CC BY
199
ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ
УДК 621.315.17
А.Н.Новикова, О.В.Шмараго, Б.В.Ефимов,
А.Н.Данилин, Ю.М.Невретдинов, В.Н.Селиванов
ВОПРОСЫ ГРОЗОЗАЩИТЫ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ В УСЛОВИЯХ СЕВЕРА КОЛЬСКОГО ПОЛУОСТРОВА:
ТРЕБОВАНИЯ, ОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИ ВЛ 110-150 кВ, МЕТОДИКА РАСЧЕТА* Аннотация
Получены эксплуатационные показатели грозоупорности ВЛ 110-150 кВ в северных регионах РФ, где ПУЭ допускается эксплуатация ВЛ или их участков без троса. По результатам сравнения эксплуатационных и расчетных показателей грозоупорности ВЛ и привлечения данных по пеленгации разрядов молнии на севере Финляндии уточнена методика расчета грозопоражаемости ВЛ для районов с небольшой продолжительностью гроз. Оценена эффективность уменьшения числа двухцепных грозовых отключений при подвеске цепей двумя треугольниками.
Ключевые слова:
воздушная линия, грозоупорность, опыт эксплуатации, грозовая деятельность, плотность разрядов молнии, двухцепная линия, фазировка проводов цепей.
A.N.Novikova, О.У.БИтагадо, B.V.Efimov,
А.Ы.ОапШп, Yu.M.Nevretdinov, V.N.Selivanov
ISSUES OF OVERHEAD LINE LIGHTNING PROTECTION UNDER RESTRICTIONS OF THE KOLA PENINSULA: REQUIREMENTS, 110-150 kV OHL FIELD EXPERIENCE, CALCULATION PROCEDURE
Abstract
Lightning performance of 110-150 kV OHL have been obtained for northern districts of Russian Federation where PUE admits OHL or line sections being operated without shielding wire. According to the results of comparison of operating and design parameters of OHL lightning performance and using the data received during lightning stroke finding in the north part of Finland the calculation method for districts with short lightning duration has been adjusted. The efficiency of double-circuit line lightning outage reduction has been estimated for the case of circuit suspension in two triangulars.
Keywords:
overhead transmission line, lightning proofness, field experience, lightning performance, density of lightning strokes, double circuit line, wire phasing for circuits.
Введение. Трассы ВЛ 110-150 кВ Северных электросетей (СЭС) ОАО "МРСК Северо-Запада" "Колэнерго" проходят по территории, имеющей
неблагоприятные с точки зрения обеспечения надежности электроснабжения природно-климатические условия, а именно: большое количество дней
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 11-08-00690).
с сильными и штормовыми ветрами, туманами, снегопадами и гололедообразованием. Но при этом для территории всего Кольского п-ова характерна низкая интенсивность грозовой деятельности (не более 20 грозовых часов в год), при которой по ПУЭ допустимо сооружение ВЛ без троса. Дополнительным критерием отказа от троса является высокое электрическое сопротивление грунтов. Мурманская обл. занимает северо-восточную окраину громадного Балтийского щита, сложенного древнейшими кристаллическими породами (гранитами, гнейсами, кварцитами, кристаллическими сланцами). Вода в реках, озерах и болотах Кольского п-ова содержит мало минеральных солей, поэтому водонасыщение только незначительно снижает сопротивление грунта. На большинстве опор ВЛ устройство заземлителей, удовлетворяющих требованиям ПУЭ по значению сопротивления заземления, невыполнимо.
В настоящее время 44% ВЛ 110 кВ (из 16 линий с общей протяженностью около 450 км) и 32% ВЛ 150 кВ (из 32 линий с общей протяженностью около 1800 км) находятся в эксплуатации более 50 лет. Направления модернизации ВЛ, в том числе необходимость усиления их грозозащит, должны быть обоснованы результатами анализа опыта эксплуатации.
Опыт эксплуатации ВЛ. В табл.1 приведены основные результаты анализа опыта эксплуатации ВЛ 110 и 150 кВ СЭС ОАО "МРСК Северо-Запада" "Колэнерго" за период 2006-2010 гг.
Таблица 1
Эксплуатационные показатели ВЛ 110-150 кВ СЭС "Колэнерго"
Эксплуатационные показатели ВЛ 110 кВ ВЛ 150 кВ
Общая протяженность ВЛ, км 447.6 1781.8
Защищенность тросом, % 17.4 31.4
Объем опыта эксплуатации, км-лет 2238 8909
Общее число отключений (из-за к.з. на ВЛ и из-за ПС) 89 281
Число отключений из-за к.з. на ВЛ
общее 76 257
грозовых 7 62
Удельное число отключений (на 100 км в год)
общее 3.4 2.9
грозовых 0.31 0.70
Коэффициент успешности АПВ при отключениях
из-за к.з. на ВЛ и ПС 0.80 0.76
из-за к.з. на ВЛ 0.84 0.80
грозовых 1.0 0.97
В табл.2 дано распределение отключений ВЛ из-за к.з. на трассе по всем причинам. Грозовыми являются для ВЛ 110 кВ примерно каждое десятое отключение, для ВЛ 150 кВ - каждое четвертое.
Классификация отключений по причине грозы проводилась
с использованием сведений о начале и конце гроз по данным гидрометеорологических станций (ГМС). Практически все воздушные линии электропередачи имеют близко расположенные к трассам ГМС, что позволяет достаточно достоверно классифицировать грозовые отключения. Отключение относилось к грозовым, если момент отключения ВЛ находился внутри
интервала между началом и концом грозы или если это условие не выполнялось, но гроза поочередно регистрировалась двумя далеко расположенными друг от друга ГМС, при этом близко лежащими к трассе ВЛ. Такая ситуация характерна для ВЛ большой протяженности, когда гроза имеет место за пределами расстояния обнаружения ее метеонаблюдателем (15-20 км), т.е. перемещается вдоль трассы ВЛ или ее пересекает.
Таблица 2
Распределение отключений ВЛ 110-150 кВ из-за к.з. на трассе по различным причинам, %
Причины ВЛ 110 кВ ВЛ 150 кВ
Гроза Повреждение элементов ВЛ 9.2 24.1
трос - 0.4
провод 1.3 1.9
шлейф 1.3 1.2
гирлянда - 1.9
опора 2.6 -
Ветер 3.9 18.7
Снег/гололед/ ветер 21.1 17.9
Увлажнение изоляции 13.2 11.7
Деревья 1.3 -
Птицы 11.9 0.8
Постороннее вмешательство (наезды, набросы и пр.) - 0.4
Неизвестные 34.2 21.0
Классификация отключений по остальным причинам, особенно отключений без повреждений элементов ВЛ, проводилась с учетом общей ситуации в энергосистеме (сброс гололеда, штормовой ветер и т.д.), результатов обходов и экспертной оценки по опыту классификации подтвержденных метеоданными подобных отключений в других энергосистемах. Например, частые многократные отключения с успешным АПВ характерны при ветре. Отключения в ранние утренние часы наиболее вероятны при увлажнении загрязненной изоляции при росе или тумане. В апреле-мае ранние отключения возможны также при набросах на ВЛ посторонних предметов птицами.
К отключениям "из-за ПС" (4 строка, табл.1) отнесены случаи перекрытия изоляции и повреждения оборудования на подстанции, неправильной работы релейной защиты и автоматики, ошибок персонала, отключения при системных авариях и при вынужденных режимах работы, а также пробные включения на к.з. до осмотра ВЛ.
В табл.3 сопоставлены эксплуатационные показатели ВЛ 110 и 150 кВ Северных электрических сетей ОАО "МРСК Северо-Запада" "Колэнерго" и ВЛ 110 и 220 кВ северных электросетевых предприятий ОАО "Тюменьэнерго" (Северные ЭС - числитель, Ноябрьские ЭС - знаменатель), расположенных в регионах с близкими природно-климатическими условиями.
Объем проанализированного опыта эксплуатации ОАО "Тюменьэнерго" значительно больше. Тем не менее, средние эксплуатационные показатели по общему числу отключений для двух энергосистем близки.
Таблица 3
Сравнение эксплуатационных показателей ВЛ в северных регионах РФ
Показатели «Колэнерго» «Тюменьэнерго»
ВЛ 110 кВ ВЛ 150 кВ ВЛ 110 кВ ВЛ 220кВ
Объем опыта эксплуатации, км-лет 447.6 1781.8 8632 5105
4262 2890
Защищенность тросом, % 17.4 31.4 78.5 100
100 100
Число грозовых часов, ч 2-14 3-20 4-10
8-20 10-25
Удельное число отключений
(на 100 км в год)
общее 3.4 2.9 27 17
2.9 2.7
грозовых 0.31 0.70 0.32 0.39
0.94 1.20
Коэффициент успешности АПВ
при отключениях
общих 0.84 0.80 0.49 0.58
0.81 0.78
грозовых 1.0 0.97 0.89 0.90
0.93 0.89
При значительно меньшей защищенности тросом ВЛ 110 и 150 кВ СЭС "МРСК Северо-Запада" "Колэнерго" грозоупорность ВЛ оказалась не хуже, чем у ВЛ северных предприятий "Тюменьэнерго" при полной или значительно лучшей защищенности тросом. Это свидетельствует о низкой эффективности тросовой защиты при больших значениях сопротивления заземления опор (Я з).
В табл.4 приведены результаты выборочных измерений Яз опор ВЛ 150 кВ без троса в СЭС "Колэнерго".
Таблица 4
Результаты измерений Я з опор ВЛ 150 кВ без троса в СЭС "Колэнерго"
№ п/п Название ВЛ (конечные пункты) Номер опоры Яз, Ом Грунт
стационарное импульсное
7 Л-171/Л-172 58 354 - Скальный
8 (ПС-200 Выходной - 59 285 300 То же
9 ПС-6 Мурманск) 59а 290 - «
10 60 273 - «
11 62 407 - «
12 Л-179 (ПС-200 Выходной - 43 58 - Заболочено
13 ПС-6 Мурманск) 46 300 - Скальный
14 47 224 200 То же
15 48 888 - «
16 Л-173/Л-174 21 166 - «
17 (ПС-200 Выходной - 22 66 60 Заболочено
18 ГЭС-13 Нижнетуломская) 23 276 - Скальный
19 Л-170 (ПС-200 Выходной - 120 7 - Заболочено
20 ПС-29 Снежногорск) 121 170 - Скальный
Анализ показателей грозоупорности ВЛ. Мурманская обл. имеет на своей территории достаточно развитую сеть гидрометеостанций. На рис.1 показана сеть ГМС на территории северной части области. В табл.5 приведены данные о продолжительности грозовой деятельности за период 2005-2010 гг. по наблюдениям 14 ГМС и в отдельные годы по 15 наиболее близко расположенным к трассам ВЛ 110 и 150 кВ СЭС "Колэнерго". В последнем столбце табл.5 и на рис.1 по указанным ГМС приведены средние значения ^гч за анализируемый период эксплуатации (2006-2010 гг.). Для ГМС, метеоданные по которым представлены в "Научно-прикладном справочнике по климату СССР" [1], приведено также среднемноголетнее значение ^гч.
Рис.1. Средняя продолжительность гроз на территории СЭС, ч:
Никель •6,2 - е период 2006-2010 гг.; |7,6| - многолетняя по [1]
За анализируемый период интенсивность грозовой деятельности на территории СЭС не превышала среднемноголетнюю, за исключением ГМС "Ниванкюль". Но в 2006 г. практически по всем ГМС, особенно по ГМС южнее Мурманска, значение ^гч намного превосходило среднее за период 2006-2010 гг. Например, по ГМС "Ниванкюль" число грозовых часов превысило среднемноголетнее значение почти в 4 раза. В 2010 г. также отмечалось повышение интенсивности грозовой деятельности, особенно на севере (ГМС "Териберка" и "Туманная").
Из данных табл.5 видно, что при невысокой средней интенсивности грозовой деятельности наблюдается большой разброс значений числа грозовых часов по годам и по территории, что находит отражение в числе грозовых отключений ВЛ. В табл.6 дано распределение числа грозовых отключений ВЛ 110-150 кВ СЭС по годам и приведены сведения об интенсивности грозовой деятельности: пределы изменения продолжительности гроз по ГМС на
территории СЭС и условное среднее значение Шгч, полученное делением суммы значений ^гч отдельных ГМС на их число.
Таблица 5
Интенсивность грозовой деятельности на территории СЭС ОАО "МРСК Северо-Запада" "Колэнерго" в период 2005-2010 гг.
№ п/п ГМС Продолжительность грозовой деятельности, Ыгч, ч
2005 г. 2006 г. 2007 г. 2008 г. 2009 г. 2010 г. среднее
2006-2010 гг. многолетнее [1]
1 Вайда-Губа 0 4.6 0.3 0 2.9 2.3 2.0 4.0
2 Цып-Наволок 0 3.5 9.3 1.2 1.3 4.4 3.9
3 Ура-Губа 5.3 6.2 3.5 0.4 2.5 5.2 3.6
4 Полярное 2.8 1.3 1.0 1.8 1.7 3.9 1.9
5 Териберка 4.3 3.9 1.8 6.2 3.0 13.5 5.7 6.3
6 Туманная 15.1 6.4 4.6 3.4 3.1 10.6 5.6
7 Мурманск 3.7 7.3 2.6 2.5 3.0 6.3 3.6 8.2
8 Никель 11.4 12.5 0.9 3.6 7.2 7.0 6.2 7.6
9 Перевал 10.7 21.7 6.7 7.9 13.8 9.0 11.8
10 Янискоски 8.7 29.6 2.9 9.5 8.9 2.6 10.7
11 Верховье 10.1 20.8 3.9 5.3 10.7 7.9 9.7
р. Лотты
12 Падун 5.9 16.7 3.3 4.3 5.8 17.4 9.5
13 Ниванкюль 6.0 39.3 2.1 4.8 12.5 20.1 15.8 10.9
14 Мончегорск 5.2 10.2 5.4 3.2 1.6 10.1 6.1 8.0
15 Святой Нос 0 6.7 0 0 1.2 12.2
(Гремиха)
* Возможны перерывы в передаче информации.
Таблица 6
Распределение числа грозовых отключений ВЛ 110-150 кВ СЭС по годам
Параметры 2006 г. 2007 г. 2008 г. 2009 г. 2010 г.
М,ч, ч
пределы 1.3-39.3 1-9.3 0-9.5 1.3-12.5 2.3-20.1
условное среднее 12.7 3.4 3.5 5.3 8.8
Число грозовых отключений по ВЛ
150 кВ 25 6 4 8 20
110 кВ 4 - - 1 2
общее 29 6 4 9 22
Общее число грозовых отключений (М-.общ) хорошо коррелируется с условным средним значением ^гч. Наибольшую долю в Ытобщ вносят ВЛ 150 кВ, имеющие общую протяженность в 4 раза больше, чем ВЛ 110 кВ. Кроме того, удельное число грозовых отключений ВЛ 150 кВ, несмотря на большую импульсную прочность изоляции, оказалось в 2.25 раза больше, чем для ВЛ 110 кВ (см. табл.1).
Такая ситуация может наблюдаться при условии, когда основной причиной отключений являются удары молнии в провода, что и имеет место на ВЛ без троса. Вероятность превышения критического значения тока молнии, вызывающего перекрытие линейной изоляции при ударе в провода для ВЛ 110 и 150 кВ, различается незначительно, но грозопоражаемость - число ударов молнии в ВЛ 150 кВ будет больше из-за большей высоты опор. В конкретных условиях, а именно при прохождении ВЛ разных классов номинального
напряжения в одном коридоре, ВЛ 150 кВ "соберет" большую долю ударов молнии, ориентирующихся на это пространство.
Вследствие невысокой интенсивности грозовой деятельности и резкой изменчивости ее по годам, непродолжительного анализируемого периода эксплуатации (5 лет) и сравнительно небольшой длины большинства ВЛ объем опыта эксплуатации отдельных ВЛ оказывается недостаточным для получения их эксплуатационных показателей грозоупорности. Поэтому целесообразно получить этот показатель для групп ВЛ, объединив их по конструктивным признакам. В качестве базовой интенсивности грозовой деятельности можно принять усредненное по всем ГМС условное среднее по годам значение ^г.ч, равное 6.7 грозовых часов. Такие группы можно было выделить только для ВЛ 150 кВ.
При экспертной оценке удельного числа грозовых отключений отдельных групп ВЛ можно предположить, что все отключения происходили, если разряды молнии поражали участки без троса, поскольку вероятность перекрытия изоляции при ударе молнии в участки с тросом при устройстве заземлителей опор и прокладке противовесов на подходах к подстанциям много меньше, чем при ударе молнии в провод или опору без заземлителя на участках без троса. При этом средний эксплуатационный показатель грозоупорности пг - число грозовых отключений какой-либо из групп ВЛ на 100 км длины в год может быть определен по формуле:
= ' —100—, (1)
г т т - т
1 ВЛ ^тр
где Ыг б - общее число грозовых отключений группы ВЛ; Т - число лет эксплуатации; ТВЛ - общая длина линий, км; - общая длина участков с тросом, км.
Одноцепные ВЛ с тросом только на подходах (табл.7)
Таблица 7
Распределение грозовых отключений одноцепных ВЛ 150 кВ без троса по годам
Длина, км Число грозовых отключений
Название ВЛ ВЛ участков под тросом 2006 г. 2007 г. 2008 г. 2009 г. 2010 г. Всего
Л-177 199.60 4.50 1 3 1 8 13
Л-178 35.15 5.73 1 1
Л-179 37.30 6.39 1 1
Л-185 26.80 2.90 1 1 2
Л-186 25.07 5.76 1 1
Л-192 24.10 3.17 1 1
По всем ВЛ 348.02 28.44 2 3 1 2 11 19
Эксплуатационный показатель грозоупорности для одноцепных ВЛ 150 кВ СЭС без троса по формуле (1) равен
19 100 , о 100
п =-= 1.2 отключения на 100 км в год.
г 5 348.02-28.44
Двухцепные ВЛ с тросом только на подходах (табл.8)
Для каждой из двух цепей значение п г без учета случаев отключения одновременно двух цепей составило:
100
А* 25
пг = 0.5 х — х-
. = 0.78 на 100 км в год.
5 363.3-41.5
Доля таких случаев, по данным опыта эксплуатации, равна 9/25 = 0.36. При этом общее удельное число грозовых отключений каждой цепи оценивается значением (0.78 *1.36) = 1.06 на 100 км в год.
Следует отметить, что значения эксплуатационных показателей цепи двухцепных ВЛ и одноцепной ВЛ 150 кВ, имеющих примерно одинаковую общую длину, согласуются между собой: одноцепная ВЛ и должна иметь больше отключений, чем цепь двухцепной ВЛ, так как в общем случае при одном ударе молнии может произойти перекрытие изоляции одной из цепей.
Таблица 8
Распределение грозовых отключений двухцепных ВЛ 150 кВ без троса по годам
Название ВЛ Длина, км Число грозовых отключений Всего
ВЛ участков под тросом 2006 г. 2007 г. 2008 г 2009 г. 2010 г.
Л-153 8
Л-154 4
Л-153/Л-154 4 4
Двухцепной ВЛ 126.95 7.6 8 8
Л-163 1 1 2 1
Л-164 1 1 1 2
Л-163 / Л-164 2 2
Двухцепной ВЛ 117.3 4.2 1 2 2 2 1 8
Л-171
Л-172 1
Л-171 / Л-172
Двухцепной ВЛ 38.9 12.4 1 1
Л-173 1
Л-174 1 1
Л-173 / Л-174 1 1
Двухцепной ВЛ 16.2 3.8 1 1 2
Л-175 1
Л-176
Л-175 / Л-176
Двухцепной ВЛ 18.71 4.7 1 1
Л-223 3
Л-224 2 1 1
Л-223 / Л-224 2 2
Двухцепной ВЛ 45.24 8.76 3 1 1 5
По всем ВЛ 363.30 41.46 одновременно двух цепей 9
двухцепной ВЛ 25
ВЛ с тросом (табл.9)
Эту группу составляют только одноцепные ВЛ. Единственная двухцепная ВЛ 150 кВ с тросом (Л-219/ОЛ-170/89) длиной 3 км
в анализируемый период грозовых отключений не имела.
Таблица 9
Распределение грозовых отключений ВЛ 150 кВ c тросом по годам
Название ВЛ Длина, км Число грозовых отключений Всего
ВЛ участков под тросом 2006 г. 2007 г. 2008 г. 2009 г. 2010 г.
Л-167 42.10 42.10
Л-183 16.95 15.35
Л-184 16.95 15.35
Л-226 112.30 112.30 1 1 3 5
Л-227 6.00 6.00
По всем ВЛ 194.02 191.12 1 1 3 5
Из всех ВЛ, защищенных тросом, отключалась при грозе только имеющая самую большую протяженность Л-226, поэтому можно не учитывать влияние на грозоупорность этой группы ВЛ участков без троса. Тогда эксплуатационный показатель грозоупорности для одноцепных ВЛ 150 кВ СЭС с тросом составит
5 100 0 52 тп
п г = — х------= 0.52 отключения на 100 км в год.
5 194.02
Для сравнения приведем средние показатели грозоупорности в энергосистемах РФ: для ВЛ 110 кВ - пг = 1.0 и для ВЛ 220 кВ - пг = 0.7 грозовых отключений на 100 км в год. Таким образом, при наличии троса даже при плохих грунтах ВЛ 150 кВ за счет низкой грозовой деятельности имеют хорошие показатели грозоупорности (пг = 0.52). В бестросовом исполнении показатели грозоупорности цепи двухцепной ВЛ 150 кВ (пг = 0.78) близки к среднему показателю грозоупорности ВЛ 220 кВ, а для одноцепной ВЛ (п г = 1.2) - к среднему показателю грозоупорности ВЛ 110 кВ.
Повышение грозоупорности целесообразно в первую очередь для протяженных двухцепных ВЛ 150 кВ, имеющих близкую к 40% вероятность отключения двух цепей одновременно.
Корректировка методики расчета грозоупорности ВЛ применительно к северным регионам РФ. Для разработки рекомендаций по возможной модернизации грозозащиты ВЛ необходима оценка ожидаемой эффективности предполагаемых мероприятий на основании результатов расчета грозоупорности по апробированной методике.
Апробация методики "Руководства по защите электрических сетей 6-1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений. РД 153-34.3-35.125-99" [2] проводилась путем сопоставления расчетных и эксплуатационных показателей грозоупорности ВЛ 150 кВ из трех выделенных групп. В качестве объектов расчета использовались конструктивные параметры наиболее
протяженных ВЛ в каждой группе: Л-153/Л-154 - двухцепная ВЛ без троса, Л-177 - одноцепная ВЛ без троса и Л-226 - одноцепная ВЛ с тросом. Эскизы опор и основные исходные данные приведены на рис.2. Расчеты выполнялись при двух средних по трассе значениях сопротивления заземления опор (Яз = 60 и 100 Ом). При расчете вероятности перекрытия изоляции использовалось региональное распределение амплитуды тока молнии, полученное по результатам полевых исследований с помощью магнитных регистраторов на ВЛ 220 кВ "Кемь - Костомукша" [3], описываемое логарифмически нормальным законом с параметрами:
о = 0.39; 1 = 13.5 кА.
В качестве фактической грозовой деятельности принято усредненное по всем ГМС условное среднее по годам значение Ытч, = 6.7 грозовых часов. В табл.10 приведены результаты расчета грозоупорности ВЛ и выполнено сравнение расчетных и эксплуатационных показателей. Для двухцепных ВЛ приведены числа грозовых отключений на одну цепь: числитель - без учета, знаменатель с учетом отключений, произошедших после перекрытия изоляции соседней цепи.
Таблица 10
Сравнение расчетных и эксплуатационных показателей грозоупорности ВЛ 150 кВ СЭС ОАО "МРСК Северо-Запада" "Колэнерго" (на 100 км)
Тросовая защита Конструкция ВЛ пг. расчет при Яз, Ом пг. эксп п г. расчет пг. эксп при Яз, Ом
60 100 60 100
Без троса Двухцепная 1.70 1.76 0.78 2.18 2.25
(рис.2а) 2.57 2.86 1.06 2.42 2.7
Одноцепная (рис.2б) 3.55 3.60 1.2 2.96 3.0
С тросом Одноцепная (рис.2в) 1 .86 2.66 0.52 3.58 5.1
По результатам расчетов можно отметить следующее:
• при значениях сопротивлений опор более Я з = 60 Ом число грозовых отключений ВЛ без троса практически не зависит от сопротивления заземления;
• по-видимому, Я з опор ВЛ на одноцепных опорах с тросом в среднем менее или близко к значению 60 Ом, поскольку расхождение расчетных и эксплуатационных значений пг для одноцепных ВЛ с тросом и без троса близки (3.0-3.6 раза);
• по всем рассчитанным вариантам, с учетом экспертной оценки среднего значения Яз опор ВЛ с тросом, расхождение расчетных и обобщенных эксплуатационных показателей грозоупорности составляет от 2.2 до 3.6 раза.
Последний факт ставит вопрос о необходимости корректировки методики расчета применительно к местным условиям. Причиной расхождения может быть некорректный расчет поражаемости ВЛ разрядами молнии, выполняемый по линейной зависимости плотности разрядов молнии от продолжительности гроз в часах. По неопубликованным данным бывшего сотрудника Главной геофизической обсерватории им. А.И.Воейкова в Санкт-
Петербурге (Т.В.Лободина), эта зависимость имеет нелинейный характер с максимумом в зоне 50 грозовых часов (рис.3), поэтому расчет по рекомендациям [2] может давать завышенную расчетную грозопоражаемость ВЛ в условиях небольшой продолжительности гроз.
а)
б)
в)
Номер ВЛ Л-153/Л-154 Тип ПБМ
опоры Изоляция
lразр, м
Провод Длина пролета, м Трос
9 х ПМ-4.5 (Низ = 0.140 м)
1.26
АС-185, 0 18.8 мм АСУ-185, 0 19.6 мм 275 270
Л-177
П-18
12 х ПС 6 (НИз = 0.12 м)
1.44
Л-226
ПС220-7
12 х ПС70-Д (Низ = 0.127 м)
1,514
АС-300/39, 0 24.0 мм 370
ТК-70, 0 11.0
мм
Рис. 2. Исходные данные для расчета грозоупорности ВЛ 150 кВ: а - Л-153/Л-154; б - Л-177, в -Л-226
Рис.3. Характер зависимости плотности разрядов молнии на 1 км2 земной поверхности за 1 ч от продолжительности гроз в часах
Это подтверждают результаты пеленгации разрядов молнии на территории Финляндии, рис.4 [4].
1
Рис.4. Распределение разрядов молнии на территории Финляндии по регистрациям 1998-1999 гг. (по ячейкам площадью 100 км2)
Плотность разрядов, молнии на землю на севере Финляндии, граничащей с территорией СЭС ОАО "Колэнерго", не превышает 0.1 удара на 1 км2, в то время как по зависимости, рекомендуемой в руководстве [2]:
Таким образом, при расчете грозоупорности ВЛ СЭС ОАО "МРСК Северо-Запада" "Колэнерго" и, вероятно, в других северных регионах
необходимо уменьшать расчетное число ударов, поражающих ВЛ, по крайней мере, в 2.5-3.0 раза.
Компоновка цепей на опоре и грозоупорность. Расположение цепей на многоцепных опорах и их фазировка влияют на показатели грозоупорности отдельных цепей. В табл.11 это показано на примере расположения цепей на двухцепной опоре без троса: традиционным способом (по разные стороны от оси опоры с двумя различными фазировками: симметричной - вариант 1 и несимметричной - вариант 2 и двумя треугольниками [5] - варианты 3 и 4. Расчеты удельного числа грозовых отключений выполнены для Лз = 60 Ом и значения ^гч = 6.7 грозовых часов, но линейный коэффициент в формуле (2) в соответствии с результатами сравнения эксплуатационных и расчетных показателей грозоупорности для двухцепной ВЛ 150 кВ без троса (см. табл.10) уменьшен в 2.5 раза.
р0 = 0.05 ^гч = 0.05 х 6.7 = 0.34 на 1 км2.
(2)
Таблица 11
Показатели грозоупорности двухцепной ВЛ 150 кВ при различных вариантах расположения цепей на опоре (на 100 км)
Вариант расчета
Число грозовых отключений
в опору
первичные по цепям
вторичные по цепям
от ударов молнии
в провод
первичные по цепям
вторичные по цепям
в опору и провод
первичные по цепям
вторичные по цепям
всего по цепям первичных и вторичных
№
Расположение
фаз
А, В, С
4’, В’, С
А, В, С
4’, В’, С
А, В, С
4’, В’, С
А, В, С
4’, В’, С
А, В, С
4’, В’, С
А, В, С
4’, В’, С
А, В, С
4’, В’, С
Все фазы -1.26 м
Все фазы -1.26 м
4. В. С -1.26 м 4’. В’. С’-1.5 м
0.29 0.29 0.22 0.22 0.38 0.38 0.12 0.12 0.67 0.67 0.34 0.34 1.01 1.01
0.27 0.27 0.23 0.23 0.38 0.38 0.11 0.11 0.65 0.65 0.34 0.34 0.99 0.99
Все фазы - 0.48 0.06 0.04 0.30 0.76 0 0 0.19 1.24 0.06 0.04 0.49 1.28 0.55
1.26 м
0.54 0
0 0.13 0.76
0 0.06 1.30
0 0.19 1.30 0.19
1
2
3
4
0
0
Варианты с симметричной и несимметричной фазировкой с расположением цепей по разные стороны от оси опоры практически равноценны по показателям грозоупорности. Но при этом вариант 2 обладает лучшей симметрией электрических параметров шестифазной системы проводов, что способствует уменьшению потерь в линии, а также позволяет уменьшить шаг транспозиции или вообще отказаться от нее.
При расположении фаз в виде двух треугольников (вариант 3) преимущества варианта 2 сохраняются, но принципиально изменяются показатели грозоупорности цепей. Подвеска двух фаз одной цепи на верхней траверсе приводит к тому, что отключения от ударов молнии в провода будут принадлежать исключительно верхней цепи, а от обратных перекрытий от ударов в опору преимущественно также верхней цепи. Грозовые отключения нижней цепи будут в основном вторичными после перекрытия изоляции верхней цепи от ударов в опору и провод. Доля вторичных перекрытий верхней цепи после перекрытия изоляции нижней цепи незначительна. Такие случаи возможны только при ударах молнии в опору при одинаковой импульсной прочности изоляции всех фаз (вариант 3). В варианте 3 по сравнению с вариантами симметричной от оси опоры подвески цепей число грозовых отключений верхней цепи увеличивается на 30%, а нижней - уменьшается почти в 2 раза. При усилении изоляции нижней цепи, например на 20% (на 2 изолятора), число ее грозовых отключений уменьшается еще в 2.5 раза (вариант 4). Поскольку грозовые отключения нижней цепи возможны только после перекрытия изоляции верхней цепи, т.е. как вторичные, число двухцепных грозовых отключений в варианте 4 по сравнению с вариантами 1 и 2 уменьшается в 5 раз. Эффективность использования подвески цепей двумя треугольниками увеличивается при уменьшении сопротивления заземления опор.
Выводы
1. Эксплуатационные показатели грозоупорности ВЛ 110-150 кВ Северных электросетей ОАО "МРСК Северо-Запада" "Колэнерго", выполненные в соответствии с рекомендациями ПУЭ для районов с низкой интенсивностью грозовой деятельности и высокими электрическими сопротивлениями грунтов на большей части трасс без троса, вследствие небольшой продолжительности гроз и меньшей плотности разрядов молнии на землю за 1 грозовой час, находятся на уровне средних эксплуатационных показателей грозоупорности, полученных на ВЛ с тросом и без троса в энергосистемах РФ.
2. Сооружение протяженных (50 км и более) двухцепных ВЛ без троса в районах с высокими электрическими сопротивлениями грунта даже при низкой грозовой деятельности из-за большой доли двухцепных грозовых отключений не рекомендуется.
Число грозовых отключений одной из цепей действующих двухцепных ВЛ без троса, проходящих по грунтам высокого электрического сопротивления, может быть уменьшено при использовании специального расположения цепей на опоре - двумя треугольниками (две фазы одной из цепей подвешиваются на верхней траверсе, третья - на средней) и усилением изоляции на 20% и более другой цепи, две фазы которой подвешены на нижней, а третья - на средней траверсе. При этом фазировка цепей должна обеспечивать наилучшую симметрию электрических параметров шестифазной системы проводов.
Литература
1. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Серия 3. Многолетние данные. Ч. 1-6. Вып. 2. Мурманская область. Л.: Гидрометеоиздат, 1988.
2. Руководство по защите электрических сетей 6-1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений. РД 153-34.3-35.129-99. СПб.: Изд-во ПЭИПК, 1999.
3. Опыт эксплуатации ВЛ 110 кВ и выше в районах с грунтами высокого электрического сопротивления / А.Н.Новикова, Л.И.Галкова, О.В.Шмараго,
В.А.Мезгин, Ю.А.Маркин, И.А.Давыдов // Материалы IV Междунар. электротехнического семинара "Современное состояние вопросов эксплуатации, проектирования и строительства ВЛ (МЭС 4). М., 2008.
4. Tapio J. Tuomi. Lightning observations in Finland. Helsinki: Finnish
Meteorological Institute, 1999.
5. А.с. СССР № 317344. Способ расположения проводов / А.Н.Новикова: заявл. 05.04.70.
Сведения об авторах
Новикова Александра Николаевна,
зав. сектором защиты от перенапряжений отдела ТВН "Научно-исследовательского института по передаче электроэнергии постоянным током высокого напряжения" ОАО «НИИПТ» Россия, 194223, Санкт-Петербург, ул. Курчатова, 1 литера А Тел. (812) 555-44-28, факс (812) 555-49-31; эл. почта: novikova_a@niipt.ru
Шмараго Оксана Владимировна,
научный сотрудник отдела ТВН "Научно-исследовательского института по передаче электроэнергии постоянным током высокого напряжения" ОАО «НИИПТ»
Россия, 194223, Санкт-Петербург, ул. Курчатова, 1 литера А
Тел. (812) 555-49-64, факс (812) 555-49-31; эл. почта: shmarago@yandex.ru
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
Данилин Аркадий Николаевич,
заведующий лабораторией 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: danilin@ien.kolasc.net.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
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
