CC BY
109
ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ
УДК 621.315.17
Н.И.Гумерова, Б.В.Ефимов, М.В.Малочка УТОЧНЕНИЕ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ЗАЩИТЕ
ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПОДСТАНЦИЙ ОТ ГРОЗОВЫХ ВОЛН
Аннотация
Получены рекомендации по применению ОПН в наиболее используемых схемах стандартных подстанций для классов напряжения 110-750 кВ для защиты от грозовых перенапряжений. Расчеты выполнены для наибольшего допустимого рабочего напряжения и сопротивлений заземления опор 20 Ом.
Ключевые слова:
подстанции, грозоупорность, ОПН.
N.I.Gumerova, B.V.Efimov, M.V.Malochka
UPDATE RECOMMENDATIONS FOR PROTECTION OF HIGH VOLTAGE EQUIPMENT FROM LIGHTNING WAVES
Аbstract
Recommendations on the use of surge arresters in the most commonly used standard schemes substations for voltage classes 110-750 kV for protection against lightning surges are presented. The calculations are performed for the largest suppy voltage and towers grounding resistance 20 ohms.
Keywords:
substation, lightning-proof, surge arresters.
При выборе систем грозозащиты оборудования подстанций используются рекомендации Правил устройства электроустановок (ПУЭ) [1]. Для решения проблемы грозозащитных мероприятий, т.е. создания схемы, устойчивой к грозовым воздействиям, в ПУЭ регламентируются 4 параметра: тип защитных аппаратов, количество защитных аппаратов,
.£ЗО-ЗА - расстояние между защищаемым объектом и защитным аппаратом, м (не больше),
Хп - длина защитного тросового подхода с повышенным уровнем изоляции, км (не меньше).
Рекомендации ПУЭ для классов напряжения от 330 кВ до 750 кВ даны для типовых схем подстанций при использовании основных типов опор (портальных и одностоечных). Для классов напряжения 35-200 кВ схемы не конкретизированы, заданы только соотношения числа приходящих ВЛ и количества защитных аппаратов. Причем для класса 150 кВ рекомендации даются такие же, как и для 220 кВ.
Предлагаемые рекомендации по расстояниям между защищаемым объектом и защитным аппаратом являются предельно допустимыми, т.е. это наибольшие допустимые расстояния от защитного аппарата (ЗА) до защищаемого объекта (ЗО). На практике в большинстве случаев эти расстояния, в первую очередь для силовых трансформаторов, значительно меньше. Длины защитных подходов должны быть не меньше, чем предложено в ПУЭ.
5
Рекомендации ПУЭ подразумевают, что каждому силовому трансформатору (автотрансформатору) должен соответствовать один защитный аппарат. Для открытых распределительных устройств (ОРУ) с числом приходящих ВЛ более пяти говорится о возможности организовать удовлетворительную грозозащиту без каких-либо рекомендаций по установке защитных аппаратов. Косвенно учитывается конструкция ВЛ через очень грубый учет типа опоры - портал, башенная, железобетонная, стальная, одноцепная ВЛ, двухцепная ВЛ.
Все данные, приведенные в ПУЭ, были получены для 30 грозовых часов и сопротивления заземления опор 10 Ом на подходах к подстанциям (вернее даже при нулевом сопротивлении). Величина 10 Ом нормируется в ПУЭ для удельного сопротивления грунта не более 100 Омм. Все рекомендации по защите от грозовых перенапряжений, возникающих при ударах молнии в подходы ВЛ, ориентированы на использование вентильных разрядников (РВ).
Переход от вентильных разрядников к нелинейным ограничителям перенапряжений требует изменения рекомендаций как по выбору параметров ОПН, так и установке их в ОРУ подстанций.
В ПУЭ для схем с ОПН предлагается формула простого пропорционального пересчета:
^ОПН "^РВ (^исп
U.
ОПН
) /(U„co -
UРВ )
где £ ОПН - расстояние от ОПН до защищаемого оборудования, м; £ РВ - расстояние от разрядника до защищаемого оборудования, м; UHcn - испытательное напряжение
защищаемого оборудования при полном грозовом импульсе, кВ; UОПН, UРВ - остающееся
напряжение на ОПН (РВ) при номинальном грозовом токе (5 кА для классов напряжения 110-220 кВ).
Использование простой пропорции для схем с нелинейными параметрами является некорректным. Это и другие ранее перечисленные факторы требуют существенной переработки рекомендаций ПУЭ. Необходимо проанализировать схемы стандартных подстанций с точки зрения удовлетворения показателей надежности грозозащиты основного высоковольтного оборудования требованиям руководящих документов (РД) [2]. При этом необходимо использовать в качестве защитных аппаратов нелинейные ограничители перенапряжений. Решение такой задачи возможно с помощью авторской компьютерной программы МИНСК. Данная программа позволяет с заданной степенью точности получить зависимость показателя надежности от многих параметров подстанции. Программа производит расчет по определенному алгоритму при заданных начальных условиях (сопротивление заземления опор, количество и тип защитных аппаратов, ВАХ и ВСХ защитных аппаратов, конструкция линии в зависимости от класса напряжения, вид воздействия и т.д.). По итогам расчета программа строит кривые опасных волн, пришедших на подстанцию для конкретных условий при варьировании расстояний от мест удара молнии до входа подстации. Также в программе учитывается интенсивность грозовой деятельности, и в конечном итоге выполняется расчет показателя надежности грозозащиты. Показатель надежности грозозащиты рассчитывается отдельно для каждого типа воздействий: ориентации молний на фазные провода - прорывы, ударов молнии в трос и опоры с перекрытием линейной изоляции (обратные перекрытия). Расчеты выполняются для каждой ВЛ, приходящей на подстанцию. Полученные результаты суммируются. Программа протестирована и рекомендована к применению в РД [2].
6
В отличие от выбора вентильных разрядников, прежде чем выбрать ОПН с определенными характеристиками, необходимо уточнить такие его параметры, как наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение, что предотвратит возможность взрыва аппаратов, а затем определить требования к ОПН по энергоемкости. В результате будет получена конкретная вольтамперная характеристика (ВАХ) ограничителя, которая определяет способность снижать грозовые перенапряжения на высоковольтных аппаратах подстанций. В общем случае для каждого класса напряжения имеют место не меньше 6 вариантов параметров ОПН (3 уровня рабочего напряжения и два варианта энергоемкости). Соответственно, для каждого класса напряжения имеется 6 вариантов ВАХ, которые отличаются друг от друга в диапазоне 15-20%. ОПН с самой высокой ВАХ характеризуется наибольшим длительно допустимым рабочим напряжением и наименьшей энергоемкостью, ОПН с самой низкой ВАХ - наоборот рассчитан на самое низкое рабочее напряжение и максимальную энергоемкость. Чем ниже проходит ВАХ, тем меньше остающееся напряжение при одинаковых токах, протекающих через ОПН, и, соответственно, имеет место наибольшее ограничение грозовых перенапряжений.
Следующим фактором, влияющим на степень снижения грозовых перенапряжений, является организация подхода. В настоящей работе рассматривается ситуация, когда ВЛ на подходе защищены грозозащитными тросами, которые снижают вероятность непосредственного поражения молниями фазных проводов, что представляет собой наиболее опасное воздействие (прорывы мимо тросовой защиты). При наличии грозозащитных тросов грозоупорность подстанций 110-330 кВ в первую очередь зависит от ударов молний в опоры и тросы с последующими перекрытиями линейной изоляции. Возможность прорывов молний определяется углами тросовой защиты. Вероятность перекрытий определяется линейной изоляцией (количеством изоляторов в гирляндах) и сопротивлениями заземления опор. Правилами ПУЭ разрешаются сопротивления заземления опор на подходах в зависимости от удельного сопротивления грунта не выше 20 Ом.
Если учитывать все возможные вариации параметров, то для каждой схемы подстанции будет необходимо рассматривать до нескольких десятков вариантов. Простой пересчет по параметрам является некорректным, поскольку процесс развития грозовых перенапряжений зависит от множества нелинейных параметров и процессов, таких как характеристики ОПН, перекрытие гирлянд изоляторов, наличие импульсной короны на проводах и многое другое [3-5].
В настоящей работе были приняты следующие ограничения:
- весь комплекс расчетов выполнен для ограничителей перенапряжений с наихудшими защитными характеристиками с точки зрения грозовых воздействий, а именно с самыми высокими ВАХ, что отвечает наибольшему длительному повышению рабочего напряжения и наименьшей энергоемкости. Использование ОПН с другими ВАХ представляется более успешным для ограничения грозовых перенапряжений, однако степень их снижения сложно описать простой формулой;
- сопротивление заземления принято равным максимально допустимому по рекомендациям ПУЭ - 20 Ом;
- число грозовых часов принято равным среднему по России - 30 грозовых часов;
- линейная изоляция принята стандартной;
- допустимые напряжения для высоковольтного оборудования приняты в соответствии с ГОСТ1516.3-96, т.е. для аппаратов 330-750 кВ используются более низкие испытательные грозовые воздействия по сравнению со схемами с использованием вентильных разрядников.
Критерием эффективности ограничения грозовых перенапряжений является соответствие расчетных показателей надежности грозозащиты оборудования величинам, рекомендуемым в РД (таблица 1).
7
Таблица 1
Рекомендуемые показатели надежности грозозащиты
U, кВ 35 110 220 330 500 750 1150
Тн.в, годы 200-300 300-400 400-600 600-800 800-1000 1000-1200 1200-1500
Для такого ряда ограничений получены рекомендации по использованию ОПН, которые приведены в таблицах 2-4. В таблице 5 приведены рекомендации по наибольшим допустимым длинам подходов ВЛ к подстанциям.
Таблица 2
Рекомендуемые расстояния между высоковольтными аппаратами и защитными аппаратами для ПС 110-330 кВ
Схема Количество ОПН, места установки -бзОЗА, м
До силовых трансфор- маторов До трансфор- маторов напряжения До трансфор- маторов тока
110 кВ
Тупиковая по схеме блока трансформатор - линия Один комплект ОПН у силового трансформатора 25 60 40
Проходная с двумя ВЛ и двумя трансформаторами по схеме «мостик» Два комплекта ОПН у силовых трансформаторов 130 140 40
С секциями (системой) шин с тремя ВЛ и двумя трансформаторами Два комплекта ОПН у силовых трансформаторов 150 150 140
220 кВ
Тупиковая по схеме блока трансформатор - линия Один комплект ОПН у силового трансформатора 10 95 -
То же Два комплекта ОПН один у силового трансформатора, второй - в линейной ячейке 20 200
Проходная с двумя ВЛ и двумя трансформаторами по схеме «мостик» Два комплекта ОПН у силовых трансформаторов 20 200 150
С секциями (системой) шин с тремя ВЛ и двумя трансформаторами Два комплекта ОПН у силовых трансформаторов 40 490 210
Таблица 3
Рекомендуемые расстояния между высоковольтными аппаратами и защитными
аппаратами для ПС 330 кВ
Схема Количество ОПН, места установки 4зо-за, м
До силовых трансформаторов До трансформаторов напряжения До трансформаторов тока
Тупиковая по схеме блока трансформатор - линия Один комплект ОПН у силового трансформатора 10 50 50
То же Два комплекта ОПН один у силового трансформатора, второй - в линейной ячейке 15 50 50
Проходная с двумя ВЛ и двумя трансформаторами по схеме «четырехугольник» Два комплекта ОПН у силовых трансформаторов 25 110 110
То же Четыре комплекта ОПН: два у силовых трансформаторов, два - в линейных ячейках 55 360 360
8
Таблица 4
Рекомендуемые расстояния между высоковольтными аппаратами и защитными аппаратами для ПС 500-750 кВ
Схема Количество ОПН, место установки 4оЗА м
До силовых трансфор- маторов До измерительных трансформаторов на шинах До измерительных трансформаторов в линейных ячейках
500 кВ
Тупиковая по схеме блока трансформатор - линия Один комплект ОПН у силового трансформатора 20 105 90
То же Два комплекта ОПН: один у силового трансформатора, второй - в линейной ячейке 25 360 360
Проходная с двумя ВЛ и двумя трансформаторами по схеме «четырехугольник» Два комплекта ОПН у силовых трансформаторов 65 325 460
То же Четыре комплекта ОПН: два у силовых трансформаторов, два - в линейных ячейках 180 500 500
750 кВ До измерительных трансформаторов
Тупиковая по схеме блока трансформатор - линия Два комплекта ОПН: один у силового трансформатора, второй - в линейной ячейке 135 500
Проходная с двумя ВЛ и двумя трансформаторами по схеме «четырехугольник» Четыре комплекта ОПН: два у силовых трансформаторов, два - в линейных ячейках 220 500
Таблица 5
Длины защищенных подходов (км)
Номинальное напряжение ВЛ, кВ ПУЭ Расчет Примечания
110 1-3 0.95 Тупиковая схема (1 ВЛ, 1 ОПН)
1.25 Мостик (2 ВЛ, 2 ОПН)
220 2-3 1.1 Тупиковая схема (1 ВЛ, 1 ОПН)
0.75 Мостик (2 ВЛ, 2 ОПН)
330 2-4 1.3 Тупиковая схема (1 ВЛ, 1 ОПН), Четырехугольник (2 ВЛ, 2-4 оПн)
500 3-4 1.8 Тупиковая схема (1 ВЛ, 1 ОПН)
1.5 Тупиковая схема (1 ВЛ, 2 ОПН), Четырехугольник (2 ВЛ, 2-4 ОПН)
750 4-5 2.9 Тупиковая схема (1 ВЛ, 2 ОПН)
2.4 Четырехугольник (2 ВЛ, 4 ОПН)
Данными рекомендациями можно пользоваться в ситуациях, когда в рассмотренных подстанциях при 30 грозовых часах и 20 Ом сопротивлений заземления опор используются ОПН данного класса. Если при прочих равных условиях число грозовых часов ниже 30 или сопротивление заземления опор меньше 20 Ом, данные рекомендации также могут быть использованы, однако они не дают информации, насколько могут быть изменены рекомендуемые параметры, т.е. насколько могут быть увеличены расстояния между защитным аппаратом и защищаемым объектом, или насколько могут быть уменьшены длины подходов. При использовании ограничителей с более низкими ВАХ, т.е. с лучшими защитными характеристиками, чем в рассмотренном случае, рекомендации также могут
9
быть использованы, но в случае необходимости увеличения величин 4о-за следует выполнить дополнительные расчеты.
В прочих случаях необходимо проводить уточняющие расчеты, даже если проектные расстояния @О_ЗА меньше рекомендуемых.
Для регионов с высокоомными грунтами необходимо учитывать то, что реальные сопротивления заземления опор могут быть больше 20 Ом. Кроме этого необходимо учитывать возможность локального повышения сопротивления контура заземления, в первую очередь для ОПН, т.к. при грозовых воздействиях через них будет протекать большая часть тока молнии с возможностью повышения его вследствие отражения волны тока с тем же знаком. Сопротивления заземления опор на подходах и локальные сопротивления заземления контура подстанции должны быть рассчитаны или измерены с учетом импульсного характера воздействия. Приемлемых показателей надежности защиты высоковольтного оборудования подстанции можно добиться в любом конкретном случае установкой дополнительных ОПН или изменением их характеристик. Немалое значение имеют также сопротивления заземления опор [6].
Использование ОПН на подходах к подстанциям при установке их параллельно гирляндам изоляторов, как это делается при грозозащите линий, не рекомендуется, т.к. приводит к увеличению доли грозовых волн, которые могут попасть на ошиновку РУ. Допустима установка их между фазными проводами и землей. Однако более успешного результата можно добиться устанавливая ОПН на входах ВЛ непосредственно на ОРУ подстанции.
Литература
1. Правила устройства электроустановок. СПб.: Издательство ДЕАН, 2003. - 928 с.
2. Руководство по защите электрических сетей 6-1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений / Под науч. ред. Н.Н.Тиходеева. - СПб.: ПЭИпК Минтопэнерго РФ, 1999.
3. Костенко М.В.,.Ефимов Б.В, Зархи И.М., Гумерова Н.И. Анализ надежности грозозащиты подстанций. Л. Наука, 1981 г. - 128 с.
4. Костенко М.В., Гумерова Н.И., Смирнов А.А. Новые тенденции в анализе надежности грозозащиты подстанций Научно-технические ведомости СПбГТУ, СПб., 1999. № 2, С. 86-92.
5. Гумерова Н.И., Колычев А.В., Халилов ФХ. Молниезащита электрических сетей среднего, высокого и сверхвысокого напряжения. Учебное пособие, СПб. Изд-во Политехнического ун-та, 2011 г. 369 с.
6. Гумерова Н.И., Данилин А.Н., Ефимов Б.В., Колобов В.В., Невретдинов Ю.М., Селиванов В.Н., Халилов Ф.Х. Влияние локальных импульсных сопротивлений заземлений основного и защитного оборудования на надежность грозозащиты подстанций. Первая Российская конференция по молниезащите. Сборник докладов. Новосибирск, 2007 г. С. 383-392.
Сведения об авторах
Гумерова Натэлла Идрисовна,
к.т.н., доцент СПбГПУ, Санкт-Петербург, [email protected] 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: [email protected]. net. ru
Малочка Максим Владимирович,
инженер ООО «НПФ ЭЛНАП»
10
