автореферат диссертации по энергетике, 05.14.12, диссертация на тему:Численные исследования и разработка методов расчета грозоупорности ВЛ УВН

р Р ^ ОД На правах рукописи

1 з МАЙ 1398

КАРАСЮК Константин Владимирович

ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА ГР030УП0РН0СТИ ВЛ УВН

/

05.14.12 - Техника высоких напряжений

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 1996 г.

Работа выполнена в Сибирском НИИ Энергетики

Научный руководитель - кандидат технических наук,

старший научный сотрудник ГАЙВОРОНСКИЙ Александр Сергеевич

Официальные оппоненты - д.т.н. профессор кафедры Техники и электрофизики высоких напряжений НГТУ, почетный академик Академии электротехнических наук

КАДОМСКАЯ Кира Пантелеймоновна

кандидат технических наук, старший научный сотрудник

ИВАНОВСКИЙ Александр Львович

Ведущая организация - ГП "Отделение дальних передач"

Защита состоится "30" МП9_1996 г. в ¿2 часов на

заседании специализированного совета К 144.04.01 в Сибирском НИИ Энергетики по адресу: 630091, г. Новосибирск, ул. Фрунзе, д.9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского НИИ Энергетики.

Автореферат разослан "30" апреля 1996 г.

Отзывы в двух экземплярах просим направлять по адресу: 630091, г.Новосибирск, ул. Фрунзе, д.9, специализированный совет СибНИИЭ.

Ученый секретарь специализированного совета, Зам. директора по науке, к.т.н.

А.Г.Овсянников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Проблема обеспечения надежности линий электропередачи ультравысоких классов напряжения, выполняющих функции системообразующих связей, относится . к разряду ключевых проблем в электроэнергетике. Стратегией научно-технической политики РАО "ЕЭС России" предусматривается дальнейшее освоение линий данного класса напряжения, которым будет отводиться ведущая роль при создании знергомоста "Сибирь - Центр".

Вместе с тем, в процессе эксплуатации первых в России линий электропередачи класса напряжения 1150 кВ были выявлены ряд недостатков и, в том числе, весьма низкая грозоупорность этих линий. Удельное число грозовых отключений, зафиксированное в период опытной эксплуатации ВЛ 1150 кВ при пониженном напряжении, составило 0,4 отключения в расчете на 100 км линии и 100 грозовых часов. Этот показатель существенно (практически на порядок) превысил прогнозируемую величину и соответствующие показатели по числу грозовых отключений ВЛ 500 и 750 кВ. Таким образом априорные представления, базирующиеся на обобщении опыта эксплуатации ВЛ 110 - 500 кВ, и основанные на них весьма оптимистичные прогнозы о повышении грозоупорности с увеличением класса напряжения ВЛ, оказались не вполне правомерными.

Переход к ультравысоким классам напряжения на рубеже 500 - 1150 кВ привносит новое качество в грозопоражаемость ВЛ, которое проявляется в снижении эффективности тросовой защиты и повышении вероятности прямых ударов молнии в фазные провода. Это новое качество может быть вызвано, как увеличением рабочего напряжения ВЛ, так и увеличением геометрического масштаба объектов (высоты опор, расстояния между проводами и тросами и т.д.). Традиционные методы оценки грозоупорности , основанные на полуэмпирических зависимостях, электро-геометрических построениях и т.д., в силу своей принципиальной ограниченности не могут дать интересующей проектировщиков информации о влиянии различных факторов на грозопоражаемость ВЛ. В связи с этим выяснение причин наблюдаемой низкой грозоупорности ВЛ УВН и ВЛ 1150 кВ в частности, а такие определение адекватных мер повышения грозоупорности, требуют прин-ципиалыю новых подходов и разработки методов расчета , основанных на математическом описании процесса разряда молнии, отражающем стохастический характер этого явления.

Цель работы: Разработка математической модели ориентировки лидера молнии и методики численного расчета грозоупорности ВЛ УВН, выявление

основных факторов, обусловливающих гроупорность ВЛ УВН, и разработка рекомендаций по ее повышению.

Научная новизна работы.

1. Предложен принципиально новый подход к моделированию грозопо-ражаемости наземных объектов, основанный на описании процесса распространения и ориентировки лидера молнии( JIM ) в терминах случайного процесса.

2. Разработана математическая модель распространения и ориентировки нисходящего лидера отрицательной молнии , учитывающая случайные отклонения траектории ЛМ и конкурирующее развитие встречных разрядов с проводов и тросов ВЛ.

В рамках данной модели получены соотношения, связывающие параметры лидера молнии с током возвратного удара, выражения для вероятностей перехода случайного процесса, определяющие случайные отклонения траектории ЛМ, а также модельное приближение для описания развития встречных разрядов с проводов и тросов ВЛ.

3. На уровне феноменологического описания процессов показана идентичность механизмов распространения и ориентировки лидера молнии и лабораторной отрицательной искры при длинах искровых каналов 100 и более метров.

Экспериментально и теоретически показано, что на начальной стадии ориентировки "притягивание" лидера молнии к объекту обусловлено слабым искажением электрического поля в стримерной зоне ЛМ зарядами, индуцированными на проводах и тросах ВЛ. На завершающей стадии ориентировки избирательность поражения определяется конкурирующим развитием встречных разрядов с проводов и тросов ВЛ.

4. В результате численных экспериментов на основе разработанной модели установлены новые качественные и количественные закономерности, определяющие грозопоражаемость ВЛ УВН. В частности, показана негативная роль рабочего напряжения - увеличение вероятности прорыва молнии сквозь тросовую защиту с увеличением рабочего напряжения ВЛ. Установлен эффект значительного снижения вероятности прорыва с увеличением тока возвратного удара. Показано, что вероятность прорыва возрастает пропорционально с отношением длин встречных разрядов с проводов и тросов ВЛ.

Основные положения выносимые на защиту

1. Математическая модель распространения и ориентировки лидера молнии с учетом стохастических отклонений траектории ЛМ и развития

встречных разрядов с проводов и тросов ЕЛ: формулировка задачи в терминах случайного процесса; связь параметров лидера молнии с током возвратного удара; определение вероятностей переходов и случайных отклонений траектории лидера молнии; модельное приближение для описания развития встречных разрядов; описание электрического поля в системе "заряд JIM г- провода и тросы ВЛ".

2. Сравнение результатов численных экспериментов с данными опыта эксплуатации по грозопоражаемости ВЛ 345 - 1150 кВ и результатами экспериментальных исследований на физической модели, подтверждающее достоверность разработанной математической модели и методики численного расчета грозоупорности ВЛ УВН.

3. Результаты численных экспериментов, устанавливающие зависимости числа грозовых отключений от конструктивных параметров ВЛ, импульсной электрической прочности изоляции и уровня рабочего напряжения (класса напряжения) ВЛ.

4. Причины наблюдаемой низкой грозоупорности ВЛ 1150 кВ, связанные с низкой импульсной прочностью изоляции и недостаточной эффективностью тросовой защиты.

5. Общие рекомендации и пути повышения грозоупорности ВЛ УВН.

Практическая значимость работы.

1. На основе модели ориентировки лидера молнии с применением метода "статистических испытаний" разработано программное обеспечение для IBM-совместимых ПК по расчету грозоупорности ВЛ УВН. Разработанное программное обеспечение может использоваться как инструмент при разработке и проектировании систем тросовой защиты и позволяет получить статистические оценки показателей грозоупорности ВЛ УВН при различных конструктивных параметрах и уровне рабочего напряжения ВЛ.

2. В результате проведенных численных экспериментов получены зависимости удельного числа грозовых отключений от различных конструктивных параметров и уровня импульсной электрической прочности изоляции цля ВЛ 1150 кВ. На основе полученных зависимостей даны рекомендации по повышению грозоупорности ВЛ 1150 кВ.

Методы исследований.

Разработка математической модели ориентировки лидера молнии основывалась на существующих физических представлениях о развитии разряда молнии типа "облако-земля" и теории разряда в лидерной и сгримерной $орме в длинных воздушных промежутках. Использовался математический аппарат теории случайных процессов, метода статистических испытаний (Монте-Карло), а также метода интегральных уравнений для описания

электрических полей.

При экспериментальных исследованиях с целью проверки достоверности математической модели использовался метод имитационного физического моделирования.

Реализация результатов работы.

Результаты работы в виде рекомендаций по повышению грозоупорности ВЛ 1150 кВ переданы в РАО "ЕЭС России" и ГП "Отделение дальних передач" для использования при проектировании ВЛ 1150 кВ "Итат-Барнаул".

Результаты работы в части определения зон защиты тросовых молниеотводов, рассчитанных на основе разработанной модели ориентировки лидера молнии использованы при составлении "Руководящих указаний по защите взрывоопасных объектов нефтепроводного транспорта" (дополнение к РД 34.21.122-87) и переданы в кампанию "Транснефть".

Апробация работы

Отдельные материалы по теме диссертации докладывались и обсуждались:

- 9-th International Conference on Atmospheric Electricity (Russia, St.Petersburg). ("9-ая Международная конференция по атмосферному электричеству", Россия, с-т Петербург 15 - 19 июня 1992);

- 8-th International Symposium on High Voltage Engeenering (Japan, Yokohama). ("8-й Международный Симпозиум по Высоковольтной Технике", Япония, Иокогама., 23 - 27 августа 1993 г.);

- сибирский высоковольтный семинар, Новосибирск, 24 мая 1995 г.;

- научно-практическая конференция по электропередаче 1150 кВ, Москва, 14 марта 1996 г.

Публикации

Основное содержание работы изложено в 2-х печатных работах.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и приложения изложенных на 170 страницах текста, списка использованных источников из 33 наименований, иллюстрированна 45 рисунками, содержит 3 таблицы.

• ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность исследований, направленных на разработку методов расчета грозоупорности , основанных на численном моделировании процесса ориентировки лидера молнии , и поиск путей повышения грозоупорности ВЛ УВН. Приводится краткий обзор существующих методов расчета грозоупорности и формулируются задачи исследований, отмечается научная новизна и практическая значимость полученных

в работе результатов, приводится структура работы и ее краткое содержание.

Первый раздел посвящен анализу существующих представлений о механизме разряда молнии типа "облако - земля" и механизме ориентировки лидера молнии на наземные объекты, как основы для построения математической модели этого явления. Приводится краткий аналитический обзор данных полевых наблюдений разряда молнии и результатов электрофизических исследований разряда в длинных воздушных промежутках. Приводятся результаты физического моделирования на крупномасштабных макетах пролетов ВЛ (М 1:5, 1:10) с использованием длинной отрицательной искры в качестве аналога нисходящего лидера отрицательной молнии.

Согласно данным полевых наблюдений первая стадия разряда молнии типа "облако - земля" представляет собой распространение так называемого "ступенчатого лидера". На фотографиях разряда, полученных с помощью скоростной фотокамеры, ступенчатый характер распространения проявляется в чередовании слабосветящихся каналов, на концах которых видны области более яркого свечения, и скачкообразном увеличении длины каналов.

Электрофизические исследования разряда в длинных воздушных промежутках, проведенные в СибНИИЭ, позволили показать идентичность природы лабораторной искры при отрицательной полярности напряжения и нисходя-дего лидера отрицательной молнии.

При уровнях напряжения 4-5 МВ в лабораторных условиях были получены длины искровых каналов, достигающие 100 и более метров. Установлено, что распространение отрицательной искры имеет ярко выраженный зтупенчатый характер, подобный тому, который отмечается при развитии лидера молнии. На эопограммах разряда наблюдается регулярное чередование ступеней с повторением одинаковых стадий разряда на каждой ступени. В начале очередной ступени возникает вспышка стримеров от головки -санала искры. В этот момент наблюдается пик интенсивности излучения и 1роисходит скачкообразное увеличение полного заряда искры. Длительность стримерной вспышки составляет -1 мкс. Одновременно с ее завершением на границе вспышки возникают локальные разрядные образования -'зародыши" пространственных лидеров, размер которых не превышает 1-10 ;м. Далее, в течение времени т3, определяющего длительность ступени, зроисходит прорастание пространственных лидеров до соединения с кана-юм искры. В течение времени хг полный заряд искры практически не изменяется, а интенсивность излучения канала искры значительно ослабевает. Одновременно могут развиваться несколько пространственных лидеров.

В момент соединения одного из них с каналом искры последний получает как бы мгновенное приращение на величину 13( длины ступени), возникает новая стримерная вспышка и процесс повторяется.

Исследования на физических моделях были направлены на выявление качественных и количественных закономерностей, определяющих механизм ориентировки отрицательной искры. Полученные при этом результаты послужили основой для построения математической модели ориентировки лидера молнии и ее проверки.

Установлено, что процесс ориентировки отрицательной искры на макет ВЛ включает две стадии. Первая стадия обусловлена слабым искажением электрического поля в стримерной зоне искры, зарядами индуцированными на проводах и тросах макета ВЛ. Влияние электрического поля зарядов макета на "притягивание" искры начинает сказываться на расстоянии нескольких длин ступеней и определяет такой параметр ориентировки, как радиус стягивания. Величины радиусов стягивания, полученные на физических моделях составили 10-20 м и пересчитанные с учетом масштабов объектов удовлетворительно согласуются с данными полевых наблюдений радиусов стягивания разрядов молнии. Вторая стадия ориентировки связана с конкурирующим развитием встречных разрядов в лидерной форме с проводов и тросов ВЛ до соединения с каналом искры. Длины встречных разрядов на модели достигали 2-3 м, а скорость их распространения возрастала от 2'104 м/с в момент инициирования до 2-Ю5 м/с в момент соединения с каналом искры.

Таким образом, на уровне феноменологического описания процессов полученные результаты позволяют предположить одинаковый механизм распространения и ориентировки лабораторной отрицательной искры и нисходящего лидера отрицательной молнии, количественные характеристики которых совпадают в пределе малых токов <10 кА. Этот вывод имеет принципиальное значение, поскольку позволяет распространить качественные и количественные закономерности, установленные при исследовании отрицательной искры, на описание процесса распространения и ориентировки лидера молнии.

Второй раздел посвящен разработке математической модели ориентировки лидера молнии и методики численного расчета грозоупорности ВЛ УВН. Наиболее общим показателем грозоупорности ВЛ является удельное число грозовых отключений, рассчитываемое, как правило, на 100 гаи линии и 100 грозовых часов. Применительно к линиям ультравысоких классов напряжения этот показатель определяется, главным образом, прямыми ударами молнии в фазные провода при прорыве сквозь тросовую защиту.

Введем понятие "поля точек старта" - координат хс ,ус лидера молнии (JIM) на высоте zc над уровнем земли, где влияние электрического поля ВЛ на отклонения траектории ЛМ еще отсутствует и случайные величины хс и ус распределены по закону равномерной плотности с параметром N^Cздесь Ng-- плотность ударов молнии в землю). Определим Pnp(Xc,Yc,1м) как вероятность события, заключающегося в том, что распространение лидера молнии с координатами точки старта хс, ус и параметрами, отвечающими 1м, приводит к удару в фазный провод. Тогда удельное число отключений линии, обусловленных прямыми ударами молнии в фазные провода запишется в виде:

Поткл= KnpNg-

fmОм)Рпр(Хс>УсЛм) dxcdycdIM, (1)

1кр Э

где ГщОм)- плотность распределения амплитуд токов молнии, 1кр=и0.5/2«в-критический ток/молнии, определяемый уровнем импульсной прочности изоляции Шо,5) и волновым сопротивлением (<йв), ЬПР и Кпр -длина и число пролетов на 100 км, интегрирование производится по всей поверхности старта 3(2=гс).

Задача определения вероятности прямых ударов и удельного числа грозовых отключений ВЛ сводится к построению отдельных реализаций случайного процесса. Последнее, в свою очередь, предусматривает: нахождение связи между параметрами нисходящего лидера и током возвратного удара, определение вероятностей переходов случайного процесса (случайных отклонений траектории нисходящего лидера), описание развития встречных разрядов с проводов и тросов ВЛ и определение характеристик электрического поля в рассматриваемой системе.

Модельное приближение для параметров нисходящего лидера. Предполагается детерминированная связь параметров нисходящего лидера (01- погонного заряда, 13 - длины ступени, г3 - длительности ступени, VI -средней скорости) с током возвратного удара 1м, определяемая соотношениями вида:

1м = Кн-Оо-УнПм).

01(х) = Ос ЕХР(-х/«13),

! = 3»9'0о э ~ 4ле0•Е3 '

Is ln(ls/lo)

ts =

Vi= Kv Es

Vi Kv Es

Is

InCls/lo)

где Еэ - средняя напряженность поля в стримерной зоне (параметр модели); Ун- скорость волны нейтрализации при возвратном ударе; (Кн, Ку, «) - константы (параметры модели), определяемые в соответствиями данными полевых наблюдений разряда молнии и результатами лабораторных исследований электрического разряда.

Моделирование случайных отклонений траектории нисходящего лидера.

Считается, что существует N потенциально возможных направлений распространения ЛМ на очередной ступени - по количеству пространственных лидеров, которые формируются на границе стримерной вспышки. Случайное направление распространения, как предполагается, обусловлено случайным местом формирования пространственных лидеров на границе вспышки, а также случайным временем их прорастания до соединения с головкой ЛМ, зависящим от поля.

В сферической системе координат, связанной с головкой нисходящего лидера, потенциально возможные направления распространения фиксируются параметрическими координатами 83, 3=1, N. Функции плотности распределения случайных величин <Рэ и 8^ определяются соотношениями:

2Л

SINQi

f8 =

(5)

l-C0S8s -

где 8S - максимальный угол отклонения, определяемый геометрией стримерной вспышки. Функция плотности распределения случайного времени прорастания пространственных лидеров предполагается нормальной и задается выражением:

11/ ч2

ft(4». в) = - ЕХР— (- (t-ts(q>, 8))/ 6t J (6)

/lit 6t

где ts(q>, 8) = т3/(1+ЕВн*(Ф> 8)/Es); Евн*(ф, 8)- проекция напряженности внешнего поля на данное направление; 6t~параметр модели.

В итоге случайное направление распространения ЛМ на очередной ступени определяется исходя из условия min < ts(4>j, Ö3), j=l, N > в

результате разыгрывания случайных величин ф^ и в соответствии с процедурой метода Монте-Карло.

В системе координат, связанной с головкой ЛМ, случайные приращения координат головки ЛМ на очередной ступени определяются как:

АХ i = ls COS 8i COS q»i AY' Í = ls COS 8i SIN q»i Az'i = ls SIN 8i

AXi AYi AZj

Mi

ДХ i AY'i AZ'i

(?)

Окончательное выражение для определения случайных величин ДХ1, ДУ4, Дг1 запишется в виде:

(8)

где | Mi | исходную:

матрица преобразования из собственной системы координат в

Mi =

AZj AXi AZj AYi Ti

ls Ti ls Ti ls

AYi AXi 0

Ti Ti

AXi AYÍ AZj

ls ls ls

(9)

Ti = |/ AXi2 + AYi2

Критерий инициирования и параметры встречных разрядов. Инициирование встречных разрядов обусловлено усилением напряженности поля на проводах и тросах ВЛ в поле заряда нисходящего лидера. Критерий инициирования может быть связан с достижением наведенным потенциалом (и') на проводе (тросе) некоторого критического значения икр, зависящего от геометрии и потенциала (U®) провода. В соответствии с результатами экспериментальных исследований, применительно к ВЛ 1150 кВ, значения икр определяются из условия:

Í 1,4 МВ - для троса

? « , п „„ (10)

1,4 - 0,4иф - для провода

Уравнение распространения встречных разрядов, в модельном приближении, записывается в виде:

EB(XiB.yiB.ZiB,ti)

КвФв (t)

(И)

|Е|

где EB(XiB,yiB,2iB,ti), (pE(t)- напряженность внешнего поля и эффективный потенциал на головке встречного разряда. Под внешним понимается поле, созданное всеми источниками (зарядами) за исключением зарядов самого встречного разряда.

Электрическое поле в рассматриваемой системе. Источниками поля в рассматриваемой системе являются заряды грозового облака, заряды лидера молнии и заряды, индуцированные на проводах и тросах ВЛ. Используется дипольная модель зарядов грозового облака и считается, что заряды лидера молнии сосредоточены на его оси с линейной плотностью Qi. Заряды индуцированные на проводах и тросах ВЛ определяются в результате решения системы интегральных уравнений.

Предложенная модель позволяет построить реализации случайного процесса при заданном исходном состоянии системы от момента старта JIM до соединения его со встречными разрядами с провода(троса) или удара в землю. Критерий ориентировки ЛМ определяется исходя из условий:

где - 1?1Б'пр, 1?1в'тр координаты головки встречного разряда с провода и с троса, соответственно, {?кр- некоторая критическая длина, принимаемая равной длине ступени.

В результате построения реализаций случайного процесса при варьировании координат точек старта и параметров лидера молнии может быть получена статистическая оценка числа прямых ударов или вероятности прорыва.

На базе предложенной математической модели с использованием метода "статистических • испытаний" разработаны численный алгоритм и соответствующее программное обеспечение для 1ВМ-совместимых ПК, позволяющие путем численных экспериментов получить статистические оценки числа ударов молнии в линию, определить избирательность поражения проводов и тросов и удельное число грозовых отключений, при различных конструктивных параметрах и рабочем напряжении ВЛ.

В третьем разделе обсуждается достоверность предложенной матема-

|R.M_R.B,np| < R] |R.M_R.B,TP| к R]

ZiM < Rkp

'KP

'KP

- удар в провод;

- удар в трос;

- удар в землю.

(12)

тической модели и методики численного расчета и рассматриваются некоторые методические вопросы, связанные с численной реализацией.

Разработка математической модели любого сложного физического явления предполагает экспериментальную проверку допущений, лежащих в основе модели, и "подгонку" некоторых неопределенных параметров модели исходя из- наилучшего совпадения расчетных и экспериментальных результатов. Последнее нельзя относить к недостаткам модели, поскольку присутствие неопределенных параметров, зачастую, является неизбежным из-за недостатка сведений о физическом механизме явления. Данное положение в полной мере относится к описанию процесса распространения и ориентировки лидера молнии, который носит случайный характер, практически невоспроизводим в лабораторных условиях и в силу этого слабо изучен. Применительно к рассматриваемой модели следует выделить два таких параметра: среднеквадратическое отклонение длительности ступени (61), от которой зависит "чувствительность" лидера молнии к искажению электрического поля наземным объектом , и параметр КЕ, которым регулируется скорость встречных разрядов с проводов и тросов ВЛ и, следовательно, избирательность их поражения молнией.

Для определения указанных параметров и проверки достоверности мо-цели проведено сравнение результатов численных экспериментов с результатами экспериментальных исследований на физической модели и данными эпыта эксплуатации по числу грозовых отключений ВЛ 345 кВ.

Численные эксперименты по ориентировке отрицательной искры на ма-сеты ВЛ проводились с учетом реальной геометрии макетов и параметров *скры, полученных экспериментально. В результате сравнения получено удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных гистограмм отклонений искры в направлении макета и частостей поражения макета ВЛ гскрой, а также зависимостей вероятности прорыва сквозь тросовую защиту от положения точки старта и величины напряжения на проводе.Получен-ше результаты свидетельствуют о корректности предложенной модели на сачественном уровне.

При сравнении результатов численного моделирования с данными опы-?а эксплуатации по числу грозовых отключений ВЛ в качестве объектов (ля сравнения были приняты ВЛ 345 кВ: одноцепная ВЛ на опорах порталь-юго типа с горизонтальным расположением проводов и двухцепная ВЛ на шорах башенного типа,'рекомендованые комитетом N 33 СИГРЭ как эталон-ме объекты для сопоставления грозопоражаемости различных ВЛ.

Численные эксперименты проводились при различных значениях пара-гетра Кв, регулирующего скорость и длину встречных разрядов. Как уста-

новлено, вероятность прямых ударов молнии и число грозовых отключений ВЛ существенным образом зависят от длины встречных разрядов с проводов и тросов и этим объясняется сильная зависимость числа отключений от параметра Кв. Наилучшее совпадение расчетных результатов с данными опыта эксплуатации обеспечивается при значениях параметра Кв=(3,5-5,5)-10"2. Существенно при этом, что оптимальные значения Кв для различных конструкций ВЛ при существенно (более чем на порядок) отличных Notkji.» различаются весьма незначительно. Длины встречных разрядов, отвечающие указанным значениям Кв> находятся в диапазоне 40 - 75 м, что не противоречит существующим физическим представлениям и результатам исследований электрического разряда в длинных воздушных промежутках при положительной полярности напряжения.

В целом результаты полученные при сравнении численных экспериментов с данными опыта эксплуатации подтверждают достоверность разработанной модели и возможность ее применения для анализа грозопоражаемос-ти ВЛ УВН.

В четвертом разделе приводятся результаты численных исследований грозоупорности ВЛ УВН, которые были направлены на выявление некоторых общих закономерностей, определяющих изменение показателей грозоупорности ВЛ в зависимости от различных факторов, и поиск путей повышения грозоупорности ВЛ УВН.

Рассматривались ВЛ различного конструктивного выполнения, классов напряжения 500 - 1150 кВ. Основное внимание было уделено ВЛ 1150 кВ, представляющим наибольший практический интерес в плане намеченного дальнейшего освоения линий данного класса напряжения. Анализировалось влияние на показатели грозоупорности ВЛ таких факторов, как: конструктивные параметры, определяющие расположение проводов и тросов в пролете, уровень импульсной электрической прочности изоляции и рабочее напряжение (класс напряжения) ВЛ.

В результате проведенных численных экспериментов получены расчетные показатели по удельному числу грозовых отключений ВЛ 500, 750 и 1150 кВ, удовлетворительно согласующиеся с эксплуатационными показателями.

Показано, что основными причинами наблюдаемой низкой грозоупорности ВЛ 1150 кВ являются низкая электрическая прочность изоляции (3,0 и 2,3 МВ на промежуточных и АУ опорах, соответственно), а главное, недостаточная эффективность тросовой защиты. Последнее, в свою очередь, обусловлено влиянием рабочего напряжения, которое не принималось во внимание на стадии проектирования ВЛ 1150 кВ. Как установлено, увели-

чение рабочего напряжения от 500 до 1150 кВ приводит к увеличению числа грозовых отключений в 2,5 раза.

Предполагавшееся ранее (работы НИИПТ) снижение грозоупорности ВЛ 1150 кВ главным образом из-за повышения вероятности прорыва молнии в районе АУ опор в данной работе не подтвердилось. Несмотря на некоторое увеличение- (в пределах 20%) вероятности прорыва в районе АУ опор, которое действительно имеет место, это увеличение с учетом малой относительной длины пролетов, примыкающих к АУ опорам, не приводит к существенному повышению числа грозовых отключений для линии в целом.

Влияние различных факторов на грозоупорность ВЛ УВН состоит в следующем.

Конструктивные параметры ВЛ(рис.1). Среди них в первую очередь следует выделить: горизонтальное (Зт-П) и вертикальное (Ьт-п) смещение "трос-провод", а также высоту подвеса провода (НПр). Параметры Бт-П и Ьт-п. определяющие взаимное расположение проводов и тросов, играют основную роль. Применительно к базовой конструкции ВЛ 1150 кВ уменьшение вертикального смещения Ьт-П от 18 до 10 м,при прочих равных условиях, приводит к ухудшению показателей грозоупорности и увеличению числа грозовых отключений Муд в б - 7 раз.

Соответственно, увеличение горизонтального смещения Зт-П от 0 до 7 м приводит к увеличению Муд в 8 - 20 раз. Горизонтальное смещение троса в область Вт-П < 0 (отрицательный угол защиты) существенно улучшает показатели грозоупорности и приводит к снижен™ Муд до (0.02 -0.1) в зависимости от других конструктивных параметров.

При прочих равных условиях увеличение высоты подвеса провода приводит к увеличению числа грозовых отключений. Для ВЛ УВН зависимость Муд = f(НПр) при НПр > 30 м выражена в большей степени, нежели считалось ранее. При увеличении НПР от 30 до 37.5 м число грозовых отключений может возрастать в 4 -5 раз.

Импульсная электрическая прочность изоляции ВЛ. Влияние этого фактора на показатели грозоупорности ВЛ обусловлено не только изменениями критического тока молнии 1к, который непосредственно определяется 1150%, но и зависимостью вероятности прорыва молнии от амплитуды тока. Как показано в данной работе вероятность прорыва молнии сквозь тросовую защиту значительно снижается с увеличением амплитуды тока молнии свыше ЗОкА. За счет этого повышение 1150% может приводить к большему снижению числа грозовых отключений, нежели считалось ранее. В частности, для варианта конструктивного выполнения ВЛ 1150 кВ на опорах П0Г-1150-5 можно ожидать снижения Ыуд в 2.5 раза при увеличении

1150% ОТ 3 МВ до 4.5 МВ.

Рабочее напряжение (класс напряжения) Ей (рис.2). При прочих равных условиях увеличение ирае приводит к увеличению числа грозовых отключений. Для ВЛ 1150 кВ отличаются в 4.5 раза при ира6=0 и ираб=И50 кВ. Условно можно принять, что для данного варианта ВЛ на каждые 100 кВ рабочего напряжения добавляется примерно 0.06 отключения на 100 км линии и 100 г.ч.

НОС*, 1/100ГЛ. И / / /

/ /

( У

/¿3 //оо /Ш г. V.

¿¡г,

/ООО

зооо

Рис.1 - ' Рис.2

В количественном выражении влияние ираб, установленное в данной работе, оказалась меньшим, нежели предполагалось ранее. Вместе с тем, влияние этого параметра безусловно является весьма существенным и должно учитываться при проектировании систем тросовой защиты ВЛ УВН.

Резюмируя полученные результаты с точки зрения их следствия для инженерных применений и, в частности, для выбора мер повышения грозоу-порности ВЛ 1150 кВ необходимо выделить три обстоятельства. Во-первых, для обеспечения приемлемых показателей грозоупорности ВЛ УВН на уровне МуД<0.1 необходим переход к малым углам защиты, близким к нулевым, или переход к отрицательным углам защиты. При этом вертикальное смещение трос-провод целесообразно принимать не меньшим 14 м. Во-вторых, необходимо учитывать существенное снижение показателей грозоупорности с увеличением высоты опор и высоты подвеса провода при НПр>30 м. В этом случае практически безальтернативной мерой обеспечения грозоупорности ВЛ может оказаться переход к отрицательным углам защиты. И в третьих,

следует стремиться к максимальному повышению импульсной прочности изоляции ВЛ, ориентируясь на уровень Uso%=4.5-5 MB.

В заключении формулируются основные выводы по результатам работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Проведен анализ и сопоставление результатов полевых наблюдений разрядов молнии и результатов электрофизических исследований разряда в длинных воздушных промежутках. На уровне феноменологического описания процессов показана идентичность природы лабораторной отрицательной искры и нисходящего лидера отрицательной молнии.

2. Проведено физическое моделирование грозопоражаемости на крупномасштабных макетах пролетов ВЛ в масштабе 1:10 и 1:5 с использованием длинной отрицательной искры в качестве аналога нисходящего лидера отрицательной молнии. Экспериментально показано, что процесс ориентировки включает две стадии, обусловленные, соответственно, слабым искажением электрического поля в стримерной зоне искры (лидера молнии) зарядами, индуцированными на проводах и тросах ВЛ, и конкурирующим развитием встречных разрядов с проводов и тросов до соединения с каналом искры (лидера молнии).

3. Разработана математическая модель распространения и ориентировки лидера молнии с учетом стохастических отклонений траектории ЛМ и развития встречных разрядов с проводов и тросов ВЛ.

4. На основе математической модели с использованием метода "статистических испытаний" разработаны численный алгоритм и соответствующее программное обеспечение для расчета грозопоражаемости ВЛ УВН.

Функциональные возможности программы позволяют рассчитать удельное число грозовых отключений, полное число ударов молнии в линию, а также определить избирательность поражения проводов и тросов ВЛ в зависимости от амплитуды тока молнии, при различных конструктивных параметрах и рабочем напряжении ВЛ.

Достоверность математической модели и методики численного расчета подтверждается сравнением результатов численных экспериментов с исследованиями на физической модели и данными опыта эксплуатации ВЛ 345 -1150 кВ.

5. В результате проведенных численных экспериментов получены расчетные показатели по удельному числу грозовых отключений ВЛ 500; 750 и 1150 кВ различного конструктивного выполнения и установлено влияние различных факторов (конструктивных параметров, электрической прочности, уровня рабочего напряжения) на грозоупорность ВЛ УВН.

6. Показано, что основными причинами наблюдаемой низкой грозоу-порности BJI 1150 кВ являются, во-первых, низкая импульсная прочность изоляции как на промежуточных, так и на АУ опорах, а во-вторых, и это главное, недостаточная эффективность тросовой защиты и большая вероятность прорыва молнии, обусловленная влиянием рабочего напряжения ВЛ, которое не учитывалось на стадии проектирования.

7. На основе полученных расчетных зависимостей, определяющих влияние различных факторов на грозоупорность ВЛ УВН намечены пути повышения грозоупорности ВЛ 1150 кВ и сформулированы общие рекомендации, которых необходимо придерживаться при проектировании систем тросовой защиты ВЛ УВН.

Основные результаты диссертационной работы отражены в

1. A.Gaivoronsky and K.Karasyuk. Modeling of spreading process and that of lightning leader's orientation with help of Monte-Carlo method// Proc. 9-th International Conference on Atmospheric Electricity, Russia, St.Petersburg.- 1992.- Vol.3.-P.655-658.

2. A.S.Gaivoronsky and K.V.Karasyuk. Numerical model of lightning leader orientation on transmition line// Proc. 8-th International Symposium on High Voltage Engeenering, Japan, Yokohama.- 1993.-P. 277-280.

следующих работах:

\

Размножено на ризографе копировального центра А0"НЭТА" 630092, Новосибирск, АО "НЭТА", пр.Маркса, 20