Защита станций и подстанций от набегающих грозовых волн

На подходе к ПС грозовые волны возникают при ударе молнии в провод (на бестроссовом участке линии), в прорыве молнии через трос на провода или при ударах молнии в опоры, тросы с последующим обратным перекрытием линейной изоляции.

Амплитуда грозовых волн в точке появления ограничена импульсной прочностью линейной изоляции, а при обратных перекрытиях зависит от момента перекрытия (на фронте или хвосте волны) и падения напряжения на сопротивлении заземления и индуктивности опоры. При прорывах на проводах могут появляться срезанные и полные волны. Полные волны более опасны, так как срезанные быстрее затухают за счет потерь энергии на импульсную корону. При обратных перекрытиях на проводах возникают волны с отвесным фронтом, опасные для междувитковой внутренней изоляции трансформаторов (автотрансформаторов) и реакторов.

При переходном процессе в сложном колебательном контуре ПС в отдельных ее точках могут появляться перенапряжения, превышающие импульсную прочность изоляции оборудования. Задача грозозащиты ПС состоит в снижении значений перенапряжений на ПС за счет использования защитных аппаратов с нелинейными вольтамперными характеристиками (ограничителей перенапряжений или вентильных разрядников) и уменьшения числа опасных набегающих волн путем повышения грозоупорности ВЛ на подходе к ПС.

Наибольшую опасность из перечисленных причин появления опасных волн перенапряжений представляет ПУМ в линию. Подобная ситуация возникает на линиях, не требующих и не имеющих тросовой защиты. Например, на линиях напряжением 110, 220 кВ с деревянными опорами, особенно при ударах, близких к РУ или ПС.

Следует иметь ввиду, что распространяющийся по линии импульс напряжения деформируется и затухает. Основной причиной деформации и затухания являются импульсная корона и сопротивление земли, поскольку ток импульса замыкается через землю.

Для образования чехла импульсной короны необходима энергия, которая отбирается на фронте импульса. В результате этого происходит удлинение его фронта. Если импульс короткий или срезанный, то импульсная корона приводит не только к удлинению фронта, но и к понижению амплитуды. В случае полных импульсов влияние импульсной короны сказывается в основном на удлинении фронта и в значительно меньшей степени ‒ на снижении амплитуды.

Снижение амплитуды происходит в основном за счет активных потерь при возврате тока волны по земле и может быть рассчитано по формуле

, (6.92)

где U_max ‒ амплитуда импульса напряжения в месте удара молнии; х ‒ удаление расчетной точки от места удара, км; а ‒ коэффициент, равный 0,07 км^-0,5 для линий напряжением 110 кВ и выше.

Удлинение фронта (на 1 км) полного импульса под действием импульсной короны можно рассчитать по эмпирической формуле

, (6.93)

где U_max ‒ амплитуда полного импульса, кВ; h ‒ средняя высота подвеса проводов, м; K ‒ коэффициент, определенный числом фаз в линии.

Таким образом, амплитуда волны, набегающей на шины РУ или ПС, определяется местом удара молнии в линию. До ее прихода на шины волна должна деформироваться изотопно до уровня, определяемого вольт-секундной характеристикой линии. Возникает необходимость тросовой защиты подхода к РУ, ПС.

Для определения длины защищенного подхода к конкретной подстанции нужно оценить допустимую (критическую) крутизну набегающих импульсов.

Старые методики и рекомендации по выбору типа, количества и места установки защитных аппаратов, а также длины защищенного подхода основывались на понятии «опасной зоны». Длина «опасной зоны» соответствовала предельной длине участка ВЛ на подходе к ПС, после пробега которого полная волна с отвесным фронтом максимальной возможной амплитуды в результате деформации из-за потерь энергии на импульсную корону становилась безопасной для изоляции подстанционного оборудования.

Современные методы расчета грозозащиты ПС основаны на учете статистических распределений параметров импульсов атмосферных перенапряжений в точке их возникновения и вероятности поражения разрядами молнии отдельных участков ВЛ на подходе к ПС. Критерием выбора схемы грозозащиты ПС является повторяемость опасных перенапряжений в точках присоединения наиболее ответственного оборудования ПС (трансформаторов, автотрансформаторов и шунтирующих реакторов).

Рис. 6.21. Определение критической крутизны набегающего импульса

Примерные зависимости напряжения на разъединителе (кривая 2) и трансформаторе (кривая 1) от крутизны набегающего импульса приведены на рис. 6.21. Там же указаны U_доп1 ‒ допустимое напряжение на внутренней изоляции трансформатора и U_доп2 ‒ допустимое напряжение на внешней изоляции.

Абсциссы точек пересечения прямых U_доп1 и U_доп2 с кривыми 1 и 2 дают значения критической крутизны а_кр, превышение которой представляет опасность для соответствующей изоляции, так как при этом напряжение на изоляции превысит допустимое. Точки А и В определяют критические значения крутизны для внутренней и внешней изоляции трансформатора, точки С и D ‒ для внутренней и внешней изоляции аппаратов вблизи линейного разъединителя. Наименьшая крутизна (точка А на рис. 6.21) является критической крутизной а_кр для всей подстанции в целом, поэтому вероятность повреждения изоляции оборудования подстанции равна вероятности прихода на подстанцию волны с крутизной а>а_кр.

Необходимую длину защищенного подхода к подстанции можно определить по формуле:

, (6.94)

где U_50% ‒ 50 %-ное импульсное разрядное напряжение линейной изоляции или установленного в начале подхода трубчатого разрядника; Δτ_ф определяется по (6.93).

В соответствии с ПУЭ основными аппаратами защиты электрооборудования подстанций от набегающих импульсов служат вентильные разрядники или ограничители перенапряжений.

Для того чтобы вентильный разрядник обеспечивал защиту оборудования, импульсный ток через разрядник не должен превышать тока координации. Если он превысит ток координации, то напряжение на разряднике окажется выше нормированного, что может представить опасность для изоляции оборудования. В отдельных случаях при больших токах (десятки килоампер) и многократных воздействиях защитный аппарат может выйти из строя и даже разрушиться.

Таким образом, прямые удары молнии в провода линии вблизи подстанции необходимо исключить. Для этого участки линии длиной 1‒3 км, примыкающие к подстанциям, во всех случаях защищаются тросовыми молниеотводами. Такие участки линии получили название защищенных подходов к подстанциям. Удаленные удары молнии в провод могут привести к появлению в разряднике тока, не превышающего 2U _50%/ Z_п_p (U_50% ‒ 50 %-ное импульсное разрядное напряжение линейной изоляции; Z_пр ‒ волновое сопротивление провода). Например, в системе 110 кВ , что меньше тока координации.

На рис. 6.22 показана схема защищенного подхода, когда подходящая к подстанции линия выполнена на деревянных опорах. Трос подвешивается только в пределах защищенного подхода. Так как на деревянных опорах от тросов к заземлителям прокладываются по стойкам токоотводящие спуски, прочность изоляции опоры относительно земли существенно снижается. В этом случае первая подтросовая опора является местом с ослабленной изоляцией и для того чтобы не ухудшить грозоупорность линии, в начале защищенного подхода на каждой фазе устанавливают трубчатые разрядники РТ1. В конце подхода иногда устанавливают второй комплект трубчатых разрядников РТ2,которые служат для защиты разомкнутого линейного выключателя.

Рис. 6.22. Защищенный подход к подстанции для воздушной линии:

а ‒ на деревянных опорах; б ‒ на металлических или железобетонных

Опорах

Если линия выполнена на металлических или железобетонных опорах и защищена тросами по всей длине, но трубчатые разрядники на подходе не устанавливаются. Однако на примыкающих к подстанции участках линии особенно тщательно выполняются требования молниезащиты: снижаются сопротивления заземления опор и уменьшаются углы защиты тросов. Целью этих мероприятий является уменьшение вероятностей прорыва молнии через тросовую защиту и обратных перекрытий при ударах в опоры в пределах защищенного подхода к подстанции.

Защищенный подход выполняет еще одну важную функцию. При прохождении импульса напряжения по защищенному подходу вследствие действия импульсной короны происходит удлинение его фронта в соответствии с (6.26), т.е. снижение крутизны фронта импульса, набегающего на подстанцию. Длина защищенного подхода должна быть достаточной для того, чтобы крутизна фронта импульса снизилась до значения, безопасного для оборудования подстанции.

Защитное действие вентильного разрядника иллюстрируется рис. 6.23. Для простоты рассматривается набегание на разрядник импульса, приходящего по проводу с волновым сопротивлением Z (рис. 6.23,а). На рис. 6.23,б приведена эквивалентная схема с сосредоточенными параметрами, для которой действительно уравнение:

. (6.95)