CC BY
78
ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ
УДК 621.311
Б.В.Ефимов, Ф.Х.Халилов, В.Н.Селиванов
ГРОЗОВАЯ ПОВРЕЖДАЕМОСТЬ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
ПОДСТАНЦИЙ И ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ
ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ В УСЛОВИЯХ ГРУНТОВ С НИЗКОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ
Аннотация
Приведен обзор аварийности высоковольтного оборудования из-за грозовых поражений линий и подстанций. Показана важность учета импульсных параметров заземления отдельных аппаратов при анализе грозоупорности подстанций.
Ключевые слова:
оборудование подстанций, грозовая повреждаемость, надежность эксплуатации
B.V.Efimov, F.Ch.Chalilov, V.N.Selivanov
LIGHTNING FAULT OF HIGH-VOLTAGE SUBSTATION EQUIPMENT AND PROBLEM OF OPERATION RELIABILITY UNDER OF THE LOW-CONDUCTIVITY SOIL CONDITIONS
Abstract
Review of high-voltage equipment fault rate for stroke of lightning to transmission lines and substations is presented. The importance of the grounding pulse parameters of apparatuses for substation lightning resistance analysis is shown.
Keywords:
substation equipment, lightning fault, operation reliability
В первой части настоящей статьи приведен обзор аварийности подстанционного оборудования, выполненный одним из соавторов по многочисленным публикациям данных об авариях, изучение причин которых позволило с уверенностью говорить о том, что в основе их возникновения были грозовые поражения линий и подстанций.
Грозозащита подстанций (ПС) определяется показателем надежности при прямых ударах молнии (ПУМ) на ПС и от волн, набегающих с подходящих воздушных линий (ВЛ) электропередачи [1].
Анализ опыта эксплуатации ПС 35-750 кВ показывает, что показатель надежности при ПУМ может быть оценен как очень высокий. В нашем распоряжении имеются достоверные данные по классам напряжения от 35 кВ до 220 кВ. В таблице 1, приведены характеристики грозозащиты ПС двадцати восьми энергосистем бывшего СССР, находящихся на Северо-Западе, Центре, Юге, Поволжье, Урале, Западной Сибири, Закавказье.
Таблица 1
Число повреждений оборудования подстанций и математическое ожидание числа лет безаварийной работы единицы оборудования при прямых ударах молнии
Класс напряжения, кВ Объем информации, ПСхлет Число повреждений ЭО при ПУМ, шт ТЭ, лет
35 27000 2 13500
110 23500 2 11750
150 1500 - -
220 7500 1 7500
Показатели надежности грозозащиты ПС от волн, набегающих с ВЛ значительно ниже. Далее все ПС подразделены на 2 группы: группа I - ПС с нормальной изоляцией электрооборудования (ЭО); группа II - ПС с ослабленной (в ряде случаев с дефектами) изоляцией ЭО. Эксплуатационные показатели надежности приведены в табл.2. Данные этой таблицы охватывают 54 энергосистемы бывшего СССР и 24 энергосистемы РФ.
В таблице 2 ТЭ означает математическое ожидание периода между двумя повреждениями отдельно взятой единицы оборудования ПС. Значения ТЭ составляют сотни лет для отдельно взятой единицы оборудования и не являются наглядными для реальной оценки состояния грозоупорности большого количества подстанций. Для всей совокупности оборудования можно привести данные из табл.3.
Таблица 2
Математическое ожидание числа лет безаварийной работы единицы оборудования подстанций из-за грозовых перенапряжений, возникающих при ударах молнии в линии электропередачи на подходах к подстанциям
Класс напряжения, кВ Объем информации, ПСхлет Тэ, лет
I группа II группа
35 74000 480 310
110 76500 700 400
150 2500 750 450
220 16000 1005 600
Сказанное выше относится только к оборудованию подстанций. Линии электропередачи повреждаются значительно чаще. Ситуация с относительно низкой грозоупорностью ряда высоковольтных линий обсуждается уже много лет. Во многом это связано с высокими сопротивлениями заземлений опор.
Следует отметить, что многие повреждения подстанционного оборудования, происходящие по причинам, не связанным с грозами, так или иначе можно объяснить недостатками в проведении своевременной профилактики и ремонтов, а также влиянием человеческого фактора. Количество таких повреждений можно сокращать организационно-техническими методами.
С грозовыми повреждениями ситуация иная. Они определяются низкой эффективностью грозозащиты даже в том случае, когда она выполнена в полном соответствии с требованиями действующих ПУЭ [2]. Причины такого положения во многом определяются недостаточной изученностью развития
атмосферных перенапряжений в системах «подход ВЛ - подстанция», в том числе и характеристик заземляющих устройств подстанций и опор ВЛ при малых временах и больших импульсных токах.
Таблица 3
Число повреждений оборудования ПС по данным опыта эксплуатации
Класс напряжения, кВ Объем Число повреждений Общее число повреждений
информации, ПСлет I группа II группа
35 74000 57 37 94
110 76500 44 25 69
150 2500 1 1 2
220 16000 6 4 10
Общее число грозовых повреждений оборудования ПС 35-220 кВ 185
Следующие примеры демонстрируют важность учета импульсных параметров заземления отдельных аппаратов на территории подстанций.
На подстанции 330 кВ, расположенной на Кольском п-ове, разъединитель был установлен на свайном фундаменте, который со временем «всплыл», перекосив аппарат. Фундамент срезали и установили разъединитель на металлоконструкцию. Оказалось, что свайный фундамент выполнял роль вертикального импульсного заземлителя, и после его удаления коммутации разъединителем стали приводить к выходу из строя вторичных цепей из-за высокочастотных перенапряжений. Из осциллограммы на рис.1 видно, что на заземлителе разъединителя в течение первой микросекунды возникали
I. и. А В
64-900
48-800
Рис.1. Напряжение и ток на неисправном заземлителе разъединителя
значительные перенапряжения. По рекомендации Центра физико-технических проблем энергетики Севера Кольского научного центра РАН (ЦФТПЭС КНЦ) были установлены дополнительные вертикальные заземлители и ситуация исправилась, как видно из осциллограммы на рис.2. Напряжение на заземлителе при практически том же токе снизилось в 3.5 раза. Резко уменьшились разности потенциалов между отдельными элементами контура заземления. Во вторичных цепях напряжения снизились до допустимого уровня и аварии на подстанции прекратились. Можно подчеркнуть, что низкочастотные измерения параметров контура заземления на этой подстанции во всех случаях показывали, что контур соответствует всем нормативным требованиям.
Рис.2. Напряжение и ток на заземлителе разъединителя после
реконструкции
На рисунке 3 показано влияние локального сопротивления заземления защитного устройства на показатели надежности грозозащиты конкретного автотрансформатора на подстанции 110 кВ Кольской энергосистемы. Учет локального импульсного сопротивления указывает на резкое снижение уровня надежности уже при сопротивлениях порядка единиц Ом. Допустимое значение математического ожидания числа лет безаварийной работы (ТдОП) по руководящим указаниям составляет примерно 400 лет. При дополнительном сопротивлении, равном нулю имеем многократный запас по надежности грозозащиты. Уже при сопротивлении 12-15 Ом расчетная и нормативная надежности становятся равными, и далее расчетная надежность падает. Многочисленные опыты в электрических сетях показывают, что локальные сопротивления могут иметь значительно большие значения, чем 15 Ом. Резкое снижение надежности грозозащиты понятно. Включение большого дополнительного сопротивления последовательно с защитным аппаратом равносильно резкому ухудшению его защитных характеристик.
Подобные значения сопротивлений защитных аппаратов неоднократно выявлялись при исследованиях ЗУ подстанций, причем традиционные методы демонстрировали надежную металлосвязь аппарата с ЗУ, и только измерения на импульсах с крутым фронтом позволяли выявить дефекты или несовершенство заземления.
Для измерения локального импульсного сопротивления заземления нами разработана генераторно-измерительная система (рис.4), которая включает в себя высоковольтный генератор импульсного тока (ГИТ), устанавливаемый
в точке измерения у заземленного аппарата,
разомкнутые токовый и потенциальный контуры (ТК, ПК), а также систему измерений тока в заземлителе и падения напряжения на нем. Методика основана на известном способе измерения сопротивлений - методе трех электродов. Однако
фактически потенциальный и токовый электроды
отсутствуют. Провода на всем протяжении изолированы от земли и на дальних концах не заземляются. Все измерения проводятся при временах меньших, чем время двойного пробега электромагнитной волны по проводам. При обычной длине обоих проводников до 100 м время, при котором измерения можно считать достоверными для целей определения локальных сопротивлений, составляет порядка 1 мкс. Это случай измерений сопротивлений отдельных аппаратов на подстанциях и опор линий электропередачи. Для измерения сопротивлений протяженных или высокоомных заземлителей используются более длинные провода (до 2 км).
Рис.3. Влияние локального сопротивления заземления защитного устройства на показатели надежности грозозащиты автотрансформатора
Рис.4.Схема генераторно-измерительной системы для измерения локального импульсного сопротивления заземления
На рисунке 5 представлены импульсные характеристики ЗУ подстанции 150 кВ с диагональю порядка 100 м. При измерении сопротивления ЗУ подстанции использовались проводники длиной 500 м, расположенные под углом более 90 град. для исключения взаимного влияния токового и потенциального контуров. Традиционный трехточечный метод на низкой частоте дал сопротивление 2,37 Ом, и как видно из осциллограмм, импульсный метод уже в пределах первой микросекунды дает близкие значения, что позволяет во многих случаях использовать более короткие проводники.
45
40
35
30
25
20
15
270
240
210
180
150
120
90
30
22.5
20
17.5 ■
15
12.5
10
7.5
2.5
Л
/ /
АЛ
/ / /г
_ /
/
t,
0.4
0.8
1.2
1.6
2.4
3.2
3.6
Рис.5. Импульсные характеристики ЗУ подстанции
На рисунке 6 продемонстрировано доказательство справедливости понятия локального импульсного сопротивления заземлителей отдельных аппаратов. На рис.ба дана предыдущая осциллограмма за меньшее время (масштаб по напряжению изменен в два раза). В пределе сопротивление всех аппаратов стремится к сопротивлению ЗУ подстанции, но в течение первой микросекунды проявляются отличия в импульсных характеристиках. Предварительные исследования с использованием комплекса КДЗ фирмы ЭЛНАП показали удовлетворительное состояние металлосвязей. Тем не менее, импульсные измерения позволили сделать вывод о неэффективном, неоптимальном заземлении таких ответственных устройств, как трансформатор (рис.бб) и молниеотвод (рис.бв).
Оказалось, что трансформатор соединялся с контуром заземления длинным проводником с большой индуктивностью, а молниеотвод был связан с основным контуром подстанции длинными подземными металлическими связями. Можно еще раз подчеркнуть, что обычные измерения сопротивлений контуров этих недостатков не выявляют.
а)
Ом|
225
/ъ л
\ \
/V
г.
ч N
и
Ч
1
Рис. 6. Импульсные сопротивления заземлителей аппаратов
В сентябре 2010 г. были выполнены опыты на одной из подстанций 330 кВ при имитации набегания грозовой волны с подходящей линии. Амплитуда волны составляла около 30 кВ. Длина фронта на входе подстанции была примерно 0.3 мкс, что соответствует близкому к подстанции удару молнии с крутым фронтом. Вместо разрядника на подстанции была включена модель нелинейного ограничителя перенапряжений (ОПН) с вольт - амперной характеристикой (ВАХ), почти горизонтальной (при больших токах) на уровне 5 кВ. На защищаемом автотрансформаторе максимум напряжения составил почти 13 кВ, что составляет 2.6 от напряжения на модели ОПН. Объяснить такое превышение напряжения только волновыми процессами в схеме подстанции невозможно. Действительно оказалось, что действующий разрядник и модель ОПН были подключены к контуру подстанции через большое локальное сопротивление. Автотрансформатор наоборот заземлен очень хорошо. Предварительные оценки показывают, что с учетом развития перенапряжений в схеме подстанции именно неудачная конструкция заземления разрядника является причиной повышения напряжения выше обычных 1.5-1.7 от напряжения на разряднике. При измеренном соотношении напряжений на защитном и защищаемом оборудовании любой разряд молнии с крутым фронтом в линию вблизи подстанции приведет к повреждению изоляции оборудования.
В целом можно отметить, что практически на всех подстанциях (более 10 контуров заземлений), многих опорах ВЛ на подходах к подстанциям (сотни заземлений опор), обследованных ЦФТПЭС КНЦ РАН, имеются проблемы с заземлениями в условиях высокого удельного сопротивления грунта, характерного для Кольского п-ова. Без сомнения можно утверждать, что эти проблемы существуют и в других регионах нашей страны, имеющих аналогичные грунтовые условия.
Литература
1. Ефимов Б.В., Невретдинов Ю.М., Данилин А.Н., Халилов Ф.Х., Гумерова Н.И. Анализ надежности грозозащиты подстанций. Современные проблемы // Новости электротехники, 2009, № 4(58) и № 5(59).
2. Правила устройства электроустановок (ПУЭ). 7-е изд., перераб. и доп.
Сведения об авторах 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: efimov@ien.kolasc.net.ru
Халилов Фрудин Халилович
профессор Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, д.т.н. Россия, 194251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д.29
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
