Методи контролю внутрішної ізоляції 4 страница

Звідки видно, що імовірність перекриття тим менша, чим нижчий опір або більший . Тому на ЛЕП-35 кВ на металевих опорах без тросів необхідно використовувати додаткові заземлювачі для зменшення опору заземлення R_i.

15.3.Удар блискавки в землю поблизу ЛЕП

Він викликає індуковані перенапруги на проводах ЛЕП, які мають електричну і магнітну складові:

(15.12)

Величина електричної складовий індукованої перенапруги пропорційна лінійної густини зарядів s каналу лідера, середній висоті підвісу провода і зворотно пропорційна відстані b до точки удару блискавки:

, (15.13)

– коефіцієнт пропорційності, залежний від тривалості фронту імпульсу.

Магнітна складова розряду (індукована в петлі: опора-гірлянда-провід-земля) також зворотно пропорційна відстані b:

(15.14)

– коефіцієнт, залежний від швидкості головного розряду.

Максимальне значення індукованої напруги дорівнює:

. (15.15)

Статистика свідчить, що індукована перенапруга перевищує імпульсну міцність ізоляції ЛЕП-35 кВ менш ніж 2 рази на рік ( кВ), а імпульсну міцність ЛЕП-110 кВ ( кВ) – 1 раз на 5 років. Таким чином, для ЛЕП-110 і вище індуковані перенапруги в цьому випадку практично безпечні.

15.4. Грозостійкість ЛЕП з тросами

Причинами грозових відключень ЛЕП з тросами можуть бути:

- удар блискавки в трос і перекриття його на провід;

- прорив блискавки на провід;

- удар блискавки в опору і перекриття на провід.

Розглянемо удар блискавки в трос у середину прольоту.

Якщо трос заземлений () і приймаємо косокутну форму струму блискавки, то можна розрахувати наведену напругу на проводі. До приходу імпульсів, відбитих від опору R_і заземлення сусідніх опор, напруга на тросі дорівнює:

, (15.16)

де = di/dt – крутість фронту імпульсу, кВ/мкс.

Через проміжок часу: t=τ=l/V ( – довжина прольоту, V- швидкість хвил і) до місця удару одночасно підійдуть імпульси, відбиті зі зміною знаку від опору заземлення двох найближчих опор і зростання напруги припиниться. Тоді максимальна напруга на тросі складає:

, (15.17)

і залежить тільки від крутості імпульсу і не залежить від амплітуди струму блискавки i_б. Напруга між тросом і проводом:

, (15.18)

де – коефіцієнт електромагнітного зв’язку між тросом і проводом.

Удар блискавки в трос у середину прольоту є розрахунковим випадком для вибору відстані між тросом і проводом за умови відсутності перекриття між ними:

, звідки: . (15.19)

Досвід свідчить, що імовірність такого перекриття досить мала, якщо відстань трос-провід складає не менше 2% довжини прольоту l, що зазвичай завжди витримується.

Розглянемо удар блискавки у вершину опори (рис.15.1)

Рис.15.1.-Розподіл струмів та схема заміщення при ударі блискавки в опору.

Тут М – коефіцієнт індукції; – джерело напруги; – джерело струму. Частку ударів блискавки в опори можна оцінити як 4h_oп/l. Тоді число ударів блискавки в опори дорівнює:

, (15.20)

де – число ударів у лінію, – довжина прольоту.

При ударі блискавки в опору весь струм спочатку йде через її тіло і заземлення. Час пробігу імпульса по опорі на порядок менше тривалості фронту струму блискавки, тому опору в схемі заміщення представляють зосередженою індуктивністю і імпульсним опором заземлення (тут - питома індуктивність опори, - висота). Для зосереджених заземлювачів можна знехтувати їхньою індуктивністю, яка набагато менша індуктивності опори. (питома індуктивність опори мкГн/м).

Для реальних значень тривалості фронту імпульса ( мкс) і Ом достатньо враховувати відбиття імпульсу від двох найближчих опор. В еквівалентній схемі обидва прольоти ліворуч і праворуч заміняються послідовним ланцюжком , і . Потенціал вершини опори:

, (15.21)

де – коефіцієнт взаємної індукції каналу блискавки й опори:

, мкГн/м.

Струм в опорі визначають за схемою заміщення з джерелом струму: і джерелом напруги: , що враховує напругу, яка наводиться в петлі «трос-земля» магнітним полем каналу блискавки: . Струм в опорі в межах фронту імпульсу дорівнює:

, (15.22)

де , (15.23)

Потенціал проводу буди мати три складові:

-робоча напруга;

-напруга, індукована зарядом лідера блискавки;

-напруга, індукована імпульсом, що поширюється в тросі з амплітудою .

Вплив робочої напруги враховують, вважаючи, що хоч на одній фазі миттєве значення U_ном протилежне напрузі на вершині опори:

, (15.24)

тобто розрахункове значення приймають рівним середньому значенню за напівперіод перенапруги;

Електрична складова індукована при ударі в опору буде такою:

,

тут кВ/см.- середня напруженість електричного поля в проміжку між каналом лідера блискавки і опорою. Напруга U_інд має полярність, зворотну полярності потенціала опори.

Третя складова виникає на проводі при проходженні імпульсу струму по тросу: . Отже напруга на лінійній ізоляції дорівнює різниці потенціалів вершини опори і проводу в максимумі струму блискавки:

(15.25)

Звідки випливає, що U_із залежить від крутості фронту струму блискавки a, що при заданому t_фвизначає максимальне значення струму блискавки: I_б=a·t_ф.

Рис.15.2.- Визначення часу розряду t лінійної ізоляції при різних крутостях фронту імпульсу а.

Побудувавши залежність при різній крутості фронту а, точки перетину цих кривих із ВСХ ізоляції визначать тривалість фронту струму блискавки і мінімальне значення амплітуди струму, при якому відбудеться перекриття ізоляції (рис.15.2). За цими даними можна побудувати криву небезпечних параметрів, що обмежує ділянку сполучення крутості і струму блискавки, при яких відбувається перекриття ізоляції лінії. Тоді можна побудувати криву імовірності небезпечних параметрів (рис15.3), D – ділянка інтегрування.

Рис.15.3.- Крива небезпечних параметрів крутості і струму блискавки.

При крутості , перекриття відбувається при струмах блискавки більше за , а при крутості — при струмах більше за .

15.5. Визначення імовірності перекриття ізоляції

Імовірність перекриття ізоляції визначаеться за формулою

, (15.26)

де – двовимірна функція густини імовірності максимального значення крутості струму блискавки (рис.15.4).

Рис.15.4.-Визначення імовірністі перекриття ізоляції.

Спрощено імовірність перекриття при ударі блискавки в опору визначається за величиною критичного струму блискавки:

, (15.27)

де ^-для ЛЕП з двома тросами; δ=0.3 ^-для ЛЕП з одним тросом. Очевидно, у ЛЕП з 2 тросами величина більша, а збільшення висоти опори знижує .

Імовірність прориву блискавки через тросовий захист визначають згідно експериментальних даних за емпіричною формулою:

, (15.28)

де – захисний кут.

Існує сильна залежність імовірності Р_α прориву блискавки від потенціалу проводу U_пр:

- для ВЛ 500 кВ, ;

- для ВЛ 750 кВ, .

Питоме число грозових відключень ЛЕП з тросами залежить від висоти опори і опору заземлення і визначається за формулою:

, (15.29)

Тут – імовірність ураження проводів;

– імовірність перекриття ізоляції при ударі в опору;

– імовірність пробою проміжку трос-провід при ударі в середину прольоту троса; – імовірність утворення дуги при перекритті ізоляції; – імовірність утворення дуги при пробої повітряної ізоляції, l – довжина проводу.

Ri, Ом

Рис.15.5.- Питоме число грозових відключень одноланцюгових (1) і дволанцюгових (2) ліній залежно від імпульсного опору заземлення.

З рис.15.5 випливає, що дволанцюгові лінії, які мають більшу висоту, відключаються значно частіше, ніж одноланцюгові.

Прольоти перетинів ЛЕП між собою необхідно захищати від перенапруг розрядниками по обидва боки. Оскільки удар блискавки в проліт ЛЕП з різними номінальними напругами призводить до аварій, імпульсний опір заземлення опор прольоту не повинен бути вище за 10¸20 Ом.

Запитання для самоконтролю

1.Від яких факторів залежить число відключень ЛЕП?

2.Як можна зменшити число несанкціонованих відключень ЛЕП?

3.Чим визначається амплітуда перенапруги при ударі блискавки?

4.Розглянути випадок: удар блискавки в землю поблизу ЛЕП.

5.Проаналізувати випадок: удар блискавки в трос.

6.Розглянути випадок: удар блискавки в опору ЛЕП.

7.Як визначити допустиму крутість імпульсу перенапруги?

8.Яка методика розрахунку імовірності перекриття ізоляції?

9.Як впливають параметри заземлення на грозостійкість ЛЕП?

10.Чим визначається грозостійкість ЛЕП без тросів?

РОЗДІЛ 16

ЗАХИСТ ПІДСТАНЦІЙ ВІД ПЕРЕНАПРУГ

16.1. Захист від грозових перенапруг

Блискавкозахист підстанцій від грозових розрядів здійснюють стрежневими блискавковідводами на порталах, щоглах, дахах споруд. Стаціонарний опір протяжних заземлювачів для підстанцій 110 кВ і вище, який виготовляється у вигляді сітки з горизонтальних смуг, з’єднаних з вертикальними електродами, не повинен перевищувати R = 0.5 Ом.

Прийнявши імпульсний коефіцієнт для порталу м при струмі блискавки =60 кА і крутості фронту а =30 кА/мкс, напруга складає 780 кВ, що перевищує імпульсну розрядну напругу гірлянд ізоляторів у відкритих ОРП-110 кВ і вдвічі нижче ніж у ОРП-220 кВ. Тому в ОРП-220 кВ рекомендується установка блискавковідводів на порталах підстанції, а в ОРП-110 кВ розраховують, на якій відстані безпечно їх встановлювати. Для зменшення імпульсного опору влаштовують додаткові вертикальні електроди, які приєднують до заземлюючого контура.

У підстанціях 35 кВ нейтралі трансформаторів приєднують до землі через дугогасний реактор. Але і при цьому опір заземлювача повинен бути Ом. Підстанційні будинки і споруди захищають заземленим залізним дахом або металевою сіткою з чарункою 5´5 м².

16. 2.Захист підстанцій від набігаючих імпульсів перенапруг

При ударі блискавки в трос або провід імпульс перенапруги, що поширюється по лінії, деформується і згасає. За рахунок імпульсної корони й опору землі фронт імпульса подовжується і знижується його амплітуда. Зниження амплітуди U здійснюється за рахунок активних утрат струму блискавки в землю відповідно до виразу

, (16.1)

де х – відстань до точки удару блискавки; а – коефіцієнт, що дорівнює 0,07 км^-0,5 для ЛЕП напругою більше за 110 кВ.

Основними апаратами захисту електрообладнання підстанцій від набігаючіх імпульсів перенапруг є розрядники РВ й обмежувачі перенапруг нелінійні ОПН. Умова забезпечення захисту: – імпульсний струм через розрядник не повинен перевищувати струм координації, інакше , яка виділяється на варисторі розрядника, буде небезпечна для ізоляції електрообладнання.

При близьких до станції ураженнях проводу струм блискавки розподіляється зворотно-пропорційно відносно опору заземлення та опору РВ. Тоді струм, що протікає через розрядник:

. (16.2)

Опір РВМГ-110 при струмі координації кА дорівнює:

Ом. (16.3)

Тоді при струмі блискавки кА і опору заземлення Ом струм через РВ буде дорівнювати 15 кА – що є неприпустимо! Таким чином, удари блискавки в лінію поблизу підстанції неприпустимі, тому ділянки лінії 1¸3 км на підході до підстанції захищають тросами (Рис.16.1). Це так звані захищені підходи до ПС.

Віддалені удари блискавки в провід призводять до появи в РВ струму, меншого ніж . Так, для ВЛ-110 кВ: кА, що менше за струм координації.

Рис.16.1- Захищений підхід до підстанції: а – дерев’яні опори; б – металеві й залізобетонні опори.

Навіть за наявності троса біля підстанцій вживають спеціальні заходи блискавкозахисту: зменшуютьопір заземлення, опор і захисні кути тросових блискавковідводів.

Ще одна функція захищеного підходу – зменшення крутості фронту імпульсу, що набігає на підстанцію, завдяки імпульсній короні. Довжина захищеного підходу має бути достатньою для зниження крутості фронту до безпечної для захисних апаратів та електрообладнання підстанцій величини. Розглянемо захисну дію вентильного розрядника, при набіганні імпульсу перенапруги по лінії з хвильовим опором Z (рис.16.2).

Рис.16.2- Еквівалентна схема та графік напруги на розряднику; – ВСХ розрядника; – ВАХ розрядника.

Для еквівалентної схеми підключення розрядника із зосередженими параметрами дійсне рівняння:

, (16.4)

Сумісне вирішення цього рівняння з графічно заданим рівнянням ВАХ розрядника: U_РВ = f(I_p) дає змогу визначити напругу на розряднику при набіганні на нього імпульсу перенапруги U_пад. До пробою РВ відбувається відбиття від точки приєднання розрядника набігаючого імпульсу з тим же знаком і напруга на РВ подвоюється. Після пробою включається нелінійний опір , внаслідок чого напруга на стає . На підстанціях розрядники підключені на деякій відстані від електрообладнання, тому на них напруга буде вищою, ніж в точці приєднання розрядника (рис.16.3), що може бути небезпечним для ізоляції.

Рис.16.3.-Визначення напруги на обладь анні на відстані l від РВ.

Визначимо цю різницю. Нехай набігаючий імпульс: . Для спрощення вважаємо . Тоді через проміжок часу імпульс прийде в точку 2 і відіб’ється з тим же знаком, а повернувшись в точку 1, він накладається на набігаючий імпульс. Внаслідок цього, в момент t_p, у відповідності з ВСХ U_пр (t), відбудеться пробій РВ і напруга в точці 1 зменшиться. Найбільша напруга на розряднику перед пробоєм:

. (16.5)

Напруга в точці 2 буде підвищуватися ще на протязі часу: і досягне величини: , а після пробою РВ почне знижуватися внаслідок підключення в точці 1 опору РВ і зміни коефіцієнтів заломлення і відбиття a і b в точці 1. Різниця напруг на об’єкти і розряднику РВ буде:

. (16.6)

Таким чином, напруга на захищеному об’єкті залежить від відстані відключення розрядника і крутості фронту імпульсу.

Отже максимальна напруга на електроустаткуванні тим більше перевищує пробивну напругу РВ, чим далі воно розташовано від РВ і більша крутість фронту імпульсу. Різниця називається інтервалом координації ізоляції між допустимою напругою на ізоляції трансформатора і напругою пробою розрядника. Оскільки при струмі координації I_k, задача полягає у виборі інтервалу координації між і допустимою напругою на ізоляції електрообладнання. Отже, метою розрахунку блискавкозахисту електроустаткуванні є визначення місця підключення РВ, при якому напруга на електроустаткуванні не перевищує .

Допустима напруга на електроустаткуванні за умовою роботи внутрішньої ізоляції визначається таким чином:

. (16.7)

Тут 1,1 – коефіцієнт, що враховує різницю грозового і випробувального імпульсу, – випробувальна напруга при повному імпульсі для трансформатора, U_ном – діюча величина номінальної напруги. Допустимі напруги U_доп ізоляції повинні знаходитись нижче ВСХ, яка визначається рівнянням

, (16.8)

де – постійні, що визначаються підстановкою випробувальних напруг повним і зрізаним імпульсом при мкс і мкс. в (16.8).

Інтервал координації ізоляції для різних мережевих напруг коливається в межах 25¸40% пробивної напруги вентильного розрядника. Розрядник забезпечує необхідний інтервал координації при відстаніні l від захищаемого обладнання не більш ніж 30¸50 м, причому підстанціям з меншим – відповідають менші відстані .

16.3. Визначення довжини захищеного підходу до підстанції

Визначення довжини захищеного підходу полягає в находжені критичної крутизни набігаючих імпульсів перенапруги. Для цього експериментально визначають криві максимально допустимих напруг в різних точках підстанції в залежності від крутизни набігаючих імпульсів а (рис.16.4).

Рис.16.4- Визначення критичної крутизни набігаючих імпульсів в залежності від допустимих напруг: – на внутрішній ізоляції, – на зовнішній.

Точки перетину А і В дають величину критичної крутизни , імпульсу перевищення якої приведе до появи на ізоляції напруги, вищу за допустиму. Найменша крутизна (точка А) є критичною для всієї підстанції в цілому, тому імовірність пошкодження ізоляції обладнання підстанції дорівнює імовірності приходу на підстанцію хвилі з крутизною . Довжину захищеного підходу до підстанції знаходимо за формулою: