Какие грозозащитные тросы защищают наши ЛЭП?
В последнее время к надежности грозозащиты ВЛ 110 кВ и выше предъявляются все более высокие требования, обусловленные множеством недостатков канатов типа ТК и С, применявшихся ранее в качестве грозозащиты.
Основным недостатком оцинкованных канатов принято считать их низкую коррозионную стойкость. Согласно статистике ПАО «Россети», из-за коррозии происходит около 40% всех отключений, связанных с грозозащитными тросами. Нельзя не отметить ещё один существенный недостаток оцинкованной стали, а именно, низкую стойкость к высоким температурам. Перегрев оцинкованного каната неизбежно приводит к разрушению цинкового покрытия, допустимая температура которого, согласно СТО 56947007-29.060.50.015-2008, не должна превышать 350 ºС.
Производители современных тросов для защиты ВЛ от атмосферных перенапряжений пытаются улучшить эксплуатационные характеристики существующих оцинкованных тросов.
На сегодняшний день целесообразно рассматривать два наиболее используемых типа грозотросов, которые должны устранить недостатки оцинкованных тросов: уплотненные конструкции с применением низкоуглеродистой стали с нанесенной на поверхность смазкой и грозозащитные тросы из стали, плакированные алюминием.
Рассмотрим детально обе конструкции. Технология компактирования, по которой изготавливаются тросы МЗ, действительно позволяет лучше заполнить пустоты троса и увеличить тем самым сечение металла при одном и том же диаметре. Добавленное сечение несколько снижает электрическое сопротивление троса при увеличении веса. Полагая, что применённые технологические решения делают оцинкованный трос в своем роде уникальным изделием, производители поднимают планку надежности, не всегда осознавая реальные нагрузки, которым подвергается трос во время эксплуатации. Так, заявленная стойкость к токам короткого замыкания троса 11,1-Г(МЗ)-В-ОЖ-Н-Р производства ОАО «Северсталь-метиз» составляет 6,64 кА за 1 сек.
Теперь поговорим о тросах из стали, плакированной алюминием. Плакирование — метод нанесения тонкого защитного слоя металла на поверхность другого металла, в данном случае алюминия на стальную проволоку, при котором происходит холодная сварка металлов за счет большой сдавливающей силы. Главной особенностью этого метода является взаимная диффузия между атомами металлов на глубину до 5 мкм.
Технология плакирования позволяет создать на поверхности стальной проволоки слой алюминия, который одновременно будет нести антикоррозионную функцию и в несколько раз снижать электрическое сопротивление, так как сечение алюминия может быть от 13% до 62% в зависимости от класса плакированной проволоки. При этом снижение электрического сопротивления за счет алюминия является бесспорным.
В лабораториях НТЦ «ФСК ЕЭС» нами были проведены сравнительные испытания оцинкованного троса 11,1-Г(МЗ)-В-ОЖ-Н-Р и троса, плакированного алюминием ГТК20-0/70-11,1/87 на стойкость к воздействию токов короткого замыкания. Имеются все протоколы испытаний.
Согласно требованиям СТО 56947007-29.060.50.015-2008, при протекании токов короткого замыкания оцинкованные тросы не должны нагреваться свыше 350°С, а тросы, плакированные алюминием, не более 300°С. Согласно методике расчетов температура троса 11,1-Г(МЗ)-В-ОЖ-Н-Р при протекании тока 6,64 кА за 1 сек должна составить 600°С, троса ГТК20-0/70-11,1/87 при 6,4 кА/сек — 300°С.
Проведенные исследования показали, что при протекании тока 6,64 кА за 1 сек температура троса 11,1-Г(МЗ)-В-ОЖ-Н-Р составила более 580°С. Следствием нагрева троса до критических температур стало моментальное воспламенение смазки на поверхности троса.
Почерневшая поверхность троса после испытаний заставляет задуматься о дальнейшей пригодности троса к эксплуатации.
Известно, что температура плавления цинка 419°С, а при температуре 450°С цинк на поверхности стали становится рыхлым и легко спадает. Собственно, этот эффект и проявился в виде белого порошка на поверхности троса после завершения цикла испытаний
Абсолютно иная ситуация складывается при испытании ГТК. За счет вдвое большей электропроводности, чем у оцинкованного троса, при протекании токов КЗ нагрев троса составил 224°С, что не превышает допустимых значений. Такой незначительный нагрев не привел ни к потемнению поверхности троса, ни к разрушениям защитного алюминиевого слоя. Во время испытаний полностью отсутствовали признаки экстремального перегрева, такие как потемнение поверхности троса или его воспламенение.
Выводы
Можно долго рассуждать по поводу того, станет ли подобное короткое замыкание фатальным для оцинкованного троса, если оно произойдет в реальных условиях. Однозначно можно сказать только то, что никому не хотелось бы видеть открытое пламя на своих линиях, где бы они не проходили: в лесной, степной или городской зоне. Можно, конечно, заявлять, что в ходе проведенных испытаний полного разрушения троса не произошло, но вопрос дальнейшей его эксплуатации остается открытым.
На наш взгляд, ответом на этот вопрос может стать проведение исследований коррозионной стойкости грозотросов после нагрева токами КЗ Если после такого воздействия трос подтвердит свою работоспособность хотя бы в течение 30-40 лет, то его можно, считать надежным. Данные сравнительные исследования мы обязательно проведем на отобранных после КЗ образцах и опубликуем их.
Не нужно забывать, что кроме КЗ на грозозащитные тросы в реальных условиях эксплуатации действуют вибрации, разряды молнии и атмосферные загрязнения в виде щелочей и кислот. О стойкости применяемых сегодня тросов к этим факторам и остаточном ресурсе после воздействия нам также ничего не известно. По тараемся провести и такие исследования и опубликовать их.
Руководитель службы по продажам грозотросов и термостойких проводов ООО «ЭМ-КАБЕЛЬ» Д.Р. Зотов
ГРОЗОТРОС (Грозозащитные тросы воздушных линий электропередачи)
Для защиты высоковольтных линий электропередачи от разрушительного воздействия атмосферных перенапряжений (разрядов молний), над проводами линий подвешивают специальные грозозащитные тросы.
Данные тросы служат своего рода протяженными молниеотводами, количество которых зависит от нескольких факторов: от класса напряжения линии, от сопротивления окружающего опору грунта, от места установки опоры и от количества подвешенных на ней проводов. В зависимости от расстояния между тросом и ближайшим защищаемым проводом (в зависимости от так называемого угла защиты), вычисляют и соответствующую высоту подвеса троса на опоре.
Если напряжение высоковольтной линии находится в диапазоне от 110 до 220 кВ, при этом опоры на линии деревянные, либо напряжение на линии составляет 35 кВ, независимо от типа опор, то грозозащитные тросы устанавливают лишь на подходах к подстанциям. На линиях со стальными либо железобетонными опорами, напряжение на которых от 110 кВ и более, стальные тросы подвешивают вдоль всей линии.
В качестве материала троса используется либо сталь, либо алюминий и сталь (алюминиевый провод со стальным сердечником). Типичный грозозащитный трос изготовлен из стальных оцинкованных проволочек, а его поперечное сечение составляет от 50 до 70 мм. Когда такой трос подвешен на изоляторах, в момент разряда молнии ее ток направляется в землю через установленный на изоляторе искровой промежуток.
В былые времена любой защитный трос всюду глухо заземлялся на каждой из опор, в результате возникали существенные потери электроэнергии, особенно заметно это было на линиях сверхвысоких напряжений. Заземление защитных тросов сегодня выполняется не только через опоры, но и, как отмечалось выше, через искровые промежутки.
Так, на линиях напряжением 150 кВ и меньше, если отсутствует плавка гололеда или канал высокочастотной связи на тросе, изолированный монтаж троса выполняют только на металлических и железобетонных анкерных опорах. Крепление же тросов на всех опорах напряжением от 220 до 750 кВ выполняется на изоляторах, при этом непосредственно тросы шунтируются искровыми промежутками.
Процесс монтажа грозозащитных тросов подобен монтажу самих проводов. Присоединяют тросы, как правило, стальными прессуемыми соединителями. На высоковольтной линии напряжением меньше 110 кВ трос крепится прямо к опоре сцепной арматурой без какого-либо изолятора. У линии напряжением от 220 кВ (высокого и сверхвысокого класса) трос крепится к опорам через подвесные изоляторы, как правило, стеклянные, которые и шунтируются искровыми промежутками. На каждом анкерном участке у одной из анкерных опор выполняется заземление троса.
В большинстве своем работы по монтажу проводов и тросов связаны с подъемами на опоры. На высоковольтных линиях напряжением до 10 кВ монтажники поднимаются на опоры, как правило, с помощью монтажных когтей (лазов) и поясов. На линиях более высокого класса напряжений широко используются гидроподъемники и телескопические вышки.
С 1 июля 2009 года при возведении новых и реконструкции старых высоковольтных линий, предприятия МРСК и ПАО «ФСК ЕЭС» в качестве защиты от прямых ударов молнии применяют стальные канаты марки МЗ-В-ОЖ-Н-Р, выполненные по СТО 71915393-ТУ 062—2008 и грозотросы марки ГТК по ТУ 3500-001-86229982-2010.
Исследования показали, что сами тросы, будучи подвешены на изоляторах, могут быть использованы для передачи небольшой электрической мощности, а также для высокочастотной связи. В последние годы уже можно встретить грозозащитные тросы со встроенными волоконно-оптическими кабелями. Это выходит дешевле чем прокладывать кабель под землей, тем более с учетом последующего его обслуживания.
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЛЭП 110-220 КВ БЕЗ ГРОЗОТРОСА И С ОДНИМ ГРОЗОТРОСОМ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»
ЛИНИЯ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ / ОДНОФАЗНОЕ КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ / СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ / СИММЕТРИЧНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ / ФАЗНЫЕ КООРДИНАТЫ / СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ / УДЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ / ЕМКОСТЬ / ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ / ГРОЗОЗАЩИТНЫЙ ТРОС
Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Панова Евгения Александровна, Новиков Иван Витальевич, Сабирова Регина Радиковна
Поскольку промышленные системы электроснабжения характеризуются сравнительно короткими линиями 110-220 кВ, высокой плотностью нагрузки и преобладанием разомкнутых участков сети над замкнутыми, а существующие модели ЛЭП и алгоритмы ОМП ориентированы на моделирование сетей энергосистем, в связи с чем не позволяют достаточно точно установить место возникновения КЗ в условиях системы промышленного электроснабжения, поэтому актуальным является совершенствование методов дистанционного ОМП. Существующие методы моделирования не дают достаточной точности результатов в сетях промышленного электроснабжения 110-220 кВ. Поэтому актуальным является сравнение способов моделирования воздушных линий электропередач без грозотроса и с одним грозотросом. В работе были рассмотрены три метода моделирования: метод симметричных составляющих , метод расчета по справочным данным и метод расчета с помощью комбинированной схемы замещения. Каждый из рассмотренных методов обладает своими недостатками и преимуществами. Представленная комбинированная схема замещения сочетает в себе достоинства методов фазных координат и симметричных составляющих . Это позволяет учесть несимметрию расположения проводов, а также с помощью этого метода возможен расчет опоры ЛЭП любой конфигурации и любыми проводами. В ходе расчета был проведен анализ на примере двух опор П110-3В+4 без троса и АМ110-3Ф4 с 1 тросом с различным сечением проводов. Результаты расчета с помощью комбинированной схемы замещения дали величины по прямой последовательности, идентичные с полученными другими методами. Наибольшее отличие параметров одноцепной ЛЭП получилось при использовании проводов сечением 240 мм2. Рассчитанная с помощью комбинированной схемы замещения емкость нулевой последовательности отличается от вычисленной другими методами примерно в 2 раза.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Панова Евгения Александровна, Новиков Иван Витальевич, Сабирова Регина Радиковна
УЧЕТ ЕМКОСТНОЙ ПРОВОДИМОСТИ НЕСИММЕТРИЧНОЙ ОДНОЦЕПНОЙ ЛЭП С ГРОЗОТРОСАМИ
КОМБИНИРОВАННАЯ СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ ДВУХЦЕПНОЙ ЛЭП С ДВУМЯ ГРОЗОТРОСАМИ
ПРОДОЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ОДНОЦЕПНОЙ ЛЭП С ДВУМЯ ГРОЗОЗАЩИТНЫМИ ТРОСАМИ В ЗАДАЧЕ ДИСТАНЦИОННОГО ОМП
Применение метода фазных координат для моделирования линий электропередачи систем промышленного электроснабжения
Уточненные удельные электрические параметры двухцепных ЛЭП 110 кВ для дистанционного определения места повреждения
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
COMPARATIVE ANALYSIS OF MODELS FOR CALCULATING ELECTRICAL PARAMETERS OF 110-220 KV TRANSMISSION LINES WITHOUT A LIGHTNING ROD AND WITH ONE LIGHTNING ROD
Since industrial power supply systems are characterized by: relatively short 110-220 kV lines, high load density and the predominance of open network sections over closed ones. And the existing models of power transmission lines and algorithms of faulty faults are focused on modeling networks of power systems and therefore do not allow to accurately determine the location of the occurrence of a short circuit in the conditions of an industrial power supply system. Therefore, it is important to improve the methods of remote WMD. Existing modeling methods do not provide sufficient accuracy of results in 110-220 kV industrial power supply networks. Therefore, it is relevant to compare the methods for modeling overhead power lines without a ground wire and with one ground wire. Three modeling methods were considered in the work: the method of symmetrical components, the method of calculation using reference data and the method of calculation using the combined equivalent circuit. Each of the considered methods has its own advantages and disadvantages. The presented combined equivalent circuit combines the advantages of the methods of phase coordinates and symmetrical components. This allows you to take into account the asymmetry of the location of the wires, as well as using this method, it is possible to calculate the support of a power transmission line of any configuration and any wires. During the calculation, an analysis was carried out on the example of two supports P110-3V + 4 without a cable and AM110-3F4 with 1 cable with different wire cross-sections. The analysis showed that the combined equivalent circuit is accurate, since when calculating the electrical parameters of power lines of a direct sequence of active and inductive resistances, I coincide with the results obtained with other methods of modeling power transmission lines. The greatest difference in the parameters of a single-circuit transmission line was obtained when using wires with a cross section of 240 mm2, the zero-sequence capacitance calculated using the combined equivalent circuit differs from that calculated by other methods by about 2 times.
Текст научной работы на тему «СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЛЭП 110-220 КВ БЕЗ ГРОЗОТРОСА И С ОДНИМ ГРОЗОТРОСОМ»
УДК 621.3 https://doi.org/10.18503/2311-8318-2022-4(57)-36-41
Панова Е.А., Новиков И.В., Сабирова P.P.
Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова
Сравнительный анализ методов расчета электрических параметров ЛЭП110-220 кВ
без грозотроса и с одним грозотросом
Поскольку промышленные системы электроснабжения характеризуются сравнительно короткими линиями 110-220 кВ, высокой плотностью нагрузки и преобладанием разомкнутых участков сети над замкнутыми, а существующие модели ЛЭП и алгоритмы ОМП ориентированы на моделирование сетей энергосистем, в связи с чем не позволяют достаточно точно установить место возникновения КЗ в условиях системы промышленного электро-снабжения, поэтому актуальным является совершенствование методов дистанционного ОМП. Существующие методы моделирования не дают достаточной точности результатов в сетях промышленного электроснабжения 110220 кВ. Поэтому актуальным является сравнение способов моделирования воздушных линий электропередач без грозотроса и с одним грозотросом. В работе были рассмотрены три метода моделирования: метод симметричных составляющих, метод расчета по справочным данным и метод расчета с помощью комбинированной схемы заме -щения. Каждый из рассмотренных методов обладает своими недостатками и преимуществами. Представленная комбинированная схема замещения сочетает в себе достоинства методов фазных координат и симметричных составляющих. Это позволяет учесть несимметрию расположения проводов, а также с помощью этого метода возможен расчет опоры ЛЭП любой конфигурации и любыми проводами. В ходе расчета был проведен анализ на примере двух опор П110-3В+4 без троса и АМ110-3Ф4 с 1 тросом с различным сечением проводов. Результаты расчета с помощью комбинированной схемы замещения дали величины по прямой последовательности, идентичные с полученными другими методами. Наибольшее отличие параметров одноцепной ЛЭП получилось при использовании проводов сечением 240 мм . Рассчитанная с помощью комбинированной схемы замещения емкость нулевой последовательности отличается от вычисленной другими методами примерно в 2 раза.
Ключевые слова: линия электропередачи, однофазное короткое замыкание, система электроснабжения, симметричные составляющие, фазные координаты, схема замещения, удельное сопротивление, емкость, определение места повреждения, грозозащитный трос
Одними из наиболее частых видов повреждения в сети с эффективно заземленной нейтралью являются однофазные короткие замыкания. Успешное и быстрое устранение такого повреждения и восстановление нормальной схемы системы электроснабжения возможно только при точном определении места повреждения. Исключение составляют случаи, когда однофазное короткое замыкание было ликвидировано действием режимной автоматики. Фактическое определение места повреждения затрудняется в связи с переходом со стеклянных изоляторов ЛЭП на полимерные. Повреждение на полимерном изоляторе можно обнаружить только при подъеме на опору линии электропередачи. Это существенно увеличивает сроки обнаружения места повреждения. Все это в целом сказывается на надежности системы электроснабжения и питания потребителей. Даже в системах промышленного электроснабжения при сравнительно небольшой длине линии электропередачи напряжением 110 кВ обнаружение и ликвидация повреждения может занимать до 8-10 часов. При этом следует отметить, что существующие методики дистанционного определения места повреждения ориентированы в основном на сети энергосистем. Такие сети характеризуются протяженными линиями электропередачи напряжением 110 кВ и выше и сложнозамкнутым характером сети. Системы же промышленного электро-
© Панова Е.А., Новиков И.В., Сабирова P.P., 2022
снабжения характеризуются высокой концентрацией нагрузки, сравнительно короткими линиями электропередачи напряжением 110 кВ и преобладанием разомкнутых участков сети над замкнутыми.
Для дистанционного определения места повреждения на линиях электропередачи применяются различные подходы. Так, авторами [1] предложена алгоритмическая модель линии электропередачи, которая позволяет оценить некоторые параметры, моделируемые ЛЭП по известным наблюдаемым параметрам режима на участке сети с двусторонним питанием. Похожий подход использован авторами в работе [2] для определения места повреждения в сети с многосторонним питанием. Авторы предлагают использовать для дистанционного места повреждения терминалы локации Бреслер. В работе [3] авторы предлагают специальное реле сопротивления, работа которого основана на принципе нейронных сетей, для обнаружения места повреждения. Следует отметить, что предложенные в данных работах подходы для дистанционного места определения места повреждения требуют установки дополнительного аппаратного обеспечения на линиях электропередачи. Все это связано с дополнительными затратами, что особенно актуально при большом количестве линий электропередачи 110 кВ на распределительном устройстве подстанции.
Намного с меньшими затратами связаны расчётные методы определения места повреждения по параметрам аварийного режима. Однако точность таких методов будет зависеть от способа задания линии электропере-
дачи и точности задания параметров этой линии [4]. Так, авторы [5] предлагают использовать сочетание волнового метода и нейросетевых алгоритмов. В работе [6] авторами предложена модель ЛЭП в пространстве состояний, разработанная в МАТЬАВ/81шиНпк, которая позволяет анализировать до аварийные и аварийные режимы ее работы и на основе анализа матрицы эквивалентных параметров сети судить о виде и месте возникновения повреждения.
В данной работе представлена комбинированная схема замещения линий электропередачи, ориентированная в первую очередь на сети систем промышленного электроснабжения.
Комбинированная схема замещения
Комбинированная схема замещения объединяет в себе два метода моделирования ЛЭП, что упрощает задачи получения исходных данных для заданного участка линии. Комбинированная схема позволяет моделировать ЛЭП с помощью метода фазных координат, а оставшуюся сеть в симметричных составляющих.
С помощью метода симметричных составляющих достаточно просто выполнить расчеты несимметричных аварийных режимов. Однако он основывается на модели расчётов, которые усредняют расстояния между проводами и тросами, что не позволяет учесть такие факторы, как несимметричное расположение проводников ЛЭП относительно друг друга и грозозащитного провода. Для этого целесообразно использовать метод фазных коор-динат, который предполагает представление эквивалентной схемы любого элемента в виде матрицы 3*3, то есть составление трехфазной схемы замещения.
Для определения места повреждения особое внимание требуется уделять определению отдельных электрических параметров, таких как индуктивность, в том числе взаимная индуктивность, и емкость проводников. В [7] авторы показывают вывод формул для нахождения полного сопротивления для ЛЭП с различным расположением проводящих элементов, с учетом и без учета грозозащитного троса. В работе [8] дано определение емкостной проводимости с помощью комбинированной схемы замещения и показан подробный вывод формул.
Сопротивления ЛЭП по прямой, обратной и нулевой последовательности:
(1АА + ‘1ББ + ¿ОС (1АВ + 1ВС + 1СА )) ;
(1 АА + 1ББ + 1СС + 2 (1АБ + 1 ВС + 1СА )) ,
Современные аспекты повышения грозоупорности линий электропередач
Грозовые перенапряжения на высоковольтных линиях (ВЛ) возникают в результате прямого удара молнии в ВЛ (в опору, в грозозащитный трос, в фазный провод) и в результате действия наведённого напряжения при ударе молнии в объекты вблизи ВЛ (деревья, строения). При этом, на линейной изоляции возникают перенапряжения, приводящие к так называемому перекрытию изоляции по воздуху (перекрытие изоляции). Перекрытие изоляции может привести к возникновению устойчивой силовой дуги – устойчивому короткому замыканию (КЗ) фазы на землю. Ряд методик устанавливает вероятность установления силовой дуги (устойчивое КЗ) немногим менее 1 при импульсном перекрытии изоляции ВЛ 110 кВ в сетях с заземлённой нейтралью [2, с.70]. В результате срабатывает релейная защита и автоматика подстанции (РЗиА ПС), отключающая КЗ на ВЛ. Линия становится обесточенной, а потребители недополучают электроэнергию.
Опыт эксплуатации показывает, что грозовые отключения ВЛ в среднем составляют 10 ÷ 20 % от общего числа автоматических отключений по всем причинам. С ростом класса номинального напряжения число грозовых отключений уменьшается, но их доля (по отношению к отключениям по всем причинам) возрастает на фоне повышения общей надёжности ВЛ. [1, с.154]
Важно обеспечить постоянство подачи электроэнергии потребителю, повысить грозоупорность ВЛ, то есть повысить устойчивость ВЛ к воздействию грозовых перенапряжений.
В ряде проектов за последнее время, в качестве альтернативных методов повышения грозоупорности ВЛ, рассматривается применение ограничителей перенапряжений (ОПН) с одновременным отказом от установки грозозащитных тросов.
В данной статье анализируются основные средства обеспечения грозоупорности ВЛ и предлагается комплексный подход на основе современных достижений и разработок.
Способы повышения грозоупорности ВЛ
Общее представление о долях ударов молнии в точки ① ② ③ (см. Рисунок 1) показано в Таблице 1. [2, c.15]
Таблица 1. Доли разрядов молнии в различные элементы ВЛ
Точка | Место разряда молнии | Грозозащитного троса нет | Грозозащитный трос есть |
① | Фазный Провод | 0,5 | 0,005 |
② | Опора или грозозащитный трос вблизи от опоры | 0,5 | ≈0,5 |
③ | Грозозащитный трос в средней части пролёта | 0 | ≈0,5 |
Итого: | 1,0 | 1,0 |
Самым опасным представляется прямой удар молнии в фазный провод. Волна перенапряжения уходит в сторону ПС, некоторая её часть теряется на потери в короне при пробеге по фазному проводу, происходит перекрытие изоляция фазного провода, что в свою очередь ведёт к возникновению устойчивого КЗ и отключению ВЛ РЗиА ПС, с некоторой степенью вероятности возникновения каждого следующего события.
Из таблицы следует, что установленный на ВЛ грозозащитный трос снижает вероятность удара молнии в фазные провода в сотни раз, тем самым приводя в ряде случаев к серьёзному повышению грозоупорности ВЛ 35 ÷ 750 кВ.
При ударе молнии в опору или грозозащитный трос (заземлённые части ВЛ) перекрытие изоляции может возникнуть вследствие повышения импульсного потенциала на траверсе в месте крепления изолирующей подвески фазного провода к опоре. Такое перекрытие изоляции получило название «обратное перекрытие» – перекрытие с заземлённой части электроустановки на токоведущую.
Критические значения тока молнии, приводящие к перекрытию линейной изоляции, при прорывах молнии на провода невелики. Изоляция ВЛ 110 ÷ 330 кВ перекрывается при амплитуде тока молнии от 3 до 10 кА и выше. Для изоляции ВЛ 500 ÷ 1150 кВ опасен ток молнии от (15 — 35) кА. Практически каждый удар молнии в провод ВЛ 110 кВ вызывает перекрытие изоляции. Опасными при прорывах молнии на провода ВЛ 1150 кВ являются 30 ÷ 40 % разрядов молнии. Таким образом, высокая импульсная прочность линейной изоляции ВЛ 500 ÷ 1150 кВ не обеспечивает их грозоупорности при прорывах молнии на провода. [1, с.145]
Обратные перекрытия возникают при значительно большей амплитуде тока молнии. Например, изоляция ВЛ 110 кВ перекрывается при ударах молнии в опору с током, достигающим нескольких десятков килоампер. При удалении точки удара молнии от опоры к середине пролёта вероятность обратного перекрытия изоляции уменьшается из-за распределения тока молнии между двумя опорами, снижения крутизны тока за счёт потерь на импульсную корону при пробеге по тросу и удалённости канала молнии. [1, с.146]
В качестве основных средств грозозащиты ВЛ используются:
- подвеска заземлённых тросов
- снижение сопротивления заземления опор
- повышение импульсной прочности линейной изоляции
- защита отдельных опор и участков с ослабленной изоляцией
- ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН)
Резервным средством повышения надёжности и бесперебойности работы ВЛ является автоматическое повторное включение (АПВ), в особенности быстродействующее (БАПВ) и однофазное (ОАПВ). Коэффициент успешности АПВ при грозовых отключениях, по данным опыта эксплуатации, для ВЛ 110 ÷ 500 кВ составляет в среднем 0,6 ÷ 0,8, а для ВЛ 750 и 1150 кВ – 0,8 ÷ 0,9. АПВ позволяет частично компенсировать низкую грозоупорность ВЛ при трудностях устройства хороших заземлений и т.п. Однако применение АПВ не должно исключать использование основных средств грозозащиты, так как КЗ снижают ресурс оборудования ПС. [1, с.148]
Подвеска заземлённых тросов – наиболее эффективный и распространённый способ повышения грозоупорности. Расположение тросов относительно проводов должно обеспечить наибольшую эффективность тросовой защиты при преобладающем для данной ВЛ типе грозовых отключений (прорывы или обратные перекрытия). В первом случае снижение вероятности прорыва, достигается уменьшением угла защиты троса (тросов), в том числе подвеской тросов с отрицательным углом защиты, и увеличением расстояния между тросом и проводом по вертикали. Во втором случае вероятность обратного перекрытия уменьшается при увеличении числа тросов, разнесении их на большее расстояние, в том числе при подвеске части тросов под проводами. Перечисленные мероприятия способствуют уменьшению импульсного тока через опору и усиливают электростатическое экранирование проводов тросами. [1, с.148]
Снижение сопротивлений заземления опор ВЛ с тросом является одним из основных средств уменьшения вероятности импульсного перекрытия изоляции при ударе молнии в трос или опору. Исключением являются ВЛ или участки на очень высоких опорах (переходы через реки и т.п.), грозоупорность которых в значительной мере определяется индуктивностью опор. [1, с.149]
В ситуациях с высоким сопротивлением заземления опор, немаловажным преимуществом является использование грозозащитных тросов на основе стальных проволок, плакированных алюминием (рис. 2) марки ГТК, вместо оцинкованных грозозащитных тросов марки МЗ.
Рис. 2. Эскиз грозозащитного троса марки ГТК
Это связано с тем, что сопротивление ГТК значительно ниже сопротивления оцинкованных тросов, что будет способствовать растеканию тока молнии (или КЗ) по соседним опорам и снизит вероятность перекрытия изоляции, а значит и аварийного отключения.
Необходимость в нетрадиционных дополнительных средствах повышения грозоупорности ВЛ возникает тогда, когда эффект повышения грозоупорности ВЛ при применении основных средств (тросы, заземление опор, повышение прочности изоляции) недостаточен или их реализация экономически нецелесообразна.
Дополнительным средством повышения грозоупорности ВЛ могут служить ОПН, устанавливаемые непосредственно на опорах ВЛ. Применение ОПН в дополнение к грозащитным тросам на ВЛ наиболее эффективно в следующих случаях:
- на одной из цепей двухцепной ВЛ, что практически полностью предотвращает грозовые отключения одновременно двух цепей (часто практикуется питание ответственного потребителя по двуцепной ВЛ);
- при высоком сопротивлении заземления опор (вечномёрзлые грунты, горные породы, сухой песок);
- на высоких опорах (переходы через водные преграды). [1, с.150]
Экономические расчёты показывают, что защита всей трассы ВЛ с помощью ОПН без использования грозозащитного троса, обойдется дороже установки (замены на новый) традиционного грозозащитного троса. При такой схеме грозозащиты (нет троса – есть ОПН) ток и энергия, проходящие в ОПН при ударе молнии в ВЛ имеют высокие значения, повышая риск повреждения установленных ОПН. В этом случае необходимо использовать так называемые «тяжёлые» ОПН, с высокими значениями токов пропускной способности (> 1000 А), что в свою очередь влечёт существенное удорожание проекта.
При строительстве и реконструкции ВЛ 110 ÷ 750 кВ массовую установку ОПН на опорах следует рассматривать как дополнительное средство повышения грозоупорности, необходимость в котором должна быть технически и экономически обоснована. [2, с.38]
Контраргументом для установки грозозащитного троса, как правило, является мнение, что при наступлении тяжёлых климатических условий (толстый слой гололёда на проводах, галлопирование и пр.) грозозащитный трос может приблизиться на недопустимо малое расстояние к фазным проводам или при возрастании нагрузок произойти обрыв. Однако при грамотном подходе к проектированию и монтажу такой вариант развития событий видится маловероятным, так как на этапе проектирования должны выполняться соответствующие расчёты, ставящие целью исключить возникновение подобных событий: подбор соответствующей конструкции грозозащитного троса, учитывающий климатические условия и расстояние между опорами, а также механический расчёт (тяжения, стрелы провеса, монтажные таблицы); расчёты на соблюдение допустимых наименьших изоляционных расстояний между грозозащитным тросом и фазными проводами при воздействии различных климатических условий и возникновении пляски; расчёт нагрузок на опоры; расчёт схемы гашения вибраций. Монтаж грозозащитного троса должен вестись в полном соответствии с проектом.
Из материалов VI Всероссийской конференции по молниезащите (г. Санкт-Петербург, 17-19 апреля 2018 г.) можно сделать следующие выводы о результатах применения ОПН без грозозащитных тросов:
- экономическая неэффективность применения ОПН и ухудшение статистики по грозовым отключениям с течением времени;
- выход из строя ОПН при ударе молнии в непосредственной близости от места установки, большое количество отключений вследствие повреждения ОПН первых поколений
- возникновение аварийных ситуаций на ВЛ, вследствие дефектных материалов и ошибок монтажа при установке ОПН.
Таким образом, повсеместная установка относительно дешевых, но маломощных ОПН не приводит к снижению аварийности на ВЛ вследствие грозовых перенапряжений, а установка мощных, но дорогостоящих ОПН на каждой опоре и всех фазных проводах является экономически неэффективной. Только комплексная защита ВЛ с применением грозозащитных тросов и точечной установки ОПН в наиболее критичных пролетах приводит к минимально возможным показателям по грозовым отключениям с приемлемой экономической эффективностью.
Удар молнии в грозозащитный трос и фазный провод
В СТО 56947007-29.060.50.015-2008 «Грозозащитные тросы для воздушных линий электропередачи 35-750 кВ. Технические требования» в разделе 5.3 приведены требования к электрическим параметрам грозозащитных тросов. Так п. 5.3.4 гласит, что грозозащитный трос должен быть стоек к воздействию импульса тока молнии с постоянной составляющей переносящей заряд, величина которого определяется в кулонах для каждого класса молниестойкости ГТ при приложении к грозозащитному тросу растягивающей нагрузки равной [СЭН + 5% МПР], где СЭН – среднеэксплуатационная нагрузка, МПР – максимальная прочность на разрыв. [4, с.9]
Таким образом грозозащитные тросы делятся на 5 классов по молниестойкости («класс 0» – 50 кЛ… «класс 4» – 150 кЛ) и существуют определённые методики по выявлению этого параметра у грозозащитного троса.
Другими словами, при ударе молнии определённой силы в грозозащитный трос последний должен выдержать и не порваться при определённой приложенной нагрузке.
На провода же, используемые в качестве силовых фазных проводников (АС и др.) подобного требования нет и соответственно нет и методики, выявляющей молниестойкость. Считается, что основное назначение фазного провода – это передача электроэнергии, а основное назначение грозозащитного троса – защита ВЛ от прямого удара молнии.
Как показывает практика, при ударе молнии в фазный провод марки АС имеет место разрушение проволок верхнего повива с их расплетанием, и чем мощнее воздействие молнии, тем больше разрушается проволок. Это ведёт к ряду негативных последствий:
- Значительному повышению сопротивления повреждённого участка фазного провода, в результате провод может греться выше допустимой нормы.
- Механическая прочность провода уменьшается.
- Расплетённые проволоки могут приблизиться на недопустимое расстояние до других элементов ВЛ, тем самым значительно повышая вероятность возникновения КЗ и аварийного отключение ВЛ.
Следует заметить, что при ударе молнии в подвешенный грозозащитный трос в редких случаях возможно и его разрушение, но такая ситуация несет меньшие негативные последствия, чем удар молнии в более слабый с точки зрения молниеустойчивости фазный провод с более вероятным его повреждением. Работа фазного провода в пролёте при наступлении тяжёлых климатических условий (гололёд, ветер, пляска, галлопирование и пр.) может усугубиться ввиду уменьшения его механической прочности и повышения сопротивления (нагрев провода выше нормы ведёт к разрушению провода), что может привести к дальнейшей аварии на ВЛ и дорогостоящему ремонту.
Требования «правил устройства электроустановок»
В ПУЭ-7, пункт 2.5.116 указано, что «Воздушные линии 110 ÷ 750 кВ с металлическими и железобетонными опорами должны быть защищены от прямых ударов молнии тросами по всей длине.
Сооружение ВЛ 110-500 кВ или их участков без тросов допускается:
- в районах с числом грозовых часов в году менее 20 и в горных районах с плотностью разрядов на землю менее 1,5 на 1 км 2 в год;
- на участках ВЛ в районах с плохо проводящими грунтами (r > 10 3 Ом·м);
- на участках трассы с расчётной толщиной стенки гололёда более 25 мм;
- для ВЛ с усиленной изоляцией провода относительно заземлённых частей опоры при обеспечении расчётного числа грозовых отключений линии, соответствующего расчётному числу грозовых отключений ВЛ такого же напряжения с тросовой защитой.
Число грозовых отключений линии для случаев, приведенных в пп.1-3, определённое расчётом с учётом опыта эксплуатации, не должно превышать без усиления изоляции трёх в год для ВЛ 110 ÷ 330 кВ и одного в год – для ВЛ 500 кВ.
Воздушные линии 110 ÷ 220 кВ, предназначенные для электроснабжения объектов добычи и транспорта нефти и газа, должны быть защищены от прямых ударов молнии тросами по всей длине (независимо от интенсивности грозовой деятельности и удельного эквивалентного сопротивления земли)». [3]
Таким образом, требования нормативной документации прямо устанавливают необходимость установки грозозащитных тросов по всей длине трассы, кроме особых случаев. Не допускается отказ от установки грозозащитного троса в пользу ОПН, как основного средства грозозащиты.
ВОЛС на ВЛ
Воздушные линии электропередачи давно пользуются популярностью для проведения линий связи. Воздушная прокладка кабелей связи (подвес) — один из самых экономичных способов организации связи, так как можно использовать существующие опоры, не выстраивая отдельной инфраструктуры. Но старые опоры могут не выдержать дополнительной нагрузки от подвеса отдельного кабеля связи. Тем более дополнительный кабель, это дополнительные затраты на материалы, монтаж и обслуживание.
С другой стороны, в предыдущих разделах сделан вывод, что грозозащитный трос на ВЛ необходим. Грозозащитный трос — металлический трос, подвешиваемый в самой высокой точке линии электропередачи над фазными проводами для защиты от ударов молний, естественный элемент ЛЭП. При этом основную часть времени он находится без напряжения, за исключением моментов, когда на него воздействует удар молнии или происходит короткое замыкание с фазным проводом. Поскольку оптическое волокно не подвержено электромагнитному влиянию, возникла идея соединить грозозащитный трос с оптическим кабелем, решив две задачи одновременно – повышение грозоупорности ВЛ и передача данных. На ВЛ по всему миру получил широкое распространение ОКГТ – оптический кабель, встроенный в грозозащитный трос, предназначенный для защиты ВЛ от прямых ударов молнии, а также выполняющий функцию кабеля связи.
Внедрение оптических волокон в конструкцию грозозащитного троса позволяет быстро и эффективно создавать на инфраструктуре ЛЭП высокоскоростные современные линии передачи информации. Использование готовой инфраструктуры обеспечивает дополнительную безопасность линии связи, снижая аварийность – грозотрос висит в самой высокой точке опоры над фазными проводами, находящимися под напряжением, что существенно ограничивает несанкционированный доступ к линии.
Сегодня ОКГТ рекомендован ПАО «Россети» как основной метод организации связи на линиях 110 кВ и выше.
СТО 56947007-33.180.10.172-2014 «Технологическая связь. Правила проектирования, строительства и эксплуатации ВОЛС на воздушных линиях электропередачи напряжением 35 кВ и выше» п.4.2.3: «Для создания ВОЛС на вновь строящихся или реконструируемых и действующих ВЛ наиболее надежным и экономически обоснованным является подвес ОКГТ на предусмотренные в конструкции опор узлы крепления. При этом ОКГТ выполняет функцию ГТ, осуществляя защиту ВЛ от прямых ударов молнии в фазные провода, и обеспечивает наряду с другими мероприятиями грозоупорность ВЛ, а также позволяет осуществлять по встроенному ОК передачу информации». [5, с.19]
Таким образом, при применении оптического кабеля, встроенного в грозозащитный трос, сетевые энергетические компании получают не только защиту от ударов молнии, но ещё и могут выступать в качестве операторов связи: оптические волокна и каналы можно сдавать в аренду, продавать или эксплуатировать их самостоятельно.
Более того, если на ВЛ организована плавка гололёда, то оптические волокна, встроенные в грозозащитный трос, могут выступать в качестве распределённых датчиков системы измерения температуры вдоль ОКГТ. Система измерения температуры вдоль ОКГТ ставит целью не допустить ненормативный нагрев ОКГТ в режиме плавки.
При использовании в составе ОКГТ волокна для мониторинга деформации (уложенного без избыточной длины), возможно также определения начала гололедообразования (или иных различных ненормативных воздействий) на отдельных участках трассы с точностью до нескольких метров. Данная система позволяет своевременно и эффективно предотвращать аварийные ситуации, которые могут возникать вследствие тяжелых климатических условий.
Заключение
Грозозащитный трос является естественным и неотъемлемым элементом ВЛ, обеспечивая защиту фазных проводов от разрушения вследствие прямых ударов молнии. ОПН не могут являться заменой грозозащитному тросу в качестве основного средства обеспечения грозоупорности. Однако рекомендуется использование ОПН в качестве дополнительного средства грозозащиты на отдельных критических участках трассы.
Применение оптического кабеля, встроенного в грозозащитный трос, позволяет повысить экономическую эффективность использования тросовой защиты, путем создания канала связи на основе оптических волокон. При этом не требуется использования отдельных кабелей связи, увеличивающих нагрузку на опоры и требующих дополнительных затрат на их монтаж и эксплуатацию. Инновационные методы мониторинга состояния ОКГТ на основе оптического волокна, выступающего в качестве распределенного датчика, позволяют своевременно определять начало гололедообразования и использовать режим плавки гололеда с контролем температуры вдоль трассы.
Литература:
- РД 153-34.3-35.125-99. «Руководство по защите электрических сетей 6 ÷ 1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений».
- «Применение ОПН для защиты изоляции ВЛ 6 ÷ 750 кВ». Дмитриев М.В.
- «Правила устройства электроустановок». 7 редакция.
- СТО 56947007-29.060.50.015-2008. «Грозозащитные тросы для воздушных линий электропередачи 35-750 кВ. Технические требования».
- СТО 56947007-33.180.10.172-2014. «Технологическая связь. Правила проектирования, строительства и эксплуатации ВОЛС на воздушных линиях электропередачи напряжением 35 кВ и выше».
Гиберт Д.П., генеральный директор ООО «Инкаб.Про»
Рюпин В.В., инженер ООО «Инкаб»