На главную

Статьи, публикации, архив номеров  

«     2018     2017  |   2016  |   2015  |   2014  |   2013  |   2012  |   2011  |   2010  |   2009  |   2008  |   »
«     Январь  |   Февраль  |   Март  |   Апрель  |   Май  |   Июнь  |   Июль  |   Август  |   Сентябрь  |   Октябрь  |   Ноябрь  |   Декабрь     »

Технологии

01.09.2009 Грозозащита электрооборудования распределительных устройств

 

Грозозащита электрооборудования распределительных устройств

 

Каждый элемент электроустановки, находящийся под рабочим напряжением, окружен электромагнитным полем. Если в это поле вносится резкое возмущение, вызванное, например, прямым поражением линии молнией, то переход поля к новому состоянию протекает в виде волнового процесса.

 

Волновые процессы

Электромагнитная волна, распространяясь вдоль провода, испытывает деформацию в точке изменения его волнового сопротивления. При этом нарушается первоначальное соотношение между напряжением и током волны, поскольку происходит перераспределение между величинами магнитной и электрической энергии. Данный процесс условно можно свести к взаимодействию падающей, отраженной и преломленной волн.

Падающей волной с параметрами Uпад и iпад называется волна, распространяющаяся по исходной линии. Отраженная волна с параметрами Uотр и iотр – это волна той или иной полярности, распространяющаяся по исходной линии в противоположную линии сторону. Преломленной волной с параметрами Uпр и iпр называют волну, перешедшую на смежный участок.

Между этими волнами может быть установлена математическая связь, отражающая процесс с количественной и качественной сторон:

 

Uпр = Uпад + Uотр;

(1)

iпр = iпад + iотр;

(2)

Uпр = iпрz2;

(3)

Uотр = –iотрz1;

(4)

Uпад = iпадz1.

(5)

После несложных преобразований в выражениях (1–5) получаются оптимальные соотношения, позволяющие по известным волновым сопротивлениям смежных линий (см. табл.) и напряжению падающей волны определить напряжение преломленной и отраженной волн:

 

(6)

где

 

(7)

где

Таблица

Средние величины волновых сопротивлений

Наименование линии (оборудования)

Величина z, Ом

Воздушные линии электропередачи

400–500

Кабельные линии электропередачи

40–50

Одножильные кабели

20–30

Обмотки силового трансформатора

(10–20)•103

Обмотки статора генератора

(1–2)•103

 

Величина αU называется коэффициентом преломления, величина βU – коэффициентом отражения.

Коэффициент αU в пределе равен 2, что соответствует падению волны на разомкнутый участок (z2 = ∞). Коэффициент βU в пределе равен ±1, что соответствует отражению волны от отключенного участка или отражению волны от точки короткого замыкания. В последнем случае электрическая энергия волны полностью переходит в магнитную, удваивая значение тока волны.

 

Защита электрооборудования РУ-10 кВ

Для защиты оборудования напряжением 10 кВ на подстанциях от набегающих волн перенапряжений с линий, которые к ней подходят, имеется несколько схем грозозащиты (рис. 2).

При прямом попадании молнии в воздушную линию электропередачи 10 кВ возникает короткое замыкание. Ток короткого замыкания отключается релейной защитой линейного выключателя (В). Через определенный промежуток времени линия автоматически повторно включается (АПВ). От места удара молнии волны бегут в обе стороны воздушной линии (рис. 3).

 

 

Перекрытия линейной изоляции воздушной линии возможны и при наведенных перенапряжениях (от линии более высокого напряжения или после прямого удара молнии в отдельные объекты, находящиеся поблизости от воздушной линии напряжением 10 кВ).

Из теории электромагнитного поля известно, что напряженность электрического поля (Е) и магнитного поля (Н) связаны между собой зависимостями:

 

(8)

где μ’ – относительная магнитная проницаемость изолирующей среды;

μ0 – абсолютная магнитная проницаемость вакуума, μ0 = 4π•10–9 Гн/м;

v – скорость распространения электромагнитной волны.

Из совместного решения зависимостей (8) получили:

 

(9)

Зависимость (9) показывает, что электромагнитная волна распространяется в двух взаимно противоположных направлениях со скоростью, зависящей от электрической и магнитной проницаемостей изолирующей среды.

Используя соотношение (9) и зная, что воздушная среда характеризуется величинами μ’ = 1 и ε’ = 1, получаем скорость распространения волны в воздухе v = 300 м/мксек.

В цикле АПВ (воздушная линия 0,5 сек находилась отключенной) волна перенапряжений «прибежала» к разомкнутому концу схемы (выключатель отключен) и удвоилась (6):

 

(10)

где z2 = ∞.

Следовательно:

 

Uпр = 2Uпад.

(11)

Как видно из выражения (10), волна перенапряжений на отключенном выключателе удваивается, что приводит к его перекрытию и повреждению. Во избежание этого явления на первой опоре (или на выходах ВЛ 10 кВ) устанавливается вентильный разрядник РВ, заземление которого подключается к общему контуру подстанции.

Учитывая тот факт, что в настоящее время в распределительных устройствах 10 кВ устанавливаются современные дорогостоящие выключатели (стоимость одного составляет несколько тысяч долларов), а при отключениях выключателя возможны коммутационные перенапряжения, вместо РВ устанавливается ОПН.

Еще в начале ХХ в. было предусмотрено, что прочность изоляционной конструкции, в частности трансформаторов, при перенапряжениях зависит не только от амплитуды напряжения падающей волны, но и от формы волны, т. е. крутизны ее фронта и характера спада напряжения.

Опыт показывает, что индуктивности, включенные последовательно, и конденсаторы, включенные параллельно линии, являются средством уменьшения крутизны преломленной волны, т. е. могут служить средством защиты трансформаторов и других электромашин от крутых волн.

На рис. 4 приведена схема грозозащиты оборудования подстанции от волн, набегающих с воздушной линии электропередачи 10 кВ с кабельной вставкой. Кабельная вставка в данном случае непосредственно подключена к коммутационному аппарату подстанции [2].

 

 

Схема с распределенными параметрами представлена на рис. 5.

Заменим заданную схему схемой замещения с сосредоточенными параметрами по Петерсену (рис. 6).

 

В этом случае включен разрядник (ОПН) для защиты кабельной воронки (наиболее слабого места в кабеле) от волновых перенапряжений в точке перехода воздушной линии на кабель.

Преломленное напряжение, действующее на изоляцию воронки, определяется из формул:

 

(12)

(13)

где z1 – волновое сопротивление воздушной линии;

z2 – волновое сопротивление кабеля;

R – сопротивление заземления разрядника.

Если z1 = 500 Ом, z2 = 50 Ом, R = 30 Ом, то преломленное напряжение, действующее на изоляцию воронки (UИВ), при амплитуде напряжения падающей на кабель волны U0 = 500 кВ составит:

 

 

Защита оборудования РУ-110 кВ и выше

Защита оборудования распределительных устройств 110 кВ и выше от грозовых перенапряжений осуществляется с помощью вентильных разрядников (ОПН), установленных на шинах РУ на определенном расстоянии (согласно «Руководящим указаниям по грозозащите») от защищаемого оборудования. Кроме РВ оборудование РУ-110 кВ и выше защищается от волн, набегающих с линии, с помощью тросового молниеотвода, подвешенного по всей длине линии. Назначение троса двоякое. Во-первых, он защищает ЛЭП 110 кВ и выше от прямых ударов молнии. Во-вторых, в случае прорыва молнии, т. е. когда трос не защищает отдельный участок ЛЭП, волна, проходя по проводам линии, деформируется и становится более пологой. Из техники высоких напряжений известно, что пологая волна безопаснее крутой, особенно для обмоток силовых трансформаторов (рис. 7).

Из рис. 7 видно, что при попадании на обмотку трансформатора пологой волны (а) на виток будет приходится меньше напряжения (ΔU), чем при крутой волне (б).

 

ΔUп =U1‘ – U2‘; ΔUк = U1 – U2.

(14)

Таким образом, ΔUк > ΔUп, т. е. при крутой волне возможно повреждение трансформатора – витковое замыкание.

Многолетний опыт эксплуатации показывает, что в практике возможны случаи повреждения тросов: при прямом ударе молнии и большом сопротивлении заземляющих устройств, из-за длительной эксплуатации и т. д. Для ускорения ликвидации аварийной ситуации (трос перекрыл провода) часто принимается оперативное решение: участок поврежденного троса демонтировать, а потом восстановить трос. И вот это «потом» может длиться достаточно большой промежуток времени. В чем же опасность? Дело в том, что на подстанцию придет опасная волна, которая может повредить оборудование.

Рассмотрим этот случай. Из техники высоких напряжений известно, что волновое напряжение изменяется пропорционально скорости изменения магнитного потока Ф0 на единицу длины проводника:

 

U = vФ0 = vL0i.

(15)

Волновой ток определяется скоростью изменения электрического заряда Q0 на единицу длины проводника:

 

i = vQ0 = vC0U.

(16)

Из совместного решения формул (15) и (16) можно получить выражение для скорости волны:

 

где L0 – индуктивность, приходящаяся на единицу длины проводника, Гн/см;

С0 – емкость, приходящаяся на единицу длины провода, Ф/см.

Из формулы (17) видно, что скорость волны обратно пропорциональна индуктивности и емкости линии.

В практике широко применяется формула:

 

где vсвета – скорость света, равная 300 м/мксек;

С – емкость, равная:

 

где ε – диэлектрическая проницаемость (Ф/м);

S – площадь провода (троса);

d – расстояние между волной и тросом.

На рис. 8 показано, как крутая волна, проходящая под тросом, деформируется за счет изменения емкости С между тросом и проводником.

Из формулы (19) видно, что при d2С2 > С1, а из формулы (18), что при С2 vволны 2 < vволны 1, т. е. волна деформируется (вытягивается) и становится пологой, а значит – менее опасной.

 

Александр ДОРОФЕЙЧИК, ведущий инженер ПСДТУ РУП «Гродноэнерго»

 

Выводы

 

1. Для надежной защиты оборудования, особенно выключателей, в РУ-10 кВ от грозовых перенапряжений на первой опоре (или на выводах линии) нужно обязательно устанавливать РВ-10 кВ или ОПН-10 кВ.

2. Для предотвращения повреждения оборудования РУ-110 кВ и выше от грозовых перенапряжений необходимо усилить внимание эксплуатации тросовых молниеотводов на ЛЭП 110 кВ и выше, не допуская их демонтажа на длительное время.

 

Литература

 

1. Михалков А. В. Техника высоких напряжений в примерах и задачах. – М.: «Высшая школа», 1965. – С. 116–119, 120–121.

2. Стефанов К. С. Техника высоких напряжений. – Л.: «Энергия», 1967. – С. 450–453.

 

Контакты

Беларусь: 220121, г. Минск
а/я 72
Тел.: +375 (17) 385-94-44,
385-96-66

Факс: +375 (17) 392-33-33
Gsm: +375 (29) 385-96-66 (Vel)

Е-mail: energopress@energetika.by
E-mail отдела рекламы:
reklama@energetika.by

© ОДО Энергопресс, 2003—2009. Все права защищены.
Мониторинг состояния сайта
Создание сайта Атлант Телеком