Общетехнические задачи и пути их решения
143
УДК 621.3.048.81
Г. В. Подпоркин, В. Е. Пильщиков, Е. Ю. Енькин
Научно-производственное объединение «Стример», Санкт-Петербург
РАЗРАБОТКА ПОЛИМЕРНЫХ МУЛЬТИКАМЕРНЫХ ИЗОЛЯТОРОВ-РАЗРЯДНИКОВ 35 И 110 КВ.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Произведён анализ растекания тока молнии, равного 100 кА, при прямом ударе в провод ВЛ. С помощью расчетов определено, что ток, протекающий через один ПИРМК, составит приблизительно 30 кА. При таких значениях тока молнии и возникших вследствие этого высоких давлениях существующая мультикамерная система (МКС) окажется недостаточно эффективной. Для обеспечения надёжной работы мультикамерных разрядников и обеспечения необходимого ресурса срабатывания поставлена задача разработать МКС, которая будет обладать необходимой механической прочностью и обеспечит гашение импульса тока без сопровождающего тока сети.
Работа, описанная в статье, проводится в рамках НИОКР с Министерством образования и науки РФ (ГК 16.526.12.6006 от 13 мая 2011 г.).
воздушные линии электропередачи, грозозащита, разрядники мультикамерные, изоляторы-разрядники, дуга, сопровождающий ток сети.
Введение
Грозовые перенапряжения на воздушных линиях (ВЛ) электропередачи высокого (110-220 кВ), сверх- (330-750 кВ) и ультравысокого (1150 кВ) напряжения являются основной причиной их аварийных отключений. На ВЛ среднего напряжения (6-35 кВ) грозовые отключения составляют от 30 до 50 % от общего числа отключений. Основным традиционным средством грозозащиты ВЛ 110-1150 кВ является грозозащитный трос.
Обеспечение надёжной грозозащиты ВЛ, проходящих по трассам с высоким удельным сопротивлением грунта (в районах вечной мерзлоты или при скалистых грунтах), является весьма сложной задачей, поскольку не удаётся обеспечить необходимое низкое сопротивление заземления опор. При высоких значениях сопротивления заземления в случае удара молнии в грозозащитный трос или опору вследствие падения напряжения от тока молнии на сопротивлении заземления резко возрастает потенциал опоры и происходит так называемое «обратное перекрытие» с опоры на провод линии, которое затем переходит в силовую дугу. При этом линия должна быть незамедлительно отключена выключателями. Поэтому тросовая грозозащита в таких случаях оказывается неэффективной.
На ВЛ 35 кВ грозозащитные тросы применяются, как правило, только на подходах к подстанциям, так как вследствие низкого уровня электриче-
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2011/4
144
Общетехнические задачи и пути их решения
ской прочности линейной изоляции при ударе молнии в трос происходит обратное перекрытие с опоры на провод даже при низких значениях сопротивления заземления опор.
Тросовая грозозащита неэффективна также в гололёдных районах, поскольку сильный гололёд, образующийся на тросах, зачастую приводит к их обрыву и, как следствие, - к короткому замыканию на линии. Плавка гололеда весьма трудоёмка и во многих случаях создаёт аварийные ситуации, т. к. при сбросе гололёда происходит сильное колебание тросов, которое часто вызывает замыкание троса на провод.
Для обеспечения необходимой грозоупорности возможно применение нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН), однако стоимость такого технического решения чрезвычайно велика, поскольку при отсутствии грозозащитного троса для обеспечения надёжной грозозащиты необходимо устанавливать ОПН параллельно каждой гирлянде ВЛ, т. е. по три аппарата на опору. При этом ОПН должен обеспечивать пропускание заряда грозового импульса около 30 Кл, т. е. он должен быть весьма мощным. Стоимость такого аппарата оказывается весьма высокой, и вся система грозозащиты является исключительно дорогой.
В последние годы в ОАО «НПО Стример» ведутся интенсивные разработки разрядников с так называемой мультикамерной системой (МКС), в результате которых удалось разработать разрядники на классы напряжения 10-35 кВ. Предложен также принципиально новый аппарат: изоляторразрядник с мультикамерной системой (ИРМК), который сочетает в себе свойства изолятора и разрядника. При использовании ИРМК возможно обеспечить грозозащиту ВЛ любого класса напряжения, так как с увеличением класса напряжения увеличивается число изоляторов в гирлянде и соответственно увеличиваются номинальное напряжение и дугогасящая способность гирлянды, состоящей из ИРМК.
Возможны различные конструкции изоляторов со свойствами разрядников. Основу ИРМК составляют обычные выпускаемые массово изоляторы (стеклянные, фарфоровые или полимерные), на которых специальным образом установлена МКС. Причём установка МКС не приводит к ухудшению изоляционных свойств изолятора, но благодаря ей он приобретает свойства разрядника. Причём в случае успешной работы ИРМК на ВЛ не потребуется применения грозозащитного троса. При этом снижаются высота, масса и стоимость опор, а также стоимость всей ВЛ в целом и обеспечивается надёжная грозозащита линий, т. е. резко сокращается число отключений линий и уменьшаются ущербы от недоотпуска электроэнергии и эксплуатационные издержки.
1 Мультикамерная система (МКС)
Основным элементом ИРМК является МКС (рис. 1). Она состоит из большого числа электродов, вмонтированных в профиль из силиконовой
2011/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Общетехнические задачи и пути их решения
145
резины. Между электродами выполнены отверстия, выходящие наружу профиля. Эти отверстия образуют миниатюрные газоразрядные камеры. При воздействии на разрядник импульса грозового перенапряжения пробиваются промежутки между электродами. Благодаря тому, что разряды между промежуточными электродами происходят внутри камер, объёмы которых весьма малы, при расширении канала создаётся высокое давление, под действием которого каналы искровых разрядов между электродами перемещаются к поверхности изоляционного тела и затем выдуваются наружу в окружающий разрядник воздух. Вследствие возникающего дутья и удлинения каналов между электродами каналы разрядов охлаждаются, суммарное сопротивление всех каналов увеличивается, т. е. общее сопротивление разрядника возрастает, и происходит ограничение импульсного тока грозового перенапряжения.
а)
б)
в)
Рис. 1. Мультикамерная система (МКС): а - схема, поясняющая начальный момент развития разрядов; 1 - профиль из силиконовой резины; 2 - промежуточные электроды; 3 - дугогасящая камера; 4 - канал разряда; б - схема, поясняющая завершающий момент развития разрядов; в - фото МКС, установленной по периметру изолятора U120AD при испытаниях
По окончании импульса грозового перенапряжения к разряднику остаётся приложенным напряжение промышленной частоты. Как показали проведённые исследования, в разрядниках с МКС возможны два типа гашения искрового разряда:
1) при переходе сопровождающего тока 50 Гц через ноль (в дальнейшем такой тип гашения называется гашением в нуле);
2) при снижении мгновенного значения импульса грозового перенапряжения до напряжения промышленной частоты, т. е. без сопровождающего тока сети (в дальнейшем такой тип гашения называется гашением в импульсе).
Механизм гашения искрового разряда в МКС напоминает механизм гашения дугового разряда в трубчатом разряднике. Существенное отличие состоит в том, что внутри трубчатого разрядника достаточно долго (до 10 мс, т. е. до 10 000 мкс) горит дуга. Она выжигает стенки газогенери-
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2011/4
146
Общетехнические задачи и пути их решения
рующей трубки, и образовавшиеся от теплового разрушения газы выдувают канал разряда наружу.
В случае гашения в нуле (рис. 2, а) в МКС дуга начинается в дугогасящих камерах, а затем большая её часть выдувается наружу в открытое пространство. Материал камер не газогенерирующий, дутьё образуется просто за счёт расширения канала разряда, поэтому эрозия стенок камер незначительная. В случае гашения в импульсе (рис. 2, б ), длительность которого составляет микросекунды или десятки микросекунд, эрозии практически нет даже после многократных срабатываний МКС.
а) б)
Рис. 2. Осциллограммы напряжения и тока на МКС при испытаниях на гашение сопровождающего тока: а - гашение в нуле; б - гашение в импульсе
2 Принцип работы и конструкция ПИРМК
Значительным опытом (более тридцати лет) эксплуатации полимерных изоляторов показано, что наилучшим материалом для изоляционного покрытия стержней и рёбер является силиконовая резина. Она же используется и в МКС. Поэтому представляется логичным и целесообразным разработать полимерный, а точнее силиконовый, изолятор со встроенной в рёбра мультикамерной системой (ПИРМК).
ПИРМК целесообразно изготавливать по модульной технологии, т. е. так, как изготавливают полимерные изоляторы фирмы «Сименс», LAPP и др. Несущий стеклопластиковый стержень методом экструзии покрывается слоем силиконовой резины, который обеспечивает надёжную гидроизоляцию и трекингостойкость. Рёбра, также из силиконовой резины, прессуются отдельно, а затем устанавливаются на покрытый резиной стержень и привариваются в специальной термокамере.
2011/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Общетехнические задачи и пути их решения
147
При изготовлении рёбер в них удобно вмонтировать МКС. Однако МКС должна быть разработана с учётом особенностей конструкции ребра полимерного изолятора (относительно небольшого диаметра, небольшой толщины и т. п.).
На рисунке 3 показан макет ПИРМК на основе полимерного изолятора из силиконовой резины фирмы LAPP на класс напряжения 35 кВ. На рёбра изолятора по их периметрам установлены мультикамерные системы.
а)
3
б)
Рис. 3. Макет ПИРМК 35 кВ: а - эскиз ПИРМК-35; 1 - стеклопластиковый стержень;
2 - ребро; 3 - верхний оконцеватель; 4 - нижний оконцеватель; 5 - мультикамерная система (МКС); 6 - подводящий электрод; 7 - отвод; 8 - искровой воздушный промежуток; б - фотография испытаний грозовым импульсом
При помощи верхнего оконцевателя ПИРМК крепится к заземлённой проводящей опоре, а при помощи нижнего оконцевателя - к проводу (см. рис. 4). При грозовом перенапряжении на проводе это же перенапряжение приложено между оконцевателями. Под его воздействием перекрываются искровые воздушные промежутки и МКС, установленные на рёбрах изолятора. Таким образом, между верхним и нижним оконцевателями изолятора (т. е. электрически - между проводом и опорой) оказывается включённой суммарная мультикамерная система, состоящая из последовательно соединённых МКС ребер изоляторов и искровых воздушных промежутков, которая при срабатывании обеспечивает гашение тока разряда без отключения ВЛ.
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2011/4
148
Общетехнические задачи и пути их решения
Рис. 4. Эскиз пролёта ВЛ 110 кВ без грозозащитного троса (для упрощения показана лишь одна верхняя фаза)
В прототипе ПИРМК, приведённом на рисунке 3, использована МКС, состоящая из стальных шариков с разрядными промежутками между ними 0,5 мм. Она способна обеспечить защиту ВЛ от индуктированных перенапряжений, а также от обратных перекрытий (при ударе молнии в опору или грозозащитный трос) [1].
3 Расчётная оценка импульсного тока, протекающего через ПИРМК при прямом ударе молнии в провод ВЛ 110 кВ
При отсутствии у ВЛ 110 кВ грозозащитного троса возможны прямые удары молнии (ПУМ) в опоры и в провода. Для ВЛ с тросом имеется эмпирическая формула, позволяющая оценить вероятность удара молнии в опору [2]:
Рои * 4^оп//пр = (4 X 20)/150 * 0,7, (1)
где коп = 25 м - высота опоры;
/пр = 150 м - длина пролёта.
Как видно из формулы (1), на ВЛ с тросом примерно 70 % ПУМ приходится в опоры и 30 % - в трос, т. е. в опору молния попадает примерно в два раза чаще, чем в трос (70 %/30 % = 2,3). На ВЛ без троса соотношение числа ударов молнии в опору и провод ещё больше, т. к. провод находится примерно на 8 метров ниже, чем трос, и опора экранирует большую часть пролёта, чем на ВЛ с тросом.
2011/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Общетехнические задачи и пути их решения
149
Для ПИРМК удар молнии в провод представляет гораздо более тяжёлый случай по условиям гашения сопровождающего тока, чем при ударе молнии в опору, так как при обычных значениях сопротивления заземления опор (около 10-100 Ом) импульсный ток, протекающий через ПИРМК при ударе молнии в провод, существенно больше, чем при ПУМ в опору. Поэтому для оценки расчётного импульсного тока, протекающего через ПИРМК, должен быть выбран случай ПУМ в провод.
Токи молнии лежат в диапазоне от 2 до 300 кА, средний ток составляет примерно 30 кА, а 95 % токов молнии меньше, чем 100 кА [3]. В настоящей работе в качестве расчётного случая принят ток 100 кА.
Эмпирическая формула (1) ориентирована на средний ток, т. е. на ток 30 кА, при этом экранирующее влияние опоры довольно значительно. С увеличением тока молнии увеличивается её стримерная зона, поэтому увеличивается экранирующее действие опоры. Можно полагать, что молнии с относительно большим током 100 кА могут попадать в среднюю часть пролёта (см. рис. 4 ). При этом ток молнии разделяется на две волны: одна идёт налево, другая - направо. Напомним, что под термином «ток молнии 1м» понимается наибольшее значение импульсного тока при ударе молнии в хорошо заземлённый объект. Эквивалентная электрическая схема, соответствующая этому случаю, приведена на рисунке 5, а. Эквивалентная схема, соответствующая случаю удара молнии в провод, в середину пролёта (до момента прихода отражённой от опоры волны), приведена на рисунке 5, б.
а) _________
Izm 0
/4Т
б)
Рис. 5. Эквивалентная схема при ударе молнии: а - в хорошо заземлённый объект; б - в провод, в середину пролёта (до прихода отражённой от опоры волны); zм = 200 Ом - волновое сопротивление канала молнии; ем = 1м zм - эквивалентная ЭДС
При этом ток в канале молнии /к может быть оценен по формуле:
Е 20000 кВ
*к =
z„ + ^ м 2
200 Ом +100 Ом
70 кА,
(2)
где Ем = 1м zu = 100 кА х 200 Ом = 20 000 кВ - наибольшее значение эквивалентной ЭДС; zв ~ 200 Ом - волновое сопротивление провода с учётом интенсивной стримерной короны.
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2011/4
150
Общетехнические задачи и пути их решения
Как видно из формулы (2), ток в канале молнии при ударе в провод (до момента прихода отражённой от опоры волны) существенно меньше, чем при ударе в хорошо заземлённый объект. Причём волна тока, распространяющаяся по проводу в одну сторону, в два раза меньше, чем ток в канале молнии, т. к. ток канала молнии разделяется на две волны.
Таким образом, /лев= /прав= 0,5 /к = 0,5 х 70 = 35 кА.
Приведённые рассуждения справедливы лишь до прихода отражённой от опоры волны. Фактически физическая картина будет сложнее. При воздействии пришедшей по проводу волны перенапряжения на ПИРМК она сработает, ток потечёт по МКС ПИРМК, далее по телу опоры и затем через сопротивление заземления в землю. Эскиз фрагмента ВЛ 110 кВ и эквивалентная схема для расчёта тока через ПИРМК приведены на рисунке 6.
а)
1псч.2 /лев. I /пр. I /ир.2
Zb Д ll д/l й/1 д/2 Za
Рис. 6. Эскиз фрагмента ВЛ 110 кВ (а) и эквивалентная схема (б) для расчёта тока через ПИРМК: ем - эквивалентная ЭДС; гм - волновое сопротивление канала молнии;
А/1 - отрезок линии с распределёнными параметрами, соответствующий половине длины пролёта; Rr - активное сопротивление ПИРМК при её срабатывании;
Lr - индуктивность ПИРМК при её срабатывании; Ьоп - индуктивность опоры;
R:, - сопротивление заземления опоры; А/2 - отрезок линии с распределёнными параметрами, соответствующий длине пролёта; zE - волновое сопротивление провода
с учётом стримерной короны
2011/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Общетехнические задачи и пути их решения
151
Расчёт токов и напряжений по схеме рисунка 6, б выполнен по программе Micro-Cap 7. Импульс тока молнии принимался косоугольным с длиной фронта /ф = 10 мкс и временем полуспада /и = 100 мкс. Соответственно при расчёте задавалась эквивалентная ЭДС ем = /м 2м. Параметры элементов, входящих в схему, имели значения: 1м = 100 кА; zu = 200 Ом; А/1 = 100 м; -ЯПИРМК = Rp m = (1...2)14 = 14...28 Ом, где Rp = 1...2 Ом - активное сопротивление одного ребра ПИРМК при его срабатывании; m = 14 -число рёбер в ПИРМК; £ПИРМК = 20 мкГн; Ьоп = 30 мкГн; Rз = 10...30 Ом; А/2 = 200 м; zs = 200 Ом.
Как показали расчёты, при токе молнии 1м = 100 кА напряжение на ПИРМК на двух ближайших к месту удара молнии опорах № 1 и № 2 (а также на опорах № 3 и № 4) превышает 500 кВ, т. е. выше, чем разрядное напряжение ПИРМК, поэтому они срабатывают.
Ток, протекающий по ПИРМК № 1 (а также № 3), больше, чем ток, протекающий по ПИРМК № 2 (а также № 4). Максимальное значение тока лежит в диапазоне 25-35 кА в зависимости от значения сопротивления заземления опор и сопротивления ПИРМК при её срабатывании.
В качестве примера на рисунке 7 приведены расчётные зависимости токов и напряжений для одного из вариантов расчёта.
Рис. 7. Расчётные зависимости токов и напряжений:
ЯПИРМК = 20 Ом; Яз = 10 Ом; 1 - напряжение на ПИРМК опоры № 1;
2 - напряжение на ПИРМК опоры № 2; 3 - ток молнии при ударе в хорошо заземлённый объект; 4 - ток через ПИРМК опоры № 1
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2011/4
152
Общетехнические задачи и пути их решения
Оценка числа срабатываний ПИРМК-110 кВ за срок службы 30 лет
Число прямых ударов молнии N*nyM в линию электропередачи длиной l = 100 км при числе грозовых часов Тч = 100 ч определяется по формуле [2]:
А*пум ~ 7 Нпр = 7-20=140 1/год,
где ^пр = 20 м - средняя высота верхней фазы ВЛ 110 кВ.
При длине линии 150 км и Тч = 60 ч число прямых ударов в эту конкретную линию оценивается как
Апум = А*пум • (1/100) • (Тч /100) = 130 ~ 150 1/год.
Число пролётов Nnp~ I/ 1пр= 150 км/0,2 км = 750, где l = 150 км - длина линии; 1пр ~ 200 м = 0,2 км - средняя длина пролёта.
При равномерном распределении ударов молнии вдоль линии число ударов молнии в один пролёт составит: А1пр- Апум / Апр = 150/750 = 0,2 1/год.
Молния может ударить в опору или в провода (рис. 8). Вероятность удара молнии в опору оценена по формуле (1) Роп ~ 0,7. Соответственно вероятность удара молнии в провода Рпр = (1 - Роп) = 1 - 0,7 = 0,3; число ударов молнии в провода одного пролёта А1пров = А1пр • Рпр = = 0,2 • 0,3 = 0,06 1/год.
Рис. 8. Конструктивная схема участка ВЛ 110 кВ
Молния может ударить в одну из трёх фаз: А, В или С (рис. 9). Вероятность удара в верхнюю фазу В наибольшая, однако вероятность удара в крайнюю фазу А также достаточно большая, а вероятность удара в фазу С -наименьшая. Принимая приближенно, что вероятность удара в фазу В составляет РВ ~ 0,5, число ударов молнии в один пролёт в верхнюю фазу В
Мв = МпровРВ = 0,06 • 0,5 = 0,03 1/год.
2011/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Общетехнические задачи и пути их решения
153
Число волн грозовых перенапряжений, приходящих на ПИРМК фазы В с двух сторон (с двух пролётов),
Ni пирмк = Nie = 0,03 • 2 = 0,06 1/год.
Число перенапряжений от ударов молнии в провод, воздействующих на один ПИРМК за 30 лет:
Мпирмк,30 = Мпирмк ^30 = 0,06 • 30 = 1,8 ~ 2.
Таким образом, на один ПИРМК за 30 лет эксплуатации будет воздействовать примерно 2 перенапряжения от ударов молнии в провод, причём токи молнии будут разные, т. е. большими и относительно небольшими.
С вероятностью 0,95 они будут в диапазоне от 2 до 100 кА, средний ток - 30 кА.
Несмотря на значительные упрощения и приближения проведённой оценки, ясно, что необходимый ресурс по срабатыванию ПИРМК невелик. С учётом возможной неравномерности распределения ударов молнии по линии он может быть принят с запасом, равным 10 срабатываний ПИРМК за срок службы, т. е. за 30 лет.
Рис. 9. Иллюстрация к оценке распределения ударов молнии между разными фазами
Заключение
При прямом ударе молнии в провод импульсный ток, протекающий через МКС, может быть около 30 кА. Как показали выполненные исследования, при таких токах происходит значительное расширение (раскрытие) газоразрядных камер МКС и соединение факелов разряда по поверхности МКС («слив по поверхности»), что приводит к негашению сопровождающего тока.
С учётом предыдущего опыта, изложенного выше, весьма целесообразно разработать такую конструкцию МКС и соответственно ПИРМК 35 и 110 кВ, которые обеспечили бы гашение тока грозового импульса 30 кА длительностью около 70 мкс без сопровождающего тока (т. е. гашение в импульсе) при любом соотношении полярностей молнии и сети, что даст возможность применять ПИРМК в электрических сетях с высокими значениями токов короткого замыкания (30 кА и выше) без грозозащитного троса.
Дальнейшие работы по обеспечению надёжного гашения токов молнии в 30 кА с учетом необходимого ресурса срабатывания будут проводиться в направлении разработки МКС усиленной конструкции, обеспечивающей высокую механическую прочность камер и позволяющую выдержать весьма значительное давление при разряде внутри камер. МКС новой
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2011/4
154
Общетехнические задачи и пути их решения
конструкции должна иметь возможность располагаться внутри ребра полимерного изолятора, ввиду чего должна обладать малыми габаритами.
Библиографический список
1. Грозозащита ВЛ 10-35 кВ и выше при помощи мультикамерных разрядников и изоляторов-разрядников / Г. В. Подпоркин, Е. Ю. Енькин, Е. С. Калакутский, В. Е. Пильщиков, А. Д. Сиваев // Электричество. - 2010. - № 10. - С. 11-16.
2. Физика грозового разряда и грозозащита линий электропередачи / М. В. Костенко [и др.]. - Л. : Ленинградский политехнический институт, 1982.
3. Физика грозового разряда и грозозащита линий электропередачи : учеб. пособие / М. В. Костенко, И. М. Богатенков, Ю. А. Михайлов, Ф. X. Халилов. - Л. : ЛПИ им. М. И. Калинина, 1982. - 79 с.
УДК 624.042.7
Л. А. Яковлев, М. Н. Першин
Петербургский государственный университет путей сообщения
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОДЗЕМНОЙ ПАРКОВКИ ЖИЛОГО МНОГОЭТАЖНОГО ЗДАНИЯ НА СЕЙСМОСТОЙКОСТЬ
Устройство и использование подземного пространства под зданиями является актуальной задачей развития мегаполисов и крупных городов.
В данной статье осуществлялась оценка влияния одноэтажного подземного паркинга в многоэтажном здании на сейсмическое воздействие путем сопоставления параметров сейсмической реакции.
Исследование показало, что в зависимости от конструктивного решения надземной и подземной частей здания подземная парковка оказывает различное влияние на сейсмостойкость здания.
сейсмостойкость, инерционные нагрузки, период собственных колебаний, частота.
Введение
Организация автопарковок в подземных этажах жилых и общественных зданий в настоящее время является важной и актуальной задачей современного строительства в связи с интенсивным ростом как частного, так и государственного автопарка. Очевидное основное преимущество таких автопарковок заключается в отсутствии необходимости отчуждения городских территорий, отводимых под стоянки автомашин, улучшении экологии и экономической эффективности. Такие парковки позволяют рационально использовать практически пустующие подвальные помещения либо созда-
2011/4
Proceedings of Petersburg Transport University