CC BY
86
УДК 621.331 : 621.311
е. Д. KIM (У1ПА, Слов'янськ), В. Г. СИЧЕНКО (ДИТ)
ЗАХИСТ В1Д ПЕРЕНАПРУГ ЕЛЕКТРОТЯГОВИХ МЕРЕЖ ПОСТ1ЙНОГО СТРУМУ: МЕТОДОЛОГ1Я ВИБОРУ ОПН
В CTarri розглядаеться методология вибору обмежувач1в перенапруг для тягово! мереж! постшного струму.
Ключовi слова: контактна мережа, перенапруга, обмежувач перенапруг
В статье рассмотрена методология выбора ограничителей перенапряжений для тяговой сети постоянного
Ключевые слова: контактная сеть, перенапряжение, ограничитель перенапряжений
The article is dealt with the selecting methodology of overvoltage arresters for DC traction line. Keywords: contact line, overvoltage, overvoltage arrester
ЗАГАЛЬШ ПОЛОЖЕНИЯ
Пщтримка нормального функцюнування тягово! мереж! в умовах негативних вплив1в е за-порукою забезпечення безперебшного перев1з-ного процесу. Одним з негативних фактор1в, що впливае на працездатнють електрифшовано! д1лянки, е перенапруги, що виникають в результат! атмосферних явищ та комутацшних процеав. Згщно з анал1зом роботи господарст-ва електрифшацп та електропостачання Укрза-л!знищ, за останш роки вилив цих явищ у ви-гляд1 пробо!в та перекриття ¿золятор1в складае вщ 5 до 17 % у загальнш кшькост! порушень нормально! роботи !золятор!в контактно! мереж! (КМ) постшного струму. Найб!льш важкими иошкодженнями е перекриття з наступним руйнуванням вр!зних та !золятор!в анкеровок, що призводить до значних затримок руху по-!зд!в.
Тииовими причинами комутац!йних перенапруг е планов! й аваршш в!дключення ! включения лшш, трансформатор!в та !нших елемен-т!в мереж!, а також розмикання ушкоджених фаз. До комутац!йних перенапруг можна вщне-сти високовольтн! коливання в ланцюз! при природному гас!нн! дуги, що виникае при пере-критп зовн!шньо! !золяц!! або !скрових пром> жк!в. Тривал!сть перенапруг визначаеться швидкод!ею релейного захисту або оперативш-стю обслуговуючого персоналу. Незначне, але довготривале стац!онарне перевищення напру-ги над робочою може п!дтримуватися за техно-лог!чно! необх!дност!, за необх!дност! передач! понаднормовано! потужност!, для забезпечення необхщного р!вня напруги у в!ддалених точках мереж! при неномшальних навантаженнях.
Найбшьший р!вень внутр!шн!х перенапруг звичайно перебувае в межах 2,5...3,5-кратно! величини найбшьшо! робочо! напруги. Трива-л!сть таких перенапруг може досягати 0,05^0,1 с ! б!льше. Р!вн! !золяц!! контактно! мереж! значно вище величин комутацшних перенапруг, тому останн! не можуть викликати в!дмови роботи лшп. Однак через велику три-валють !хнього !снування комутац!йн! перенапруги е серйозною загрозою для !золяцп п!дстан-ц!йного електроустаткування, електричних апара^в ! електричних машин рухомого склаДУ [1].
Перекриття !золяц!! в контактнш мереж!, як! спричиняють !! в!дключення, викликають атмо-сферн! перенапруги. Джерелом атмосферних перенапруг е розряди блискавки в елементи мереж!: прям! удари блискавки в мережу, !! опори або поблизу !х, за яких у мереж! виникають шдуковаш перенапруги. Струми блискавки мають малу тривал!сть (1^100 мкс), але !хня ампл!туда може досягати ! нав!ть перевищувати 100 кА. Частота струм!в блискавки з р!зною ампттудою ! крут!стю представлена в табл. 1 ! 2.
Число атмосферних перенапруг визначаеться грозовою актившстю в розглядуваному рег!-он!, тобто к!льк!стю грозових годин або гро-зових дн!в Т, протягом року або загальною р!ч-ною тривал!стю гроз у годинах. Ц! параметри сп!вв!дносяться як:
г = 0,72Т1,3. (1)
Для оцшки к!лькост! прямих удар!в блискавки у контакту мережу запропоновано два близьк! у сво!й основ! стввщношення:
© К1м е. Д., Сиченко В. Г., 2011
Розподш ампл1туди струм!в блискавки
/б, кА 10 20 30 40 50 60 80 120 150 180 200
1мов1ршсть 0,95 0,7 0,5 0,35 0,25 0,18 0,09 0,028 0,015 0,008 0,005
Таблиця 2
Розподш крутосл фронту струму блискавки
К^, кА/мкс 9,0 15 25 40 65
1мов1ршсть 0,95 0,75 0,50 0,20 0,05
^пуб = пЬ1Т; Кпуб = (4 6) ИИ х 10"
(2) (3)
ступними ствв1дношеннями:
N =
-"мид
де: п - середне число розряд1в блискавки в землю на 1км2 И поверхш, вщнесене до одного грозового дня, для Т = 20 1 I = 100 км приймаеться п = 0,07...0,09;
Ь = (8.10)И - розрахункова ширина смуги земл1 шд контактною мережею, м;
И - середня висота шдвюки провод1в, при-йнята р1вною 7,5 м;
I - довжина мереж1, км.
В Украш середне число грозових годин протягом року становить 60.80. У Луганськш, Харювськш областях, швшчнш частиш Доне-цько1, схщнш частиш Дшпропетровсько! облает! ця величина дор1внюе 80.100 годин, в 1ва-но-Франювськш 1 Кшвськш областях кшьюсть грозових годин у рощ найбшьша 1 може пере-вищувати 100 годин у р1к. У Льв1вськш, Хме-льницькш 1 Вшницькш областях число грозових годин досягае також 80. 100 одиниць.
На графшах рис. 1 наведено число прогно-зованих ирямих удар1в блискавки в елементи контактно! мереж1 залежно вщ штенсивносп гроз, характерно! для територп Украши.
Приблизне число шдукованих иеренапруг в р1к, Днд , на 100 км лшп можна одержати за на-
562£0 И
и
ехр
N = 9,3 6(И
и
360к,
ехр
и
V 260 у
(4)
(5)
де: к0 = 0,4.1 - коефщ1ент, що залежить вщ швидкост1 зворотного розряду блискавки; и, - ампттуда ¿ндуковано! напруги, кВ; Граф1чне представления прогнозованого числа ¿ндукованих при грозах перенапруг з р1з-ною амплпудою наведено на рис. 2.
3 огляду на статистичний розкид штенсив-носп грозово! д1яльност1 можна говорити про пор1вняншсть прогнозовано! кшькост! атмос-ферних перенапруг у контактнш мереж!, обчи-слено! за р1зними формулами. Слщ зазначити, що в контактнш мереж! число ¿ндукованих перенапруг ютотно бшьше, шж кшьюсть прямих удар1в блискавки для малих Ц- < 35 кВ. Остан-ня обставина мае ютотне значения для мереж! постшного струму.
У табл. 3 видшено кшьюсть шдукованих перенапруг для ампл1туд напруг, що представля-ють практичний штерес. Там же наведено кшьюсть можливих прямих удар1в блискавки.
Таблиця 3
Питоме число розрахункових грозових перенапруг у контактнш мереж!.
Амплпуда и-„ кВ Формули (2) 1 (4) Формули (3) \ (5)
1нтенсившсть грозово! д1яльносл, гр. год
35,4 (20 гр. дшв) 35,4 60 80 100
Прямий удар блискавки 15,4.34,4 16,8 28,5 38 47,5
240 4,6.11 5,2 8,8 12 15
100 16.40 21 36 48 61
75 23.58 31 53 71 89
35 55.138 79 133 178 222
20 101.253 146 247 329 412
10 208.519 303 513 684 856
Рис. 1. Число прямих удар1в блискавки в рощ на 100 км лшп залежно в1д штенсивносп грозово! д1яльност1,
що вщповвдае формулам: 1 - (2); 2 - (3)
Рис. 2. Питоме число шдукованих перенапруг з р1зною амплпудою залежно ввд шгенсивносп гроз,
за формулами: 1 - (4); 2 - (5)
1мпульсна мщшсть ¿золяцй в контактнш мереж! постшного струму перебувае на р1вш 100 кВ, у мереж1 змшного струму - 210...240 кВ. Тому при прямих ударах блискавки уникнути перекриття ¿золятор1в практично не вдаеться. Очевидно, що в мережах постшного струму перекриття ¿золятор1в вщбуваються значно час-тше внаслщок впливу ¿ндукованих перенапруг (див. табл. 3). Пщвищення грозостшкосп за рахунок використання грозозахисних трос1в або частого встановлення блискавковщвод1в уздовж лшп в контактних мережах не застосо-вуеться через економ1чну недоцшьшсть. Таю заходи передбачеш на тягових шдстанщях 1 на шдходах до них, а на лшях вважаеться виправ-даним забезпечення системою автоматичного
повторного включения (АПВ) мереж1 теля перекриття ¿золяцп.
У мереж1 постшного струму, у якш кшьюсть перекритпв вщ грозових вплив1в ютотно вища, напруга уставки рогових розрядниюв складае близько 35 кВ, тобто нижче ¿мпульсно! мщнос-т1 ¿золятор1в, тому вони захищають ¿золятори вщ перекриття 1 наступних теплових вплив1в силових дуг. Вщповщно, система АПВ налаш-товуеться з урахуванням роботи захисних пристрой на лшп. Зпдно вимог [2], для захисту КМ вщ перенапруг повинш застосовуватись рогов1 розрядники 1 обмежувач1 перенапруг (ОПН), яю встановлюються:
• бшя анкеровок провод1в контактно! мережу
• на не1золюючих спряжениях 1 нормально замкнутих ¿золюючих спряжениях - на однш в1тщ спряжения, а на ¿золюючих нормально роз1мкнутих спряжениях - на обох в1тках спряжения, що анкеруються;
• бшя штучних споруд на анкеровках контактно! мереж1 з двох сторш споруди, при до-вжиш 80 м 1 бшьше та з одше! сторони споруди при довжиш менше 80 м;
• на живлячих лш1ях бшя мюць приеднання до контактно! мереж1 або до пункпв групуван-ня перемикач1в, а також на вщсташ не бшьше 100 м вщ тягово1 шдстанцп при довжиш цих лшш бшьше 150 м 1 через кожш 1.1,5 км на протяжних лшях.
МЕТА РОБОТИ
Найбшьш д1евим засобом захисту вщ перенапруг на сьогодш е застосування ОПН [3]. В той же час мехашзм здшснення захисних фун-кцш ОПН на сьогодш недостатньо дослщже-ний, що вимагае додаткового анал1зу причин пошкоджень ¿золюючих конструкцш при прямому удар1 блискавки (ПУБ) в КМ [3, 4]. В цьому сенс1 дуже важливим фактором е мето-долопя правильного вибору ОПН, яка розгля-даеться нижче.
КРИТЕР11 ВИБОРУ ПАРАМЕТР1В ОПН
На вщмшу вщ розрядниюв старого типу для ОПН регламентована набагато бшьша кшьюсть характеристик, яю характеризують умови екс-плуатацп 1 функцюнальшсть !хнього призна-чення. До них вщносяться довготривал1 1 коро-ткочасно допустим! напруги, припустим! стру-ми з р1зною тривалютю 1 залишков1 напруги при номшальних грозових струмах 1 струмах ¿з крутим фронтом хвит, при струмах комутацш-них ¿мпульив.
МЕК рекомендуе в маркування розрядника ввести наступи! параметри:
- довгостроково допустиме напруження;
- нормована напруга;
- номшальний розрядний струм;
- нормований витримуваний (допустимий) короткого замикання.
Також слщ зазначати:
- найменування виробника або його товар-ний знак;
- рш виготовлення;
- сершний номер виробу.
Перелш параметр1в, регламентованих МЕК 60099-4 [5] характеристик ОПН, наведено нижче:
Довготривала допустима напруга (дшче значения), U№ кВ Нормована напруга (дшче значения), UHop, кВ Номшальний розрядний струм грозового 1мпульсу з хвилею 8/20мкс, /н, кА
Залишкова напруга при струм1 грозового 1мпульсу, изалг, кВ 500 А
5 000 А
10 000 А
20 000А
Залишкова напруга при номшальному струм1 Í3 крутим фронтом хвил1 1/4мкс, изалкр, кВ
Залишкова напруга при струм1 комутацшного 1мпульсу з хвилею 30/60мкс , Uъñяк, КВ 125
250
500
Тривалий (2000 мкс) струм, А
Пропускна здатшсть (кшьюсть нормованих 1мпульав струму) Питома енергоемшсть, WuaT, кДж/кВ Квал1ф1кацшна напруга (при 2 мА), кВ
Характеристики корпуса ОПН вщповвдно до вимог, встановлених до лшшних i шдстанцшних 1золятор1в, у тому числг
- нормований витримуваний струм короткого замикання;
- нормована мехашчна мщшсть;
- довжина шляху витоку, LBHT, мм
Maca, кг
Bn6ip необхщного обмежувача перенапруг у загальному випадку зводиться до пошуку ком-пром1сного ршення м1ж умовами забезпечення надшно! i довгостроково! роботи самого захис-ного апарату i виконання ним захисних функ-цш при перенапругах.
Д1аграма ¿терацшного вибору иараметр1в характеристик ОПН, що вщповщае рекоменда-ци МЕК 60099-5 [6], наведена на рис. 4.
Bn6ip ОПН здшснюеться встановленням i'x-Hix характеристик у наступит послщовностк
- CmiÜKicmb до довготривалог впливаючо! напруги. Довгостроково припустима робоча напруга, U„ визначаеться величиною робочо! напруги мереж1 i можливим коливанням напруги. Як правило, на практищ за довгостроково допустиму напругу ОПН приймаеться напруга, р1вна або бшьша найбшьшо! робочо! напруги мережа
ид > UH.P . (5)
- CmiÜKicmb до короткочасного переви-щення робочоН напруги. У мереж1 завжди ма-ють мюце короткочасн1 перевищення напруги вище найбшьшо! робочо! напруги. Пщвищена напруга в мережах ¿з заземленою нейтраллю може тривати при замиканш фази на землю вщ частки секунд до 10 с: при заземленш нейтрал! через шдуктившсть - до декшькох годин зале-жно вщ оперативност1 усунення неполадок. Короткочасне шдвищення напруги виникае у випадку выключения навантаженого об'екта, при цьому ампл1туда напруги може досягати залежно вщ тривалосп до 1,5 крат робочо! напруги i нав1ть вище, якщо скидання наванта-ження супроводжувалось резонансними яви-щами. По cyTi, короткочасн1 пщвищення напруги вщносяться до комутацшних перенапруг, яю характеризуються невисоким р1внем i при яких струми через нелшшш елементи ще не перевищують одиниць ампер1в.
Експериментальними дослщженнями вста-новлено [6], що короткочасш перенапруги в мереж1, як функщя вщ 1хньо! тривалост1, в ш-тервал1 вщ 0,1 до 100 с можна апроксимувати наступним виразом:
U,c = UEK х ^ 10 ) , (6)
де Ut c - ампл1туда короткочасно! перенапруги в мереж1;
UEk - ампттуда короткочасно! перенапруги, що вщповщае тривалосп 10 с;
Т - тривалють короткочасно! перенапруги;
т - показник ступеня, що приймаеться р1в-ним 0,02.
Здатшсть ОПН витримувати короткочасш перевищення напруги визначае нормована напруга, инор. Цей параметр повинен задовольня-ти умовк
инор > и,м (Т = 10 с) = иЕк . (7)
У випадку з1 змшною напругою в сшввщ-ношенш (7) шд величиною нормовано! напруги ин0р розум1еться И ампл1тудне значения.
Кр1м вимоги (7), вольт-часов1 характеристики ОПН у вигляд1 залежносп короткочасно ви-тримувано! напруги розрядником, и.р вщ тривалосп впливу, повинш погоджуватися з коро-ткочасними коливаннями напруги в мереж1, що представляють у вигляд1 сшввщношення (8):
и,р > и<м . (8)
На практищ прийнято зютавляти м1ж собою вщносш величини: кратносп короткочасних перенапруг щодо найбшьшо! робочо! (ин.р = ид) або екв1валентно1 напруги иЕк (7), як це показано на рис. 5.
- Номталъний струм. Встановлення нор-мованого розрядного струму, /н, мае важливе значения, оскшьки захисний р1вень розрядника вщ перенапруг оцшюеться параметром /н. Кр1м того, здатшсть ОПН абсорбувати енерпю без виходу з теплово! стшкоеп прямо зв'язана та-кож з нормованим розрядним струмом.
Згщно [5] для лшй з найбшьшою робочою напругою вщ 1 кВ до 245 кВ очшуваш розрядш струми приймаються: 5 кА \ 10 кА. Для лшй вщ 1 кВ до 72,5 кВ ¿з низьким опором заземлюю-чих пристро!в 1 з пом1рною грозовою актившс-тю, у випадку розташування розрядниюв не дал1 5 км один вщ одного, приймаеться ефекти-вним використання ОПН ¿з номшальним розрядним струмом 5 кА. А розрядники з /н = 10 кА рекомендуеться встановлювати на вщповщаль-них дшянках мереж1.
Для контактно! мереж1 Украши, де грозова актившсть вщносно висока, виправдано прийн-яти:
/н = 10 кА . (9)
- Пропускна здаттстъ. Через ОПН у «вщ-критому» сташ пропкають супровщш струми мереж1, вщповщно стшюсть розрядниюв до струм1в перехщного стану визначаеться припу-стимою енерпею абсорбцй, Жаб .
Рис. 4. Схема вибору ОПН
Рис. 5. Граф1чне подання сшввщношень (7) 1 (8): 1 - и1м/иЕк; 2 - Ш.р /иЕк
Стшюсть ОПН до енергп, що видшяеться в номшальних, комутацшних 1 сильних струм1в них, характеризуе !хш класи розряду лшп; во- (табл. 4). ни, у свою чергу, визначаються величинами
Таблиця 4
Клас лшшних розрядних стру]шв ОПН
Кватф1кац!я ОПН Пжове значения струму комутацшно! хвит, /к, А Сильний струм, /„.с кА
Клас лшшного розрядного струму Номшальний струм, /н, А
1 \ 2 10 000 125 \ 500 1кл - 65; 2кл - 100
3 10 000 250 \ 1 000 100
4 \ 5 20 000 500 \ 2 000 100
При вщомих номшальних струмах (див. табл. 4) 1 робочих параметрах ОПН, що обира-ються, контрольш р1вш енергп Шк , з якими зв1-ряеться припустима енерпя абсорбцп, Шаб :
Waб > ШК{ШКЛ, Фкс}, обчислюються за наступними формулами:
- у випадку комутаци Л1ни:
Шки = 2и„.
Т
: (^е ^зал.к ) ^ '
(10)
(11)
де ие - ампл1туда перенапруги при замиканш фази на землю (МЕК60071-2);
изал.к - залишкова напруга комутацшного ¿мпульсу струму;
Тв - час пробпу хвилц
Zл - хвильовий ошр лшп,
- у випадку включених емшсних об'екпв:
(3им.р)2 -(Линор)21 , (12)
Фко = 0,5С
де С - екв1валентна емшсть об'екта;
имр = у/2ии - ткове значения робочо! напруги;
инор - нормована напруга ОПН.
В енергосистемах Роен [3] прийнята бшьш детал1зована градащя ОПН за пропускною зда-тшетю, тому вона зручшша для користування.
Вщповщно до табл. 5 приймаемо:
ш г = Ш х и
'' ао '' пит ^ ^н.р •
Для ¿золяцп контактно! мереж1 загрозу представляють практично тшьки грозов1 перенапруги. 1з ц1е1 причини виб1р захисного р1вня розрядника полягае в координацп м1ж витри-муваною напругою об'екта, що захищаеться -¿золятор1в, ив.1МП , \ залишковою напругою ОПН при номшальних розрядних струмах грозових ¿мпульс1в з крутизною фронту в д1апазош вщ 1 мке до 8 мке, изал.г .
Класи ОПН за пропускною здатшстю
Клас Номшальний струм, 4, А Шкове значения струму комутацшно! хвин (2000мкс), 4p, А Питома до робочо! напруги енерпя поглинання, ^пит, кДж/кВ Сильний струм, 4 с кА
1 5 000...10 000 250.400 1.2 65
2 10 000 401.750 2,1.3,2 100
3 10 000 751.1 100 3,3.4,5 100
4 10 000.20 000 1 101.1 600 4,6.6,0 100
5 20 000 1 601.21 000 6,1.7,0 100
Коефщент координацп приймаеться р1вним 1,15, тобто:
—зал.г — —влмп / 1,15 •
(13)
При координацп ОПН з ¿золящею електро-устаткування, окр1м вимоги (13), необхщно оп-тишзувати 1 мюце установки захисного розряд-ника. За можливосп рекомендуеться максимально наблизити ОПН до введень устаткування, однак з р1зних причин, у тому числ1, з економ1-чних м1ркувань - бажанням одним ОПН охопи-ти бшьшу кшьюсть об'екпв, не завжди доцшь-но встановлювати !х у безпосереднш близькосп до одного об'екта. Координащя в цьому випад-ку здшснюеться з урахуванням лшшних розмь р1в лшй 1 мюця шдключення розрядника за ем-шричною формулою МЕК 60071-2 [7]:
П ■ = — + — х
N I + Ь„
(14)
Ьс = й + й + йр + й2 - сумарна довжина при-еднання ОПН ¿з об'ектом (рис. 6); - довжина прольоту лшй;
Ьп = Н0 /Ял - довжина дшянки лшй з нормо-ваним р1внем вщмови;
Н0 - нормоване число вщмов устаткування, що захищаеться;
Нл - нормоване число простою пщходящо! до пщстанцп лшй на одиницю довжини 1 часу. МЕК 60071-2 дае значения Н0 в д1апазош 0,1. 0,4 % у р1к. У розподшьних мережах пи-томе число простою лшй ютотно бшьше, шж нормоване число вщмов устаткування, тому параметром Ьп можна зневажити.
Якщо нормований захисний р1вень устаткування (див. (13)) вщомий, то з (14) одержуемо довжину захисно! зони Ь3 = Ьс:
Ь3 = — 3 —
N (^ - п- )< +).
(15)
де Пклмп = ПВ1МП / 1,15 - координована захисна ¿мпульсна напруга;
Пзал.г - захисний р1вень ¿мпульсно! напруги ОПН;
— - напруга, що залежить вщ конфйурацй лшй пщходу до пщстанцп (табл. 6);
N - кшьюсть лшш, приеднаних до пщстан-
Ц11;
Вщомий виробник сучасних ОПН - ф1рма АВВ - дае аналопчну формулу розрахунку довжини захисно! зони:
V ( П ■
ь3 = — I - П3. 2БI 1,2 31
(151)
Таблиця 6
Напруга Q у формул! (14) для р1зних випадюв на лшп
Розподшьна лш!я Мапстральна лшя —, кВ
Заземлена траверса 900
Лгшя на дерев'янш опор1 2 700
Однопровщна фаза 4 500
Двухпровщна фаза 7 000
У чотири розщеплеш фази 11 000
У 6 1 8 розщеплеш фази 17 000
Рис. 6. Схема установки ОПН
де v - швидюсть наб1гання хвит (300 м/мкс);
S - крупсть фронту хвит перенапруги, що Haöirae.
Для оцшки захисно! вщсташ рекомендуеть-ся прийнятн крут1сть фронту, р1вною: 1550 кВ/мкс - при дерев'яних опорах; 800 кВ/мкс -при заземлених траверсах.
Наведен! величини по грозовш активност1 вщповщають даним для середньоевропейських perioHiB, де середньор1чне число прямих удар1в блискавки на 100 км лшп становить 25 (див. рис. 1). При цьому прориви блискавки з наве-деною крупстю на шдстанщю прогнозуються можливими один раз за 400 роюв.
ОПН без ¿скрових пром1жюв мають icTOTHi переваги перед вентильними розрядниками в обмеженш комутацшних перенапруг, що е ду-же важливою характеристикою при захисп електроустаткування. При вибор1 захисного р1вня комутацшних перенапруг необхщно вра-ховувати статистичний розкид перенапруг. 3i зниженням припустимо! для об'екта перенапруги, що впливае, збшьшуеться ризик ушко-дження ¿золяцп при незначному перевищенш напруги. Для швелювання такого ефекту за-пропоновано ввести коригувальний коефщент, Кк.к, що залежить вщ сшввщношення м1ж захи-сним р1внем, U3.K, i перенапругою, очшуваною з 2 % частотою, U32 :
Ккк = 1,24 - 0,2 ^ , 0,7 <^ < 1,2. (16)
к.к и и
U з2 U з2
Вщповщно, маемо наступну координащю м1ж витримуваною для устаткування комута-цшною перенапругою, ивк, I захисною напру-гою ОПН, изал.к = изж :
ив.к > Ккж х изалк, 1,0 < Ккж < 1,1 . (17)
На практищ, якщо частота виникнення комутацшних перенапруг мала, то коригувальний коефщент приймаеться р1вним 1, при великш частот!, що мае мюце в контактнш мереж1 - 1,1.
ЗАГАЛЬНИЙ АЛГОРИТМ ВИБОРУ ОПН
Виб1р ОПН починаеться з визначення осно-вних параметр1в розрядника: ид, ииор - з умови забезпечення надшно! роботи при нормальному режим! експлуатацп; номшальних розрядних струм1в, /н - по номшальнш напруз1 мереж1 1 штенсивносп грозово! д1яльносп. Для встанов-лених параметр1в ид, ииор та /н проводиться пе-рев1рка стшкосп розрядника до абсорбцп енер-гп починаючи для ОПН з мшмально припус-тимою Жаб (табл. 4 або 5). У випадку невщпов1-дност1 даному критер1ю береться ОПН ¿з бшьшою величиною Жац, що вщповщае переходу на бшьш високий клас за розрядом лшп або за пропускною здатшстю. Якщо в характеристиках обраного ОПН не наведено нормовано! енергп абсорбцп, то И можна обчислити за ств-вщношенням:
= изал.к (из к - изал.к) Т, (18)
де значения изл , Тп I Z надаш в табл. 7.
Параметри для ощнки енерги абсорбци
Номшальний струм ОПН, /н, А Клас лшшного розряду Хвильовий отр лшп, г, Ом Триватсть прямокутно-го ¿мпульсу, Тп, МКС Зарядна напруга лшй, —з.п, кВ
10 000 1 4,9—нор 2 000 3 2 — ? нор
10 000 2 2,4—нор 2 000 3 2 —
10 000 3 13 — ? ^нор 2 400 2,8 —нор
20 000 4 0,8—нор 2 800 2,6—нор
20 000 5 0,5—нор 3 200 2,4—нор
—нор - нормована напруга ОПН, кВ
Пюля виконаного коригування для прийня-тих параметр1в —д, —нор та /н встановлюються нормоваш захисш характеристики ОПН: —зал.г 1 —зал.к , яю коордииуються з витримуваиими пе-ренапругами або з вииробувальиими иаиругами об'екта, що захищаеться. Змшними коригування захисних характеристик ОПН можуть бути робоч1 параметри —, , —нор , а для ¿мпульсних перенапруг також 1 довжина захисно! зони. Коригування може йти як у б1к зниження, так 1 пщвищення рашше обраних як робочих, так 1 захисних параметр1в розрядника. Вщповщно, умови роботи ОПН у нормальному режим! можуть трохи попршитися або покращитися, а захисна зона - зменшитися або збшьшитися. Можливо, виявиться доцшьним застосування бшьш дорогого розрядника з1 свщомо пщвище-ними експлуатацшними 1 захисними параметрами.
Корпус ОПН за своши електричними характеристиками повинен вщповщати вимогам до лшшних 1 пщстанщйних ¿золятор1в з урахуван-ням особливост1 матер1алу д1електрика. Не ре-комендуеться встановлювати розрядники в зош
забруднення вище IV ступеня забруднення (СЗ) атмосфери, тому що сильш забруднення на по-верхш ОПН можуть привести до небажаного збшьшення нер1вном1рносп розподшу потенщ-алу уздовж нелшшних елеменпв ¿, вщповщно, передчасному виходу !х з ладу. У випадку зна-чних забруднень доцшьно проводити профшак-тичне очищения зовшшньо! поверхш корпуса.
При вибор1 розрядниюв по зовшшнш ¿золя-цй, якщо немае особливих вимог, можна ор1ен-туватися по ефективнш питомш довжиш шляху витоку, Хе , нормованш у «Правилах улашту-вання електроустановок» (ПУЕ). У табл. 8 на-дано екв1валентш ступеш забруднення атмосфери, прийняи в ПУЕ 1 в «Правилах улашту-вання та техшчного обслуговування контактно! мереж1 електрифшованих зал1зниць» (ЦЕ-0023).
ОПН повинш мати також свщоцтво про ви-пробування на вибухобезпеку. ОПН у пол1мер-них корпусах вщносяться до вибухобезпечних об'екпв.
Таблиця 8
Питома ефективна довжина шляху витоку зовшшньоТ ¡золяци
Стутнь забруднення по кватфжацп Питома поверхнева провь дтсть, X, мкСм Питома ефективна довжина шляху витоку, Хе, см/кВ
ПУЕ ЦЕ-0023 До 35 кВ включно 110-750 кВ
1 III 5 1,90 1,60
2 IV 10 2,35 2,00
3 V 20 3,00 2,50
4 VI 30 3,50 3,10
5 VII 50 4,20 3,70
ПРИКЛАД ВИБОРУ ОПН ДЛЯ ПОСТ1ЙНОГО СТРУМУ
Вих1дш дам лтп:
- иш = 3,3 кВ - номшальна напруга мережу
- иир = 4 кВ - найбшьша робоча напруга;
- ивлмп =100 кВ - ¿мпульсна витримувана напруга ¿золятор1в;
- Сл < 0,014 мкФ/км - погонна емшсть лшп;
- Ьл ~ (0,8 . 1,25) мГн/км - погонна ¿ндуктн-вшсть лшп;
- = (225... 300) Ом - хвильовий ошр лшп;
- ( ~ (60.100) - число грозових годин у рощ;
- забруднення - пом1рне, IV СЗ;
- найбшьше поперечне зусилля - не бшьше 300 Н.
Вих1дш дам схеми зам1щення тягоеог тд-станцп:
- Се п ~ (0,03 . 0,05) мкФ - екв1валентна вх> дна емшсть при вщсутност! згладжуючих фшь-тр1в;
- Се.ф ~ (125. 165) мкФ - екв1валентна вхщ-на емшсть при наявносп згладжуючих фшьт-р1в, визначаеться екв1валентною емнютю фшь-тра;
- ив.1МП = 12 кВ - витримувана перенапруга грозового ¿мпульсу вентильного агрегату;
- Цв.ком < 8 кВ комутацшна витримувана перенапруга вентильного агрегату;
- Ье.ф ~ (5,0.7,5) мГн - екв1валентна шдук-тившсть при наявност! згладжуючих фшьтр!в, визначаеться як сума шдуктивностей фшьтра 1 згладжуючого реактора;
- забруднення - пом1рне, IV СЗ;
- найбшьше поперечне зусилля - не бшьше 300 Н.
Вихгднг дат тягового трансформатора на 35 кВ типу ТМРУ-5600(6200)/35 на тдстанцИ:
- Ьт ~ (1,7.2,0) мГн - екв1валентна ¿ндукти-внють тягового трансформатора, вщнесена до вторинно! обмотки;
- Ст к (0,0015.0,002) мкФ - екв1валентна емшсть тягового трансформатора;
- ив.1МП =180 кВ - допустима перенапруга грозового ¿мпульсу;
- ивком = 80 х-\/2 = 113 кВ - допустима перенапруга комутацшного ¿мпульсу, прийнята як ампттудне значения однохвилинно! випро-бувально! напруги робочо! частоти;
- забруднення - пом1рне, IV СЗ;
- найбшьше поперечне зусилля - не бшьше 300 Н.
Встаноелення границъ допустимых параме-тр1в ОПН
Наведен! даш лшп I шдстанцп дозволяють встановити припустим! граничш значения характеристик ОПН для захисту мереж! I И шдхо-д1в до шдстанцй зпдно критерпв, викладених вище Результати розрахунюв представлен! в табл. 9.
ВИСНОВКИ
На основ! юнуючих нормативних матер1ал1в розроблено робочий алгоритм розрахунку па-раметр1в ОПН 1 рекомендацш щодо вибору вщ-повщних розрядниюв, що забезпечують опти-мальний захист електроенергетичних об'екпв електрифшоваиих зал1зниць постшиого струму вщ грозових I комутацшиих перенапру. Наведено приклад використання дано! методологи при вибор! ОПН для захисту обладнання контактно! мереж! постшиого струму.
Таблиця 9
Результати розрахункт
Вих1дт дат об'екта, що захищаеться Допустим! параметри ОПН
№ з/п Найменування характеристик Значения Найменування характеристик Значения
1 2 3 4 5
Лш1я контактно! мереж!
1 Номшальна напруга мереж! 3,3 кВ Номшальна напруга, им 3,3 кВ
2 Найб!льша робоча 4,0 кВ Довгостроково допус- Не менше
напруга мереж1 тима напруга, Па 4 кВ
3 Короткочасн! 4,2.4,5 кВ* Нормована напруга, Не менше**
перенапруги мереж!, до 10 с инор 4,2.4,5 кВ
4 Грозова активн!сть 80.100 грозогодин Ном!нальний розрядний струм, /н, 8/20 мкс 10 кА
Таблиця 9 (заынчення)
1 2 3 4 5
5 1мпульсна витримувана 100 кВ Залишкова Не б1льше
напруга 13оляцп мереж1 напруга при /н, Uзaл.г 100/1,15 = = 87 кВ
6 Енерг1я заряду мереж1 з погонною емшстю 0,014 0,11 кДж Питома енерг1я абсор-бцй' ОПН для захисту Достатньо 1 кДж/кВ,
мкФ i при розрахунко-вш довжиш 100 км *** л1нй; Wn„T ОПН класу 1, -^сил = 65 кА
Тягова пвдстанщя з боку контактно! мереж! 3,3 кВ
7 Гранично припустима перенапруга випрямно-го агрегату ^В.1МП = 12 кВ Ub.kom = 9,0кВ Захисн1 piBHi ОПН: U3a,.r < 12 кВ U3a,.K < 9,0 кВ
8 Енерг1я заряду вхвдно! 12,8 кДж Питома енерг1я абсор- Не менше
емност1 тягово1 шдстан- бци ОПН на вход1 тя- 12,8/3,3 <
ци 3i згладжуючим фь льтром, 165 мкФ гово! п1дстанцй', Wnwi 4 кДж/кВ, ОПН класу 3
Тяговий трансформатор ТМРУ-5600(6200)/35 з боку живильно! лшп 35 кВ
9 Найбшьша робоча на- 35 кВ Довгостроково допус- Не менше
пруга тима напруга, ид 35 кВ
10 Короткочасш 40,5 кВ* Нормована напруга, Не менше **
перенапруги мереж1, до 10 с UHOp 40,5 кВ
11 Грозова актившсть 80.100 грозогодин Ном1нальний розряд-ний струм, /н, 8/20 мкс 10 кА
12 Випробувальна(припу- UB1Mn = 180 кВ Захисн1 piBHi ОПН: U3an.r <156,5кВ
стима) перенапруга жи- Ub.kom = 113 кВ UOCT. до
вильного устаткування < 102,7 кВ
тягово1 шдстанцп
13 Енерг1я заряду екв1вале-нтно! EMHOCTi тягового трансформатора, Сетр = 0,002 мкФ; + енерг1я заряду фази ВЛ 35кВ i3 Сл = 0,005 мкФ/км i3 розрахунковою довжи-ною 100 км*** 5,2 кДж Питома енерпя абсорбцй' ОПН, WnHT Досить 1 кДж/кВ, ОПН класу 1, -^сил = 65 кА
Примггки по табл. 9:
* - тдлягае уточнению в кожному окремому випадку;
** - рекомендуеться зв1ряти стшюсть ОПН до короткочасних перенапруг на для чого зажадати ввд постачальника вольт/часов1 характеристики ОПН (див. *** - довжина лшп береться реальна.
всьому часовому д1апазош, сшввщношення (8) i рис. 5);
Б1БЛ10ГРАФ1ЧНИИ СПИСОК
1. Радченко, В. Д. Техника высоких напряжений устройств электрической тяги [Текст] / В. Д. Радченко. - М.: Транспорт, 1975. - 360 с.
2. ЦЕ-0023. Правила улаштування та техшчного обслуговування контактно! мереж! електрифшо-ваних зал1зниць [Текст]. - К., 2008. - 208 с.
3. Халилов, Ф. X. Техника высоких напряжений [Текст] / Ф. X. Халилов, В. В. Егоров, А. А. Смирнов. - СПб.: ИПК «Бионт», 2007. -540 с.
4. Карякин, Р. Н. Форма волны тока молнии в контактной сети [Текст] / Р. Н. Карякин, В. Г. Лосев // Электричество. - 2008. - № 11. - С. 12-22.
5. Косарев, А. Б. Импульсные перенапряжения в системе тягового электроснабжения в грозовой период [Текст] / А. Б. Косарев, А. В. Симаков // Вестник ВНИИЖТ. - 2008. - № 3. - С. 13-18.
6. IEC60099-4:2006. Surge Arresters. Part 4: Metal-Oxide Arresters without Gaps for A.C. Systems [Text].
7. IEC60099-5:2000. Surge Arresters. Part 5: Selection and Application Recommendations [Text].
8. IEC60071-2:1996. Insulator Co-ordination. Part 2: Application Guide [Text].
Надшшла до редколегп 22.12.2010.
Прийнята до друку 29.12.2010.
