CC BY
207
УДК 621.311
Д.И.Власко, Ю.М.Невретдинов
ОСОБЕННОСТИ МОЛНИЕЗАЩИТЫ ПОДСТАНЦИЙ ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ СЕТИ ПРИ НИЗКОЙ ПРОВОДИМОСТИ ГРУНТА
Аннотация
В статье рассмотрены особенности молниезащиты подстанций в районах с низкой проводимостью грунта. Для повышения эффективности анализа молниезащиты подстанций предложен показатель опасности ударов молнии. На примере стандартной молниезащиты подстанции показана опасность обратных перекрытий изоляции ВЛ на подходах. Показана необходимость совершенствования молниезащиты подстанций от грозовых волн, набегающих по ВЛ. Ил. - 6, библиогр. - 6 назв.
Ключевые слова:
молниезащита, подстанция, перенапряжение
D.I.Vlasko, Y.M.Nevretdinov
THE SUBSTATIONS LIGHTNING PROTECTION FEATURES OF HIGH-VOLTAGE NETWORK UNDER LOW GROUND CONDUCTIVITY
Abstract
In the article features lightning protection of substations in areas with low conductivity of the soil. To improve the analysis of lightning protection of substations are proposed danger of lightning. On the example of a standard lightning substation are showed the dangers of reverse floor insulation overhead on its way. The necessity of improving lightning protection of substations against storm waves, impinging on the high-voltage lines.
Keywords:
lightning protection, substation, overvoltage
Надежность работы электрической сети непосредственно связана с эффективностью молниезащиты ее элементов. В настоящее время широко внедряются нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН), в том числе для молниезащиты высоковольтных линий (ВЛ) и обсуждается перспективность каскадных схем, разработанных еще в 1980-х годах [1].
При этом создается впечатление, что замена вентильных разрядников (РВ) на ОПН полностью решает проблему защиты от грозовых перенапряжений. Однако ряд публикаций отмечает проблемы при организации молниезащиты высоковольтных сетей, в частности, в районах с низкой проводимостью грунта [1-3]. Подчеркивается также актуальность совершенствования молниезащиты элементов сети, развития методических подходов и проведения экспериментальных исследований на современном приборном уровне.
Анализ молниезащиты подстанции (ПС) включает рассмотрение процессов поражаемости разрядами молнии ПС и воздушных линий на подходах, сопровождающихся следующими событиями:
- прорывами молнии на ошиновку и оборудование открытых распределительных устройств (ОРУ), а также на провода подходов ВЛ;
- обратными перекрытиями изоляции при ударах молнии в молниеотводы ПС, в опоры и тросы подходов ВЛ.
Так как не все удары молнии представляют опасность, то при расчете показателей эффективности молниезащиты учитывают вероятность формирования опасных грозовых перенапряжений на изоляции в результате указанных событий.
Представим выражения для расчета числа опасных грозовых перенапряжений на изоляции оборудования подстанции ЫПН в следующем виде:
(ПН _ ^ ПН.ОРУ "г ^ ПН.ГВ.Лк 5 (1)
к
где N ПНОРУ - число опасных перенапряжений от ударов молнии в ОРУ подстанции:
N ПН.ОРУ _ П УМ.ОРУ [Рпр.ору Рпн.пр.ору (1мЛм Iе ПР.ОРУ )] + (2)
+ П УМ.ОРУ [РОБР.ОРУРПН.ОБР.ОРУ (иОп.ПН 1 СОБР.ОРУ )],
N ПНГВЛк - число опасных перенапряжений от грозовых волн, набегающих по к-й линии, определяется как сумма опасных волн, образованных на удалении Д1Х от ПС вследствие прорывов молнии на провода и обратных перекрытий:
NПН.ГВ.Л.к _ ^ ПУМ.Л.к(1х) 'Д1Х '[РПР.Л.к ' РПН.ПР.Л.к ('1М,1М,1Х |СПР.Л.к ) +
Х (3)
+ РОБР.Л к (1м,1м,1Х )- РПН.ОБР.Л.к (и Оп.ПН , 1Х 1 СОБР.Л.к )] .
В выражениях (2) и (3) приняты следующие обозначения: пУМ ОРУ и п*УМ Л к-А1Х - поражаемость разрядами молнии; Д1Х - длина отрезка ВЛ на удалении 1Х от ПС; Рпр.ору и РПРЛк - вероятности событий образования волн на проводах, т.е. прорывов молнии на ошиновку и провода ВЛ;
Рпн.пр.ору(1м,1'м|Спр.ору) и РпН.пр.Л.к(1м,1'м,1Х|Спр.Л.к) - условные вероятности образования опасных перенапряжений при прорывах молнии на ошиновку и
провода ВЛ; РПН.ОБР.ОРУ(иОп.ПН |СОБР.ОРУ) и РПН.ОБР.Л.к(иОп.ПН Дх|С ОБР.Л.к) -
условные вероятности образования опасных перенапряжений при обратных перекрытиях.
Следует отметить, что последние две составляющие зависят от условий формирования перенапряжений, таких как действие импульсной короны, повторных перекрытий изоляции, потерь в канале распространения волны, отражений и т.п. Кроме того, условные вероятности зависят от удаления точки образования волны и от действия молниезащитных мер.
Для оценки влияния распределения ударов молнии в подстанцию и подходы ВЛ на эффективность молниезащиты подстанции сопоставим вероятное число ударов молнии в ОРУ и подходы ВЛ, исключая при этом число грозовых часов в году - пГРЧ, зависящее только от достоверности знаний о грозовой деятельности [4].
На рис.1 приведена иллюстрация числа расчетных ударов молнии в ОРУ №ум.В.ПС и подходы Ы'умялодход. Число ударов молнии в подходы ВЛ дано в зависимости от расчетной длины, в пределах которых возможно
возникновение опасных для оборудования ОРУ грозовых волн. На рис.1 1х ограничено в пределах 1 км.
Зависимости получены в обобщенном виде для различных типов подстанций с ОРУ 110-330 кВ. При этом учтено взаимное экранирующее действие ВЛ вблизи ОРУ, где, как правило, трассы линий проходят в непосредственной близости друг от друга. По мере удаления от ОРУ трассы линий расходятся. На рис.1 число ударов молнии дано в относительных единицах: на рис.1а по отношению к числу грозовых часов в году и на рис.1б по отношению к числу ударов молнии в ПС.
а) б) длина подхода, / х. ш
Рис.1. Расчетное число ударов молнии в подстанцию и в подходы ВЛ (а) и зависимость отношения расчетного числа ударов молнии в подходы и в подстанцию от длины подходов (б)
Как видно из рис.1, число ударов молнии в подходы в подавляющем большинстве в несколько раз превышает число ударов молнии в ОРУ при длине подхода более 0,3 км. Поэтому особого внимания заслуживают мероприятия, снижающие длину опасной зоны подключенных ВЛ до 0,3 км и менее, например, с помощью каскадной защиты [1].
В настоящее время распространены несколько методических подходов к оценке эффективности молниезащиты ПС, которые в основном ориентированы на получение только конечных интегральных показателей (вероятного числа опасных перенапряжений за расчетный период или числа лет, в течение которых возникнет хотя бы одно опасное перенапряжение).
Отдельные методики позволяют получать промежуточные результаты, в т.ч. формы перенапряжений на оборудовании, кривые опасных волн (КОВ) или области опасных токов молнии (ООТМ).
К последним относится метод, предполагающий для заданных параметров токов молнии расчет волновых процессов в схеме ОРУ с подключенными ВЛ. Результатом последовательных циклических расчетов является объемная ООТМ, построенная в следующих координатах: амплитуда тока молнии, крутизна или длина фронта тока молнии и удаление точки удара от ОРУ [5].
Для примера рассмотрена стандартная схема молниезащиты ПС с двумя силовыми трансформаторами (СТ) и двумя ВЛ от набегающих грозовых волн (рис.2).
Л-224 Л-161
Рис. 2. Принципиальная схема (а) и расчетная модель (б) ОРУ 150 кВ
Подстанция имеет наиболее благоприятные условия для обеспечения эффективной молниезащиты по традиционной схеме с помощью ОПН-150, расположенных от силовых трансформаторов на удалении 26 м (по ошиновке). Дополнительное ограничение перенапряжений осуществляется за счет ответвления части энергии грозовой волны, набегающей по одной из ВЛ, во вторую подключенную ВЛ, а также благодаря небольшому запаздыванию защитного действия второго комплекта ОПН (около 0,58 мкс).
Характерные для такой подстанции области опасных токов молнии приведены на рис.3. Расчеты выполнены для трансформатора напряжения ТН-1 при образовании грозовых волн на линии Л-224.
Здесь рассмотрены ООТМ для прорывов молнии на провода ВЛ и обратных перекрытий изоляции. В приведенном расчетном варианте принято импульсное сопротивление заземления опор Язи = 90 Ом на подходе ВЛ.
Как видно из рис.3, ООТМ дают возможность сопоставления условий формирования грозовых перенапряжений. По мере удаления от ОРУ ПС кривые опасных токов молнии для обратных перекрытий и прорывов молнии на провода сближаются. Так для волн, образованных вблизи портала, критические значения токов молнии для прорывов существенно меньше, чем для обратных перекрытий.
Однако, такое представление ООТМ может привести к ошибочным заключениям, так как ООТМ для обратных перекрытий учитывает вероятность образования волны на проводе, а ООТМ для прорывов не учитывает вероятность прорывов молнии на провода.
Рис. 3. Области опасных токов молнии для ТН-1 ОРУ 150 кВ при прорывах молнии на провода ВЛ и обратных перекрытиях изоляции ВЛ (опоры с Язи = 90 Ом)
Кроме того, представление зависимости ООТМ от какого либо параметра, например, от величины сопротивления заземления опор
затруднительно, так как это требует построения 4-х мерного графика.
Показатель опасности ударов молнии в ОРУ подстанции и подходы ВЛ.
Введем показатель опасности удара молнии (8УМ), в котором для сопоставимости прорывов молнии на провода и ошиновку учитываем вероятность образования волны на проводе (прорывов), также как для обратных перекрытий изоляции автоматически учитывается вероятность этих событий.
В этом случае показатель опасности ударов молнии в ОРУ имеет вид:
- для случаев прорывов молнии:
^ УМ.ОРУ,ПР _ Рпр.ору ' Рпн.пр.ору (1м,1м I С ПР.ОРУ ) ; (4)
- для случаев обратных перекрытий в ОРУ:
: (и Оп.ПН 1 С ОБР.ОРУ ) _
(5)
С учетом (4) и (5) выражение для числа опасных перенапряжений можно записать через предлагаемые показатели опасности ударов молнии:
N ПН.ОРУ _ П УМ.ОРУ [^УМ.ОРУ.ПР + ^ УМ.ОРУ.ОБР ]. (6)
Для современных систем молниеотводов в ОРУ, как правило, вероятность обратных перекрытий пренебрежимо мала. Поэтому для опасности ударов молнии в ОРУ ПС получаем:
8УМ.ОРУ.ОБР = §УМ.ОРУ.ПР + 8 УМ.ОРУ.ОБР ~ 0,001.-0,005.
к
к
Аналогично определяем показатели опасности ударов молнии в подход к-й ВЛ на удалении 1Х от ОРУ для случаев прорывов молнии на провода (3УМ.Л.к.ПР(1х)) и обратных перекрытий (8ум.л±обр(1х)):
Б
УМ.Л.к.ПР V X
(1х) = РпР.Л.к(1х) • Р
ПН.ПР.Л.к ^мЛмЛх |С ПР.Л.к ).
(7)
Б
(1Х ) Р ОБР. Л.к (1м,1м,1Х ^ РПН.ОБР.Л.к (и Оп.ПН ,1Х |С ОБР.Л.к )
Р ПН.ОБР. Л.к (1м , ^М , 1Х ) .
(8)
ПН.ОБР. Л.к Vх М , АМ ,1^
Число опасных перенапряжений от волн, набегающих по ВЛ, после включения показателей опасности ударов молнии примет вид:
N ПН.ГВ.Л.к П УМ. Л.к
УМ.Л.к.ПР
(1х) + в
УМ. Л.к.ОБР
(1х )]
(9)
где КУМЛк(1х) - коэффициент, учитывающий долю ударов молнии в элемент подхода ВЛ на удалении 1х от ОРУ.
Графическая иллюстрация результатов расчетов вероятности ударов молнии с опасными параметрами приведена на рис.4 в виде зависимости кривых распределения показателей опасности ударов молнии в подход линии Л-223 от величины импульсного сопротивления заземления опор (ЯЗИ).
Для удобства сопоставления показатель опасности ударов молнии разделен на составляющие: БУМПР(1х) - для прорывов молнии на провода; вУМОБР(1х) - для обратных перекрытий изоляции линии. Ввиду значительного различия значений БУМПР (1х) и БУМОБР(1х) для наглядности график БУМПР(1х) дан с увеличением на порядок.
Рис. 4. ООТМ для ТН-1 ОРУ 150 кВ при прорывах молнии на провода ВЛ и обратных перекрытиях изоляции ВЛ (опоры с Язи = 90 Ом)
х
Рис. 5. Распределение значений составляющих показателя опасности ударов молнии ЗумпрАх) и Зумоер(1х) по длине подхода при изменении сопротивления заземления опор ЯЗИ на подходе. Расчет для Т-1 при образовании волн на Л-224
Как видно, степень опасности ударов молнии в подход ВЛ 8 УМ значительно превышает опасность ударов в ОРУ 8УМОру = 0,001..0,005 и достигает 0,2 при Язи = 90 Ом. Опасность ударов молнии в подходы, в основном, определяется обратными перекрытиями и зависит от Язи.
Пример аналогичных составляющих 8УМ по результатам расчетов перенапряжений на ТН-1 приведен на рис.5а и 5б.
На рис.5а показано сопоставление составляющих опасности ударов молнии для случаев прорывов молнии на провода Л-224 и для случаев обратных перекрытий. На рис.5б приведено наложение составляющих опасности ударов молнии для случаев обратных перекрытий на линии Л-224 и Л-161 при ограничении значений импульсных сопротивлений заземления опор на подходах в соответствии с ПУЭ.
Из приведенных данных видно, что опасность ударов молнии в подходы, в основном, определяется обратными перекрытиями. Даже при обеспечении заземлений опор на подходах в соответствии с требованиями ПУЭ степень опасности (вероятность появления опасных грозовых волн) достигает 0,1. Наиболее сильное влияние на снижение надежности молниезащиты оказывают последствия ударов молнии в первые два пролета подключенных ВЛ. Величина импульсного сопротивления заземления ЯЗИ опор на подходе существенно влияет на увеличение длины опасной зоны подключенной ВЛ. Одновременно растет опасность ударов молнии. Так в приведенном на рис.5а примере при ЯЗИ = 50 Ом показатель опасности 8 УМ.оБР достигает 0,16 (рис.5а).
С использованием полученных результатов по формуле (9) рассчитаны показатели надежности молниезащиты трансформатора напряжения ТН-1, которые приведены на рис.6. Расчет выполнен для иГР.ч = 20 грозовых часов в году.
Рис.6. Распределение составляющих опасности ударов молнии Бум.Пр(1х) и Бум.оБР(1х) по длине подхода для различных значений импульсного сопротивления заземления опор ЯЗИ на подходе. Расчет для ТН-1 при образовании волн на Л-224 (а) и при образованиях волн на Л-224 и Л-161 с ограничением ЯЗИ по ПУЭ
Как видно из полученных результатов, определяющее влияние на снижение эффективности молниезащиты имеют грозовые волны, набегающие по ВЛ. При этом, основным фактором являются обратные перекрытия изоляции при ударах молнии в опоры и трос на подходах ВЛ. Даже при нормированной величине сопротивления заземления опор 20 Ом молниезащита ТН имеет недостаточную надежность [6]. Число опасных грозовых волн, набегающих по обеим ВЛ, практически одинаково.
Выводы
1. Для повышения эффективности анализа молниезащиты подстанций предложен показатель опасности ударов молнии, включающий вероятность образования грозовых перенапряжений на шинах ОРУ или проводах подхода ВЛ и условную вероятность появления опасных параметров тока молнии.
2. На примере молниезащиты подстанции показано, что определяющее влияние на снижение эффективности молниезащиты имеют грозовые волны, набегающие по ВЛ. При этом, значительную опасность представляет образование волн на подходах ВЛ вследствие обратных перекрытий.
3. Применение ОПН не исключает полностью появление опасных грозовых перенапряжений на изоляции оборудования подстанций. Даже при нормированной величине сопротивления заземления опор 20 Ом молниезащита отдельных элементов ПС может иметь недостаточную надежность. Значительное повышение числа опасных перенапряжений возможно в районах с низкой проводимостью грунта.
4. Необходим дифференцированный подход к выбору молниезащитных мероприятий, а также развитие методов анализа молниезащиты подстанций.
Литература
1. Костенко М.В., Невретдинов Ю.М., Халилов Ф.Х. Грозозащита электрических сетей в районах с высоким удельным сопротивлением грунта
- Л.: Наука, 1984, 112 с.
2. Первая российская конференция по молниезащите: Сборник докладов / Анализ надежности грозозащиты подстанций при повышенных сопротивлениях заземления опор на подходе. Гумерова Н.И., Ефимов Б.В., Невретдинов Ю.М. - Новосибирск: Сибирская энергетическая академия, 2007. - 480 с.
3. Анализ надежности грозозащиты подстанций (Современные проблемы). Ефимов Б.В., Халилов Ф.Х., Гумерова Н.И. и др. - Новости электротехники № 4 (58), № 5 (59) 2009.
4. Правила устройства электроустановок (ПУЭ) / Минэнерго СССР. - 7-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 2003.
5. Анализ надежности грозозащиты подстанции / Костенко М.В., Ефимов Б.В., Зархи И.М., Гумерова Н.И. / Под редакцией Степанова И.Р. - Л.: Наука, 1981.
6. Руководство по защите электрических сетей 6-1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений. РД 153-34.3.125-99 / Под научн. ред. Н.Н.Тиходеева. - СПб.: ПЭИПК Минтопэнерго РФ, 1999.
Сведения об авторах Власко Денис Игоревич
Стажер-исследователь лаборатории надежности и эффективности оборудования энергосистем Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН.
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А эл.почта: den-energy@yandex.ru
Невретдинов Юрий Масумович
заведующий лабораторией надежности и эффективности оборудования энергосистем Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к. т. н.
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А эл.почта: ymnevr@mail.ru
