CC BY
29
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21 А, эл. почта: karpov@admksc.apatity.ru
Климов Андрей Александрович
инженер лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера — филиала Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра «Кольский научный центр Российской академии наук»
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 47 А эл. почта: klimov@ien.kolasc.net.ru
DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2019.5.125-132 УДК 621.311
О. В. Залесова
ВЫБОР НЕЛИНЕЙНЫХ ОГРАНИЧИТЕЛЕЙ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ
Аннотация
Рассматриваются вопросы защиты изоляции оборудования распределительных устройств от грозовых и коммутационных перенапряжений. Выполнен обзор мест установки и способов исполнения нелинейных ограничителей напряжения. Приведен пример выбора защитных аппаратов для энергосистемы 330 кВ. Ключевые слова:
ограничитель перенапряжения, воздушная линия электропередачи, каскадная схема, максимально допустимое рабочее напряжение.
O. V. Zalesova
THE SELECTION OF HIGH-VOLTAGE SURGE ARRESTERS
Abstract
The paper considers the questions of the insulation protection of switchgear equipment from lightning and switching overvoltages. The view of the installation places and mounting mode of nonlinear overvoltage suppressors was performed. An example of the selection of protective devices for 330 kV power system is given. Keywords:
high-voltage surge arrester, overhead power line, stage circuit, admissible maximum operating voltage.
Введение
Грозовые перенапряжения представляют реальную опасность для оборудования сетей практически всех классов номинального напряжения. В качестве защиты изоляции оборудования распределительных устройств (РУ) от грозовых и коммутационных перенапряжений выполняются следующие меры [1]: 1) применение тросового подхода воздушных линий (ВЛ) к РУ, на которых приняты меры по снижению числа грозовых волн с опасными параметрами, возникающих на изоляции ВЛ вследствие ударов молнии; 2) установка в выбранные места защитных аппаратов (ЗА) — нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН) с необходимыми характеристиками.
Выбор мест установки ОПН
В стандарте организации ПАО «ФСК ЕЭС» СТО 56947007-29.240.01.2212016 «Руководство по защите электрических сетей напряжением 110-750 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений» [2] указаны места установки ОПН в открытых распределительных устройствах (ОРУ) и на подстанциях (ПС): 1) на трансформаторе, автотрансформаторе или шунтирующем реакторе — для защиты от коммутационных перенапряжений при их включении или отключении и от грозовых перенапряжений; 2) на шинах ОРУ для защиты электрооборудования от набегающих с ВЛ грозовых перенапряжений.
В работе [2] также отмечают, что ОПН может быть установлен на ВЛ за линейным выключателем для защиты электрооборудования, подключаемого к ВЛ за линейным выключателем, от коммутационных перенапряжений и набегающих с ВЛ волн грозовых перенапряжений.
Эффективной защитой изоляции оборудования от грозовых перенапряжений в мировой практике считается каскадная схема расстановки ограничителей перенапряжений (рис. 1) [3, 4]. В отличие от типовой схемы в данном случае ОПН размещаются у выводов каждого силового трансформатора (на схеме Т) и на входе в РУ каждой присоединенной ВЛ, вблизи от линейного измерительного трансформатора напряжения (на схеме ТН).
Рис. 1. Каскадная схема грозозащиты оборудования РУ Fig. 1. Cascade circuit of equipment lightning protection
Каскадная схема позволяет существенно повысить защищенность оборудования от грозовых (и коммутационных) перенапряжений, поскольку все оборудование находится по ходу набегающей с ВЛ волны после защитных аппаратов, т. е. грозовые перенапряжения на оборудовании РУ определяются защитными характеристиками ЗА, обеспечивающими глубокое ограничение перенапряжений. Кроме того, в такой схеме расстояния Ь от оборудования до защитных аппаратов снижены, а, как известно, чем выше расстояние Ь от ЗА до защищаемого оборудования и чем меньше длительность фронта Тф набегающих грозовых волн, тем значительнее напряжение на оборудовании может превосходить напряжение на ЗА (тем более что наибольшим перенапряжениям подвергается не только оборудование, которое по ходу набегающей с ВЛ грозовой волны расположено до ЗА, но и наиболее удаленное от ЗА оборудование) [4]. Более того, если в каком-либо режиме одна из ВЛ отсоединена от РУ при помощи соответствующего выключателя или линейного
разъединителя, но при этом не заземлена (ВЛ может быть также отключена именно вследствие грозовой активности), то при возникновении грозовых перенапряжений, в случае когда на входе ВЛ в РУ не был установлен ОПН, совершенно незащищенным окажется присоединенное к линии оборудование РУ (трансформаторы напряжения и тока, разомкнутый выключатель).
Каскадная схема считается наиболее эффективной при выполнении условия ¡3 + 12> 11, поскольку только в этом случае возможно обеспечить очередное, а не одновременное срабатывание обоих показанных на рис. 1 защитных аппаратов [4]. Таким образом, защита трансформатора напряжения (рис. 1) достигается за счет того, что он расположен после ЗА и близко к нему.
В работах [1, 4] согласно расчетам грозовых перенапряжений и опыту эксплуатации в каскадной схеме вероятность повреждения изоляции оборудования РУ при грозовых перенапряжениях на порядок меньше, чем в типовой схеме без дополнительных ЗА на входе РУ. Учитывая высокие показатели защищенности оборудования при каскадной расстановке ОПН, автор работ [1, 4] считает, что определение максимально допустимых расстояний между оборудованием и ЗА уже не является актуальным.
В каскадной схеме ОПН1 устанавливается на земле рядом с трансформатором. Для ОПН2 возможно как обычное исполнение на земле, на территории РУ, по аналогии с ОПН1, так и подвесное исполнение на ближайшей к РУ опоре ВЛ (рис. 2) [1]. Последнее может быть выполнено с внешним искровым промежутком, когда ОПН жестко крепится к опоре (рис. 2, а), и без внешнего искрового промежутка, в этом случае ОПН подвешивается на фазный провод за верхний фланец (рис. 2, б).
Рис. 2. Эскиз размещения ОПН на входной опоре ВЛ: а — жесткое крепление на траверсу; б — подвес на фазный провод
Fig. 2. Sketch of mounting the surge arresters on the first pole of overhead line: a — rigid fastening on a cross-arm; б — stringing of a phase conductor traverse
Оба варианта исполнения подвесного ОПН к фазным проводам имеют свои преимущества и недостатки. К основным преимуществам первого варианта присоединения (рис. 2, а) можно отнести отсутствие постоянно протекающего
тока в нормальном эксплуатационном режиме. Недостатком этого типа защиты является достаточно сложная координация пробивных напряжений открытых искровых промежутков с разрядными напряжениями защищаемой линейной изоляции. При выборе способа присоединения аппарата к проводу (рис. 2, б) прежде всего должны учитываться такие внешние факторы, как загрязнения изоляторов и ОПН, возможность длительного воздействия повышенного напряжения промышленной частоты и др. [5].
Наиболее удобным считается подвесное исполнение ОПН2 на опоре ВЛ (рис. 3), так как он не занимает места на земле, не требует фундамента или подставки. Чем больше расстояние между ОПН1 и ОПН2, тем эффективней каскадная схема защиты трансформаторов. Расчеты, выполненные в программе EMTP, показывают, что идеальным с точки зрения защиты (авто)трансформатора, было бы размещение комплекта ОПН на второй опоре от ОРУ. Однако для другого оборудования, например линейного трансформатора напряжения, этот вариант защиты является нежелательным, поскольку увеличивается расстояние между ЗА и ТН, тем более есть вероятность того, что молния может ударить между первой и второй опорами [1].
1>
Рис 3. Установка ОПН на первой опоре Fig. 3. Installation of surge arresters on the first pylon
В настоящее время в нашей стране на каждый класс номинального напряжения сети существует так называемый типовой ОПН с определенным значением наибольшего рабочего напряжения ОПН (%ро), поэтому влияние на защищенность изоляции оборудования РУ оказывает не выбор характеристик ОПН, а количество и выбор мест установки ОПН, что подтверждено теоретическими исследованиями [2, 3].
Выбор параметров ОПН
К основным параметрам ограничителя относятся: наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение, номинальное напряжение, класс энергоемкости, уровни остающегося напряжения при коммутационном и грозовом импульсах, величина тока срабатывания противовзрывного устройства, длина пути тока утечки внешней изоляции [6].
В качестве примера рассмотрим выбор ограничителей в сетях 330 кВ.
1. Выбор наибольшего длительно допустимого рабочего напряжения
ОПН.
Наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение ОПН (Цр) должно быть не ниже наибольшего рабочего фазного напряжения сети, нормируемого ГОСТ 721.
Во всех случаях для повышения надежности выбирают ограничители с наибольшим длительно допустимым рабочим напряжением (Цро) не менее чем на 2-5 % выше наибольшего уровня напряжения сети в точке установки ОПН (Цнс). При устойчивом существовании в нормальных режимах работы в месте установки ОПН высших гармоник Цр выбирают на 10 % выше наибольшего рабочего напряжения сети.
Наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение ОПН не должно превышать допустимое повышение напряжения защищаемого оборудования при длительности 20 мин (ГОСТ 1516.3).
По этим требованиям для сетей 330 кВ наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение ОПН инр = 1,1 • ином / V3 = 210 кВ.
2. Номинальное напряжение ОПН — действующее значение напряжения промышленной частоты, которое ограничитель может выдерживать в течение 10 с в процессе рабочих испытаний. Номинальное напряжение должно быть не менее 1,25 наибольшего длительно допустимого рабочего напряжения [7].
В случае установки ЗА на ПС 330 кВ номинальное напряжение ОПН должно быть не менее Цом = 243 кВ.
3. Номинальный разрядный ток (7Н) в соответствии с рекомендациями ГОСТ Р 53735.5 и МЭК 60099-5 следует принимать не менее 20 кА для класса напряжения 330 кВ [2].
4. Энергоемкость ОПН.
Практическим критерием оценки энергоемкости ОПН является его способность пропускать нормируемые импульсы тока коммутационного перенапряжения без потери рабочих качеств.
Известно, что номинальному разрядному току 20 кА соответствуют 4-й и 5-й классы энергоемкости (табл. 1). Следует отметить, что с увеличением класса энергоемкости стоимость ОПН возрастает. При отсутствии специальных указаний по выбору класса энергоемкости выбирают наиболее экономичный и проводят его проверку на соответствие условиям эксплуатации [6].
Таблица 1
Классы энергоемкости ОПН
Table 1
Energy intensity classes of surge arresters
Удельная энергоемкость U ъ кДж/кВ
До 2,0 2,5-3,0 4,0-4,5 7,0 10,0
Амплитуда прямоугольного тока длительностью 2000 мкс, А1
250-300 450-600 900-1000 1200-1350 1800-1900
Класс разряда линии
1 2 3 4 5
Выбор параметров ОПН, устанавливаемых на входе РУ, подробно описан в работе [1] и сводится к определению наибольшего рабочего напряжения £/нро, а также удельной энергоемкости WyA с последующей проверкой прочих характеристик (остающихся напряжений и др.) выбранного типа ЗА конкретным условиям эксплуатации. Наибольшее рабочее напряжение ОПН, устанавливаемых на входе ВЛ 35-750 кВ в РУ, выбирается таким же, как и для ОПН в РУ. В работе [1] отмечается, что конкретное значение энергоемкости ОПН для ВЛ 35-750 кВ зависит от наличия грозотроса. Если на линии предусмотрена тросовая защита, то энергоемкость ОПН, устанавливаемого на ВЛ 35-750 кВ, может быть принята такой же, как и для ОПН в РУ.
На распределительном устройстве ПС перед (авто)трансформаторами рекомендуется устанавливать ОПН в фарфоровом корпусе, на ВЛ — полимерные ОПН. В таблицах 2 и 3 для первого и второго вариантов соответственно представлены расчетные характеристики и соответствующие им модели ЗА разных фирм.
Таблица 2
ОПН в фарфоровом корпусе
Table 2
Surge arresters in porcelain cover
Фактические параметры Рекомендуемые параметры
АО «Завод энергозащитных устройств» АО «НИИ «ЗАИ» 0ПН-330/210/20/1500 УХЛ1
Класс напряжения сети, кВ
330 330 330
Номинальное напряжение ОПН, кВ, не менее
243 288 262
Наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение (Цф) кВ действ., не менее
194 210 210
Номинальный разрядный ток 8/20 мкс, кА
20 20 20
Ток пропускной способности на прямоугольном импульсе длительностью 2000 мкс, А, не менее
1200 1200/1500 1500
Класс энергоемкости, не менее
4 4 4
Удельная рассеиваемая энергия, кДж/кВ, не менее
4,6 13,6/16,2 (по двум импульсам) 7,7
Таблица 3
Полимерные ОПН
Table 3
Polymer surge arresters
Рекомендуемые па раметры
Фактические параметры ООО «Форэнерго- ЗАО «ПОЛИМЕР- ЗАО «ЗЭТО» ЗАО «ЗЭТО»
волга» ОПНп-330/1200/230- АППАРАТ» ОПНп-330/1450/230- ОПН-П1(2)-330/230/20/4 ОПН-П1(2)-330/230/20/5
20-Ш-УХЛ1 20-IV УХЛ1 УХЛ1 УХЛ1
Класс напряжения сети, кВ
330 330 330 330 330
Номинальное напряжение ОПН, кВ не менее
243 302 288 288 288
Наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение (Цщ), кВ действ., не менее
194 230 230 230 230
Номинальный разрядный ток 8/20 мкс, кА
20 20 20 20 20
Ток пропускной способности на прямоугольном импульсе длительностью 2000 мкс, А
1200 1200 1450 1200 1500
Класс энергоемкости, не менее
4 4 4 4 4
Удельная рассеиваемая энергия, кДж/кВ, не менее
4,6 6,82 7,75 6,35 7,67
Заключение
Использование ОПН является неотъемлемым пунктом в комплексе мероприятий, обеспечивающих надежную эксплуатацию изоляции электрооборудования в сетях различного класса напряжения. В нашей стране для каждого класса номинального напряжения сети существует типовой ОПН с определенным значением наибольшего рабочего напряжения, поэтому особое внимание следует уделять выбору мест установки ОПН. Кроме того, в настоящее время существуют доступные программные комплексы (например, АТР-ЕМТР), позволяющие проводить полное моделирование как сети в целом, так и ЗА.
Литература
1. Дмитриев М. В. Грозовые перенапряжения на оборудовании РУ 35-750 кВ и защита от них. СПб.: ЗАО «Завод энергозащитных устройств», 2008. 61 с.
2. СТО 56947007-29.240.01.221-2016. Руководство по защите электрических сетей напряжением 110-750 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений. Введ. 2016-05-16. М.: ПАО «ФСК ЕЭС», 2016. 46 с.
3. Гумерова Н. И., Косоруков А. В., Ефимов Б. В. Защищенные подходы к РУ // Новости электротехники. 2014. № 2 (86).
4. Дмитриев М. В. Грозовые перенапряжения на оборудовании РУ 35-750 кВ и защита от них. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2009. 64 с.
5. Кадомская К. П. Нелинейные ограничители перенапряжений. Критерии выбора для разных условий эксплуатации // Новости электротехники. 2004. № 1 (25). С. 44-47.
6. Методические указания по применению ограничителей в электрических сетях 110-750 кВ / РАО «ЕЭС РОССИИ». М., 2000.
7. ГОСТ Р 52725-2007. Ограничители перенапряжений нелинейные для электроустановок переменного тока напряжением от 3 до 750 кВ. Общие технические условия. Введ. 2008-01-01. М.: Стандартинформ, 2007. 31 с.
Сведения об авторе
Залесова Ольга Валерьевна
научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера — филиала Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра «Кольский научный центр Российской академии наук»
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21 А эл. почта: Drozdova_nord@mail.ru
DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2019.5.132-138 УДК 622.01
А. С. Потокин, Н. Н. Кузнецов, А. В. Земцовский
ОБЗОР МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ АКУСТИЧЕСКОЙ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭМИССИИ В МАССИВАХ ГОРНЫХ ПОРОД
Аннотация
Представлен обзор работ в области исследований акустической и электромагнитной эмиссии, параметры которой позволяют оценить состояние массива горных пород и осуществлять прогноз проявлений горного давления в динамической форме. В результате анализа были установлены основные преимущества и недостатки существующих методик и отмечены перспективные направления их развития. Ключевые слова:
акустическая эмиссия, электромагнитная эмиссия, удароопасность, месторождение полезных ископаемых, массив горных пород.
A. S. Potokin, N. N. Kuznetcov, A. V. Zemtsovskii
THE REVIEW OF THE METHODS OF MEASURING THE ACOUSTIC AND ELECTROMAGNETIC EMISSION PARAMETERS IN ROCK MASSES
Abstract
The paper presents the review of the works in the field of researches of acoustic and electromagnetic emission which parameters allow to estimate rock mass condition and carry out the prediction of rock pressure occurrences in the dynamic form. The main advantages and disadvantages of the existing methods were established and the promising directions of their development were noted.
Keywords:
acoustic emission, electromagnetic emission, rockburst hazard, mineral deposit, rock mass.
При разработке месторождений полезных ископаемых и подземном строительстве в сложных горно-геологических условиях, когда работы ведутся на
