грозовых волн при использовании ОПН, имеющих при срезе волн малые динамические сопротивления по сравнению с ранее применяемыми вентильными разрядниками, требует дальнейшего рассмотрения и переоценки защитных свойств ОПН. По всей видимости, требуется дальнейшее накопление экспериментальных данных, т.е проведение подобных опытов на большем числе подстанций, с тем, чтобы начать разработку концепции по улучшению защиты основного оборудования подстанций.
Напряжение на вводе Т-2 и ОПН
Т-2 ОПН (СЛ= 470 пФ) / / Ф
/
0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 мкс
Литература
1. Экспериментальные исследования волновых процессов на шинах и заземлителе действующей подстанции / А.Н.Данилин, Б.В.Ефимов, В.В.Колобов, Д.В.Куклин, В.Н.Селиванов // Труды КНЦ РАН. Энергетика. Апатиты: Изд-во Кольского науч. центра РАН, 2010. Вып.1. С.17-25.
2. Методические указания по применению ограничителей в электрических сетях 110-750 кВ / РАО «ЕЭС России». М., 2000.
3. ГОСТ 1516.3-96. Электрооборудование переменного тока на напряжения от 1 до 750 кВ. Требования к электрической прочности изоляции. М., 1996.
4. ГОСТ 1516.2-97. Электрооборудование и электроустановки переменного тока на напряжение 3 кВ и выше. Общие методы испытаний электрической прочности изоляции. М., 1997.
Сведения об авторах
Данилин Аркадий Николаевич,
заведующий лабораторией высоковольтной электроэнергетики и технологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, д.т.н.
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А Эл. почта danilin@ien.kolasc.net.ru
Селиванов Василий Николаевич,
ведущий научный сотрудник лаборатории высоковольтной электроэнергетики и технологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к.т.н. Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А Эл. почта: selivanov@ien.kolasc.net.ru
Прокопчук Павел Иванович,
ведущий инженер лаборатории высоковольтной электроэнергетики и технологии Центра
физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А
Колобов Виталий Валентинович,
старший научный сотрудник лаборатории высоковольтной электроэнергетики и технологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к.т.н. Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А Эл. почта: 1_i@mail.ru
Куклин Дмитрий Владимирович,
инженер лаборатории высоковольтной электроэнергетики и технологии Центра физикотехнических проблем энергетики Севера КНЦ РАН,
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А Эл. почта: kuklindima@gmail.com
