Режимы работы ОПН при грозовых воздействиях

308839794
28.01.16
1
В.В.Титков, Н.И. Гумерова
Режимы работы ОПН при грозовых воздействиях
АФ “Полимер”, СПбГПУ, Санкт-Петербург
Одним из основных требований к нелинейным ограничителям напряжений
(ОПН) является стойкость к воздействию токами с амплитудами до сотни килоампер. Подобные токи в ОПН на ОРУ станций и подстанций могут возникать при
прямых поражениях молниями ошиновки ОРУ и в результате прихода волн с воздушной линии (ВЛ) при ударах молнии в последнюю Наиболее вероятной причиной
появления больших токов являются именно набегающие с ВЛ волны. Возможные
значения амплитуд в различных источниках существенно отличаются. С одной стороны директивные документы рекомендуют проводить испытания ОПН на токи до
100 кА. С другой стороны многими авторами высказываются предположения, что
токи в ОПН не могут превышать единиц килоампер и соответственно требования к
ОПН могут быть существенно снижены.
Амплитуда и форма токов определяется переходным процессом в схеме, содержащей ВЛ (с тросом), сопротивление заземления опоры, сопротивление контура
заземления подстанции, входные емкости подстанционного оборудования и нелинейное сопротивление ОПН. Очевидно, что наибольшие значения токов можно ожидать в тупиковых схемах ОРУ с одним защитным устройством при минимуме аппаратов.
Реальные схемы имеют достаточно сложную структуру, но для самых приближенных оценок основных закономерностей, ограничимся упрощенной схемой
(рис. 1), сохранив в качестве нагрузки в узлах только сопротивление заземления
опоры – Rоп, сопротивление заземления контура подстанции – Rп, эквивалентное сопротивление ОПН – Rопн. Здесь провод (длиной пр ) и трос (длиной тр ) характеризуются волновыми сопротивлениями Zпр и Zтр. Эта схема представляет собой ситуацию после удара молнии в опору или трос с последующим обратным перекрытием
на фазный провод, либо ситуацию, возникающую при прорывах молнии на фазный
провод, но после перекрытия линейной изоляции. Оба случая характерны для больших токов молнии, которые могут быть критичны как для оборудования подстанции,
1
308839794
28.01.16
2
так и для самих ОПН. В данной схеме не учитывается взаимная связь провода и троса, что может привести к некоторому увеличению напряжений в схеме, т. е. дает
оценку с запасом.
На рис.2 приведены токи и напряжения во всех сопротивлениях схемы. Расчеты выполнены при длине троса – 100 м, длине фазного проводника 200 м (удар
молнии происходит в опору на расстоянии 100 м от входа подстанции). Сопротивление заземления опоры принято равным 10 Ом. Сопротивление контура заземления
подстанции, как показывают численные оценки, для грозовых импульсов как минимум на порядок больше, нежели величина нормируемая при рабочем напряжении
(0,5 Ом). ОПН приближенно моделируется постоянным сопротивлением равным
30 Ом, что тоже примерно соответствует мгновенному значению нелинейного сопротивления при больших токах.
Первоначально величина тока в ОПН определяется волновыми процессами,
т. е. соотношением сопротивления заземления опоры и волновых сопротивлений
фазного провода и троса – 300 и 500 Ом, соответственно (связь между проводом и
тросом не учитывалась). Постоянные времени цепи “опора – провод – ОПН”, оцененные по приближенным формулам [1], составляет около 5 мкс, а “опора – трос –
сопротивление контура заземления подстанции” около 15 мкс. По завершении этого
процесса распределение токов и напряжений определяется сосредоточенными параметрами, т.е. первоначально соотношениями Rоп и Rопн, а затем соотношениями Rоп ,
Rопн и Rп. Это приводит к тому, что при достаточно длинных импульсах тока молнии
максимальное значение тока в ОПН будет превышать оцениваемое только исходя из
соотношений Rоп и волновых параметров линии Zпр и Zтр. Представленные оценки
выполнены при длине импульса тока молнии – 75 мкс. Для первых компонент тока
молнии вероятность появления импульсов с длинами волн в  75 мкс составляет
50 %.
Для более корректного определения возможных амплитуд токов, имеющих
место в ОПН при грозовых воздействиях, была выполнена серия расчетов с помощью специализированной программы, реализующей волновой метод расчета [2 – 4]
и позволяющей достаточно адекватно моделировать волновой процесс в линии и
подстанции. Прежде всего анализ выполняется для единой системы: молния – ВЛ –
подстанция. Расчеты ведутся в функции времени, что позволяет моделировать нелинейные процессы, такие как коронирование провода при превышении напряжения на
2
308839794
28.01.16
3
нем над напряжением начала импульсной короны. Не возникает при этом проблем и
с моделированием нелинейного сопротивления ОПН. Воздушная линия моделируется с учетом ее многопроводной структуры, т. е. связь между проводом и тросом учитывается автоматически. Все аппараты на подстанции моделируются входными емкостями. Воздействие может быть ориентировано как на фазный провод, так и на
трос – опору, что позволяет рассчитывать как прорывы молнии мимо тросовой защиты на фазный провод, так и обратные перекрытия с опоры на фазный провод.
Первое, как известно, более опасно для подстанций наиболее высоких классов
напряжения (500 и 750 кВ), а второе является определяющим в анализе грозоупорности подстанций более низких классов напряжения (220 кВ и ниже).
В расчетах токов в ОПН использовались их характеристики, изображенные в
таблице, по приведенным в [3] данным. Первая точка вольтамперной характеристики
(ВАХ) определялась как (1,6–1,7)Uн. Это соответствует условному напряжению “открытия” ОПН. Токи при этом приняты малыми, но отличными от нуля. Алгоритм
расчета подробно описан в [4]: участки ВАХ для последовательных пар токов заменяются отрезками прямых, которые затем моделируются постоянными сопротивлениями и условными источниками напряжения. При конкретном воздействии определяются напряжения для каждого из участков, решением является наименьшее из
них.
Таблица
Вольтамперные характеристики ОПН
110 кВ
I, кА
U, кВ
220 кВ
I, кА
U, кВ
330 кВ
I, кА
U, кВ
0,1
150
0,2
300
0,3
450
1
205
3
430
3
620
5
250
5
460
5
650
На рис. 3 приведены результаты расчетов, выполненных для типовых тупиковых подстанций 110, 220 и 330 кВ. Каждая из подстанций содержит как минимум
один силовой трансформатор, один выключатель, два разъединителя и один защитный аппарат (ОПН). Расстояние места удара молнии от входа подстанции было принято равным 100 м. В отличие от предыдущих расчетов схемы замещения подстанций моделировались с максимально возможными подробностями, т.е. с учетом
входных емкостей всех аппаратов, прежде всего силовых трансформаторов. Ампли-
3
308839794
28.01.16
4
туды токов молнии принимались равными 200 кА (максимально возможное значение), 100 кА (превышение этого значения возможно с вероятностью 0,05 для первой
компоненты), 50 кА и 20 кА (превышение последнего значения возможно с вероятностью 0,5 для первой компоненты). С учетом наличия последующих компонент тока молнии, все вероятности как минимум следует уменьшить в 3 раза. Варьировались также длины импульсов молнии: 200, 75 и 30 мкс, соответственно вероятности
превышения этих значений для первых компонент равны 0,05, 0,5 и 0,95.
Используемая программа в первую очередь ориентирована на расчеты
напряжений в узлах подстанции, однако, она позволяет получить и оценку токов в
ОПН. Имеются некоторые не вполне понятные эффекты, которые, похоже, определяются перекрытием линейной изоляции на первой опоре, а затем на входе подстанции, а также динамикой изменения ВСХ линейной изоляции и ВАХ ОПН.
Настоящие расчеты показали, что токи через ОПН 110 кВ имеют большие
амплитуды чем для ОПН 220 кВ и 330 кВ, но ни в одном из случаев не достигают
уровня 100 кА. Возможно, что для подстанций 500 кВ и далее, максимальные значения токов будут не больше. Это, вероятно, определяется тем, что ВАХ ОПН 110 кВ
проходят ниже, соответственно сопротивление их при одинаковых токах будет ниже,
отсюда большая доля тока будет приходиться на ОПН.
Во всех рассмотренных случаях, при амплитудах молнии 100 кА (вероятность
не более 2 %), токи в ОПН не будут превышать 25 кА для подстанций 110 кВ и 15–
17 кА для подстанций 220 и 330 кВ. Нарушение монотонного характера изменения
зависимостей Iопн(Iм) возможно определяется тем, что здесь волны срезаются на линейной изоляции с запаздыванием, ввиду малости напряжения на гирлянде, или вовсе не срезаются, поэтому доля тока, которая идет к ОПН, увеличивается. Соответственно при этом токи при прорывах молнии на фазный провод мимо тросовой защиты превышают токи, имеющие место при ударах молнии в трос или опору с последующим перекрытием линейной изоляции. Однако, во всех рассчитанных случаях, ток в ОПН при амплитуде тока молнии 20 кА, что возможно с вероятностью не
более (50/3) % из общего количества ударов молнии, не будет превышать 10 кА.
Более неопределенным является вопрос относительно длин волн тока молнии,
что важно для выбора формы испытательных импульсов. Предварительные расчеты
4
308839794
28.01.16
5
показали, что длительность импульса тока в ОПН может превышать 20 мкс, однако
этот вывод нуждается в дополнительных исследованиях.
Выполненные расчеты дают оценки токов в ОПН по максимуму. При удалении места удара от входа подстанции максимальные значения токов молнии в ОПН
будут снижаться, при приближении к входу подстанции токи в ОПН могут несколько увеличиться. Кроме того, токи могут вырасти при использовании на подходах ВЛ
к ОРУ станций и подстанций опор с сопротивлением заземления более 10 Ом, что
рекомендуется в ПУЭ при больших удельных сопротивлениях грунта [5], но пока
никак не учитывается в рекомендациях по грозозащите подстанций и при определении требований к ОПН.
Список литературы
1. Базуткин В.В., Кадомская К.П., Костенко М.В., Михайлов Ю.А. Перенапряжения в
электрических системах и защита от них. СПб.: Энергоатомиздат. 1995. 320 с.
2.
Костенко М.В., Гумерова Н.И., Смирнов А.А. Новые тенденции в исследовании
надежности грозозащиты подстанций // НТВ СПбГТУ. 1999. №2. С. 86-92.
3. Руководство по защите электрических сетей 6-1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений / Под научн. Редакцией Н.Н. Тиходеева. С-Пб.: ПЭИПК Минтопэнерго РФ,
1999. 353 с.
4. Костенко М.В., Ефимов Б.В., Гумерова Н.И., Зархи И.М. Анализ надежности грозозащиты подстанций. Л.: Наука. 1981. 127 с.
5. Правила устройства электроустановок. 7 издание. М.: Энергоатомиздат.1999.
5