Какого порядка величина напряжения которое возникает на проводе лэп при ударе в него типовой молнии

Вопросы для самопроверки:

Внутренние перенапряжения возникают в электрических системах в результате коммутаций.

Коммутации могут быть оперативными, например:

а) включение и отключение ненагруженных линий;

б) отключение ненагруженных трансформаторов и реакторов поперечной компенсации;

в) отключение конденсаторных батарей.

Однако чаще внутренние перенапряжения возникают при аварийных коммутациях в результате действия релейной защиты или противоаварийной автоматики.

К аварийным коммутациям можно отнести:

а) отключение выключателями короткого замыкания;

б) автоматическое повторное включение линий;

в) внезапный сброс нагрузки и некоторые другие.

Назовем перенапряжениями любые повышения напряжения выше длительно допустимых в электрической системе.

Внутренние перенапряжения обычно проявляются в виде колебаний. Всякая электрическая система обладает колебательными свойствами, однако в нормальном режиме работы эти колебательные свойства обычно не проявляются.

Все элементы электрической системы можно разбить на три группы:

1) источники э.д.с.- генераторы, синхронные компенсаторы, асинхронные двигатели;

2) элементы, способные накапливать энергию – индуктивности (L) и ёмкости (С), как распределенные (индуктивность и ёмкость линии), так и сосредоточенные (индуктивности генераторов, индуктивности рассеяния и намагничивания трансформаторов, индуктивности реакторов, ёмкости конденсаторных батарей);

3) элементы, способные поглощать энергию, активная нагрузка(R), сосредоточенные и распределенные сопротивления (r) и проводимости (g) схемы.

Колебательные свойства электрической системы, могущие вызвать появление перенапряжений, проявляются при нарушении баланса между генерируемой и поглощаемой энергией. Причиной нарушения баланса может явиться внезапное отключение элементов, способных поглощать энергию.

На (рис. 8.1) приведена упрощенная однофазная схема, показывающая один из случаев возникновения перенапряжений. В этой схеме L_и – индуктивность источника, L_л и С_л – индуктивность и ёмкость линии, L_c – индуктивность приёмной системы, комплексное сопротивление нагрузки.

При замкнутом выключателе 2 колебания в схеме демпфированы активным сопротивлением R_н. нагрузки. При разомкнутом выключателе 2 схема содержит в основном только реактивные элементы. Любое внезапное возмущение в этой схеме приведет к колебаниям на ёмкости линии, т.е. к перенапряжениям.

Режим одностороннего питания ( т.е. выключатель 2 отключен) может осуществится при включении ненагруженной линии выключателем 1 (пуск передачи) и может продолжаться достаточно долго до тех пор, пока на разомкнутом конце не будет выполнена синхронизация. При аварийных и послеаварийных коммутациях режим одностороннего питания возникает при неодновременном срабатывании выключателей на разных концах линии.

Рис.8.1. Упрощенная схема замещения электропередачи

Процесс коммутации в электрической системе, например, включение разомкнутой линии толчком под напряжение, можно разбить на несколько этапов, как это показано на (рис. 8.2). До тех пор, пока регуляторы возбуждения генераторов в силу инерционности не изменяет возбуждение генераторов, э.д.с. их можно считать неизменными (области I и II). Первая стадия (область I) характеризуется переходным процессом, продолжительность которого порядка нескольких полупериодов промышленной частоты 50 Гц. После затухания свободных колебаний наступает вторая стадия (область II), которая условно может быть названа «установившимся» режимом. Например, для схемы (Рис.8.1) напряжение «установившегося» режима в конце линии

, ( 8.1 )

где .

Если U_уст выше длительно допустимого напряжения системы, то благодаря действию регуляторов U_уст постепенно уменьшается ( область III), пока не установится новый стационарный режим ( область IV).

Рис. 8.2. Различные стадии переходного процесса:

I – переходный процесс

II – установившийся режим до начала работы регуляторов (вынужденная составляющая переходного процесса)

III – область работы регуляторов возбуждения

IV – новый установившийся режим.

Для надёжной работы электропередачи необходимо, чтобы возникающие перенапряжения в течении первых двух стадий процесса не превысили прочность изоляции. Поэтому особое внимание уделяется перенапряжениям переходного режима, или коммутационным, и перенапряжениям установившегося режима, или длительным.

При любой коммутации максимальное напряжение переходного процесса может быть представлено в виде:

,

где к_уд – отношение максимального напряжения переходного процесса к установившемуся (U_уст — II стадия);

к – кратность внутренних перенапряжений, т.е. отношение максимального напряжения переходного процесса к максимальному рабочему.

Допустимые кратности внутренних перенапряжений не должны превышать определенных величин, которые выбираются исходя из технико-экономических соображений. Эти кратности коммутационных перенапряжений приведены в табл. 8.1.

Допустимые кратности внутренних перенапряжений

Кратности коммутационных перенапряжений в электропередачах до 220 кВ, как правило, не превышают значений, приведенных в таблице. В электропередачах 330 кВ и выше (электропередачи сверхвысокого напряжения) возможны перенапряжения превышающие величину К_доп.

Поэтому нормальная работа электропередач может быть обеспечена только при условии ограничения внутренних перенапряжений. Одним из средств защиты служат нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН).

Повышения напряжения установившегося режима характерны для протяженных электропередач СВН с номинальным напряжением выше 330 кВ. В электропередачах 220 кВ и ниже длительные перенапряжения возможны преимущественно в случае феррорезонансных явлений при неполнофазных режимах.

1. Ёмкостный эффект в симметричных линейных схемах.

Напряжение в конце разомкнутой линии U₂ связано с напряжением в начале линии U₁ следующим отношением (пренебрегая активным сопротивлениями): ,

где β – коэффициент фазы, равный 0,06 град. на 1км. линии;

l – длина линии в км.

При β l→ 90˚ напряжение в конце линии увеличивается до очень больших величин, так как cos β l→0. Такое повышение напряжения можно ожидать в дальних линиях электропередач, когда длина линии превышает 1000 км.

В электропередачах до 220 кВ повышения напряжения из-за ёмкостного эффекта встречаются редко и находятся в пределах допустимого уровня.

2. Несимметрия сети, которая может возникнуть при несимметричных коротких замыканиях (к.з.) и неполнофазных режимах – обрыв провода, неправильная работа («отказ») фазы выключателя при отключении или включении.

При несимметричных к.з. на землю повышения напряжения на неповрежденных фазах определяется отношением входных сопротивлений нулевой и прямой последовательности относительно точки к.з.

В электропередачах 110-220 кВ с заземлённой нейтралью отношение . При этом при однофазном к.з. на неповреждённой фазе повышение напряжения не превышает 1,25 U_{макс.раб.}, что является вполне допустимым.

В электропередачах СВН при одностороннем отключении несимметричного к.з. в удаленных от питающей системы точках отношение может принять любое значение, что может привести в ряде случаев к резкому возрастанию напряжения на неповрежденных фазах.

Перенапряжения при неполнофазных режимах в электрических системах возникают тогда, когда входные сопротивления по прямой и нулевой последовательностям относительно разрыва носят разный характер, т.е. если одно из них индуктивное, то другое должно быть ёмкостным.

3. Наличие в электропередаче нелинейных цепей со сталью (силовые трансформаторы, электромагнитные трансформаторы напряжения, иногда реакторы) может служить причиной возникновения феррорезонансных перенапряжений на рабочей частоте, причиной появления высших и низших гармоник в кривой напряжения.

Перенапряжения переходного процесса U_перех. определяются следующими факторами:

а) частотами и декрементами затухания свободных колебаний, в первую очередь первой собственной частотой и декрементом затухания этой частоты;

б) величиной установившегося напряжения, зависящей от вида коммутации;

в) начальными условиями, определяемыми характеристиками выключателя.

Одной из характеристик перенапряжений переходного процесса является ударный коэффициент к_уд. При заданных условиях (схема и её параметры, вид коммутации, тип выключателя) ударный коэффициент представляет статистическую величину, т.е. значение ударного коэффициента зависит от большого числа факторов, которые могут меняться от опыта к опыту. Для каждого вида коммутации можно найти среднее значение ударного коэффициента и указать кривую статистического распределения ударных коэффициентов.

Среди различных коммутаций можно выделить группу коммутаций, где причиной перенапряжений является неустойчивый характер горения дуги в выключателе (явление «среза» при отключении малых индуктивных токов, повторное зажигание дуги в выключателе при отключении ненагруженной линии или ёмкостной нагрузки).

Коммутационные перенапряжения в электропередачах можно разделить на следующие группы:

1.Перенапряжения при коммутациях ЛЭП:

а) включение ненагруженной линии;

б) успешное и неуспешное АПВ;

в) одностороннее отключение коротких замыканий;

г) разрыв передачи при выпадении из синхронизма;

д) коммутации включения и отключения, заканчивающиеся неполнофазными режимами.

2. Перенапряжения при отключении малых индуктивных токов (ненагруженных трансформаторов, реакторов), сопровождающиеся явлением «среза» тока.

3. Перенапряжения при отключении ненагруженных линий, сопровождающиеся повторным зажиганием дуги в выключателе.

К коммутационным перенапряжениям можно отнести, перенапряжения, возникающие при дуговых замыканиях на землю и неустойчивом горении дуги в сетях с изолированной и компенсированной нейтралями.

Металлическое однофазное замыкание на землю в сети с изолированной нейтралью приводит к повышению напряжения на неповрежденных фазах до . Такое повышение напряжения является для такой сети допустимым и опасности для нормальной изоляции не представляет. Если же замыкание на землю происходит через неустойчивую (перемежающуюся) дугу, горение которой сопровождается повторными погасаниями и зажиганиями, то на всех фазах сети возможно развитие перенапряжений.

Высокие кратности перенапряжений вызваны появлением в сети избыточных зарядов при гашении неустойчивой дуги, что сопровождается смещением электрической нейтрали системы.

Приведенная классификация внутренних перенапряжений имеет условный характер в том смысле, что в ряде случаев, вполне реальных для электрической системы в переходном процессе, могут возникать перенапряжения, принадлежащие к различным группам. Так, например, вслед за переходным процессом при коммутации возможно появление феррорезонансных перенапряжений.

Для большинства видов перенапряжений можно указать максимально возможную кратность по отношению к рабочему напряжению сети. Однако правильней будет сказать о вероятности появления той или иной кратности перенапряжений. Эта вероятность связана, во-первых, со статистическим характером некоторых процессов, например, гашения дуги выключателе, а во-вторых, с вероятностью тех или иных переходных процессов в системе. Всегда можно найти такое сочетание переходных процессов, которые дадут перенапряжения очень высокой кратности. Однако, если такое сочетание маловероятно, то его можно не принимать в расчет, считая, что в этом случае можно допустить перекрытие внешней изоляции или срабатывание ограничителя перенапряжений с его возможным разрушением. В то же время и в этих маловероятных случаях должна быть исключена возможность повреждения внутренней изоляции машин и аппаратов. Поэтому защита от внутренних перенапряжений должна выбираться на основе риска повреждения с учетом всех технико-экономических показателей.

Молниезащита воздушных линий напряжением до 1000 В

Воздушная линия (ВЛ) электропередачи напряжением до 1000 В является самым распространённым и наиболее уязвимым элементом распределительной энергетической системы, особенно в сельской местности, а также среди малых городов и пригородных зон мегаполисов. Если внимательно изучить статистику аварий в энергосистемах, то можно заметить тот факт, что причина 75-80% аварийных отключений линий электропередач (ЛЭП) весной и летом — это грозы.

Рисунок 1. Линии электропередач (ЛЭП)

Основные понятия и определения

Исходя из «Правил устройства электроустановок» (ПУЭ, издание 6) под термином «ВЛ» понимается воздушная линия, изготовленная с использованием неизолированных проводов. Исходя из написанного в ПУЭ (издание 7), ЛЭП может быть выполнена, как с использованием изолированных (ВЛИ), так и неизолированных проводов.

В седьмом издании ПУЭ термин «ВЛИ» разъясняют таким образом — это линии с применением самонесущих изолированных проводов (СИП). Рассмотрим, как организовать молниезащиту воздушных линий на практике. В этом случае надо дать ответ на достаточно простой вопрос, а что именно является объектом внешней защиты воздушных линий от молнии?

Рисунок 2. Разряды молнии над ЛЭП

В конечном итоге, объектом внешней грозозащиты воздушных линий, выполненных неизолированными проводами, являются электроустановки потребителя электричества. Неизолированные провода вообще не являются объектом защиты, на ВЛ до 1000 В средства защиты проводов от прямого удара молнии, как правило не используются. Чтобы значительно снизить статистику замыканий, возникающих между проводами, используют ВЛИ и СИП.

При использовании изолированных проводов при построении ЛЭП, полностью исключены риски, связанные с замыканиями из-за схлестывания и электрическим контактом проводов с деревьями; снижены риски замыканий на землю из-за падения проводов. Использование ВЛИ значительно уменьшает площадь контура для наведенного электромагнитным импульсом молнии перенапряжения, что приближает безопасность таких линий к безопасности подземного кабеля. Также нужно отметить электробезопасность при проведении работ на линии, так как значительно уменьшается вероятность поражения электрическим током. Кроме того, использование изолированных проводов значительно снижает воздействие разрядов и уменьшает вероятность дуговых замыканий.

Какие же процессы происходят в ЛЭП с неизолированными проводами, если на них пришелся прямой удар молнии? Сначала можно увидеть разряды типа «фаза-земля», которые возникают между самим проводом и траверсой опоры, затем под воздействием электромагнитных сил самой дуги происходит перемещение этих разрядов вдоль самих линий. Перегорание неизолированных проводов не возникает по причине смещения концов дуги по линиям.

Рисунок 3. Процессы на ЛЭП с неизолированными проводами, вызванные прямым ударом молнии

При возникновении такого физического явления, как короткое замыкание на ВЛИ, процессы, сопровождающие его, происходят совершенно по другому алгоритму: возгорание дуги наблюдается только между каждым отдельно взятым проводником и конструкцией, удерживающей провода на опоре. Слой изоляции является естественным препятствием на пути свободно перемещающейся дуги, и дуга поэтому горит только в конкретной точке, вследствие чего провод оказывается пережжен.

Рисунок 4. Короткое замыкание на ВЛИ

Замыкания на ВЛ вызывают срабатывание автоматики и приводят к отключению линии. Существуют и другие угрозы — это распространяющиеся по линии перенапряжения. Для защиты от них используются ограничители перенапряжений (ОПН) и устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП).

Мероприятия по применению внешней молниезащиты ВЛ

В качестве объектов защиты ВЛ (напряжение до 1000 В) можно рассматривать:

• аппаратуру, монтируемую на опорах ЛЭП, даже если она имеет, например, оборудование систем связи или сигнализации;
• ответвления от магистралей к вводам в здания;
• ответвления от магистралей к вводам в здания;
• изоляцию проводов ЛЭП.

Для того чтобы снизить величину заносимых грозовых перенапряжений и защитить ответвления от магистрали к вводам в сооружения, требуется установить УЗИП. При этом происходит следующее: токи молнии отводятся, как правило, через заземляющийся спуск, он монтируется на опоре ЛЭП в ЗУ. К заземляющему устройству подсоединяют PEN-проводник, а также крюки проводов фазы и других проводов, которые могут быть подвешены на опорах ЛЭП и арматуру железобетонных опор воздушных линий.

Нужно соблюдать требования и к заземлению. Не более 30 Ом — таким должно быть сопротивление заземляющего устройства, согласно указаниям нормативных документов.

Для того чтобы вычислить правильное расстояние между опорами с ЗУ, нужно знать средние статистические данные по активности гроз в конкретном регионе. Если за целый год среднее время гроз было продолжительностью до 40 часов включительно (регион 1), то берется значение 200 м. А вот при средней продолжительности грозовых явлений более 40 часов в год (регион 2), применяется значение 100 м. Дополнительное оборудование для ЗУ используют для следующих объектов: – на опорах ЛЭП с ответвлениями в постройки, в которых возможны скопления больших масс людей (больницы, культурные и спортивные объекты, учреждения образования и т.д.) или для объектов с большой материальной ценностью. Дополнительное оборудование ЗУ применяется на концевых опорах ЛЭП с ответвлениями. Здесь берется в расчет расстояние до ближайшего ЗУ. Для региона 1 эта цифра не более 100 м, а для региона 2 она не должна быть больше 50 м. Низковольтные вентильные разрядники или искровые промежутки также применяются в качестве дополнительных мер защиты на вводах в строения или же на концевых опорах ЛЭП.

Рисунок 5. Вентильный разрядник

Меры по внутренней молниезащите воздушных линий

Рассмотрим на практике, как проектируется внутренняя молниезащита ЛЭП. В качестве такого оборудования применяются УЗИП, системы уравнивания потенциалов или же, выравнивания потенциалов (по необходимости) и заземляющие устройства.

Рисунок 6. Внутренняя молниезащита (защита от перенапряжений) на ЛЭП

Существует классификация УЗИП по категориям, в зависимости от методики испытаний и установки:

УЗИП типа №1 монтируют при воздушном вводе в cтроение. Если же установлена система внешней молниезащиты ЛЭП, то устройства защиты от импульсных перенапряжений в данном варианте могут быть использованы для отвода значительной части прямого тoка мoлнии.

Наведенные импульсы тока тоже оказывают негативные воздействия на систему, для предотвращения их и применяют второй тип устройств защиты от импульсных перенапряжений. Эти устройства монтируются после первого типа УЗИП или же на вводе в сооружение.

Назначение УЗИП третьего типа — это защита важного электрического оборудования, такого как, медицинские приборы, системы обработки данных и пр. Третий тип устройств защиты от импульсных перенапряжений располагается, как правило, не более чем в 5 м по кабелю от приборов, которые подлежат защите. Третий тип УЗИП на практике монтируется в виде скрытого монтажа, например, устройства могут быть расположены прямо за розеткой или же в корпусе прибора. Назначение линии задержки – оптимально распределить мощность импульса между всеми уровнями защитной системы. На практике применяется дроссель (15 мкГн индуктивность). При отсутствии дросселя можно взять кусок кабеля (15 м и более длиной), с такой же индуктивностью.

Первоначально срабатывает УЗИП первого класса, большая часть энергии импульса уходит на него. Затем УЗИП (класс 2) уже понижает напряжение до величины, которая признана безопасной.

Нормативная база

При проектировании, монтаже, эксплуатации и ремонте ВЛ напряжением до 1000 В следует руководствоваться следующими документами:

1. Правила устройства электроустановок (ПУЭ), издание 6 и 7.
2. ГОСТ Р 51992–2011. Устройства защиты от импульсных перенапряжений низковольтные. Часть 1. (МЭК 61643 – 1:2005).
3. СТО 56947007–29.240.02.001–2008. Методические указания по защите распределительных электрических сетей напряжением 0,4–10 кВ от грозовых перенапряжений. Стандарт ОАО «ФСК ЕЭС».
4. Технический циркуляр ассоциации «Росэлектромонтаж» № 30/2012 «О выполнении молниезащиты и заземления ВЛ и ВЛИ до 1 кВ».

При выборе нормативных документов приоритет должен отдаваться ГОСТам РФ (или международным стандартам, если они находятся в ранге прямого применения), далее следуют Руководящие материалы (РД), ведомственные инструкции и руководства, носящие, как правило, справочный либо рекомендательный характер, расширяющие и дополняющие стандарты применительно к конкретным условиям отрасли.

Проектирование, монтаж, эксплуатацию и ремонт ВЛ следует поручать только специализированным организациям имеющим соответствующие лицензии (специальные разрешения) или отдельным физическим лицам (индивидуальным предпринимателям) имеющим соответствующие сертификаты (дипломы) с правом допуска для работы с соответствующими электроустановками.

Требуется консультация по организации заземления и молниезащиты для вашего объекта? Обратитесь в Технический центр ZANDZ.com!

Смотрите также:

• Статья профессора Э. М. Базеляна «Молниезащита жилых и общественных зданий»
• Полезные материалы для проектировщиков заземления и молниезащиты (статьи, инструкции, рекомендации)
• Проектирование заземления и молниезащиты (проекты в форматах DWG и PDF)
• Вебинары для проектировщиков и электромонтажников с ведущими экспертами
• Принципы подбора ограничителей перенапряжения

Волны перенапряжений на оборудовании подстанции при ударах молнии за пределами защищенного подхода Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Ефимов Б.В., Селиванов В.Н.

Рассмотрен процесс распространения грозовых волн в многопроводной линии принапряжении ниже начала импульсной короны. Показана определяющая роль междупроводных каналов в процессе формирования начальных участков фронтов волн.Приведены расчеты деформации фронтов волн при пробегах от 5 км до 30 км для различных моделей линии электропередачи класса напряжения 330 кВ. Показано, что при обратных перекрытиях на опорах даже при дальних ударах молнии в ВЛ на подстанцию могут набегать волны с амплитудой в сотни киловольт и фронтами в доли микросекунды.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Ефимов Б.В., Селиванов В.Н.

Анализ деформации грозовых волн при их распространении по Вл на расстояние более 100 км

Распространение грозовых волн в многопроводной коронирующей линии, подвешенной над идеально проводящей землей

Оптимизация схем замещения линий электропередачи в расчетах развития грозовых перенапряжений на подходах к подстанциям

Влияние перекрытий изоляции линии на формирование грозовых перенапряжений
Особенности формирования грозовых перенапряжений на подстанции
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

TRAVELLING SURGES ON THE SUBSTATION EQUIPMENT UNDER LIGHTNING STRIKES OUTSIDE THE PROTECTION ZONE

The processes of wave propagation in a multiconductor line at a voltage below the corona threshold are considered. The determining role of the aerial mode components in the formation of the initial parts of the wave fronts is shown. Calculations of the wavefronts deformation for runs from 5 km to 30 km for various models of the 330 kV transmission line are given. It is shown that for case of back flashover across the tower insulator even for long-distance lightning strikes in a high voltage transmission line, the waves with an amplitude of hundreds of kilovolts and front in fractions of a microsecond can run into the substation.

Текст научной работы на тему «Волны перенапряжений на оборудовании подстанции при ударах молнии за пределами защищенного подхода»

ФИЗИКО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ

DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.16.3.7-23 УДК 621.311

Б. В. Ефимов, В. Н. Селиванов

ВОЛНЫ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ НА ОБОРУДОВАНИИ ПОДСТАНЦИИ ПРИ УДАРАХ МОЛНИИ ЗА ПРЕДЕЛАМИ ЗАЩИЩЕННОГО ПОДХОДА

Рассмотрен процесс распространения грозовых волн в многопроводной линии при напряжении ниже начала импульсной короны. Показана определяющая роль междупроводных каналов в процессе формирования начальных участков фронтов волн. Приведены расчеты деформации фронтов волн при пробегах от 5 км до 30 км для различных моделей линии электропередачи класса напряжения 330 кВ. Показано, что при обратных перекрытиях на опорах даже при дальних ударах молнии в ВЛ на подстанцию могут набегать волны с амплитудой в сотни киловольт и фронтами в доли микросекунды. Ключевые слова:

грозовые волны, многопроводная линия электропередачи, волновые каналы, крутые фронты волн.

B. V. Efimov, V. N. Selivanov

TRAVELLING SURGES ON THE SUBSTATION EQUIPMENT UNDER LIGHTNING STRIKES OUTSIDE THE PROTECTION ZONE

The processes of wave propagation in a multiconductor line at a voltage below the corona threshold are considered. The determining role of the aerial mode components in the formation of the initial parts of the wave fronts is shown. Calculations of the wavefronts deformation for runs from 5 km to 30 km for various models of the 330 kV transmission line are given. It is shown that for case of back flashover across the tower insulator even for long-distance lightning strikes in a high voltage transmission line, the waves with an amplitude of hundreds of kilovolts and front in fractions of a microsecond can run into the substation. Keywords:

lightning surge waves, multi-wire power line, wave channels, steep wave fronts.

Постановка проблемы. В 2017 году на Кольском полуострове произошло повреждение продольной (межвитковой) изоляции мощного трансформатора на одной из подстанций 330 кВ при коротком замыкании на ВЛ примерно в 30 км от этой подстанции. Короткое замыкание произошло во время грозы. Наиболее естественной причиной его возникновения можно считать удар молнии в линию Повреждение самой ВЛ, в том числе и линейной изоляции, обнаружено не было. На пораженном участке тросовая защита отсутствовала. Поэтому это мог быть или разряд непосредственно в провод или удар в опору с последующим (обратным) перекрытием линейной изоляции. В последнем случае на проводе может возникнуть волна напряжения с очень крутым фронтом. Однако общепринято считать, что при распространении этой волны на расстояние в десятки километров фронт сглаживается до величин, безопасных для

изоляции подстанционного оборудования. Во всех ее точках напряжение примерно равно напряжению на ограничителях перенапряжений (ОПН), а относительно плавный подъем напряжения не может создать значительных воздействий на продольную изоляцию обмоток трансформаторов. На этом основан принцип организации защитного подхода ВЛ к подстанции с усиленными требованиями к заземлениям опор и обязательной тросовой защитой [1]. Длина подходов обычно принимается в пределах 2-4 км. Считается, что все удары молнии на большем удалении безопасны для подстанции, а появление опасных (превышающих испытательные напряжения) воздействий на изоляции оборудования из-за ударов молнии в саму подстанцию и подходы ВЛ при правильной расстановке ОПН и выполнении нормативных требований к ВЛ удается свести к величинам порядка одной тысячной на одну подстанцию в год. Такие показатели для сотен подстанций в каждой энергосистеме обычно обеспечивают достаточную грозоупорность в процессе всего срока эксплуатации.

Поврежденный трансформатор эксплуатировался десятки лет. Естественно, его изоляция старела, а пробивные напряжения постепенно снижались. До каких значений неизвестно, но можно констатировать, что это не сказывалось на надежности его работы. Все испытания, обследования и контроль изоляции в нормальных режимах показывали, что эксплуатацию можно продолжать. Для повреждения продольной изоляции на вводе трансформатора должна была появиться волна перенапряжений с очень крутым фронтом и с амплитудой, сравнимой с испытательным грозовым импульсом. Никакие внутренние перенапряжения таких воздействий создать не могут. При отсутствии коммутаций в сети единственным источником импульсов с крутыми фронтами в нормальном режиме эксплуатации и непосредственно во время возникновения короткого замыкания могут быть только грозовые разряды. Далее показано, что не только близкие к подстанции поражения ВЛ, но и удары молнии далеко за пределами подхода могут создавать потенциально опасные перенапряжения на продольной изоляции. Это может происходить из-за специфики распространения волн с учетом влияния фактора многопроводности линии.

Насколько известно авторам, анализ процессов в течение первой микросекунды после пробега грозовой волны по ВЛ единиц и десятков километров выполнены в данной работе впервые.

Волна напряжения в месте удара молнии. Физика распространения грозовых импульсов на длинах, характерных для подходов ВЛ к подстанциям, подробно рассмотрена в [2-5]. Данная статья является продолжением этих работ, а также работы [6], которая была посвящена анализу экспериментальных данных при распространении микросекундных импульсов на расстояние 120 км. Здесь исследуется деформация фронтов волн при пробегах от 5 км до 30 км и более при предельно малых временах для задач грозозащиты оборудования энергосистем.

Считаем, что удар молнии произошел в опору. Это достаточно частый случай (до 50 % от всех поражений молнией линий без тросов [7]). Полагаем, что сопротивление канала молнии составляет тысячи Ом и ее можно считать идеальным источником тока. Этот ток создает падение напряжения на активно-реактивном сопротивлении заземления опоры и ее индуктивности. Форма фронта тока молнии и его амплитуда в данной задаче не играют существенной роли. На проводе от канала молнии наводится некоторое напряжение и, таким образом, гирлянда изоляторов находится под разностью напряжений на траверсе и проводе [8]. При дальнейших

оценочных расчетах пренебрежем последней составляющей и будем считать, что провод находится только под рабочим напряжением, вообще говоря, имеющим случайную фазу. Далее, предположим наиболее опасный и наиболее вероятный случай напряжения, близкого к амплитудному значению с полярностью, противоположной полярности молнии. Исключительно для удобства построения рисунков допустим, что молния имеет положительную полярность. Тогда максимальное напряжение на проводе имеет отрицательную полярность и равно

— 330х = 269 кВ. Для приближенных оценок примем, что напряжение

на проводе в момент разряда молнии составляет -300 кВ.

Вольт-секундная характеристика гирлянды, состоящей из обычных для ВЛ рассматриваемого класса напряжения 18 стеклянных изоляторов, при временах в единицы микросекунд приближается сверху к 1400 кВ [9]. При меньших временах она проходит существенно выше. В любом случае при импульсном перекрытии гирлянды практически скачком на проводе возникнет волна напряжения, равная по отношению к удаленной земле 1400-300=1100 кВ и выше. Дальнейшее развитие перенапряжений на пораженной опоре будет определяться формой и амплитудой тока молнии, а также переходным процессом в самой опоре и проводе, подключенном к ней через искровой канал перекрытия гирлянды. Здесь этот процесс можно не рассматривать, поскольку уже после первых километров пробега по линии вся часть импульса, превышающая напряжение начала короны на проводе (ик),

будет сглажена почти до горизонтального участка со значением равным и\ .

Фазы линий 330 кВ обычно расщеплены на две составляющие с расстоянием между ними 400 мм. Стандартные провода имеют радиус 12 мм. Эквивалентный радиус фаз составляет ~70 мм, а ик примерно равно 400 кВ [10]. Волны с равной и

меньшими амплитудами могут распространяться на многие километры. Далее будем считать, что фазы представляют собой эквивалентные проводники. При учете грозозащитных тросов положим, что они выполнены одиночными проводниками с радиусом примерно 6 мм. Все проводники (фазы и тросы) будем называть проводами ВЛ и нумеровать их от 1 до 5 (рис. 1).

Рис. 1. Схемы расположения и нумерация проводов и тросов ВЛ

Самая грубая оценка длительности фронта в месте поражения может быть выполнена из следующих соображений. Идеальный источник тока подключен к вершине опоры. Суммарная индуктивность участка опоры от вершины до гирлянды с дополнительными 4 метрами искры от траверсы до провода составляет ¿«(10^20) мкГн. Волновое сопротивление провода (в обе стороны от гирлянды) равно Л=350/2=175 Ом. Постоянная времени т=ЫЯ составит от 0.057 мкс до 0.11 мкс.

Теперь можно определить форму и амплитуду волны, распространяющейся от места удара молнии к подстанции. Для более четкого выявления процессов в первые моменты времени примем косоугольную форму волны в месте удара, то есть будем считать, что фронт имеет постоянную крутизну до некоторого момента Тф, определяющего длительность фронта, а далее напряжение не изменятся. Будем

считать, что фронт имеет длительность Тф = 0.1 мкс. Поскольку задача при

напряжениях ниже коронного порога является линейной и можно использовать принцип наложения, будем считать, что скачок напряжения в месте удара молнии происходит не от -300 кВ до +400 кВ, а от нуля до +700 кВ. Последнее число и является расчетной амплитудой волны в месте удара молнии.

Следует отметить, что при сделанных допущениях параметры волны на проводе не зависят от формы и амплитуды исходного тока молнии, поражающего опору ВЛ.

Погонные продольные и поперечные параметры линии. Расчеты выполнялись частотным методом. Применялось интегральное преобразование Фурье по Карсону (отличающееся от обычного преобразования по Лапласу множителем]ш). Частотная характеристика напряжения с косоугольным фронтом как функции круговой частоты а имеет вид [11]:

где ит (0) — амплитуда волны в месте поражения линии (х=0).

Учитывая линейность задачи, примем ит (0) =1.

Обратное преобразование Фурье для перехода от вещественных частей частотных характеристик напряжения на 7-м проводе линии к временным зависимостям (на текущем расстоянии х) в этом случае имеет вид:

2 ^ ‘ t и (Г, х) = — [ Яе[и (С х)]-йа . (2)

В частотной области продольные сопротивления проводов определяются формулами, описанными в [4]. В настоящей работе они повторены для связанности изложения. При заданной круговой частоте С сопротивления определяются как сумма трех составляющих. Обозначим матрицу этих сопротивлений через Z:

Z = ■ L + Z( ПР) + Z(З), (3)

где Ь =-N — квадратная матрица собственных и взаимных индуктивностей

линии без потерь; в матрице N элементы вычисляются как N = АЦп

; Z( ш)— диагональная матрица собственных сопротивлений

многожильных витых проводов с учетом магнитных потоков, проникающих в эти провода; Z(З) — квадратная матрица собственных и взаимных вносимых сопротивлений, вызванных изменением геометрии поля, проникающего в проводящий грунт.

Для проводов линии электропередачи можно принять осесимметричное распределение плотности тока внутри проводов даже для расщепленных фаз. При этом внутреннее сопротивление провода будет:

2 (ПР) = тр..1 о(тг). ^ (4)

где г — радиус эквивалентного 1-го провода; ^ =1-4-1.7 — поправочный коэффициент, учитывающий многожильную структуру витых проводов;

— волновое число материала провода; 70, ^ — функции Бесселя

первого рода нулевого и первого порядка.

Численное значение =1.6 для фазных проводов было подобрано из

условия совпадения активного сопротивления на частоте 50 Гц с паспортными данными для провода АС-300 равного 0.1 Ом/км.

При относительно высоких частотах / > 30 кГц, формула (4) переходит в следующее выражение:

Далее, для фазы, состоящей из двух проводов, комплексное сопротивление, рассчитанное по (4) или (5), просто делилось на 2. Коэффициенты матрицы Z( З), имеют вид:

В (6) для однослойной земли и при пренебрежении токами смещения в грунте получено выражение:

В [4] дано более общее решение для двухслойной земли с учетом токов смещения в грунте:

11 = 1^ +-1 + С (/0^0 _/1^1)

12 = + + С (/0£0 _ /2^2 )

где Н и Н ■ — высоты подвеса 7-го и /-го проводов (рис. 1, б); Ъ^ — расстояние между проводами по горизонтали (рис. 1, б); й — толщина верхнего слоя; рх,/ — удельное сопротивление, магнитная проницаемость и диэлектрическая постоянная грунта в верхнем слое; рг ,/2 ,£2 — удельное сопротивление, магнитная проницаемость и диэлектрическая постоянная остального грунта.

Пока примем грунт однослойным с удельным сопротивлением р=10000 Омом.

В диапазоне исследуемых частот (10 МГц и ниже) электрическое поле практически не проникает в грунт, потенциал поверхности земли можно принять равным нулю и поперечные емкостные параметры многопроводной линии можно определять по формулам электростатики. Соответственно, матрицы потенциальных коэффициентов А и проводимостей на землю Y рассчитываются по формулам:

A = N; Y = J/аA_1. (9)

Параметры волновых каналов ВЛ. В дальнейшем напряжения на фазных проводах и тросах относительно земли будем называть общим термином фазные напряжения. Составляющие напряжений, распространяющиеся по всем (или нескольким) проводам с одной скоростью, назовем напряжениями в волновых каналах.

Матричное уравнение для фазных напряжений на проводах будет [12]:

где — комплексная, несимметричная, характеристическая матрица «-го

порядка (п — число проводов) , все коэффициенты которой сложным образом зависят от частоты; U — вектор напряжений на проводах.

Диагонализируя эту матрицу, то есть, выполняя преобразование вида

где W — квадратная матрица собственных векторов (СВ) матрицы ZY, а Л — диагональная матрица собственных значений (СЗ) матрицы ZY, можно систему (10) разделить на п независимых уравнений:

d^WIjj] = л. W. U(«)], или d!UM = A. U j), (11)

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

где индекс s означает, что напряжения относятся к одному из n волновых каналов.

Тогда напряжение на проводах в точке х будет:

Ща, x) = W-eiAx- W-1 • Uj«,0) , (12)

где e — экспонента от диагональной матрицы VAx , у которой на диагонали

расположены экспоненты от соответствующих величин x с вещественной

частью больше нуля, а все остальные элементы равны нулю.

Рассмотрим варианты линий с симметричным относительно опоры расположением фазных проводов и тросов, что позволяет наиболее четко выяснить физику процесса деформации волн в многопроводной линии. В первом варианте это трехпроводная линия в габаритах ВЛ 330 кВ с горизонтальным расположением проводов без тросовой защиты. Средняя высота подвеса проводов принята 13 м. Расстояние между фазами — 8 м. Общая ширина линии 16 м. Нумерация фазных проводов указана на рис. 1, а. Линию по всей длине считаем однородной. Влияние возможных транспозиций и изменения геометрии расположения проводов на рассматриваемом участке от 0 до текущего значения х не учитываем.

Все дальнейшие расчеты выполнены с использованием стандартной программы EVCCG поиска СЗ и СВ комплексной матрицы общего вида из библиотеки математических программ IMSL системы программирования Visual Fortran.

Вообще говоря, собственные векторы матрицы ZY являются комплексными величинами. Однако мнимые части на несколько порядков меньше вещественных на любой частоте. Вещественные части остаются примерно постоянными в очень широком диапазоне частот.

На частоте 10 кГц собственные вектора характеристической матрицы трехпроводной линии приведены в табл. 1 [6].

Собственные вектора характеристической матрицы трехпроводной линии с симметричным относительно оси опоры расположением проводов

Номер провода 1 канал 2 канал 3 канал

1 0.574 -0.707 -0.381

3 0.574 0.707 -0.381

Все СВ определяются с точностью до произвольного множителя. Соотношения между напряжениями в разных каналах определяются только начальными условиями в точке х=0, поэтому о доле, вносимой каждым каналом в общий результат, можно говорить только после расчетов по выражению (12) или после перехода к функциям времени по (2).

Однако соотношения напряжений внутри каждого канала полностью определяются табл. 1. Из неё видно, что в первом канале все напряжения примерно равны, имеют один знак и определяют канал «все провода — земля». Это канал, симметричный относительно оси опоры.

Во втором канале напряжения на крайних проводах равны друг другу по абсолютной величине и противоположны по знаку. На среднем проводе

напряжение равно нулю. Это канал «провод — провод крайние». Канал, полностью несимметричный относительно оси опоры.

Наконец третий канал определяет составляющую напряжений, имеющую один знак на крайних проводах и противоположный на среднем проводе. Это канал «два крайних провода — средний провод». Канал, симметричный относительно оси опоры.

Собственные значения существенно зависят от частоты и определяют постоянные распространения по формуле:

где — составляющие вектора Л; аз — коэффициенты, определяющие затухание волн при продвижении по х; У5

в волновых каналах; с — скорость распространения волн в вакууме. В данной работе принято, что с точно равно 300 м/мкс.

Волны напряжений в функции частоты. Напряжения в каждом волновом канале, в свою очередь, можно разложить на составляющие напряжения на всех фазных проводах (и тросах). При распространении синусоидальной волны в каждом канале изменение напряжения на каждом из проводов будет:

и8и—х) = в-» -ЦХ—О) = в^х • в-и8и—0); ^ > о, (14)

Второй экспоненциальный множитель в (14) при переходе к функциям времени определяет запаздывание волн, у которых аргумент имеет вид из( — X / ), а первый дает затухание на длине х.

Пусть пробег волны по однородной линии составляет 5000 м. Это больше, чем обычная длина подходов к подстанции. Влияние тросов на подходе пока не учитываем. Дополнительное запаздывание сигнала по сравнению со скоростью света в вакууме (Ас = 5000/300 = 16.666 мкс) на разных частотах и в разных

волновых каналах 5000) для рассматриваемой линии приведено в табл. 2. Там же дано затухание амплитуд синусоидального сигнала для всех каналов

ит 5и—,5000)/ит 5и—,0) = е-у-5000.

Параметры распространения синусоидальных сигналов в трехпроводной линии

1 канал 2 канал 3 канал

/ (Гц) А1 5000 (мкс) в—У15000 Ак 5000(мкс) в-У25000 А3 5000(мкс) в—У3 5000

102 12.9 1.00 1.20 1.00 1.13 1.00

103 10.6 0.99 0.56 1.00 0.37 1.00

104 8.21 0.90 0.35 0.99 0.13 0.99

105 5.79 0.36 0.29 0.97 0.05 0.97

106 3.43 — 0.25 0.81 0.03 0.93

107 1.54 — 0.18 0.03 0.02 0.72

Из табл. 2 видно, что дополнительное запаздывание сигнала уменьшается с ростом частоты. Это объясняется тем, что с увеличением частоты происходит все большее вытеснение поля из земли, уменьшается эквивалентная глубина обратного тока в земле и уменьшаются индуктивности контуров «провод -земля». Система «линия — земля» с конечной проводимостью приближается к системе «провода — идеально проводящая земля», в которой все скорости равны скорости света. Интенсивное затухание сигналов в первом канале начинается с частоты 100 кГц. На частотах 1 МГц и выше в канале «все провода — земля» волна полностью затухает на длине линии в единицы километров. В междупроводных каналах затухание намного слабее. Во втором канале вплоть до частоты 100 кГц, а в канале «крайние провода — средний провод» до частоты 1 МГц сигнал распространяется на длину линии 5 км практически без потерь. При этом на высоких частотах дополнительное запаздывание составляет от 0.25 мкс до 0.02 мкс при общем времени пробега почти 17 мкс.

Напряжения в функции времени. Рассматриваем несимметричный вариант — обратное перекрытие на крайнем (для определенности — первом) проводе. Результаты расчетов деформации волн даны на рис. 2. Приведены напряжение в начале линии на первом проводе, а также в трех волновых каналах на всех проводах, и суммарные напряжения после пробега 5 км. С контрольной целью напряжение вначале линии вычислялось по (2) как интеграл от вещественной части (1). Для точного воспроизведения резкого перелома в кривой напряжения при 1=0.1 мкс и горизонтального участка при относительно больших временах оказалось необходимым вычислять (2) в диапазоне частот от 100 Гц до 100 МГц, хотя при частотах выше 1 МГц, вообще говоря, нужно переходить к более точным решениям, чем (6). При этом влияние земли ослабляется и потери уменьшаются. В спектре напряжений после пробега нескольких километров такие частоты отсутствуют. Поэтому можно считать, что для выбранной модели линии этот диапазон частот допустим, и приводит к некоторому запасу по оценке предельной крутизны фронтов волн, набегающих с ВЛ. Напряжения на втором и третьем изолированных проводах при х=0 определяются через электромагнитные коэффициенты связи и очень близки к конечной части последнего левого изображения на рис. 2.

Для наглядности все волны в конце рассматриваемых участков линий сдвинуты на время распространения сигнала со скоростью света в вакууме. Для 5 км этот сдвиг составляет 16.666 мкс.

Все дальнейшие рисунки показаны в двух масштабах: в относительно большом диапазоне времен (0^20) мкс, а также в течение первой микросекунды (одном случае первых 5 микросекунд).

Из рис. 2 видно, что фронты волн на всех проводах в канале «все провода -земля» интенсивно сглаживаются. При р=10000 Ом-м через 5 км они дополнительно запаздывают более, чем на 4 мкс, а длительность фронтов составляет около 8 мкс. Амплитуда волн близка к половине исходной волны. На правом рисунке этот канал отсутствует.

Третий канал на крайних проводах по амплитуде составляет +0.1, а на среднем проводе -0.2 от амплитуды волны на первой фазе. Дополнительное запаздывание затухание в этом канале практически отсутствуют даже при р=10000 Омм.

Суммарное напряжение на пораженном проводе имеет характерную ступень, вызванную запаздыванием волн в первом канале, а на остальных проводах отрицательные выбросы, описанные в ряде публикаций, например в [2].

В целом можно отметить, что на расстоянии 5 км от места удара молнии (и обратного перекрытия на крайний провод) волна напряжения будет иметь амплитуду, равную примерно половине от исходной волны, то есть около 350 кВ.

Устройство защиты от атмосферных перенапряжений – конструкция, механизм действия

Устройство защиты от атмосферных перенапряжений (УЗПН) способствует предохранению самонесущего изолированного провода (СИП) от пережога и воздушной линии (ВЛ) от перенапряжений, что может быть следствием атмосферных явлений во время грозы (молнии).

Устройство защиты от атмосферных перенапряжений (УЗПН) способствует предохранению самонесущего изолированного провода (СИП) от пережога и воздушной линии (ВЛ) от перенапряжений, что может быть следствием атмосферных явлений во время грозы (молнии). Такие устройства используется, когда речь идет об электросетях переменного тока с номинальным напряжением от 6 до 35 кВ.

• Ограничителя перенапряжений нелинейного (ОПН). Это аппарат защиты, наделенный герметичным корпусом, который выполнен из специального полимера и содержит последовательно соединенные варисторы. Его крепеж осуществляют на опорные конструкции ЛЭП.
• Искровой промежуток (ИП). Внешний воздушный промежуток, разделяет электроды в установках высокого напряжения. Защищает изоляцию от перенапряжений и воздействия электрической дуги.
• Комплект арматуры, посредством чего осуществляется монтаж устройства и его подключение к ЛЭП.

Технические характеристики устройства защиты от перенапряжения УЗПН:

Основное предназначение УЗПН – защита электрооборудования высоковольтных линий и приёмных устройств, подключенных к ВЛ от больших импульсов (скачков) в электрических сетях из-за грозовых разрядов, ударов молнии в непосредственной близости от ЛЭП. Также устройство предотвращает коммутационное перенапряжение.

Среди основных характеристик данных устройств:

• класс напряжения сети;
• длина ИП;
• способность рассеивать энергию;
• наиболее длительно допустимое рабочее напряжение;
• остающееся напряжение при грозовых импульсах;
• импульсное 50%-ное разрядное напряжение.

В зависимости от этих характеристик могут быть разные виды УЗПН.

Принцип установки конструкции

Данные аппараты размещают по одному на каждую промежуточную или анкерную опору, меняя фазы в шахматном порядке. Если есть необходимость, то на каждую опорную конструкцию могут установить по три УЗПН – по одному на фазу с шагом в два пролёта. Такой вариант особенно рекомендован при защите следующих объектов:

• ВЛЗ 6-35 кВ с пролётами свыше 80 метров.
• Локальных объектов на ЛЭП.
• Особо ответственных ВЛ и линий с крайне высокими сопротивлениями заземления опор.

Монтаж включает в себя и установку ИП соответствующих параметров. Все работы необходимо выполнять, следуя «Руководству по эксплуатации» и ПУЭ (правилам устройства электроустановок) с соблюдением необходимых мер безопасности. Способ монтажа также необходимо выбирать, ориентируясь на напряжение ЛЭП и тип изоляторов на опоре.

Особенности УЗПН

Механизм действия устройства защиты от атмосферных перенапряжений основан на том, что проводимость варисторов находится в тесной зависимости от приложенного напряжения. Если перенапряжение отсутствует, то ОПН ток не пропускает. А когда в электросети возникает перенапряжение, то снижается сопротивление ограничителя и включается в работу эффект защиты.

Самое главное отличие УЗПН от других электроустановок, направленных на решение тех же задач – высокие защитные свойства, позволяющие защищать провода, не отключая ВЛЗ. Помимо этого, устройство прекрасно работает при наличии различных загрязнений и полном замыкании ИП в результате внешнего воздействия (гололёда, дерева, упавшего на линию и так далее). Повреждённый аппарат легко обнаружить и заменить. Исключается возможность выхода из строя электрических сетей на долгое время.

Устройство от перепадов напряжения защищает от импульсов грозовых разрядов как бытовое, так и промышленное оборудование. Грозовой разряд не сможет нанести серьёзный ущерб, если оно будет подключено. УЗПН предотвращает аварийные ситуации и воспламенение, защищает от короткого замыкания и пробоев изоляции и отвечает за безопасную эксплуатацию опор, изоляторов, подвесок и других элементов ЛЭП.

Устройства, схожие с механизмом действия УЗПН, давно применяются в разных странах. Сейчас их массово применяют и в отечественных энергосистемах. Производятся российские аналогии, благодаря которым грозозащита стала надежной и доступной. Такие устройства являются механически прочными и взрывобезопасными, а их срок службы составляет более 30 лет. Они долговечны, устойчивы к атмосферным воздействиям и необходимы для поддержки стабильного электроснабжения.