Файл: Методическое пособие по курсу Изоляция и перенапряжения для студентов, обучающихся по направлению Электроэнергетика.pdf

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
____________________________
МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
М.З. ГИЛЯЗОВ, В.С. ЛАРИН, Д.А. МАТВЕЕВ
КОМПЬЮТЕРНАЯ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
«ЗАЩИТА ПОДСТАНЦИЙ ОТ НАБЕГАЮЩИХ ВОЛН»
МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ по курсу
«Изоляция и перенапряжения» для студентов, обучающихся по направлению
«Электроэнергетика»
Издательский дом МЭИ
Москва 2010

УДК
621.311
Г 479
Утверждено учебным управлением МЭИ (ТУ)
Подготовлено на кафедре техники и электрофизики высоких напряжений
Рецензент: д-р техн. наук, профессор А.К. Лоханин
Г 479
Гилязов М.З.
Компьютерная лабораторная работа «Защита под- станций от набегающих волн» : метод. пособие / М.З.
Гилязов, В.С. Ларин, Д.А. Матвеев. –– М.: Издательский дом МЭИ, 2010. –– 32 с.
Представлено описание компьютерной лабораторной работы, по- священной изучению методов ограничения перенапряжений на электро- оборудовании подстанций вследствие набегания волн грозового проис- хождения. Рассматривается влияние на уровень перенапряжений пара- метров набегающей волны, компоновки электрооборудования на под- станции и типа защитных аппаратов. Изложены методы оценки допус- тимых напряжений внешней и внутренней изоляции электрооборудова- ния, а также подход к расчету надежности защиты подстанции от набе- гающих волн.
Для студентов электроэнергетических и электромеханических спе- циальностей, изучающих дисциплину «Изоляция и перенапряжения».
© Московский энергетический институт
(технический университет), 2010

3
Компьютерная лабораторная работа
ЗАЩИТА ПОДСТАНЦИЙ ОТ НАБЕГАЮЩИХ ВОЛН
ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ
Причиной возникновения на подстанции опасных перенапряжений от на- бегающих волн являются грозовые поражения воздушных линий (ВЛ) элек- тропередачи. При ударе молнии в линию на проводах ВЛ образуется волна на- пряжения, движущаяся в сторону подстанции. Амплитуда такой волны огра- ничена импульсной прочностью линейной изоляции (см. Приложение 1).
Приход волны напряжения на подстанцию приводит к возникновению волнового переходного процесса, в результате которого на изоляции элек- трооборудования могут возникнуть опасные перенапряжения. Поэтому для защиты изоляции оборудования применяются ОПН (ограничители перена- пряжений нелинейные), пришедшие на смену вентильным разрядникам
(РВ) (см. Приложение 2). Серийный выпуск РВ прекращен в России с 1997 года, но в эксплуатации находится еще много таких устройств.
Если бы ОПН или РВ располагались в непосредственной близости от защищаемого ими электрооборудования, то напряжение на его изоляции не превышало бы остающегося напряжения защитного аппарата, и защита была бы достаточно надежной. На практике защитные аппараты устанав- ливают у силовых трансформаторов и автотрансформаторов и, возможно, еще в нескольких местах. Поэтому часть оборудования удалена от защит- ных аппаратов на расстояния, которые могут достигать нескольких десят- ков метров и более. Приход волны грозового происхождения с крутым фронтом приводит к возникновению переходного процесса, сопровож- дающегося высокочастотными колебаниями вокруг остающегося напряже- ния ОПН или РВ. Амплитуда перенапряжений на оборудовании при этом тем больше, чем больше крутизна набегающей волны и его удаленность от защитного аппарата.
Для понимания механизма формирования перенапряжений, воздейст- вующих на изоляцию электрооборудования, можно рассмотреть две упро- щенные схемы замещения подстанции. Первая схема (рис. 1,а) составлена для оборудования, расположенного до защитного аппарата по ходу движе- ния волны, это в первую очередь относится к измерительным трансформа- торам напряжения и тока. Вторая схема (рис. 1,б) является типичной для защиты от перенапряжений силового трансформатора.
На обеих схемах показаны линия электропередачи с волновым сопро- тивлением Z
л
, участки ошиновки суммарной длиной l и ОПН. Набегающая волна пад
u
представлена стилизованным косоугольным импульсом с дли- тельностью фронта τ
ф и амплитудой U
max
= U
50%
. Пунктиром обозначено эквивалентное волновое сопротивление отходящих линий Z
экв
= Z
л
/n, где

4
n – число линий. Электрооборудование подстанции (трансформаторы, вы- ключатели, разъединители) для расчета волновых процессов замещают ем- костями (замещение трансформатора емкостью справедливо только для первых микросекунд переходного процесса, пока индуктивности препятст- вуют прохождению через них импульсных токов).
На рис. 2 приведены идеа- лизированные осциллограммы напряжений в точках 1 и 2 схе- мы рис. 1а. Они построены в предположении, что емкость электрооборудования C = 0, а
ОПН имеет идеальную вольтам- перную характеристику – при напряжениях меньше U
ост его сопротивление равно бесконеч- ности, а при превышении уровня
U
ост становится равным нулю его динамическое сопротивле- ние (напряжение на ОПН при этом неизменно и равно U
ост
). В момент времени t = 0 набегаю- щая с линии волна приходит в точку 1 и на оборудовании напряжение u
и начинает линейно возрастать
(рис. 2,а). Через время τ = l/v (v можно принять равной скорости света) волна придет в точку 2. До тех пор, пока ОПН находится в непроводящем состоянии, отраженная от него волна будет равна падающей, а напряжение на нем будет нарастать с удвоенной скоростью. Когда оно достигнет уров- ня U
ост напряжение на ОПН стабилизируется, а отраженная волна начнет уменьшаться, меняя знак на обратный: отр ост пад ост
u
U
u
U
U t




, где
50%
ф
U
U

 
– крутизна фронта набегающей волны.
Отраженная волна вернется в точку 1 в момент времени
2
t


, накла- дываясь на напряжение набегающей волны (рис. 2,
а). Результирующее на- пряжение на изоляции электрооборудования оказывается неизменным и равным:
 




и пад отр ост ост ост
2
'
'
2
'2
'2 .
u
u
t
u
t
U t U
U t
l
U
U
U
U
v















а)
б)
Рис. 1. Упрощенные схемы замещения подстанции

5
Эта формула справедлива при τ
ф
> 2τ и позволяет сделать оценку мак- симального напряжения U
и,max на изоляции электрооборудования в точке 1.
За пределами фронта набегающей волны напряжение на оборудовании снижается до остающегося значения U
ост
При учете емкости электрооборудования и действительной вольтам- перной характеристики ОПН напряжения оказываются такими, как пока- зано на рис. 3,а. Преломление волны в точке 1 при учете емкости происхо- дит со сглаживанием фронта. Отраженная от ОПН волна также сглажива- ется емкостью, и результирующее напряжение на изоляции оборудования изменяется более плавно, чем при отсутствии емкости.
Отходящие от подстанции линии снижают уровень перенапряжений.
Если отходящая линия удалена от электрооборудования на расстояние l
1
(рис. 1,а), то в этой точке на схеме замещения следует включить ее волно- вое сопротивление Z
л
. Пройдя расстояние l
1
, набегающая волна отражается
а)
б)
Рис. 2. Формирование напряжений в схеме рис. 1,а при C = 0
а – в точке 1; б – в точке 2
а)
б)
Рис. 3. Характерные формы перенапряжений на подстанционном электрооборудовании
а – для схемы рис. 1,а; б – для схемы рис. 1,б

6
от точки включения отходящей линии. Коэффициент отражения при этом отрицательный, а его значение зависит от числа отходящих линий. К обо- рудованию возвращается отраженная волна, и ее напряжение, накладыва- ясь на напряжение набегающей волны, снижает перенапряжение (так как напряжение отраженной волны отрицательно). Чем дальше от точки 1 рас- положена отходящая линия, тем позже приходит отраженная от нее волна и тем меньшим оказывается ее влияние.
Проанализируем перенапряжения в точках подстанции, расположен- ных за ОПН по ходу распространения волны (схема рис. 1,б). Будем счи- тать, что когда набегающая волна достигает на ОПН уровня U
ост
, он пере- ходит в проводящее состояние и напряжение на нем перестает изменяться.
Поэтому после преломления набегающей волны в точке 1 к емкости элек- трооборудования распространяется волна с амплитудой U
ост
. Если пренеб- речь емкостью оборудования (С = 0), то волна будет отражаться от точки 2 с коэффициентом отражения β = 1. Возвращаясь в точку 1, волна отража- ется с β = –1 (так как пренебрегаем сопротивлением ОПН). Процесс последо- вательных отражений волны от точек 1 и 2 будет периодическим, в резуль- тате напряжение в точке 2 будет колебаться вокруг значения U
ост
, ампли- туда колебаний составит 2U
ост
. Если учесть емкость оборудования и вольт- амперную характеристику ограничителя, то напряжение на оборудовании примет форму униполярного колебательного импульса (рис. 3,б).
Подведем итог изучению грозовых перенапряжений в упрощенных схемах (сделанные выводы оказываются также справедливыми для боль- шинства типовых схем). Имеют место следующие закономерности:
– амплитуда импульса грозового перенапряжения на электрооборудо- вании тем больше, чем дальше расположен защитный аппарат и чем боль- ше крутизна фронта набегающей волны;
– форма импульса грозового перенапряжения на электрооборудова- нии, расположенном до ОПН, характеризуется коротким пиком, после ко- торого напряжение снижается до значения, близкого к остающемуся на- пряжению ограничителя (рис 3,а);
– форма импульса грозового перенапряжения на электрооборудова- нии, расположенном за ОПН, имеет характер затухающих колебаний, на- кладывающихся на остающееся напряжения ограничителя (рис. 3,б), т.е. униполярного колебательного импульса с периодом колебаний порядка нескольких микросекунд; огибающая максимумов этих колебаний, как правило, спадает быстрее, чем стандартный грозовой импульс 1,2/50 мкс.
Уровень перенапряжений зависит от параметров ОПН и уменьшается в случае применения ОПН с меньшими остающимися напряжениями.
Расчет грозовых перенапряжений в реальных схемах подстанций осу- ществляется с помощью численного моделирования. Для исследования на расчетной модели нужно составить схему замещения подстанции, исполь-

7
зуя план подстанции с обозначением расстояний по ошиновке и соедини- тельным проводам. Электрооборудование следует заменить сосредоточен- ными емкостями. Значения этих емкостей для основных видов электрообо- рудования класса напряжения 110 кВ сведены в табл. 1.
Таблица 1
Входные емкости электрооборудования ПС 110 кВ
Наименование оборудования
Значения входных емкостей, пФ
Силовые трансформаторы и автотрансформаторы 1500
Электромагнитные трансформаторы напряжения 300
Трансформаторы тока 150
Выключатели масляные (вкл./выкл.) 800/500
Разъединители (вкл./выкл.) 60/40
На рис. 4 представлена схема ОРУ 110 кВ (треугольник), а на рис. 5,а – расчетная схема замещения. Цифры в схеме на рис. 4, а также подчеркнутые цифры на рис. 5,а указывают расстояния в метрах между аппаратами или узловыми точками, цифры у емкостей – значения емкостей
Рис. 4. Схема ОРУ 110 кВ
Л-1, Л-2– подходящие воздушные линии электропередачи; ТН-1, ТН-2 –
трансформаторы напряжения; ТТ-1, ТТ-2, ТТ-3 – трансформаторы тока; Т – силовой трансформатор; В-1, В-2, В-3 – масляные выключатели; Р – разъединители

8
в пикофарадах. Полученная схема может быть исследована непосредст- венно на расчетной модели, но ее можно упростить для экономии расчет- ного времени.
Наибольший интерес представляет определение напряжений в точках, наиболее удаленных от защитных аппаратов, – на трансформаторе напря- жения, линейном разъединителе и силовом трансформаторе. Поэтому пе- ред преобразованием схемы необходимо наметить точки (узлы), которые должны быть сохранены (именно эти узлы пронумерованы на схеме рис. 5,а). Затем можно упростить схему, разнеся часть емкостей в наме- ченные узлы по правилу моментов (см. Приложение 4). Упрощенная схема представлена на рис. 5,б.
Для оценки надежности защиты подстанционного электрооборудова- ния от набегающих волн необходимо сопоставить расчетные импульсные напряжения, которые могут возникать на изоляции, с ее электрической
а)
б)
Рис. 5. Схема замещения ОРУ 110 кВ, изображенного на рис. 4, при отключенном выключателе В-3
а – полная; б – упрощенная

9
прочностью. Расчетные напряжения следует определять с учетом ряда случайных факторов – фазы рабочего напряжения в момент прихода набе- гающей волны и ее формы (амплитуды, длительности фронта и импульса, частоты наложенных колебаний). Форма набегающей волны, в свою оче- редь, зависит от места грозового поражения ВЛ и параметров тока молнии, также являющихся случайными. Таким образом, строгое определение рас- четных напряжений – задача, которая принципиально должна решаться с помощью методов теории вероятностей и математической статистики.
Сопоставление расчетных напряжений с электрической прочностью изоляции электрооборудования можно выполнить следующим образом.
Для каждого вида оборудования в ГОСТ 1516.3 регламентированы испы- тания грозовыми импульсами и нормированы значения испытательных напряжений. Для учета отличий между условиями при испытаниях и в эксплуатации вводят понятие допустимого напряжения, которое опреде- ляют по-разному для внутренней и внешней изоляции оборудования.
При определении допустимых напряжений необходимо учитывать от- личие формы расчетного и испытательного импульсов напряжения. Для внешней изоляции следует также учитывать отличие атмосферных усло- вий (давления, температуры, влажности) от тех, к которым приведены ис- пытательные напряжения.
Указанные обстоятельства в той или иной мере были учтены на этапе определения регламентированных Правилами устройства электроустано- вок (ПУЭ) расстояний между электрооборудованием и защитными устрой- ствами (РВ или ОПН). Важно понимать, что требования ПУЭ определены для ряда типовых схем, если же схема или компоновка распределительного устройства отличается от типовой, то необходимо выполнять специальные расчеты защиты подстанции от набегающих волн.
Для оценочных расчетов надежности защиты подстанции от набе- гающих волн допустимое напряжение для внутренней изоляции трансфор- маторов может рассчитано по формуле:


доп
ПГИ
ном
1,1 0,5
,
U
U
U


где U
ПГИ
–
испытательное напряжение полным грозовым импульсом; U
ном
– номинальное напряжение сети.
Эта формула учитывает отличие формы импульса воздействующего напряжения от стандартной формы, а также влияние рабочего напряжения.
При использовании этой формулы расчет грозовых перенапряжений сле- дует проводить без учета напряжения промышленной частоты. Полученная оценка допустимого напряжения будет иметь запас, избыточность которо- го особенно критична для электрооборудования СВН и УВН.
Допустимое напряжение для внешней изоляции (вводов, разъедините- лей, выключателей и др.) определяется вольт-секундной характеристикой

10
(ВСХ) для стандартного испытательного импульса 1,2/50 мкс. Если ВСХ неизвестна, то ее можно приближенно оценить через испытательные на- пряжения полным и срезанным грозовыми импульсами с помощью сле- дующей формулы:
 
0
доп
0 1
T
U
t
B
t


. (1)
Коэффициенты B
0
и T
0
определяются подстановкой в эту формулу ис- пытательного напряжения срезанным грозовым импульсом при времени 2 мкс и полным грозовым импульсом при времени 8 мкс, и решением полу- чившейся системы уравнений.
Нормированные в ГОСТ 1516.3 испытательные напряжения внешней изоляции в сухом состоянии получены делением амплитуды расчетных пе- ренапряжений на коэффициент 0,84, т.е. испытательные напряжения выше расчетных воздействий на 19 %. Это повышение учитывает возможность снижения разрядного (и выдерживаемого) напряжения внешней изоляции в эксплуатационных условиях на высоте 1000 м над уровнем моря (при откло- нениях давления, температуры и влажности воздуха) относительно разряд- ного напряжения, соответствующего нормальным атмосферным условиям.
Для приближенного определения допустимых напряжений внешней изоляции в формулу (1) следует подставлять значения испытательных на- пряжений полного и срезанного грозовых импульсов, умноженные на ко- эффициент 0,84. При корректировке допустимых напряжений с учетом оп- ределенных атмосферных условий можно воспользоваться расчетными со- отношениями, приведенными в разделе 4.5 ГОСТ 1516.2.
Испытательные напряжения полным и срезанным грозовыми импуль- сами для силовых трансформаторов и автотрансформаторов, шунтирующих реакторов и трансформаторов напряжения приведены в Приложении 5.
Основным показателем надежности защиты от набегающих волн явля- ется среднее число лет безаварийной работы подстанционного электрообо- рудования M. При проектировании защиты от грозовых перенапряжений экономически целесообразным оказывается не исключать полностью воз- можность появления перенапряжений, превышающих допустимые значе- ния, а ограничиться малой вероятностью повреждения изоляции оборудова- ния. Рекомендуемые показатели надежности грозозащиты наиболее дорого- го и ответственного подстанционного оборудования (силовых трансформа- торов, автотрансформаторов и шунтирующих реакторов) в зависимости от класса номинального напряжения подстанции приведены в табл. 2.
Как было установлено при анализе простых схем, перенапряжения на электрооборудовании тем больше, чем круче фронт набегающей волны.
Существует критическая крутизна фронта, превышение которой может вызывать перенапряжения, превышающие допустимые напряжения для