CC BY
19
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ
УДК 621.315 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-5-452-458
СНИЖЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ГРОЗОВЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ИЗОЛЯЦИЮ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ 6(10) КВ
Ю.В. Гульков, А.В. Турышева
В статье представлено описание способа повышения надежности воздушных линий электропередач 6(10) кВ путем снижения вероятности установления силовой дуги при перекрытиях изоляции по воздуху от воздействия грозового перенапряжения. Разработано устройство длинно-искрового грозозащитного разрядника, позволяющего исключить переход искрового перекрытия в силовую дугу. Даны рекомендации по установке.
Ключевые слова: сшивка полиэтилена, воздушная линия, изолированные провода, грозозащитный разрядник, скользящий разряд.
Одними из важных элементов внешнего и внутреннего электроснабжения производственных объектов, обеспечивающих передачу электрической энергии, являются воздушные линии (ВЛ) 6(10) кВ. Они представляют собой конструкции, расположенные на открытом воздухе, включающие в себя: системы защиты от аварийных режимов, провода, траверсы, изоляторы, линейную арматуру, опоры, провода, разрядники, секционирующие и заземляющие устройства, а также вспомогательное оборудование для нужд эксплуатации.
В России насчитывается около 1200 тыс. км линий электропередач среднего класса напряжения находящихся в эксплуатации. Они входят в состав электросетевого комплекса минерально-сырьевых и общепромышленных предприятий.
Надежность электроснабжения производственных объектов обуславливается надежностью воздушных линий 6(10) кВ. На основе данных о технологических нарушениях, учитываемых электросетевыми компаниями известно, что в течение года происходит аварийное отключение около 10% всех ВЛ 6(10) кВ, находящихся в использовании. Например, ежегодное количество отказов воздушных линий по СевероЗападному федеральному округу на 100 километров составляет около 27. На территории Пермского края - 13, при этом на обрывы проводов приходится 25%, схлестывание - 30%.
К случайным факторам и внешним нагрузкам, от которых значительно зависят количественные показатели надежности воздушных линий, относят: атмосферные перенапряжения, гололедные образования на проводах, изменение температур окружающей среды, интенсивность грозовой деятельности; вибрации проводов, дефекты конструкции, монтажа и эксплуатации воздушных линий, срок их эксплуатации [1, 2]. В табл. 1 представлены данные о неисправностях воздушных линий.
На основе количественных показателей, приведенных в табл. 1 следует, что существует необходимость повышения надежности воздушных линий 6(10) кВ. Решение данного вопроса возможно путем повышения механической прочности проводов, в
результате уменьшится количество замыканий на землю и количество междуфазных коротких замыканий. Воздушные линии с изолированными проводами (ВЛИ) позволят обеспечить повышение надежности и электробезопасности воздушных линий. В соответствии с ГОСТ 31946-2012 существует четыре основных вида изолированных и защищенных проводов, имеющих свои особенности в конструкции. Все они включают в себя изолированные друг от друга фазные жилы, скрученные в жгут, и могут содержать изолированную или неизолированную нулевую жилу или быть без нее. Наружный слой покрыт изоляционной защитной оболочкой, которая выполнена из термопластичного или светостабилизированного сшитого полиэтилена.
Таблица 1
Неисправности ВЛ__
Причина Неисправность Количество отказов, %
Коррозия арматуры, повреждения, загрязненность, увлажнение, дефекты изоляторов, атмосферные и коммутационные перенапряжения Пробой или перекрытие изоляторов 13,5
Механические воздействия внешних факторов (вибрации, пляски, гололедно-изморозевые образования и др.) на провода, опоры, электросетевые устройства Межфазные замыкания, замыкания на землю, обрыв проводов 44
1. Основные характеристики изолированных проводов ВЛИ 6(10) кВ. На
основные характеристики изолированных проводов влияют свойства материалов изоляции и сплава токоведущей жилы.
Сшитый полиэтилен является наиболее часто встречаемым изоляционным материалом воздушных линий с изолированными проводами. Он является модифицированным продуктом полимеризации этилена, имеющим сетчатую молекулярную структуру с дополнительными связями, приводящими к увеличению прочности, термо- и износостойкости, малой гигроскопичности, устойчивости к коррозии и резкому изменению температур, имеющим хорошие диэлектрические свойства.
Рабочая температура сшитого полиэтилена составляет 95°С, термоэластопласта - 90°С, термопластического полиэтилена - 70°С, поливинилхлорида - 70°С, что позволяет воздушным линиям с изолированными проводами из сшитого полиэтилена выдерживать режимы перегрузки и короткого замыкания.
Существуют несколько технологий сшивки полиэтилена: пероксидный, сила-новый и радиационный. Самый распространенный и дешевый силановый способ, позволяющий получить около 65-70% объединенных в сетку молекул, создающих трехмерную структуру, позволяющий получить материал с высокими механическими и электрическими свойствами [3]. При использовании данной технологии срок эксплуатации полиэтилена при температуре 90°С составляет около 30 лет, при применении других способов- 15^20 лет.
Однако, данный полимер обладает существенным недостатком - неустойчивостью к длительному воздействию ультрафиолетового излучения, приводящему к разрушению, что не позволяет использовать его в качестве изоляционного материала на открытом воздухе [4].
Для решения данной проблемы в состав структуры сшитого полиэтилена вводят дополнительные включения и антиоксиданты, позволяющие сохранить его механические свойства и получить материал устойчивый к воздействию солнечных лучей. Например, ограничение поглощения световой энергии поверхностными слоями возможно обеспечить путем добавления фотостабилизаторов. Одним из таких веществ может служить диспергированная сажа. На показатель эффективности обеспечения защиты от солнечного воздействия оказывает способ получения сажи, а также размер частиц, их равномерность распределения и процентное содержание в полиэтилене. В ре-
зультате проведенных испытаний было выявлено, что при 2^2,5% содержании сажи, содержащейся в полиэтилене, обеспечивается устойчивость к солнечной радиации проводов на протяжении всего срока эксплуатации [5, 6].
Следовательно, в настоящее время создан эффективный способ создания воздушных линий напряжением 6(10) кВ с изолированными проводами, обеспечивающий устойчивость к атмосферному старению, однако не решен комплекс задач, направленных на поиск технических средств защиты проводов от атмосферных грозовых воздействий.
2. Физические основы грозопоражаемости ВЛ 6(10) кВ с изолированными проводами. Попадания прямых ударов молний в воздушные линии электропередачи 6(10) кВ происходят редко, поскольку они экранируются застройкой, насаждениями, воздушными линиями свыше 110 кВ. Однако, при возникновении такого явления амплитуда перенапряжений достигает нескольких миллионов вольт, а ток - от 15 до 150 кА. В результате возможны следующие последствия: повреждение изоляции, элементов опоры и заземления, пережог провода [7].
Существуют также индуктированные перенапряжения, возникающие при ударах молний вблизи линий электропередач, они значительно меньше по величине по сравнению с прямым ударом и составляют порядка 100кВ.
Возникающее напряжение между траверсой опоры воздушной линии и проводом может привести к перекрытию на траверсу. На элементах опоры возникает высокий потенциал в результате импульсного наведенного тока при прохождении через сопротивление опор и заземлителя. Далее происходит обратное перекрытие с опоры на другую фазу. Эти явления возникают за микросекунды, ионизируя зону вблизи изоляторов, вызывая устойчивое горение силовой дуги и междуфазные замыкания. В результате релейная защита произведет отключение линии через доли секунды. Однако, возможно создать условия, позволяющие исключить переход импульсного разряда в силовую дугу.
Возможность устойчивого горения дуги, при котором не возникает силовая дуга, можно определить по отношениям рабочего к безопасному градиентам напряжений. На линиях с металлическими опорами при показателе равном семи возникают многократные отключения, на линиях с деревянными опорами 110 кВ при значении равном двум - редкие перерывы; 35 кВ показателе равном единице - почти не происходят.
При этом величина безопасного градиента устанавливается экспериментально для конкретных условий: при возникновении разряда в воздухе или на поверхности фарфора 10 кВ/м, вдоль древесины 15^20 кВ/м.
Величина рабочего градиента, т.е. напряжения вдоль пути перекрытия определяется по формуле:
Ер = Ч*-, кВ/м, (1)
р Т
^из
где им - максимальное рабочее напряжение, кВ, Lиз - длина грозового перекрытия изоляции, м.
Основными последствиями при возникновении импульсного перекрытия в воздушных линиях 6(10) кВ с изолированными проводами являются: повреждения стеклянного или фарфорового изолятора, изоляции провода в месте наименьшей электрической прочности, возникновение перекрытия изолятора на траверсу воздушной линии с изолированными проводами.
Следовательно, необходимо разработать надежный и экономичный способ защиты воздушной линии с изолированными проводами от грозовых перенапряжений.
3. Грозозащита воздушной линии с изолированными проводами 6(10) кВ с использованием грозозащитных разрядников. Воздушные линии 6(10) кВ включают в себя железобетонные и металлические опоры, вследствие этого обосновано использование длинноискровых грозозащитных разрядников. Они имеют простую конструкцию, являются надежными и экономически выгодными [8-10].
Вероятность установления силовой дуги после грозового перекрытия изоляции существенно зависит от средней напряженности электрического поля, образующегося на канале перекрытия рабочим напряжением линии [11-12].
В результате опыта промышленной эксплуатации воздушных линий, а также проведения анализа причин преобразования импульсного разряда в силовую дугу, вероятность возникновения силовой дуги при грозовых перекрытиях изоляции можно оценить по формуле: [13-16]:
где Е = иф/Ь - средняя напряженность электрического поля на канале перекрытия, кВ/м, Ь - длина пути перекрытия, м; иф - фазное напряжение воздушной линии, кВ.
Представленная формула справедлива при показателе Е > 10 кВ/м. Однако, при Е < 7 кВ/м вероятность образования силовой дуги минимальна (Рд ~ 0) [17-18]. Таким образом, вероятность возникновения дуги при установленном номинальном напряжении обратно пропорционально длине пути перекрытия. Следовательно, улучшение показателей грозозащиты воздушных линий, снижение числа отключений можно достигнуть посредством увеличения длины пути импульсного грозового перекрытия. Данное условие может выполнено посредством применения длинноискровых разрядников, не допускающих образования силовой дуги из скользящего разряда, который представляет собой ярко светящиеся нити, часто разветвленные, малой мощности, движущиеся с большой скоростью по поверхности изолированного провода, возникающие из-за частичной ионизации жидкой или газообразной среды в которой они находятся.
Рассмотрим разработанный способ, обеспечивающий уменьшения вероятности перехода искрового разряда в силовую дугу при амплитудных значениях перенапряжений.
Конструкция разрядника имеет петлевую форму (рис. 2 б), таким образом достигается уменьшение массогабаритных показателей и технологичность монтажа. Стержень - основа конструкции, является также подложкой для передачи потенциала опоры на всю длину разрядника. Материал стержня - сталь диаметром 7^9 мм. На изогнутой части петли монтируется металлическая трубка, длинной 10 см. Материал изоляционного слоя - светостабилизированный полиэтилен, толщиной 3^4 мм, размер изолированной части разрядника ВЛИ 6 кВ составляет 120 см, ВЛИ 10 кВ 160 см.
Рис. 1. Монтаж (а) и конструкция (б) петлевого грозозащитного разрядника: 1 - стальной изолированный провод; 2 — изолированный провод воздушной линии; 3 - стеклянный или фарфоровый изолятор; 4 - место крепления; 5 - металлическая
трубка; 6 — опора; 7 — грозовое перекрытие
В результате исследований была разработана экспериментальная модель линии 10 кВ с изолятором ШС-10 с параллельным подключением длинно-искрового грозозащитного разрядника, обеспечивающим образование искрового перекрытия под воздействием импульса грозового напряжения. Экспериментальная модель, представленная на рис. 3, выполнена в виде длинно-искрового грозозащитного разрядника со следующими параметрами: диаметр металлического стержня 0,9 см, толщина полиэтиленовой изоляции 0,4 см, внешний электрод - металлическая трубка длиной 10 см.
(2)
5
Рис. 2. Испытательный стенд использования грозозащитного разрядника на воздушной линии электропередачи напряжением 10 кВ
Исследования показали, что пятидесятипроцентные разрядные напряжения изолятора составили: и+50%дигр = 146 кВ; и-50%дигр = 135 кВ; напряжения длинно-искрового грозозащитного разрядника петлевой конструкции: и+5о%дигр = 135 кВ; U-
50%дигр = 105 кВ.
В результате исследований установлено, что при приведенных значениях разрядных характеристик изолятора и разрядника обеспечивается устойчивая, надежная работа электрической сети при грозовых перенапряжениях. При амплитудных значениях перенапряжений U+пер = 400 кВ, и-пер = 350 кВ основная изоляция провода воздушной линии 10 кВ при грозовых перекрытиях остается в целостности.
Апробирование данного конструкторского решения показало, что лучшие показатели достигаются при установке длинно-искрового грозозащитного разрядника на каждой опоре, параллельно каждому изолятору, что позволяет обеспечить защиту воздушной линии с изолированными проводами 6(10) кВ от грозовых перенапряжений.
Заключение. В результате проведенных исследований был спроектирован длинно-искровой грозозащитный разрядник: изолированный стержень петлевой конструкции, на изогнутой части которого находится металлическая трубка, позволяющий снизить вероятность возникновения перехода искрового разряда в силовую дугу при воздействии импульса грозового напряжения до 400 кВ. Наибольший эффект достигается при установке данного конструктивного решения между опорой и проводом на расстоянии 5 см, исключая воздействие рабочего напряжения на изоляционное тело разрядника.
Предложенный способ позволяет обеспечить эксплуатационную надежность и защиту воздушных линий 6(10) кВ от грозовых перенапряжений, поскольку при использовании предложенного метода переход искрового перекрытия в силовую дугу исключается, за счет увеличения пути импульсного грозового перекрытия.
Список литературы
1. Kovalchuk M., Poddubniy D. Improving the efficiency of conveyor transport with the use of network technologies E3S Web of Conferences, 2019, 140. 04011.
2. Korzhev A., Bolshunova O., Voytyuk I., Vatlina A. Mathematical simulation of transient operation modes of an electric drive of a centrifugal pump for a slurry pipeline E3S Web of Conferences, 2019. 140. 04012.
3. Li Q. Cross-linked ultra-high-molecular-weight polyethylene prepared by silane-induced cross-linking under in situ development of water / Li Q. Chen, T., Sun L., Guo W., Wu C. Advances in Polymer Technology. 2018. № 37(8). P. 2859-2865.
4. Zagrivniy E.A., Poddubniy D.A., Kovalchuk M.S. Noncontact speed sensor for maintaining the autoresonant operating mode of the oscillating electric motor drive Proceedings of the 2019 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering, ElConRus 2019, 2019. P. 740-743. 8657094.
5. Кудрин Б.И. Электроснабжение промышленных предприятий: учебник для студентов высших учебных заведений. М.: Интермет Инжиниринг, 2006. 672 с.
6. Кабышев А.В. Электроснабжение объектов. Ч.1. Расчет электрических нагрузок, нагрев проводников и электрооборудования: учебное пособие. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2007. 185 с.
7. J.Bao Lightning Performance Evaluation of Transmission Line Based on Data-Driven Lightning Identification, Tracking, and Analysis / Bao J., Wang X., Zheng Y., Zhang F., Huang X., Sun P. IEEE Transactions on Electromagnetic CompatibilityVolume 63, Issue 1, February 2021, Номер статьи 9093156. P. 160-171.
8. Подпоркин Г.В., Сиваев А.Д. Современная грозозащита распределительных воздушных линий 6, 10 кВ длинноискровыми разрядниками // Электро. 2006. № 1. С. 36-42.
9. Купцов Д.М. Применение длинноискровых разрядников для грозозащиты распределительных воздушных линий 6-35 кВ / Д.М. Купцов; науч. рук. Л.И. Евминов // Исследования и разработки в области машиностроения, энергетики и управления : материалы XVIII Междунар. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых, Гомель, 26-27 апр. 2018 г. / М-во образования Респ. Беларусь, Гомел. гос. техн. ун-т им. П. О. Сухого ; под общ. ред. А. А. Бойко. Гомель: ГГТУ им. П.О. Сухого, 2018. С. 260-263.
10. Baburin, S.V., Belskiy, A.A. Optimization of power supply systems in oil and gas industry facilities Sylwan, 2014, 158(7), стр. 337-340
11. Базелян Э.М. Параметры разряда молнии во внутренней молниезащите / Э.М. Базелян, А.В.Борисов, А.И.Федоров. Известия академии наук. Энергетика. №6. 2015. - С.79-89
12. Baburin, S.V., Zyrin, V.O., Kovalchuk, M.S. Dependence of power supply systems reliability on the type of redundancy IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2019, 643(1), 012134
13. Антропов И. М., Ефимов Б. В., Невретдинов Ю. М. Влияние перекрытий изоляции линии на формирование грозовых перенапряжений // Вестник МГТУ. 2015. Т. 18, № 4. C. 672-679
14. Защита сетей 6-35 кВ от перенапряжений. / Халилов Ф. Х., Евдокунин Г. А., Поляков В. С. и др. Под ред. Халилова Ф. Х., Евдокунина Г. А., Таджибаева А. И.-СПб., 2002. C. 260
15. Turysheva, A.V., Baburin, S.V. Justification of power supply system's structure of oil and gas facilities using backup energy sources with associated petroleum gas as the energy carrier International Journal of Applied Engineering Research, 2016, 11(1). P. 749-755.
16. B.N. Abramovich, P.A. Kuznetsov, Yu.A. Sychev, "Protective Controller against Cascade Outages with Selective Harmonic Compensation Function", Journal of Physics: Conference Series, International Conference Information Technologies in Business and Industry 2018 - Microprocessor Systems and Telecommunications, 2018, May 2018, doi: 10.1088/1742-6596/1015/2/022001.
17. Abramovich B.N. Uninterruptible Power Supply System for Mining Industry Enterprises // Journal of Mining Institute. 2018. 229. P. 31-40.
18. Voytyuk, I.N., Kopteva, A.V., Skamyin, A.N. Software and Hardware Complex for Ore Quality Control on a Belt Conveyor Proceedings - 2020 2nd International Conference on Control Systems, Mathematical Modeling, Automation and Energy Efficiency, SUMMA 2020, 2020. P. 762-765. 9280715.
Гульков Юрий Владимирович, канд. техн. наук, доцент, guliguli@,mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский Горный университет,
Турышева Анна Вахтанговна, канд. техн. наук, доцент, An-na_turysheva_21@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский Горный университет
REDUCING THE IMPACT OF LIGHTNING SURGES ON THE ELECTRICAL INSULATION OF 6(10) KV OVERHEAD POWER LINES
Yu.V. Gulkov, A.V. Turysheva
The article describes a method for improving the reliability of overhead power lines of 6(10) kV by reducing the probability of a power arc during lightning insulation overlaps. The design of a long-spark lightning protection arrester is developed, which makes it possible to exclude the transition of the spark overlap into the power arc. Recommendations for installation are given.
Key words: polyethylene crosslinking, overhead line, insulated wires, lightning ar-restor, sliding discharge.
Gulkov Yuri Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, guliguli@ list.ru, Russia, Saint Petersburg, Saint Petersburg Mining University,
Turysheva Anna Vakhtanhovna, candidate of technical sciences, docent, Annajurysheva_21@mail.ru, Russia, Saint Petersburg, Saint Petersburg Mining University
УДК 621.3.017.21 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-5-458-467
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ИЗМЕНЕНИЯ ТОКА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ С УЧЁТОМ НАГРЕВА ПРОВОДНИКА
К.Р. Валиуллин, С.И. Тушев
С течением времени в результате нагрева ток постепенно уменьшается, это может привести к неправильной работе релейной защиты с зависимой и независимой выдержкой времени. В данной статье представлена математическая модель, устанавливающая зависимость между током, температурой и сопротивлением одножильного проводника. Также производится сравнение этой модели, реализованной в MATLAB, с экспериментальными данными. По полученным результатам сделан вывод об адекватности предложенной модели.
Ключевые слова: нагрев, короткое замыкание, моделирование, MATLAB
Как правило, основные защиты в сетях 0,4 кВ выполняются на базе автоматических выключателей типа ВА различных модификаций. Данные выключатели оснащаются двумя типа расцепителей: электромагнитным, обеспечивающим отключение токов короткого замыкания с минимальной выдержкой времени, и тепловым, обладающим зависимой характеристикой и отключающим токи перегрузки. В протяженных сетях с малым сечением проводников возможны ситуации, когда ток однофазного короткого замыкания (ОКЗ) сопоставим с токами нормальных переходных режимов. В этом случае, отключение однофазных коротких замыканий выполняется тепловым рас-цепителем с независимой выдержкой времени. Согласно требованиям ПУЭ (пункт 1.7.79) в цепях, питающих распределительные, групповые, этажные и другие щиты и щитки, время отключения не должно превышать 5 с. [1] Методики расчета уставок автоматических выключателей, изложенные в [2,3] рекомендуют проверку чувствительности к току ОКЗ: для обычных цепей коэффициент чувствительности должен превышать 3, во взрывозащищенных цепях он должен быть не меньше 6. Таким образом, нормативные документы и методические указания допускают возможность отключения однофазных КЗ тепловым расцепителем с зависимой характеристикой времени.
458
