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

11
изоляции. Оценив значение критической крутизны, можно рассчитать среднее число лет безаварийной работы подстанции.
Таблица 2
Рекомендуемые показатели надежности защиты подстанции
U
ном
, кВ 35 110 220 330 500 750 1150
M, годы 200-300 300-400 400-600 600-800 800-1000 1000-1200 1200-1500
Расчетное определение критической крутизны можно выполнить с помощью компьютерного моделирования. Для электрооборудования наи- более удаленного от ОПН или РВ (например, в точках 3 и 9 на рис. 5) вы- полняется серия расчетов перенапряжений при последовательном увели- чении крутизны фронта импульсного источника.
Для внутренней изоляции элек- трооборудования критическая кру- тизна определяется из условия ра- венства максимума напряжения на изоляции и допустимого напряжения
(рис. 6). Для внешней изоляции электрооборудования условием пе- рекрытия является пересечение рас- четной кривой импульсного напря- жения и ВСХ. Критическая крутизна соответствует случаю, когда макси- мум кривой напряжения касается
ВСХ (рис. 7).
Критической крутизной для под- станции в целом является наименьшее из полученных значений кр
U для всего установленного оборудования.
Критической крутизне волны, набегающей на подстанцию, соответст- вует критическая длительность фронта: ф,кр
50%
кр
U
U



. (2)
Длительность фронта волны, приходящей на подстанцию, складывается из начальной длительности в месте перекрытия линейной изоляции τ
ф,0
и удлинения фронта волны при движении вдоль линии: ф
ф,0
ф
x




 
, (3) где x – расстояние от места перекрытия изоляции на линии до подстанции, км; Δτ
ф
– удлинение фронта волны под действием импульсной короны, ко- торое можно приближенно оценить по эмпирической формуле:
Рис. 6. Определение критической крутизны для внутренней изоляции
U
3
, U
9
– максимальные расчетные напря- жения на измерительном и силовом трансформаторах;
U
доп,3
,
U
доп,9
–
допустимые напряжения для измери- тельного и силового трансформаторов

12 50%
ф ср
0,008 1
0,5
[мкс/км],
U
h
k



 







(4) где k – коэффициент, равный 1,0; 1,1; 1,45; 1,55 при числе проводов в фазе соответственно 1, 2, 3, 4 и более. В формулу (4) среднюю высоту подвеса фазного провода h
ср следует подставлять в метрах, а U
50%
– в киловольтах.
При наличии на линии мол- ниезащитных тросов, большинство перекрытий происходит с опоры на провод (обратные перекрытия).
В этом случае напряжение практи- чески мгновенно возрастает до
U
50%
, следовательно, начальная длительность фронта может быть принята равной нулю. При τ
ф,0
= 0 из соотношений (2) и (3) можно определить минимальное расстоя- ние x
кр
, при пробеге которого кру- тизна изначально прямоугольной волны становится меньше крити- ческой:
50%
кр кр ф
U
x
U


 
Обратные перекрытия, возникающие на расстоянии от подстанции, меньшем x
кр
, могут приводить к повреждениям изоляции подстанционного электрооборудования, поэтому расстояние x
кр называют длиной опасной
зоны
. Для схемы ОРУ, показанной на рис. 4, ожидаемое число поврежде- ний изоляции подстанции в нормальном режиме (выключатели В-1 и В-2 включены, В-3 – отключен) за год равно ожидаемому числу перекрытий в пределах опасной зоны:


л кр, г.ч
3
уд пр оп оп тр тр
1
(1
)
100 100
n
i
i
x
D
n
P P
P
P
P







 

 



, где n
уд
= 4h
тр,ср
– удельное число ударов молнии на 100 км длины линии за
100 грозовых часов; h
тр,ср
– средняя высота подвеса троса; P
α
– вероятность прорыва молнии сквозь тросовую защиту; P
пр
, P
оп
, P
тр
– вероятности пере- крытия линейной изоляции при ударах молнии в провод, опору и трос соот- ветственно; оп оп прол
4h l
 
 доля ударов молнии в опору (h
оп
– высота опо- ры; l
прол
– длина пролета);


тр оп
1
   
 доля ударов молнии в трос;
D
г.ч
–
среднее число грозовых часов в году;
n
л
– число подходящих к подстанции линий;
x
кр,i
– длина опасной зоны при набегании волны по
i
-ой линии.
Рис. 7. Определение критической крутизны для внешней изоляции
U
3
– напряжение на трансформаторе напря- жения; U
доп
(t) – ВСХ внешней изоляции трансформатора напряжения

13
Вероятность
P
α
весьма мала (0,1 – 1%) и тросовая защита линии в пре- делах опасной зоны служит для снижения общего числа перекрытий. Это актуально не только для снижения числа повреждений изоляции электро- оборудования, но и для надежной работы вентильных разрядников, так как при ближних ударах молнии через них протекают токи, превышающие токи их термической стойкости (5 ÷ 14 кА). Дело в том, что при ближних ударах молнии процесс на подстанции необходимо рассматривать с учетом переот- ражений волн от места перекрытия. Схема «2
u
пад
» в этом случае оказывает- ся несправедливой и волновое сопротивление линии уже не ограничивает ток через РВ. Этот ток определяется распределением тока молнии между сопротивлением заземления опоры в точке перекрытия и сопротивлением
РВ или ОПН, достигая десятков килоампер. ОПН способны выдерживать такие термические воздействия, но протекание через них токов, превы- шающих координационные, приводит к возрастанию остающихся напряже- ний и, следовательно, к росту вероятности повреждений изоляции.
Повышению надежности защиты ПС способствует снижение импульс- ных сопротивлений заземления в пределах опасной зоны, так как оно суще- ственно влияет на вероятности обратных перекрытий (а при наличии тро- совой защиты обратные перекрытия являются основным источником опас- ных волн). Участок трассы ВЛ, прилегающий к ПС, на котором выполнены мероприятия по обеспечению малого сопротивления заземления опор и оп- тимизации тросовой защиты носит название защищенного подхода.

14
аппаратов сначала вентильные разрядники РВС-110 и РВМГ-110, а затем нелинейный ограничитель перенапряжений ОПН-П-110/73/10/650. Данные для расчетов: номинальное напряжение 110 кВ; максимальное значение напряжения набегающей волны 660 кВ; крутизна фронта волны 330 кВ/мкс; расстояние между оборудованием и защитным аппаратом 10 ÷ 300 м. Остающиеся напряжения РВ и ОПН взять из Приложения 2 для тока 5 кА. Емкость оборудования
С
принять равной нулю.
3. На рис. 9 показана схема ОРУ 110 кВ, а на рис. 10,
а
– ее расчетная схема замещения. На рис. 10,
б
показана упрощенная схема, используемая в лабораторной работе для исследования грозовых перенапряжений. Рассчи- тать по правилу моментов (Приложение 4) значения эквивалентных емко- стей в узлах упрощенной схемы. Нарисовать упрощенную схему замеще- ния ОРУ 110 кВ и нанести на нее значения эквивалентных емкостей и рас- стояний между узлами.
Рис. 9. Схема ОРУ 110 кВ
Л-1, Л-2– подходящие воздушные линии электропередачи; ТН-1, ТН-2 –
трансформаторы напряжения; Т-1 – силовой трансформатор; В-1, В-2 – масляные выключатели; Р – разъединители
ЗАДАНИЕ НА ИЗМЕРЕНИЯ
1. Составить расчетную модель для задачи из п.1 предварительной подготовки (рис. 8). Рассчитать напряжение в точке
А
с учетом и без учета емкости электрооборудования. Сопоставить расчетные напряжения с ранее полученными результатами.
2. Построить зависимость максимального напряжения на изоляции электрооборудования
U
и,max для обеих схем рис. 2 от расстояния
l
между

15
ОПН и защищаемым оборудованием, включенным до и после ОПН по хо- ду движения волны. Емкость оборудования принять равной
C
= 1500 пФ, импульсную прочность гирлянд линейной изоляции
U
50%
= 660 кВ, дли- тельность фронта волны
τ
фр
= 2 мкс, волновое сопротивление линии и ошиновки
Z
c
= 400 Ом.
3. Рассмотреть влияние отходящих линий на перенапряжения в схеме рис. 1,
а
. Установить длину ошиновки
l
= 100 м и включить эквивалентное сопротивление
Z
экв
= 300 Ом между проводом ошиновки и землей на рас- стоянии
l
1
от точки 1, равном 0, 50 и 100 м. Измерить напряжение на емко- сти
С
. Повторить опыт при
Z
экв
= 150 Ом и
Z
экв
= 75 Ом. Построить зависи- мости максимальных напряжений на изоляции
U
и,max от
l
1
и сделать вывод относительно влияния числа и местоположения отходящих линий на усло- вия защиты подстанции.
4. Определить надежность защиты подстанции 110 кВ (рис. 9) при ра- боте с одним трансформатором Т-1 и защитным аппаратом ОПН-1 при замкнутой перемычке (выключатель В-3 включен). Создать расчетную мо-
а)
б)
Рис. 10. Схема замещения ОРУ 110 кВ при отключенном выключателе В-3
а – полная; б – упрощенная

16
дель для упрощенной схемы замещения (рис. 10,
б
) и провести расчет для случая падения волны напряжения по линии Л-1, для чего подключить ис- точник косоугольного напряжения к точке 1 и заземлить точку 14. Изме- рить напряжения в точках 3 и 8 упрощенной схемы при изменении дли- тельности фронта волны
τ
ф от 4 до 0,5 мкс. По результатам измерений по- строить зависимость
 
и,max
U
f U


, определить критическую крутизну кр1
U
 для внутренней и внешней изоляции и вычислить длину опасной зоны
x
кр1
для линии Л-1.
5. Повторить опыт п. 4 для случая падения волны напряжения по ли- нии Л-2, для чего подключить источник косоугольного напряжения к точке
14 и заземлить точку 1. Измерить напряжения в точках 13 и 8. Построить зависимость
 
и,max
U
f u


, определить критическую крутизну кр2
U
 и дли- ну опасной зоны
x
кр2
для линии Л-2.
6. Учитывая равную вероятность падения волны по обеим линиям, определить число повреждений изоляции оборудования подстанции в год.
Данные для расчетов: среднее число грозовых часов
D
г.ч.
= 30 ч/год; сред- няя высота подвеса фазного провода
h
ср
= 10 м; средняя высота подвеса молниезащитного троса
h
тр,ср
= 15 м; высота опоры
h
оп
= 19 м; длина проле- та
l
прол
= 150 м; вероятность обратного перекрытия при ударе молнии в опору
P
оп
= 0,3; вероятность обратного перекрытия при ударе молнии в трос
P
тр
= 0,1; вероятность прорыва молнии через тросовую защиту
P
α
=
0,01; вероятность перекрытия при ударе молнии в провод
P
пр
= 0,97.
7. Выполнить пункты 4 – 6 для случая применения в качестве защит- ного аппарата вентильного разрядника РВС-110.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Каковы параметры источника, включаемого в схему замещения подстан- ции при исследовании перенапряжений, вызванных набегающими волнами?
2. Может ли набегающая на подстанцию волна иметь вертикальный фронт?
3. Перечислите факторы, влияющие на уровень грозовых перенапря- жений на подстанции.
4. Какие преимущества дает защита изоляции электрооборудования подстанции ОПН по сравнению с РВ?
5. Почему ОПН можно эксплуатировать без искрового промежутка, а вентильный разрядник нельзя?
6. Нарисуйте типичную форму импульсного напряжения на электрообо- рудовании, расположенном до и после защитного аппарата по ходу волны.
7. Как представляются отходящие линии в схеме замещения подстан- ции при расчете грозовых перенапряжений?

17 8. Почему трансформатор представляется в расчетной схеме емкостью?
9. В течение какого времени справедлива схема «2
u
пад
»?
10. На какой подстанции (тупиковой, проходной, с большим числом отходящих линий) перенапряжения могут быть наибольшими?
11. Влияет ли место включения отходящей линии на перенапряжения на изоляции электрооборудования?
12. С каким напряжением, характеризующим электрическую проч- ность изоляции, надо сравнивать расчетное напряжение на внешней изоля- ции электрооборудования?
13. С каким напряжением, характеризующим электрическую проч- ность изоляции, надо сравнивать расчетное напряжение на внутренней изоляции электрооборудования?
14. Какой параметр используется в качестве показателя надежности за- щиты подстанции от набегающих волн? Каковы его допустимые значения?
15. Что такое критическая крутизна фронта набегающей волны?
16. Что такое опасная зона? От чего зависит длина опасной зоны?
17. Зависит ли критическая крутизна набегающей волны от располо- жения оборудования и схемы подстанции?
18. Зависит ли опасная зона от конструкции линии?
19. Как влияет число отходящих линий на среднее число лет безава- рийной работы подстанции?
20. Зависит ли число лет безаварийной работы подстанции от им- пульсного сопротивления заземления опор отходящих линий?
21. Какова роль тросовой защиты линии в пределах защищенного подхода?
22. Какую модель ошиновки нужно использовать в расчетах волновых переходных процессов на подстанции?
23. Перечислите основные мероприятия по защите подстанции от на- бегающих волн.

18
УКАЗАНИЯ ПО СОСТАВЛЕНИЮ МОДЕЛИ И ВЫПОЛНЕНИЮ
РАСЧЕТОВ
Предварительные сведения о работе со стендом
Лабораторный стенд «Компьютерная высоковольтная лаборатория» создан на базе программы
EMTLab
, разработанной на кафедре ТЭВН
МЭИ. Расчетная модель подстанции для расчета грозовых перенапряжений показана на рис. 11.
Для добавления соединений необходимо щелкнуть левой кнопкой мыши по узлу элемента или общему узлу нескольких соединений, что ав- томатически переводит программу в режим рисования соединений. При последующих нажатиях левой кнопки мыши будет выполняться добавле- ние промежуточных точек в создаваемое соединение. Для завершения ри-
Рис. 11. Расчетная модель подстанции в программе
«Компьютерная высоковольтная лаборатория»