автореферат диссертации по энергетике, 05.14.12, диссертация на тему:Исследование и разработка мер повышения надежности эксплуатации изоляции сетей средних и высоких классов напряжения, содержащих двухцепные воздушные линии

На правах рукописи

Зубков Александр Сергеевич

Исследование и разработка мер повышения надежности эксплуатации изоляции сетей средних и высоких классов напряжения, содержащих двухцепные воздушные линии

Специальность 05.14.12 - 'Техника высоких напряжений"

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

I

Новосибирск - 2005

Работа выполнена в Новосибирском Государственном Техническом Университете

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Кадомская Кира Пантелеймоновна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ефимов Борис Васильевич

, ~ •' кандидат технических наук

Ивановский Александр Львович

Ведущая организация: Федеральный государственный научный

центр научно-исследовательского института высоких напряжений, г. Томск.

Защита диссертации состоится 17 ноября 2005 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.173.01 при Новосибирском Государственном Техническом Университете. 630092 Новосибирск - 92, пр. К. Маркса, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского Государственного Технического Университета.

Автореферат разослан М октября 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Ми Тимофеев И.П.

шы

тот

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. В настоящее время, для ответственных потребителей, не терпящих перерыва в электроснабжении, все большее применение находят распределительные сети средних классов напряжения, содержащие в своем составе преимущественно двухцепные воздушные линии (ВЛ), цепи которых эксплуатируются раздельно, что повышает надежность электроснабжения потребителей, т.к. при повреждении одной цепи потребитель продолжает бесперебойно получать электроэнергию по второй цепи (при условии практически двойного резервирования питания). Большой процент двухцепных В Л в сети 35 кВ вносит дополнительные требования к режимам и схемам эксплуатации таких сетей с точки зрения обеспечения их надежной эксплуатации в режиме однофазного замыкания на землю. Эти дополнительные требования возникают при раздельной эксплуатации цепей этих ВЛ, то есть в случае присоединения цепей к различным системам шин при отключенном междусекционном выключателе.

В распределительной сети с изолированной нейтралью или нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор, ток однофазного замыкания на землю (033) не представляет серьезной опасности для элементов электропередачи, и поэтому устройства релейной защиты могут срабатывать на сигнал.

Увеличение протяженности линий электропередачи (в том числе и двухцепных) приводит к увеличению емкостного тока ОЗЗ до десятков и сотен ампер, что затрудняет условия деионизации дуги и увеличивает длительность ее горения. Такая перемежающаяся дуга приводит к появлению колебаний, возникающих при каждом обрыве тока и его зажигании. Около 60% всех замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью носит именно такой характер. Возможны случаи перехода однофазного дугового замыкания (ОДЗ) в двухфазное к.з. В этом случае могут возникнуть многоместные повреждения, при которых изоляция электрооборудования сети перекрывается в различных точках сети. В ряде случаев возникающие перенапряжения вызывают развитие дефектов, что в конечном итоге может привести к существенному снижению электрической прочности изоляции и повысить вероятность её повреждения. Повышение напряжения на трансформаторах напряжения, подключенных к секциям шин, вызванное однофазным дуговым замыканием, в сетях относительно небольшой протяженности может привести к возникновению опасных феррорезонансных колебаний.

Некоторые особенности возникают и при эксплуатации двухцепных ВЛ высших классов напряжения, эксплуатируемых при глухом заземлении нейтрали сети. К этим особенностям можно отнести уровни напряженностей электростатического и электромагнитного полей по их трассам, а также, неполнофазные режимы, сопровождающие некоторые нештатные и штатные коммутации, в частности,

повторного включения (ОАПВ;

Повышение надежности эксплуатации воздушных линий электропередач при их грозовых поражениях остается до сих пор одной из важнейших задач электроэнергетики.

Воздушные линии электропередачи ежегодно поражаются молниями. В большинстве случаев линии на металлических опорах имеют один или два заземленных троса, подвешиваемых выше фазных проводов и воспринимающих на себя удар молнии. Применение тросовой защиты, позволяет снизить величину индуцированных перенапряжений примерно на 30%. Однако наличие тросов не исключает появление высоких потенциалов на фазных проводах, и также, хотя и с малой вероятностью, удара молнии в фазный провод. На двухцепных же опорах удар молнии зачастую приводит к замыканию между двумя цепями. Очевидно, что такое развитие событий при ударе молнии в двухцепную В Л должно быть исключено.

Изложенное позволяет заключить, что одной из возможных ниш использования подвесных ОПН является их установка именно на двухцепных опорах. Это и предопределило проведение исследования эффективности установки ОПН на двухцепных опорах ВЛ 35 -330 кВ.

При выполнении исследований эффективности установки ОПН на опорах двухцепных ВЛ была использована математическая модель ориентировки канала лидера молнии, основанная на описании распространения лидера молнии и развития встречных разрядов как случайных процессов. Такой подход позволяет учесть случайные отклонения траектории лидера молнии, а также случайный характер инициирования и развития встречных разрядов. С помощью этой модели были получены функции распределения амплитуд волн токов молнии для разных типов опор ВЛ 35-330 кВ, что позволило оценить перспективность рассматриваемой меры повышения грозоупорности ВЛ- установки на опорах защитных аппаратов типа ОПН.

Целью работы явилось выявление особенностей стационарных и переходных электромагнитных процессов в электропередачах двухцепного исполнения 35-330 кВ, а также установление технической целесообразности оснащения двухцепных ВЛ 35-330 кВ защитными аппаратами типа ОПН и определение их энергоемкости при различных сопротивлениях заземления опор.

Для достижения этой цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

• разработана математическая модель, позволяющая исследовать переходные процессы, сопровождающие однофазные дуговые замыкания на землю (ОДЗ), в электрических сетях, содержащих двухцепные В Л;

• проведены исследования влияния как способа моделирования двухцепных ВЛ 35 кВ, так и места ОДЗ на ВЛ на уровни перенапряжений, возникающих при ОДЗ;

• рассмотрены феррорезонансные процессы, обусловленные насыщением магнитопроводов трансформаторов напряжения, в распределительных сетях 35 кВ, содержащих двухцепные ВЛ;

• проанализированы интенсивности электрических полей под двухцепными ВЛ ВН 110-330 кВ и предложены рекомендации по снижению напряженностей электростатического и электромагнитного полей по их трассам;

• рассмотрены стационарные режимы при горении и погасании дуги подпитки в процессе «бестоковой» паузы ОАПВ в двухцепных ВЛ ВН;

• показано различие амплитуд волн токов молний, возникших на проводах ВЛ при учете и не учете ориентировки канала лидера молнии;

• проанализированы уровни перенапряжений на изоляции двухцепных ВЛ 35-330 кВ, возникающих при ударах молнии;

• разработаны требования по энергоемкости подвесных ОПН разных классов напряжения при различных сопротивлениях заземления опор;

• исследовано влияние мест расстановки подвесных ОПН на опорах ВЛ ВН на надежность эксплуатации линейной изоляции.

Научная новизна основных положений и результатов работы:

• разработанные математические модели стационарных режимов 033, и переходных процессов, инициируемых однофазными дуговыми замыканиями на землю при учете насыщения магнитопроводов трансформаторов напряжения, позволяют выбрать целесообразный режим заземления нейтрали в электрических сетях средних классов напряжения, содержащих в своем составе двухцепные ВЛ;

• показано влияние фазировки проводов двухцепных ВЛ ВН с вертикальной подвеской фаз на интенсивность электромагнитного поля по трассе ВЛ ВН и на параметры, характеризующие «бестоковую» паузу при ОАПВ;

• определены законы распределения амплитуд волн токов молний, поражающих фазные провода ВЛ 35-330 кВ двухцепного исполнения при учете ориентировки канала лидера молнии;

• проанализировано влияние на требуемую энергоемкость подвесных ОПН 35-330 кВ их мест установки, а также сопротивления заземления опор.

Практическая значимость результатов работы:

1. Разработанные математические модели процессов происходящих в сетях 35 кВ, содержащих двухцепные ВЛ, могут быть использованы при расчетах стационарных и переходных режимов как при анализе технологических нарушений в действующих электрических сетях, содержащих двухцепные ВЛ, так и при проектировании таких сетей.

2. Показано, что при отсутствии транспонирования фаз ВЛ воздушной сети 35 кВ, содержащей двухцепные ВЛ, установка ДГР в таких сетях может привести к увеличению их аварийности. Оснащение же нейтрали высокоомным сопротивлением позволяет исключить эскалацию перенапряжений при ОДЗ в двухцепных ВЛ.

3. Приведена область параметров воздушной сети 35 кВ, содержащей двухцепные ВЛ, отвечающая выполнению условий существования стационарных феррорезонансных колебаний, приводящих к повышенным

значениям токов в обмотках ВН трансформаторов напряжения электромагнитного типа.

4. Показано, что с помощью соответствующей фазировки проводов двухцепных ВЛ высокого напряжения можно существенно уменьшить интенсивности электростатического и электромагнитного полей вдоль их трасс.

5. Полученные при учете ориентировки канала лидера молнии законы распределения амплитуд токов молний, прорвавшихся на провода ВЛ 35-330 кВ двухцепного исполнения сквозь тросовую защиту, могут быть использованы при разработке системы защиты проектируемых двухцепных ВЛ от грозовых перенапряжений с помощью подвесных ОПН.

6. Выдвинутые требования к энергоемкости ОПН, устанавливаемых на опорах двухцепных В Л 35-330 кВ, могут стать отправной точкой при проектировании защиты таких ВЛ с помощью подвесных ОПН.

Достоверность результатов работы обусловлена использованием при ее выполнении достаточно полных математических моделей исследуемых режимов и процессов, а также модели ориентировки канала лидера молнии. Правомочность полученных результатов подтверждается хорошим согласием ряда результатов с экспериментальными данными, полученными как отечественными, так и зарубежными исследователями.

Апробация результатов работы.

Отдельные результаты работы и работа в целом обсуждались на научных семинарах факультета энергетики и кафедры ТиЭВН НГТУ, а также на трех региональных конференциях аспирантов и молодых ученых, на Второй Всероссийской научно-технической конференции в Новосибирске 15-17 октября 2002 г «Ограничение перенапряжений и режимы заземления нейтрали сетей 6-35 кВ»; на межрегиональном семинаре для энергетиков металлургических предприятий «Электротехническое электрооборудование и комплексный подход к применению средств защиты от перенапряжений», Новосибирск, 23-25 сентября 2005 г.; и на Международной научно-технической конференции «Перенапряжения и надежность эксплуатации электрооборудования». Санкт-Петербург, 31 марта-5 апреля 2003 г.

По теме диссертации в научно-технической литературе опубликованы тексты пяти докладов и две научных статьи.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти разделов и заключения, изложенных на 129 страницах текста, списка использованных источников, содержащего 50 наименований и приложения. Работа иллюстрирована 40 рисунками и содержит 21 таблицу.

Положения, выносимые на защиту: • Сравнительная оценка эффективности различных способов заземления нейтрали в сетях средних классов напряжения, содержащих двухцепные ВЛ, может быть произведена с помощью разработанных при выполнении диссертации математических моделей стационарных и переходных

процессов в этих сетях, учитывающих распределенность параметров ВЛ и насыщение магнитопроводов трансформаторов напряжения.

• Обеспечение надежной эксплуатации сетей средних классов напряжения, содержащих большой процент двухцепных ВЛ, может быть достигнуто с помощью резистивного заземления их нейтралей Оснащение нейтралей таких сетей ДГР может привести к повышению их аварийности как при ОЗЗ, так и при ОДЗ за счет электростатической связи между цепями.

• Уменьшению интенсивности электростатического и электромагнитного полей по трассам двухцепных ВЛ высокого напряжения может быть достигнуто с помощью рациональной фазировки шести проводов на опорах с вертикальной подвеской фаз.

• Повышение грозоупорности двухцепных ВЛ 35-330 кВ, может быть достигнуто путем установки ОПН непосредственно на опорах ВЛ.

• Приведенные рекомендации по расстановке ОПН по трассе ВЛ и по требуемой энергоемкости защитных аппаратов, учитывающие ориентировку канала лидера молнии в систему провода и тросы ВЛ, позволяют обеспечить надежную эксплуатацию как изоляции ВЛ, так и самих защитных аппаратов в течение приемлемого срока их службы.

• Снижение стоимости защитных аппаратов типа ОПН может быть достигнуто с помощью дифференцированной установки подвесных ОПН (на разных фазах ВЛ на опоре устанавливаются ОПН с разными энергоемкостями).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении дан анализ проблемы, обоснована актуальность

предпринятых исследований, сформулированы основные цели и задачи,

показана научная новизна работы, её практическая значимость.

Сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

Особенности эксплуатации двухцепных ВЛ в электрических сетях средних классов напряжения

Стационарные режимы при однофазных замыканиях на землю (033) и переходные процессы,

сопровождающие однофазные дуговые замыкания (ОДЗ в сетях средних классов напряжения до 35 кВ включительно, содержащих большой процент двухцепных ВЛ,

эксплуатирующихся раздельно, имеют некоторые особенности, которые необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации таких сетей. Эти режимы и процессы в работе рассматриваются применительно к сети

220 220

Рис.1. Типовая схема питания двухцепной ВЛ 35 кВ

35 кВ, содержащей двухцепные В Л. Типовая схема питания такой сети приведена на рис. 1.

В первом разделе работы рассматриваются стационарные режимы сети с двухцепными ВЛ (нормальный режим и ОЗЗ). Как правило, в эксплуатационных режимах междусекционный выключатель В и разъединитель Р отключены. Поэтому цепи ВЛ эксплуатируются раздельно. Отличительной особенностью таких сетей является наличие межцепной емкости, величина которой составляет ~0.6 от средней емкости фаз на землю. При ОЗЗ в сети с нейтралью, заземленной через ДГР, при перекомпенсации

емкостного тока каждой цепи в режиме ОЗЗ может возникнуть резонанс напряжений (рис.2). Это приводит как к большим значениям токов замыкания на землю, так и к недопустимым напряжениям на

г, т г> „, нейтралях сети. Резонансная же

Рис 2. Расчетная схема замещения для к

определения тока замыкания на землю на настройка ДГР в каждой цепи, при одной из цепей двухцепной ВЛ которой не наблюдатся резонанса

напряжений в режиме ОЗЗ, недопустима, исходя из требования обеспечения надежной эксплуатации сети в нормальном режиме. Таким образом, совместное выполнение требований к величине коэффициента компенсации, выдвигаемых при раздельном питании цепей двухцепных ВЛ режимом замыкания на землю

(кц <14- '~п ) и нормальным эксплуатационным режимом при отсутствии

симметрирования емкостей по фазам (и< иШоп) приводят к такому выбору кц, при котором установка ДГР оказывается либо весьма малоэффективной, либо даже ведет к увеличению тока замыкания на землю на одной или на обеих цепях двухцепных ВЛ. Поэтому при раздельной эксплуатации цепей ВЛ с несимметрированными параметрами ВЛ по фазам следует либо отключать ДГР, либо объединять нейтрали трансформаторов, питающих разные системы шин, в том числе и в случае, если ДГР установлена лишь на одной системе шин. Последняя мера может быть применена лишь в случае, если объединение нейтралей раздельно работающих трансформаторов допустимо по условиям эксплуатации. Описанных выше недостатков, связанных с включением в нейтраль сети неуправляемых ДГР, можно избежать с помощью установки в нейтралях питающих трансформаторов управляемых реакторов типа РУОМ. Степень компенсации емкостного тока в этом случае может быть выбрана, исходя из требуемого ограничения токов при ОЗЗ. Нормальный же режим при этом не накладывает никаких ограничений, так как в нормальном эксплуатационном режиме индуктивность ДГР типа РУОМ практически бесконечна. Иными словами, в нормальном режиме сеть эксплуатируется как сеть с изолированной нейтралью. Однако включение в нейтраль сети высокоомного

резистора имеет определенные преимущества по сравнению с оснащением нейтрали сети ДГР типа РУОМ:

• снижается уровень перенапряжений при ОДЗ и, соответственно, уменьшается вероятность появления многоместных повреждений в сети;

• появляется возможность организации селективной и чувствительной защиты от замыканий на землю.

Во втором разделе рассматриваются процессы при однофазных дуговых замыканиях на землю. Все цепи ВЛ моделируются в виде обобщенных П-схем замещения, учитывающих как емкости цепей на землю, так и межфазные и межцепные емкости. Цепь, на которой произошло замыкание на землю, моделируемое в виде сопротивления дуги питается от первой секции. Остальные цепи, питаемые от этой же секции, а также цепи, питаемые от второй секции шин 35 кВ, моделируются в виде П-схем с параметрами, отвечающими суммарной протяженности сети. Моделирование двухцепных ВЛ в виде обобщенных П-схем замещения позволило не совмещать мест замыкания на землю и наблюдения за процессом. Это обстоятельство связано с тем, что при мониторинге процессов регистрирующие устройства обычно устанавливаются на подстанциях, т.е. по концам ВЛ. Замыкание же на землю может произойти в любой точке ВЛ. Поэтому регистрируемый процесс отличается от процесса в точке замыкания на землю за счет волновых процессов в ВЛ. Такая регистрация может привести к ошибочной оценке уровня перенапряжений при ОДЗ.

Результаты исследования влияния места замыкания на землю в сети 35 кВ с двухцепными ВЛ на перенапряжения, возникающие при ОДЗ в начале и конце В Л длиной 32 км, приведены в табл.1. Величина сопротивления резистора выбиралась, исходя из условия практического разряда емкостей ВЛ за время, равное половине периода промышленной частоты.

Таблица 1

Цтах(место замыкания)/ ЦщахСместо наблюдения)

Место замыкания

Начало ВЛ Конец ВЛ

Место наблюдения

Конец ВЛ Начало ВЛ

Режим заземления нейтрали

Изолирована Ям Изолирована я*

0,70 0,83 1,27 1,10

Из таблицы видно, что наибольшему различию перенапряжений в точках замыкания и наблюдения отвечает замыкание в начале ВЛ и наблюдение в конце линии. При этом в режиме изолированной нейтрали отношение кратностей перенапряжений оказывается равным 1,4, а при резистивном заземлении нейтрали - 1,2. В ходе проведенных исследований было отмечено, что модель ВЛ в виде системы сосредоточенных емкостей, не учитывающая волновых процессов в линии, приводит к заниженным

значениям кратностей перенапряжений. Так, при замыкании в начале ВЛ, а месте наблюдения в её конце погрешность расчетов при моделировании ВЛ в виде сосредоточенной емкости составляет ~30 %. Учет межфазных емкостей приводит к уменьшению перенапряжений при замыкании в начале ВЛ и наблюдении в конце линии и при замыкании и наблюдении в начале В Л в 1,3 и 1,2 раза, соответственно. Эффективность резистивного заземления нейтрали в наиболее неблагоприятном случае замыкания в начале ВЛ и точке наблюдения в конце ВЛ проиллюстрирована в табл.2.

Таблица 2

Кратности перенапряжений при вторичном зажигании дуги в начале ВЛ

Точка наблюдения

Начало ВЛ

Конец ВЛ (е =32 км)

Режим заземления нейтрали

Изолирована 3,96

Rn 2,73

Изолирована 1 4,43

Rn 2,95

Из табл.2 видно, что при заземлении нейтрали через резистор, величина сопротивления которого выбрана исходя из требования разряда емкости ВЛ (Сэ =ЗСф(\ + т]/(1 + г])),т] = Сми !ЪСф) за время порядка половины периода

промышленной частоты, уровни перенапряжений при ОДЗ оказываются не опасными для изоляции электрооборудования сети 35 кВ.

Компьютерная осциллограмма процесса при ОДЗ приведена на рис.3. Из рисунка видно, что как при первом, так и при втором зажигании дуги максимальные перенапряжения возникают не при зажигании дуги (как это следует из классической теории Петерсена при моделировании ВЛ в виде системы емкостей), а при её погасании.

О О 005 0 01 0 015 0 02 с

„ , .. Таким образом, оснащение

Рис 3. Компьютерная осциллограмма _

процесса при ОДЗ (I =32 км. fcr2 кОм) нейтралей питающих

трансформаторов высокоомными резисторами позволяет исключить возникновение эскалации перенапряжений при повторных зажиганиях дуги, так как кратности перенапряжений при ОДЗ при повторных зажиганиях дуги не превышают уровней, возникающих при первичном зажигании дуги.

В третьем разделе рассматриваются феррорезонансные явления. В сетях с изолированной нейтралью отмечается высокая аварийность трансформаторов напряжения для контроля изоляции (ТНКИ) типов НТМИ, ЗНОМ, ЗНОЛ. Указанные трансформаторы имеют номинальные токи намагничивания от единиц до десятков миллиампер. Средняя повреждаемость ТНКИ по опубликованным данным составляет 6... 10% в год от установленных единиц.

Повреждения ТНКИ происходят либо при длительном однофазном дуговом замыкании на землю (ОДЗ), либо при возбуждении в сети феррорезонансных колебаний (ФК). Эти режимы сопровождаются появлением токов в обмотках высокого напряжения (ВН) ТНКИ, значительно превышающих допустимые значения по тепловой стойкости обмоток. Расчеты производились в схеме, аналогичной схеме, использованной во втором разделе, при моделировании ТНКИ типа ЗНОМ, установленных на секциях шин 35 кВ. Опасные феррорезонансные колебания возникали при погасании дуги в процессе ОДЗ. Результаты расчетов приведены в табл. 3.

Таблица 3

Уровни перенапряжений и значений токов в первичной обмотке ТН при ОДЗ в сети с изолированной и резистивно заземленной нейтралью; замыкание в

начале линии

Режим нейтрали КМ Ом Напряжения на шинах, ^шах ¡Уф шах /тах в первичной обмотке ТН, А 1тал А 1тазг, мс

А В С А В С

Изолированная 23 (резонанс) 00 1,69 1,70 2,06 Щт лМ' 3,51 0,10

100 25 1,37 1,57 1,94 1,17 0,27 0,32 1,17 0,10

оо 1,87 1,87 2,67 6,27 3,21 6,90 6,90 0,01

25 1,90 1,85 2,57 6,06 3,45 6,52 6,52 0,01

Ян=2 кОм 100 СО 1,34 1,77 2,37 0,64 0,33 0,29 0,64 0,01

25 1,33 1,76 2,36 0,40 0,41 0,40 0,41 0,01

Примечание серым цветом выделены значения токов при устойчивом феррорезонансе

Результаты расчетов показали, что в воздушных распределительных сетях, оснащенных трансформаторами типа ЗНОМ, опасные феррорезонансные процессы в контуре емкость сети - индуктивность намагничивания ТН возникают при значениях емкости сети 280+320 нФ. Так, для сетей, содержащих только одноцепные линии, феррорезонансные колебания возникают при общей протяженности сети »27+30 км, для сетей, содержащих преимущественно двухцепные линии, - при протяженности сети «15+23 км. Таким образом за счет межцепных емкостей в сетях, содержащих двухцепные В Л, суммарная протяженность сети, при которой возникают устойчивые феррорезонансные процессы, оказывается несколько ниже, чем в сетях, содержащих одноцепные ВЛ.

В сетях с двухцепными ВЛ для исключения условий существования опасных феррорезонансных явлений можно применять те же меры, что и в сетях с одноцепными В Л. Однако, поскольку в сетях, содержащих двухцепные ВЛ, как уже указывалось выше, целесообразна установка высокоомных резисторов, то никаких дополнительных мер для устранения опасных феррорезонансных явлений в этом случае не требуется. Следует отметить, что исключить феррорезонансные явления можно путем установки

антирезонансных трансформаторов типа НАМИ. Однако, в сетях, оснащенных резисторами в нейтрали, установка ТН типа НАМИ не является необходимой.

Особенности эксплуатации двухцепных ВЛ высокого напряжения

В четвертом разделе проанализированы интенсивности электромагнитных полей по трассам двухцепных ВЛ ВН, а также стационарные режимы сопровождающие «бестоковую паузу ОАПВ в этих ВЛ. Рассмотрено также влияние фазировки проводов двухцепных ВЛ с вертикальной подвеской фаз на основные параметры этих режимов.

В связи со строительством двухцепных воздушных линий электропередачи высокого напряжения все более актуальным становятся вопросы не только повышения надежности эксплуатации таких линий, но также и ограничения их экологического влияния на техно и биосферу.

В зависимости от степени населенности местности величина действующего значения напряженности электрического поля под линиями электропередачи на высоте роста человека (1,8-2,0 м от земли) ограничивается значениями от 5 до 15 кВ/м. Предполагается, что напряженность магнитного поля (МП), инициируемого ВЛ, существенно меньше значений, допустимых для человека. Поэтому в России четких экологических и гигиенических норм для МП под ВЛ практически нет. Однако, в мировой технической литературе появляется все больше работ, в которых указывается на опасность электромагнитного поля, воздействующего на организм человека на клеточном уровне. В связи с этим во всем мире в настоящее время пересматриваются нормы на допустимые напряженности электромагнитного поля по трассам ВЛ.

Напряженность электростатического поля под проводом ВЛ, инициируемого линейным зарядами на проводе т, определялась по выражению:

Напряженность поля, инициируемого системой проводов, определялась с помощью принципа наложения.

Расчеты напряженности электростатического поля под двухцепными ВЛ, производились применительно к опорам типов П 110-2, П 220-2, П 330-2 с вертикальной подвеской проводов. Основной мерой, позволяющей понизить напряженность поля по трассе ВЛ, является изменение фазировки проводов на одной из цепей (вместо традиционной АВСавс на СВАавс). При применении оптимальной фазировки проводов уровни напряженностей под двухцепными В Л 110, 220, 330 кВ на высоте 2 м над уровнем земли и на

уровне подвеса троса (цифры в скобах) уменьшились в 1,8 (3,6), 1,6 (3,0), 1,8 (1,9) раз, соответственно.

Для анализа напряженности электромагнитного поля под ВЛ была разработана аналитическая методика, основанная на следующих допущениях, правомочность которых показана в работе:

• распределение плотности тока в проводе принималось равномерным, т.е. не учитывался эффект близости проводов и составляющих в расщепленных фазах;

• не учитывалось влияние постороннего тела (человека) на напряженность магнитного поля в воздушной среде;

Путем сравнительных расчетов было показано также, что ток в земле при её реальной проводимости практически не влияет на интенсивность электромагнитного поля над землей. В этом случае, с учетом приведенных выше допущений, модуль вектора напряженности электромагнитного поля, инициируемого одиночным проводом, подвешенным на высоте А, в точке, расположенной на высоте г от поверхности земли, и на расстоянии у от одиночного провода, определится по простейшему

выражению// =

•г)2 + у2 .Составляющие

же вектора

напряженности электромагнитного поля по осям у (в направлении, перпендикулярном оси линии) и z (в направлении, перпендикулярном поверхности земли) определятся как: Hy=Hcos<p, Н: = Я sin </>,

tgf = (h-z)/у. Модуль напряженности электростатического поля на высоте z, инициируемого токами в п проводах, расположенных на расстоянии у} от оси линии на высоте h} над поверхностью земли определится как:

H{y,z)=\(±HyJf + (±H^.

V Н

Расчеты показали, что нетрадиционная фазировка проводов на двухцепных опорах с вертикальной подвеской фаз позволяет уменьшить напряженность электромагнитного поля под трассами двухцепных В Л 110-330 кВ в 3,3-1,2 раза. На рис. 4 приведено распределение напряженности электростатического и электромагнитного полей в направлении, перпендикулярном оси ВЛ, при традиционной и предлагаемой фазировке проводов.

Е кВУм^- ---- - 7 ------J. -s- -АВСавс \---СВАавс

// V -------м -

о

-30 -20 -10

10 20 30

-20 -10 О 10 20 30

Рис.4. Распределение напряженности электрического и магнитного поля под ВЛ 330 кВ (на высоте 2 м) в зависимости от расстояния до оси опоры

Анализ стационарных режимов на отключенной фазе ВЛ во время «бестоковой» паузы ОАПВ и горения дуги подпитки (анализировались токи подпитки дуги), после погасания дуги (анализировались напряжения на отключенной фазе) показал, что никаких дополнительных требований к ОАПВ в двухцепных ВЛ 110-330 кВ, по сравнению с одноцепными ВЛ соответствующих классов напряжения, не выдвигается. В нетранспонированных двухцепных ВЛ 110-330 кВ токи подпитки дуги и напряжения на отключенной фазе после погасания дуги отличаются на единицы процентов от токов и напряжений на отключенной фазе в ВЛ одноцепного исполнения, что при абсолютных их значениях, равных единицам ампер и порядка 0,2 Г/ф, позволяет обеспечить надежное погасание дуги за приемлемое время "бестоковой" паузы ОАПВ.

Повышение грозоупорности двухцепных ВЛ 35-330 кВ

В пятом разделе исследуется вопрос повышения надежности эксплуатации двухцепных ВЛ 35-330 кВ, выполненных на типовых опорах с вертикальной подвеской проводов, при их грозовых поражениях, путем установки на опорах защитных аппаратов типа ОПН.

Оценка перенапряжений на изоляции ВЛ производилась как при непосредственном поражении фазного провода при прорыве молнии сквозь тросовую защиту, так и при прямом ударе молнии в провод при отсутствии тросов, а также при ударе молнии в опору или в трос, в непосредственной близости от опоры.

При анализе параметров грозовых волн во всех рассмотренных случаях учитывалась ориентировка канала лидера молнии при поражении системы провода и троса ВЛ, земля.

Уровни перенапряжений на изоляции ВЛ при попадании молнии в опору или в трос вблизи от опоры при сопротивлении заземления опор, равном 10 Ом, приведены в табл.4 (амплитуда волны тока молнии 1,2/50 мкс составляла 84 кА).

Таблица 4

Уровни напряжений на изоляции ВЛ при ударе молнии в опору или в

трос вблизи от опоры

U вл> кВ 35 110 150 220 330

^ИП1лши кВ 1100 1280 1600 2140

Таким образом, при ударах молний с большими амплитудами и крутизнами в трос вблизи опор или в опору на В Л 35-150 кВ будут иметь место обратные перекрытия с тела опоры на провода. Расчеты показывают, что в случае больших значений сопротивлений заземления опор (при Л3и > 20 Ом) на ВЛ 220 кВ, 330 кВ прямые удары молнии в опору или в трос вблизи опоры, также приведут к возникновению обратных перекрытий. Следовательно, при оценке надежности двухцепных ВЛ при их грозовых поражениях удар молнии в опору или в трос вблизи опоры является расчетным для ВЛ всех рассматриваемых классов напряжения.

Для оценки уровней перенапряжений на изоляции ВЛ при прорывах молнии сквозь тросовую защиту была использована математическая модель ориентировки канала лидера молнии, предложенная в СибНИИЭ и основанная на описании распространения лидера молнии и развития встречных разрядов как случайных процессов. Такой подход позволяет учесть случайные отклонения траектории лидера молнии, а также случайный характер инициирования и развития встречных разрядов, и определить критерий ориентировки как факт опережающего развития встречных разрядов с провода или троса до соединения с каналом нисходящего лидера молнии.

На основе этой методики были получены законы распределения амплитуд токов молний, прорвавшихся на провода ВЛ 35-330 кВ сквозь тросовую защиту. Анализ результатов расчетов показал, что при учете ориентировки канала лидера молнии амплитуды токов молний на проводах снижаются по сравнению с амплитудами, полученными при не учете этой ориентировки. Влияние учета ориентировки канала лидера молнии на закон распределения вероятностей амплитуд волн тока молнии для ВЛ на двухцепных опорах типа ПБ 110-2 (Апр = 18,5 м; /гтр = 22 м) проиллюстрировано на рис.5.

Рис 5. Функции распределения вероятностей амплитуд токов молнии, поразивших фазы двухцепной ВЛ: 1- при не учете ориентировки канала лидера молнии, 2 и 3 - при учете этой ориентировки

На рис.5 кривая 1 приведена при аппроксимации интегральной функции распределения амплитуды тока молнии гипотетическим логарифмически нормальным законом, кривые 2 и 3 отвечают аппроксимациям в виде бета-распределения (кривая 2) и логарифмически нормального распределения (кривая 3). Кривая 1 в случае тросовой защиты ВЛ отвечает распределению амплитуд токов молнии при её попадании в трос.

Из рисунка видно, что амплитуды токов молний, поражающих фазные провода, при учете ориентировки канала лидера молнии ниже амплитуд токов молнии, поражающих трос. Так, при Рх(хтш) = 0,95 амплитуды токов молнии составляют при попадании молнии в провод и трос 1МШХ = 50 кА и 84 кА, соответственно. Следует отметить что:

• увеличение высоты подвеса проводов приводит к увеличению вероятности поражения их молнией и к возрастанию амплитуд прорвавшихся

молний. Так при увеличении подвеса проводов В Л 110 кВ на ~6 метров вероятность прорыва увеличилась с 0,009 до 0,02, а расчетная амплитуда волны тока молнии - с 50 до 57 кА;

• вероятность поражения молнией фазных проводов двухцепных ВЛ с вертикальным расположением фаз превышает от 4-х до 10 раз вероятность поражения фаз одноцепной ВЛ. Уровень амплитуд прорвавшихся волн токов молний на провода двухцепных ВЛ в 1,6 раза выше, чем на провода одноцепных ВЛ того же класса напряжения и тех же габаритов;

♦ при вертикальном расположении проводов на опорах двухцепных ВЛ с одним тросом чаще поражаются верхние фазы.

Таким образом, проведенное исследование позволяет заключить, что изоляция фаз двухцепных ВЛ при их грозовых поражениях находится в более тяжелых условиях, чем изоляция фаз одноцепных ВЛ и, поэтому, требует повышенного внимания в грозовые сезоны. Это обстоятельство также должно учитываться при проектировании двухцепных ВЛ. Напряжения на изоляции ВЛ, определенные с помощью полученных законов распределения амплитуд токов молний, при их ударах в фазные провода, приведены в табл.5.

Таблица 5

Максимумы волн напряжений на изоляции ВЛ при ударах молний в

провода с учетом ориентировки канала лидера молнии (7М при Р=0.95)

и. ВЛ, кВ 35 110 150 220 330

2пр, Ом 485 450 455 430 320

^изолтах> кВ 12125 11250 10692 11395 8160

Несмотря на то, что уровень напряжения на изоляции ВЛ при учете ориентировки канала лидера молнии снизился, однако, из таблицы следует, что линейная изоляция линий всех рассмотренных классов напряжения при принятой амплитуде волны тока молнии будет перекрываться. Поэтому повышения надежности эксплуатации линейной изоляции ВЛ при прорывах молнии сквозь тросовую защиту можно добиться лишь при установке на опорах защитных аппаратов типа ОПН.

Из сопоставления напряжений на изоляции, возникающих при поражении молнией грозозащитного троса и провода следует, что при прорыве молнии сквозь тросовую защиту напряжение на изоляции будет примерно в 8 раз превышать напряжение на изоляции при ударе молнии в опору или в трос вблизи опоры. Однако большая часть всех молний поражает тросы. Таким образом, расчетными случаями для ВЛ 35-330 кВ при оценке токовых и энергетических характеристик линейных ограничителей будут являться как удары молний в опору или в трос вблизи от опоры, так и прямые удары молний в фазные провода.

Анализ целесообразности установки подвесных ОПН на всех фазах защищаемого участка двухцепных ВЛ следует производить с учетом их грозопоражаемосга, грозовой интенсивности в регионе трассы ВЛ, уровня

сопротивления заземления опор, ущербов от перекрытий изоляции, требуемого уровня надежности и т.д.

В табл.6 приведены относительные количества ударов молнии в ВЛ при трех расчетных случаях её грозовых поражений:

• при ударе в опору или в трос в близи опоры (7У0П/Л9;

• при ударе в трос в средней части пролета (Л/^1И)\

• при ударе в провод (прорыв молнии через тросовую защиту) (Мпр1Ы). {И - общее число ударов молнии).

Таблица 6

Относительное количество ударов молнии в ВЛ при трех расчетных _случаях грозовых поражений_

Виды грозовых поражений Тип опор

ПБ 110-2 П 110-2В П 150-2 П 150-2В П 220-2 П 220-2т П 330-2 П 330-2т

0,59 0,83 0,57 0,82 0,78 0,78 0,58 0,58

Ко/М 0,39 0,12 0,38 0,11 0,18 0,18 0,39 0,40

0,02 0,05 0,05 0,07 0,04 0,04 0,03 0,02

Из таблицы следует, что наибольшее количество ударов молнии поражает опору и трос. В провода попадает существенно меньшее количество молний. При этом благодаря ориентировке канала лидера слаботочных молний и инициированию встречных разрядов с проводов и тросов основные удары при прорывах молнии сквозь тросовую защиту приходятся на верхние фазы, нижние же фазы двухцепных ВЛ практически не подвергаются ударам молнии, так как экранированы фазами, расположенными выше (табл.7).

Таблица 7

Процентное распределение количества ударов молнии _по фазам двухцепных ВЛ_

Номер Тип опор

провода ПБ П 110- П 150- П 150- П220- П 220- П330- П330-

110-2 2В 2 2В 2 2т 2 2т

1 44 44 47 44 44 38 48 41

2 5 6 3 5 5 12 2 9

3 0 0 0 0 0 0 0 0

4 45 44 47 45 45 39 48 41

5 6 6 3 6 6 11 2 9

6 0 0 0 0 0 0 0 0

Примечание. 1 и 3 - верхние провода, 2 и 4 - средние по высоте подвеса провода, 3 и 6 - нижние провода.

Как видно из таблицы, применение второго грозозащитного троса (на ВЛ с опорами типа П 220-2т, П 330-2т) приводит к лучшей защищенности верхних фаз и увеличению числа поражений молнией средних фаз.

Анализ влияния величины сопротивления заземления опор на грозоупорность ВЛ при установке ОПН на опорах позволяет сделать следующие выводы:

• при сопротивлениях заземления, не превышающих 10 Ом, удары молнии в опору или в трос не приводят к возникновению обратных перекрытий, прорвавшиеся же сквозь тросовую защиту молнии приведут к неминуемому перекрытию линейной изоляции. Поэтому, исходя из того, что основные удары молний при прорывах тросовой защиты приходятся на верхние фазы, при таких величинах сопротивления заземления целесообразна установка ОПН лишь на верхних фазах;

• при сопротивлениях заземления опор, больших 10-20 Ом, удары молнии в трос или в опору приведут к возникновению обратных перекрытий с тела опоры на провода нижних фаз. Установка дополнительных ОПН на нижних фазах в этих расчетных случаях позволит уменьшить вероятность возникновения обратных перекрытий.

Так, для двухцепных ВЛ 110-330 кВ, при сопротивлениях заземления опор равных 30 Ом и более 40 Ом, количество устанавливаемых ОПН на опоре, необходимо довести до 4-х и 6-ти, соответственно. Следует, однако, отметить, что при значениях сопротивлений заземления 30+40 Ом для защиты от ударов молний в опору или в трос вблизи опоры одной двухцепной ВЛ потребуется меньшее количество аппаратов, чем при защите двух одноцепных ВЛ.

Для анализа требуемой энергоемкости защитных аппаратов типа ОПН было проведено исследование влияния сопротивления заземления опор на токовые нагрузки в ОПН. Сопротивление заземления опор варьировалось в диапазоне 10... 100 Ом. Рассматривались удары молнии в фазные провода и в трос.

Из-за того, что изменение места удара молнии вдоль пролета практически не приводит к сколь - нибудь заметному изменению максимумов токов, так как эти максимумы наступают раньше прихода отраженных волн от соседних узлов, то при моделировании процессов, происходящих при прорыве молнии сквозь тросовую защиту, принималось, что точка удара молнии находится в середине пролета.

Результаты расчетов показали, что для оценки максимальных токовых нагрузок подвесных аппаратов можно моделировать лишь один пролет ВЛ. Это объясняется следующими причинами: срабатывание ОПН в узлах поврежденного пролета приведет к уменьшению напряжения в этих узлах практически до значения остающегося напряжения на ОПН. В этом случае волна, движущаяся в сторону следующего узла, без учета обратных набегающих волн составит ~2 £/„„„. Коронирование проводов, а также отражение волн от соседних опор приведёт к еще большему снижению амплитуды волны и увеличению ее длительности фронта, и как следствие к

снижению энергетических нагрузок ОПН. Очевидно, что токовые нагрузки аппаратов соседних узлов окажутся существенно меньшими, чем в узлах, непосредственно примыкающих к пораженному молнией пролету.

Упрощенные расчетные схемы для исследования токовых и энергетических нагрузок в подвесных линейных ОПН при ударе молнии в фазный провод в пролете BJI и в опору или в трос вблизи опоры приведены на рис.6 (а,б). В схемах учтены импульсное сопротивление заземления опоры (/?з.и), индуктивность части тела опоры (от траверсы до места подвеса троса) - Irr, индуктивность части тела опоры (от траверсы до земли) - Lr¡, индуктивность опоры (Ion), волновые фазные сопротивления проводов (ZB®) и тросов с учетом короны (Ztp).

Рис 6. Расчетные схемы для определения токовых нагрузок в подвесных ОПН, установленных на опорах ВЛ; а) при ударе молнии в фазный провод; б) при ударе молнии в опору или в трос вблизи

опоры

Источник молнии моделировался в виде источника тока при нулевой производной тока в начальный момент времени.

В табл. 8 и 9 приведены токовые и энергетические нагрузки подвесных ОПН, установленных на верхних (табл.8) и нижних (табл.9) фазах, при ударе молнии в фазный провод и в опору или в трос вблизи от опоры.

Таблица 8

Токовые и энергетические нагрузки подвесных ОПН, установленных на верхних фазах двухцепных опор ВЛ 110+330 кВ, при различном _сопротивлении заземления опор_

Язи, Ом Удар молнии в провод (при наличии троса) Удар молнии в опору или в трос вблизи от опоры

/опн МАХ> кА ^зпн» кДж hm MAX-, KA W>пн> КДЖ

10 29,3 44,0 38,4 372 753 1155 6,89 5,76 5,17 15,2 31,2 25,0

30 28,5 42,8 37,0 212 713 1090 9,56 7,38 5,59 33,5 39,4 33,2

50 28,8 42,2 36,3 332 709 1047 8,92 7,17 6,10 37,8 48,6 49,2

100 28,6 40,9 35,5 351 727 984 10,2 8,84 7,66 56,7 71,9 85,3

Из таблицы видно, что при ударах молнии в провод наибольшие энергетические нагрузки испытывают ОПН, установленные на верхних фазах. При этом максимальная поглощаемая энергия будет при наименьшем

из рассмотренных сопротивлений заземления (10 Ом), при увеличении сопротивления заземления ток, протекающий через ОПН, уменьшается и, следовательно, уменьшаются энергетические воздействия, оказываемые на аппараты. При сопротивлениях заземления, больших 100 Ом, удары молнии в Трос или в опору будут сопровождаться большими токами и энергиями. Так при сопротивлении заземления 1000 Ом удар молнии в опору В Л 330 кВ приведет к тому, что через ОПН потечет ток с амплитудой 24,9 кА, а энергия, поглощенная аппаратом, будет 632 кДж, в то время как при ударе молнии в провод амплитуда тока составит 27,1 кА, а энергия 721 кДж.

Таблица 9

Токовые и энергетические нагрузки подвесных ОПН, установленных на

нижних фазах двухцепных опор ВЛ 110+330 кВ, при различных ___сопротивлениях заземления опор_

ВЛ, кВ R-зи, Ом Удар молнии в провод (при наличии троса) Удар молнии в опору или в трос вблизи от опоры

Лтн МАХ, КА ^mm кДж Лшн МАХ, кА Wэпн? КДж

110 30 2,90 5,50 12,4 44,8

100 4,60 17,2 13,7 74,0

220 30 2,59 5,80 9,75 54,0

100 5,19 25,0 13,4 117

330 30 2,98 7,90 8,97 58,7

100 5,97 31,0 14,9 156

Как видно из табл 8, 9 при ударах молнии в опору или в трос вблизи опоры аппараты, установленные на нижних фазах, испытывают большие энергетические воздействия, чем при ударах молнии в провод. Следовательно, определяющим грозовым воздействием при выборе аппаратов, устанавливаемых на нижних фазах, будут являться удары молнии в опору или в трос вблизи опоры.

Таким образом, в зависимости от величины сопротивления заземления, грозовой активности, уровня изоляции ВЛ, уровня надежности ВЛ и т.д можно предложить различные решения по расстановке ОПН на опорах. Основные же принципы такой установки можно сформулировать следующим образом:

• Для защиты фаз ВЛ от перенапряжений, вызванных только ударами молний в опору или в трос вблизи опоры, устанавливается необходимое (расчетное в конкретном случае) количество ОПН с малой пропускной способностью;

• Для защиты фаз ВЛ от перенапряжений, вызванных ударами молний в фазные провода на верхних фазах устанавливаются ОПН с большой пропускной способностью;

• Для полноценной защиты ВЛ от перенапряжений, вызванных любыми проявлениями грозовой деятельности, на опорах целесообразно

устанавливать ОПН, как с большой так и с малой пропускной способностью;

• Проектирование грозозащиты двухцепных ВЛ с помощью подвесных ОПН необходимо производить при конкретной привязке к объекту. Приведенная методика, подкрепленная разработанным комплексом программ для ЭВМ, позволяет обеспечивать такое проектирование.

Основные результаты работы

Проведенная работа позволяет сделать выводы как методического характера, так и по существу рассматриваемой проблемы - выявления особенностей эксплуатации двухцепных ВЛ в сетях среднего и высокого напряжения, а также установления технической целесообразности оснащения двухцепных ВЛ 35-330 кВ защитными аппаратами типа ОПН и определения их энергоемкости при различных сопротивлениях заземления опор. К методическим выводам можно отнести следующие:

• разработанная математическая модель для исследования процессов при ОДЗ в двухцепных ВЛ, позволяющая моделировать двухцепную ВЛ не в виде системы сосредоточенных емкостей, а в виде обобщенных П-схем замещения, учитывающих межфазные и межцепные емкости, а также моделировать насыщение магнитопроводов трансформаторов напряжения, может быть использована как при анализе ОДЗ в существующих сетях, так и проектировании электрических сетей, содержащих двухцепные ВЛ, в частности, при выборе системы заземления её нейтрали;

• показано, что обычно принимаемое моделирование процессов при ОДЗ при совмещении точек ОДЗ и наблюдения может привести к заниженным оценкам перенапряжений, возникающих как в режиме зажигания дуги, так и после её погасания;

• разработаны методики для оценки интенсивности электромагнитного поля по трассам ВЛ высокого напряжения, позволяющие оценивать напряженности электростатического и электромагнитного полей при проектировании двухцепных ВЛ с целью в случае необходимости применять меры для их снижения;

• показано, что при исследовании грозоупорности двухцепных ВЛ 35-330 кВ, оснащенных защитными аппаратами типа ОПН, установленными на опорах, для получения достоверных результатов необходимо учитывать ориентировку канала лидера молнии в систему провода и тросы ВЛ-земля;

• показано, что основными факторами, влияющими на условия эксплуатации ОПН (помимо факторов, связанных с региональной грозовой интенсивностью), являются конструкции ВЛ (высоты опор, количество грозозащитных тросов), и сопротивления заземления опор;

• при сопротивлениях заземления опор, не превышающих 10 Ом, определяющими грозовыми воздействиями являются удары молнии в провода при прорыве сквозь тросовую защиту. При больших значениях

сопротивлений заземления при установлении требований к токовым и энергетическим нагрузкам ОПН следует учитывать также и удары молнии в опору или в трос вблизи от опоры;

• определяющим грозовым воздействием при выборе аппаратов, устанавливаемых на нижних фазах, являются удары молнии в опору или в трос вблизи опоры.

Основные выводы по существу рассмотренной задачи, формулируются

следующим образом.

Особенности стационарных режимов однофазного замыкания на землю (ОЗЗ).

• Применение ДГР при раздельной эксплуатации цепей ВЛ, питающихся от шин различных секций, может вызвать опасные стационарные перенапряжения как в нормальном эксплуатационном режиме, так и в режиме замыкания на землю. В последнем случае резонанс возникает в последовательном контуре, содержащем межцепную емкость и индуктивность, обусловленную перекоменсацией фазной емкости цепи. Одновременное выполнение требований, обусловленных отсутствием резонанса в нормальном режиме и в режиме замыкания на землю, практически недостижимо. Также, практически, весьма трудно выполнимо идеальное симметрирование сети по фазам, которое в сети 35 кВ следует производить на шинах п/ст 35 кВ. Поэтому при эксплуатации сетей, содержащих двухцепные ВЛ 35 кВ с вертикальной подвеской фаз на опорах при отсутствии симметрирования фазных параметров сети, осуществляемого на шинах питающих подстанций, разумно отказаться от применения стандартных конструкций неуправляемых ДГР типа ЗРОМ.

• В случае использования вместо ДГР типа ЗРОМ управляемых аппаратов типа РУОМ, обладающим практически бесконечным сопротивлением в нормальном эксплуатационном режиме, выбор его параметров можно осуществить лишь на основе требования отсутствия резонанса напряжений в режиме замыкания на землю. Поэтому требования к симметрированию сети по фазам в этом случае не являются столь жесткими. Целесообразность же установки в сетях с двухцепными ВЛ ДГР типа РУОМ определяется процессами при дуговых замыканиях на землю и возможностью осуществления селективной и чувствительной защиты от замыканий на землю в сети с компенсацией емкостных токов замыкания на землю.

• Оснащение нейтрали сети, содержащей двухцепные ВЛ, высокоомными резисторами является наиболее предпочтительным решением. В этом случае напряжения на нейтралях секций сети при 033 не превосходят допустимых значений. Существенный процент активного тока в токе ОЗЗ позволяет осуществлять селективное отключение поврежденной фазы.

Особенности протекания процессов, сопровождающих однофазные

дуговые замыкания на землю.

• Межцепные емкости приводят к несколько иному характеру процессов, сопровождающих ОДЗ Так, максимумы перенапряжений возникают, в основном, не при зажиганиях дуги, что характерно для одноцепных В Л, а при её погасании.

• Эксплуатации сети с изолированной нейтралью приводит при учете волновых процессов в ВЛ к недопустимо высоким кратностям перенапряжений, которые могут превысить уровень даже не дефектной изоляции оборудования. Обеспечить надежную эксплуатацию изоляции оборудования при ОДЗ можно путем оснащения нейтралей сети высокоомными резисторами. В этом случае даже при учете волновых процессов в ВЛ перенапряжения при повторных зажиганиях дуги не превосходят трехкратного уровня, что не опасно для изоляции электрооборудования сетей средних классов напряжения, включая сети 35 кВ.

• При эксплуатации сетей с двухцепными ВЛ диапазон их длин, отвечающих устойчивому феррорезонансу, сопровождающемуся недопустимыми значениями токов в обмотке высшего напряжения ТН типов ЗНОМ, ЗНОЛ и НТМИ, за счет межцепных емкостей примерно в 1,5 раза меньше соответствующего диапазона протяженностей сети с одноцепными ВЛ (15.. .23 км в сети с двухцепными ВЛ и 27...30 км в сети с одноцепными ВЛ).

• При оснащении сетей средних классов напряжения резисторами в нейтралях, опасные феррорезогнансные явления не возникают. Условия возникновения и существования стационарного феррорезонанса нарушаются и в случае использования антирезонансных трансформаторов напряжения типа НАМИ-35, выпускаемых в настоящее время Раменским электротехническим заводом.

Об особенностях стационарных и квазистационарных режимов в двухцепных ВЛ высокого напряжения

• Для снижения напряженностей электростатического и электромагнитного полей по трассам ВЛ двухцепного исполнения с вертикальной подвеской фаз целесообразно использовать нетрадиционную фазировку проводов цепей (АВС-сва), позволяющую снизить максимальные напряженности электростатического поля по трассам ВЛ 110-330 кВ в 3-1,2 раза, а напряженность электромагнитного поля на расстоянии 20 м от оси опоры в 5-3 раза, соответственно.

• Надежность гашения дуги подпитки на отключенной фазе при ОАПВ ВЛ ВН 110-330 кВ, не оснащенных шунтирующими реакторами, практически не зависит от числа цепей на опорах.

Особенности грозозащиты двухцепных ВЛ 35 -330 кВ.

• Поскольку при грозовых поражениях одной из цепей двухцепных ВЛ 35330 кВ весьма часто за счет близкого расположения фаз отдельных цепей

на опоре происходит отключение двух цепей, вопросы грозоупорности таких ВЛ, связанные с необходимостью бесперебойного электроснабжения потребителей, приобретают весьма существенное значение. Это обстоятельство приводит к настоятельной необходимости совершенствования грозозащиты двухцепных ВЛ путем установки защитных аппаратов типа ОПН непосредственно на опорах ВЛ.

• При разработке требований к параметрам ОПН необходимо учитывать теорию ориентировки канала лидера молнии в систему провода ВЛ-тросы -земля, так как не учет ориентировки приводит к чрезмерно завышенным требованиям к характеристикам ОПН.

• Требования к параметрам ОПН в конкретном регионе зависят от проводимости грунта, обуславливающего в большой мере величину сопротивления заземления опор.

• На опорах с вертикальным расположением фаз цепей нижние фазы не нуждаются в специальной защите от грозовых перенапряжений, возникающих при ударах молнии в ВЛ в пролете, так как вероятность прорыва молнии на эти фазы практически равна нулю (они экранированы проводами, подвешенными над ними).

• В систему проектирования грозозащиты ВЛ с помощью ОПН, устанавливаемых на опорах, следует отнести:

- выбор опор по трассе ВЛ, на которых следует устанавливать ОПН;

- выбор фаз на опоре, на которых целесообразна установка ОПН;

- определение характеристик устанавливаемых ОПН, в том числе и их энергоемкости;

• Система грозозащиты двухцепных ВЛ с помощью ОПН, устанавливаемых на опорах, зависит от целого ряда факторов, к которым прежде всего следует отнести: уровень грозопоражаемости в районе трассы ВЛ, удельную проводимость грунта, определяющую в большой мере величину сопротивления заземления опор, конструкцию ВЛ, требуемые характеристики надежности эксплуатации ВЛ.

• Общие положения по выбору требуемой пропускной способности (энергоемкости) ОПН можно сформулировать следующим образом:

- Для защиты фаз ВЛ от перенапряжений, вызванных ударами молний в опору или в трос вблизи опоры, требуются ОПН с малой энергоемкостью (первой группы ).

- Для защиты фаз ВЛ от перенапряжений, вызванных ударами молний в фазные провода в пролете, достаточно установить ОПН с большой энергоемкостью (3-ей -4-ой групп ) лишь на верхних фазах.

Общее заключение по работе

Выполненная работа позволяет предложить следующий комплекс

мероприятий, обеспечивающий надежную эксплуатацию изоляции

электрооборудования сетей 35-330 кВ, содержащих большой процент

двухцепных ВЛ.

В сетях средних классов напряжения, включая сети 35 кВ, с целью исключения эскалации перенапряжений при ОДЗ и опасных феррорезонансных явлений, обусловленных насыщением магнитопроводов ТН типа ЗНОМ, а также для повышения чувствительности и селективности релейной защиты от 033 следует оснастить нейтрали секций сети высокоомными резисторами, величина сопротивления которых определяется, исходя из времени разряда емкости сети, примерно равного половине периода промышленной частоты: Rn s 1/ЗоСф(1 + 2tj), tj = Смц /Сф (Смц - межцепная емкость двухцепных

BJI).

При отсутствии в нейтрали сети резисторов альтернативной мерой исключения опасных феррорезонансных явлений могут являться либо оснащение третичных обмоток ТН типа ЗНОМ (3HOJI) резисторами с рекомендуемым сопротивлением 25 Ом, либо установка в сети 35 кВ антирезонансных трансформаторов напряжения типа НАМИ. Уменьшения интенсивности электростатического и электромагнитного полей по трассам BJI 110-330 кВ двухцепного исполнения с вертикальной подвеской проводов можно добиться применением нетрадиционной фазировки проводов цепей (ABC-cba).

Для повышения грозоупорности двухцепных ВЛ необходима установка определенного количества защитных аппаратов типа ОПН на опорах. Расстановку ОПН на опорах ВЛ и на фазах конкретных опор, так же, как и выбор их параметров, включая требуемую энергоемкость, можно производить в соответствии с рекомендациями, приведенными в заключении по работе.

По теме диссертации опубликованы следующие работы: 1. Зубков A.C., Кадомская К.П. Однофазное дуговое замыкание в сети 35 кВ, содержащей двухцепные воздушные линии //Сб.научн.тр. НГТУ.-2000, №5 (22).-С. 79-84. 2 Зубков A.C. Особенности эксплуатации сетей средних классов напряжений, содержащих двухцепные В Л //Дни науки НГТУ-2001. Тезисы докладов научной конференции - 2001. - С 33-34.

3. Зубков A.C. Особенности протекания процессов при однофазных дуговых замыканиях в сетях 35 кВ, содержащих двухцепные воздушные линии //НАУКА. ТЕХНИКА. ИННОВАЦИИ. Региональная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых: Тез. Докл. В 5-ти частях. Часть 2. - 2001. С 84-85.

4. Зубков A.C., Кадомская К.П. Повышение надежности эксплуатации изоляции сетей средних классов напряжения, содержащих двухцепные воздушные линии, оснащением нейтралей сетей высокоомными резисторами. Труды Второй Всеросийской научно-технической конференции. Ограничение перенапряжений и режимы заземления нейтрали сетей 6-35 кВ .-Новосибирск, 2002.-С.73-78.

5. Зубков A.C. Защита сетей 35 кВ, содержащих двухцепные BJI, от грозовых перенапряжений //НАУКА. ТЕХНИКА. ИННОВАЦИИ. Региональная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых: Тез. докл. В 5-ти частях. Часть 2. - 2002. С 134-135.

6. Борисов Е.А., Зубков A.C., Кадомская К.П. Повышение достоверности математического моделирования электромагнитных процессов в сетях средних классов напряжения,- Международная научно-техническая конференция «Перенапряжения и надежность эксплуатации электрооборудования» Выпуск 1. Санкт-Петербург, 31 марта-5 апреля 2003.-С.128-138.

7. Зубков A.C. Защитные аппараты типа ОПН, как средство повышения грозоупорности двухцепных ВЛ. -Новости электротехники.-4 (34).-2005.-С.2-5.

Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета формат 60x84/16, объем 1,75п.л., тираж 100 экз., заказ № 1132, подписано в печать 10.10.05 г.

„20497

РНБ Русский фонд

2006-4 22941

СОДЕРЖАНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. СТАЦИОНАРНЫЕ РЕЖИМЫ В СЕТЯХ 35 KB, СОДЕРЖАЩИХ ДВУХЦЕПНЫЕ ВЛ.

1.1. Схема сети 35 кВ и режимы эксплуатации нейтралей 35 кВ питающих трансформаторов.

1.2. Конструкция двухцепной BJI35 кВ и частичные емкости.

1.3. Расчетные схемы замещения при совместной и раздельной эксплуатации сети (по нулевой последовательности фаз).

1.4. Нормальный режим эксплуатации сети.

1.5 Однофазное замыкание на землю.

1.6. Выводы по первому разделу.

2. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ, СОПРОВОЖДАЮЩИЕ ОДНОФАЗНЫЕ ДУГОВЫЕ ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ (ОДЗ).

2.1 Постановка задачи исследований и математическая модель переходных процессов, сопровождающих ОДЗ.

2.2. Результаты исследований процессов при ОДЗ в сетях с изолированной и резистивно заземленной нейтралями.

2.3. Выводы по второму разделу.

3.ФЕРРОРЕЗОНАНСНЫЕ ЯВЛЕНИЯ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ НАСЫЩЕНИЕМ

МАГНИТОПРОВОДОВ ТРАНСФОРМАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ.

3.1. Физическая картина явления.

3.2 Моделирование ТНКИ типа ЗНОМ (ЗНОЛ).

3.3 Математическая модель для исследования процессов, сопровождающих погасание дуги в процессе ОДЗ.

3.4. Зоны установившегося феррорезонанса при оснащении сетей ТН типа ЗНОМ.

3.5 Феррорезонансные процессы при включении в цепь нулевой последовательности резисторов.

3.6 Феррорезонансные процессы при оснащении сети антирезонансными трансформаторами напряжения типа НАМИ.

3.7 Выводы по третьему разделу.

4. СТАЦИОНАРНЫЕ И КВАЗИСТАЦИОНАРНЫЕ РЕЖИМЫ В ДВУХЦЕПНЫХ В Л ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ.

4.1. Постановка исследований.

4.2. Электростатические поля под двухцепными BJIВН.

4.3. Электромагнитные поля под двухцепными BJI ВН.

4.4. Стационарные режимы «бестоковой» паузы ОАПВ.

4.4.1. Постановка исследований.

4.4.2. Стационарные токи подпитки дуги на отключенной фазе и напряжения после её погасания.

4.4.3. Выводы по подразделу 4.4.

4.5. Выводы по четвертому разделу.

5. ЗАЩИТА СЕТЕЙ 35 - 330 KB, СОДЕРЖАЩИХ ДВУХЦЕПНЫЕ ВЛ, ОТ ГРОЗОВЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ.

5.1. Постановка исследований.

5.2. Разрядные характеристики линейной изоляции ВЛ 35-330 кВ.

5.3. Координация разрядного напряжения ОПН с воздействующими грозовыми перенапряжениями.

5.3.1. Исходные положения.

5.3.2. Удар молнии в опору или в трос вблизи опоры.

5.3.3. Удар молнии в фазный провод.

5.4. Параметры ОПН при искровом и безыскровом присоединении аппарата.

5.4.1. Требования к характеристикам искрового промежутка ИП1.

5.4.2. Параметры ОПН с искровым промежутком.

5.4.3. Выбор мест установки ОПН.

5.4.4. Токовые и энергетические нагрузки ОПН.

5.5. Выводы по пятому разделу.

Преимущества двухцепных BJI как средних, так и высших классов напряжения, по сравнению с одноцепными BJI соответствующих классов напряжения в основном определяются:

• организацией резервированного питания особо ответственных потребителей (при выходе из строя одной цепи питание объекта осуществляется по оставшейся в эксплуатации второй цепи),

• уменьшением полосы отчуждения при строительстве BJI определенной мощности по сравнению со строительством одноцепных BJI.

Вместе с тем при проектировании любого объекта электросетевого строительства должен учитываться не только нормальный режим его эксплуатации, но и разного рода аномальные ситуации, неминуемо возникающие в практике. При этом необходимо обеспечивать во-первых локализацию технологического нарушения, во вторых предусматривать рациональные меры восстановления режима нормальной эксплуатации BJI. К аномальным ситуациям, в частности, относятся те события, которые приводят к возникновению опасных перенапряжений: внутренних (частным случаем которых являются коммутационные перенапряжения) и грозовых, обусловленных ударами молнии в такие протяженные объекты, какими являются воздушные ЛЭП. Исследованию перенапряжений в ЛЭП посвящено достаточно большое количество публикаций, в том числе отдельные разделы в учебниках и учебных пособиях по ТВН [1]-[4] и монографии [5]. Однако в этих работах мало внимания уделено особенностям протекания электромагнитных процессов в двухцепных электропередачах. Вместе с тем цепи, расположенные на одной опоре, находятся в едином электростатическом и электромагнитном полях, что и о(буславливает зачастую существенные особенности в характере протекания электромагнитных переходных процессов по сравнению с соответствующими процессами в одноцепных ВЛ.

В работе, в основном, рассматриваются эти особенности в электропередачах среднего класса напряжения 35 кВ, эксплуатируемых как при изолированной нейтрали сети, так и при заземлении нейтрали сети через дугогасящий реактор (ДГР) или высокоомный резистор. Рассматриваются особенности стационарных режимов при однофазных замыканиях на землю (033) и переходных процессов, сопровождающих однофазные дуговые замыкания (ОДЗ).

Большой процент двухцепных BJI в сети 35 кВ вносит дополнительные требования к режимам и схемам эксплуатации таких сетей с точки зрения обеспечения их надежной эксплуатации в режиме однофазного замыкания на землю. Эти дополнительные требования возникают при раздельной эксплуатации цепей этих BJI, то есть в случае присоединения цепей к различным системам шин при отключенном междушинном выключателе (МШВ). Каждая из систем шин питается от своей группы трансформаторов, нейтрали которых, как правило, в эксплуатации не объединяются. Если сеть оснащена дугогасящими реакторами (ДГР), то последние в режиме раздельной эксплуатации цепей могут быть присоединены либо к нейтралям обеих групп трансформаторов, либо к нейтрали лишь одной группы.

Некоторые особенности возникают и при эксплуатации двухцепных BJI высших классов напряжения, эксплуатируемых при глухом заземлении нейтрали сети. К этим особенностям можно отнести уровни напряженностей электростатического и электромагнитного пролей по их трассам, а также, неполнофазные режимы, сопровождающие некоторые нештатные и штатные коммутации, в частности, коммутацию однофазного автоматического повторного включения BJI (ОАПВ).

Повышение надежности эксплуатации воздушных линий электропередач как средних, так и высоких классов напряжения при их грозовых поражениях остается до сих пор одной из важнейших задач электроэнергетики. Воздушные линии электропередачи испытывают ежегодно десятки ударов молнии в каждые 100 км линии. Поражение молнией фазного провода, сопровождающееся прохождением большого тока, создает на проводе такое высокое импульсное напряжение, что практически невозможно создать изоляцию, которая могла бы его выдержать. После перекрытия изоляции пораженного молнией провода в путь тока включается импульсное сопротивление заземления опоры. При этом на опоре появляется достаточно большое напряжение и возникает опасность разряда с опоры на провода, так называемого обратного перекрытия линейной изоляции [6]. Поэтому в большинстве случаев линии на металлических опорах имеют один или два заземленных троса, подвешиваемых выше фазных проводов и воспринимающих на себя удар молнии. Как показано в [7] применение тросовой защиты, позволяет снизить величину индуцированных перенапряжений примерно на 30 %. Однако наличие тросов не исключает появление высоких потенциалов на фазных проводах, и также, хотя и с малой вероятностью, удара молнии в фазный провод. На двухцепных же опорах обратное перекрытие приводит к замыканию между двумя цепями. Очевидно, что такое развитие событий должно быть исключено.

В последнее время рассматривается возможность повышения надежности эксплуатации линейной изоляции линий электропередач путем установки защитных аппаратов типа ОПН на опорах BJI. Так, на сессии СИГРЭ в августе - сентябре 1994 года был прочитан доклад о повышении надежности эксплуатации воздушных линий при установке на опорах так называемого распределенного ОПН. Этот доклад опубликован в трудах СИГРЭ [8]. Однако исследования относились в основном к BJI 66 - 77 кВ. К 1992 году в электрических сетях Японии было установлено около 30000 аппаратов на опорах BJI и ещё большее количество будет установлено в дальнейшем [9]. Статистический анализ эксплуатации ВЛ, оснащенных подвесными ОПН, показал весьма ощутимое повышение их надежности. На двухцепных BJI, на которых ОПН установлены на каждой фазе, двухцепных повреждений не наблюдалось, одноцепные повреждения наблюдались примерно в 60 % случаев и в 40 % случаев повреждения линейной изоляции BJI отсутствовали.

Ha BJI, не оснащенных подвесными ОПН, в 60 % случаев наблюдались двухцепные повреждения, в остальных случаях - одноцепные повреждения.

Изложенное позволяет заключить, что одной из преимущественных ниш использования ОПН, устанавливаемых на опорах BJI является их установка именно на двухцепных опорах. Это и предопределило проведение исследования эффективности установки ОПН на двухцепных опорах В Л 35330 кВ.

Менее полно в работе затрагиваются особенности эксплуатации двухцепных ВЛ высокого напряжения, эксплуатируемых при глухом заземлении нейтрали сети. В этом разделе работы анализируются электростатические и электромагнитные поля под двухцепными ВЛ рассматриваются некоторые рекомендации по снижению напряженностей этих полей и требования к ОПН, устанавливаемых на двухцепных опорах ВЛ ВН.

При выполнении исследований эффективности установки ОПН на опорах двухцепных ВЛ была использована математическая модель ориентировки лидера молнии, предложенная в СибНИИЭ [10, 11], основанная на описании распространения лидера молнии и развития встречных разрядов как случайных процессов. Такой подход позволяет учесть случайные отклонения траектории лидера молнии, а также случайный характер инициирования и развития встречных разрядов, и определить критерий ориентировки в наиболее естественном виде, как факт опережающего развития встречных разрядов с провода или троса до соединения с каналом нисходящего лидера молнии. С помощью такой модели можно определить также амплитуды волн токов молнии в точке удара, а также оценить перспективность такой меры повышения грозоупорности ВЛ, как установка на их опорах подвесных ОПН. Целью работы явилось выявление особенностей стационарных и переходных электромагнитных процессов в электропередачах двухцепного исполнения 35-330 кВ, а также установление технической целесообразности оснащения двухцепных В Л 35-330 кВ защитными аппаратами типа ОПН и определения их энергоемкости при различных уровнях сопротивлений заземления опор.

Для достижения поставленной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

• разработана математическая модель, позволяющая исследовать переходные процессы, сопровождающие однофазные дуговые замыкания на землю (ОДЗ), в двухцепных BJI35 кВ;

• проведены исследования влияния как способа моделирования двухцепных BJI 35 кВ, так и места ОДЗ на BJI на уровни перенапряжений, возникающих при ОДЗ;

• рассмотрены феррорезонансные процессы, обусловленные насыщением магнитопроводов трансформаторов напряжения, в распределительных сетях 35 кВ, содержащих двухцепные BJI;

• проанализированы интенсивности электрических полей по трассам двухцепных BJI ВН 110-330 кВ и предложены рекомендации по снижению интенсивностей электростатического и электромагнитного полей по трассам двухцепных BJI высокого напряжения.

• рассмотрены стационарные режимы при горении и погасании дуги подпитки в процессе «бестоковой» паузы ОАПВ в двухцепных BJI ВН;

• показано различие уровней волн токов молний, возникших на проводах BJI при учете и не учете ориентировки канала молнии;

• проанализированы уровни перенапряжений, возникающих при ударах молнии в двухцепные BJI35-330 кВ;

• разработаны требования по энергоемкости подвесных ОПН разных классов напряжения при различных сопротивлениях заземления опор;

• предложены рекомендации по повышению надежности BJI путем установки подвесных ОПН.

Научная новизна основных положений и результатов работы:

• разработаны математические модели стационарных режимов ОЗНЗ, переходных процессов, инициируемых однофазными дуговыми замыканиями на землю, при разных способах моделирования процессов и различных способах заземления нейтрали, феррорезонансных явлений в сетях (35 кВ), содержащих в своем составе двухцепные BJI;

• определены законы распределения амплитуд волн токов молний, поражающих фазные провода BJ1 35-330 кВ двухцепного исполнения;

• показано влияние на уровни перенапряжений на изоляции BJI учета ориентировки канала молнии;

• проанализировано влияние на требуемую энергоемкость мест установки подвесных ОПН 35-330 кВ, а также сопротивления заземления опор;

• показано влияние фазировки проводов двухцепных BJI ВН с вертикальной подвеской фаз на интенсивность электрического поля по трассе BJT ВН и на параметры, характеризующие «бестоковую» паузу при ОАПВ.

Практическая значимость результатов работы.

1. Разработанные математические модели процессов происходящих в сетях 35 кВ, содержащих двухцепные BJI, могут быть использованы при расчетах стационарных и переходных режимов как при анализе технологических нарушений в действующих BJI, так и при проектировании новых BJL

2. Показано, что при отсутствии транспонирования фаз BJ1 воздушной сети 35 кВ установка ДГР будет не только мало эффективна, но может при определенных условиях привести к увеличению аварийности этих сетей.

3. Оснащение нейтрали высокоомным сопротивлением позволяет исключить эскалацию перенапряжений при ОДЗ в двухцепных BJI;

4. Приведена область параметров воздушной сети 35 кВ, отвечающая выполнению условий существования опасных стационарных феррорезонансных колебаний;

5. Показано, что установка на ВЛ 35-330 кВ ОПН является одним из эффективных способов повышения надежности эксплуатации изоляции ВЛ.

6. Полученные законы распределений амплитуд волн токов молний, прорвавшихся сквозь тросовую защиту, могут быть использованы при разработке системы защиты рассмотренных BJI от грозовых перенапряжений с помощью подвесных ОПН.

7. Выдвинутые требования к энергоемкости ОПН могут стать отправной точкой при проектировании защиты двухцепных BJI 35-330 кВ с помощью подвесных ОПН.

8. Показано, что с помощью соответствующей фазировки проводов двухцепных BJI высокого напряжения можно существенно уменьшить интенсивности электростатического и электромагнитного полей вдоль их трасс.

Достоверность результатов работы обусловлена использованием при ее выполнении достаточно полных математических моделей исследуемых режимов и процессов, а также модели развития канала лидера молнии. Правомочность полученных результатов подтверждается также хорошим согласием ряда результатов с экспериментальными данными, полученными как отечественными, так и зарубежными исследователями.

Апробация результатов работы.

Отдельные результаты работы и работа в целом обсуждались на научных семинарах факультета энергетики и кафедры ТиЭВН НГТУ, а также на

- на Второй Всероссийской научно-технической конференции в Новосибирске 15-17 октября 2002 г «Ограничение перенапряжений и режимы заземления нейтрали сетей 6-35 кВ»;

- на межрегиональном семинаре для энергетиков металлургических предприятий «Электротехническое электрооборудование и комплексный подход к применению средств защиты от перенапряжений», Новосибирск, 23-25 августа 2005 г.

- на Международной научно-технической конференции «Перенапряжения и надежность эксплуатации электрооборудования». Санкт-Петербург, 31 марта-5 апреля 2003 г.

По теме диссертации опубликованы тексты и тезисы пяти докладов на Всероссийских и международных конференциях, в периодической научно-технической литературе опубликовано две научных статьи. На защиту выносятся:

• Математические модели стационарных и переходных процессов в сетях 35 кВ, содержащих в своем составе двухцепные BJI, позволяющие производить сравнительную оценку эффективности различных способов заземления нейтрали в этих сетях;

• Методика определения энергоемкости подвесных ОПН 35-330 кВ при грозовых поражениях BJI двухцепного исполнения, учитывающая ориентировку канала лидера молнии в систему провода BJI- тросы- земля;

• Результаты исследований по определению энергоемкости ОПН, установленных на опорах двухцепных BJI 35 — 330 кВ, содержащие соответствующие рекомендации

• Рекомендации по повышению надежности двухцепных BJI при дифференцированной установке подвесных ОПН (т.е. при установке на одной на опоре ОПН с разным энергопоглощением), что приводит снижению суммарной стоимости защитных аппаратов.

• Рекомендации по уменьшению интенсивности электростатического и электромагнитного полей по трассам двухцепных BJI высокого напряжения, связанные с соответствующей фазировкой проводов отдельных цепей.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и приложения, изложенных на 129 страницах текста, списка использованных источников из 50 наименований. Работа проиллюстрирована 40 рисунками и содержит 21 таблицу.

Основные выводы, касающиеся существа рассмотренной задачи, формулируются следующим образом.

Особенности стационарных режимов однофазного замыкания на землю (ОЗЗ).

Применение ДГР при раздельной эксплуатации цепей BJT, питающихся от шин различных секций, может вызвать опасные стационарные перенапряжения как в нормальном эксплуатационном режиме, так и в режиме замыкания на землю. В последнем случае резонанс возникает в последовательном контуре, содержащем межцепную емкость и индуктивность, обусловленную перекоменсацией фазной емкости цепи. Одновременное выполнение требований, обусловленных отсутствием резонанса в нормальном режиме и в режиме замыкания на землю, практически недостижимо. Также, практически, весьма трудно выполнимо идеальное симметрирование сети по фазам, которое в сети 35 кВ следует производить на шинах п/ст 35 кВ. Поэтому при эксплуатации сетей, содержащих двухцепные BJI 35 кВ с вертикальной подвеской фаз на опорах разумно отказаться от применения стандартных конструкций ДГР типа ЗРОМ.

В случае использования вместо ДГР типа ЗРОМ управляемых аппаратов типа РУОМ, обладающим практически бесконечным сопротивлением в нормальном эксплуатационном режиме, выбор его параметров можно осуществить лишь на основе требования отсутствия резонанса напряжений в режиме замыкания на землю. Поэтому требования к симметрированию сети по фазам в этом случае не являются столь жесткими. Целесообразность же установки в сетях с двухцепными BJI ДГР типа РУОМ определяется процессами при дуговых замыканиях на землю и возможностью осуществления селективной и чувствительной защиты от замыканий на землю в сети с компенсацией емкостных токов замыкания на землю.

Оснащение нейтрали сети, содержащей двухцепные BJI, высокоомными резисторами представляется наиболее предпочтительным решением. В этом случае напряжения на нейтралях секций сети при ОЗЗ не превосходят допустимых значений. Существенный процент активного тока в токе ОЗЗ позволяет осуществлять селективное отключение поврежденной цепи [50]. При этом сопротивление резистора, обычно выбираемое по условию эффективного ограничения дуговых перенапряжений, т.е. равенства активного тока резистора (7а) емкостному (7С) в сетях, где собственный емкостный ток мал, может быть уменьшено (7а > /с) по условию селективной работы токовых РЗ от ОЗЗ. В этих случаях суммарный ток в месте повреждения остается небольшим и безопасным для электрооборудования в течение некоторого времени, необходимого для устранения повреждения. В определенном диапазоне параметров двухцепных BJI в качестве релейной защиты может быть использована ненаправленная токовая защита, реагирующая на токи нулевой последовательности в поврежденном фидере. Более надежное распознавание поврежденного фидера может быть осуществлено с помощью направленной токовой защиты, так как направления токов в поврежденном фидере и в фидерах параллельной цепи и других цепей противоположны.

Особенности протекания процессов, сопровождающих однофазные дуговые замыкания на землю.

Межцепные емкости приводят к несколько иному характеру процессов, сопровождающих ОДЗ. Так, максимумы перенапряжений возникают не при зажиганиях дуги, что характерно для одноцепных BJI, а при её погасании. Эксплуатации сети с изолированной нейтралью приводит при учете волновых процессов в BJI к недопустимо высоким кратностям перенапряжений, которые могут превысить уровень даже не дефектной изоляции оборудования. Обеспечить надежную эксплуатацию изоляции оборудования при ОДЗ можно путем оснащения нейтралей сети высокоомными резисторами. В этом случае даже при учете волновых процессов в BJI перенапряжения при повторных зажиганиях дуги не превосходят трехкратного уровня, что не опасно для изоляции электрооборудования 35 кВ.

О феррорезонансных явлениях, обусловленных насыщением магнитопроводов трансформаторов напряжения.

При эксплуатации сетей с двухцепными BJI диапазон их длин, отвечающих устойчивому феррорезонансу, сопровождающемуся недопустимыми значениями токов в обмотке высшего напряжения ТН типов ЗНОМ и 3HOJI, за счет межцепных емкостей примерно в 1,5 раза меньше соответствующего диапазона в сети с одноцепными BJI (<15.23 км в сети с двухцепными BJI и <27.30 км в сети с цепными BJI).

Условия существования установившегося резонанса нарушаются как при оснащении обмотки ТН, соединенной в открытый треугольник, рекомендуемым сопротивлением 25 Ом, так и при высокоомном резистивном сопротивлении нейтрали. Совместное использование этих мер позволяет уменьшить токи в обмотке высшего напряжения ТН в зоне переходного феррорезонанса.

• Условия возникновения и существования феррорезонанса нарушаются и в случае использования антирезонансных трансформаторов напряжения типа НАМИ-35, выпускаемых в настоящее время Раменским электротехническим заводом.

Об особенностях стационарных и квазистационарных режимов двухцепных BJI высокого напряжения

• Для снижения напряженностей электростатического и электромагнитного полей по трассам BJT двухцепного исполнения с вертикальной подвеской фаз целесообразно использовать нетрадиционную фазировку цепей (АВС-сва), позволяющую снизить максимальные напряженности в 3-1,2 раза, а напряженность электромагнитного поля на расстоянии 20 м от оси опоры уменьшится в 5-3 раз.

• Надежность гашения дуги подпитки на отключенной фазе при ОАПВ BJI ВН 110-330 кВ, не оснащенных шунтирующими реакторами, практически не зависит от числа цепей на опорах.

Особенности грозозащиты двухцепных BJI35 —330 кВ.

• Поскольку при грозовых поражениях одной из цепей двухцепных BJI 35-330 кВ весьма часто за счет близкого расположения фаз отдельных цепей на опоре происходит отключение двух цепей, вопросы грозоупорности таких BJI, связанные с необходимостью бесперебойного электроснабжения потребителей, приобретают весьма существенное значение. Это обстоятельство приводит к настоятельной необходимости совершенствования грозозащиты двухцепных BJI путем установки защитных аппаратов типа ОПН непосредственно на опорах BJI.

• При разработке требований к параметрам ОПН необходимо учитывать теорию ориентировки канала лидера молнии в систему провода BJI-тросы ВЛ-земля, так как не учет ориентировки приводит к чрезмерно завышенным требования к характеристикам ОПН.

• Требования к характеристикам ОПН зависят от проводимости грунта, обуславливающего в большой мере величину сопротивления заземления опор.

• На опорах с вертикальным расположением фаз цепей нижние фазы не нуждаются в специальной защите от прямых грозовых перенапряжений, так как вероятность прорывы молнии на эти фазы практически равна нулю (они экранированы проводами, подвешенными над ними).

• В зависимости от величины сопротивления заземления, грозовой активности, уровня изоляции ВЛ, уровня надежности ВЛ и т.д возможно множество вариантов установки ОПН. Основные же принципы следующие:

1. Для защиты фаз ВЛ от перенапряжений, вызванных только ударами молний в опору или в трос вблизи опоры, устанавливается необходимое (расчетное в конкретном случае) количество ОПН с малой пропускной способностью;

2. Для защиты фаз ВЛ от перенапряжений, вызванных ударами молний в фазные провода на верхних фазах устанавливаются ОПН с большой пропускной способностью;

3. Для полноценной защиты В Л от перенапряжений вызванных любыми проявлениями грозовой деятельности устанавливаются ОПН, как с большой так и с малой пропускной способностью.

Более подробные выводы по каждому из разделов работы содержатся в её основном тексте.

Общее заключение по работе.

Выполненная работа позволяет предложить следующий комплекс мероприятий, обеспечивающий надежную эксплуатацию изоляции электрооборудования сетей 35-330 кВ, содержащих большой процент двухцепных BJI.

Для ВЛ 35 кВ.

• С целью исключения эскалации перенапряжений при ОДЗ и опасных феррорезонансных явлений, обусловленных насыщением магнитопроводов ТН типа ЗНОМ, а также для повышения чувствительности и селективности релейной защиты от ОЗЗ , следует оснастить нейтрали секций сети высокоомными резисторами, величина сопротивления которых определяется, исходя из времени разряда емкости сети, примерно равного половине периода промышленной частоты: RN s 1/Зй>Сф(1 + 277),

7 = СМЦ/Сф.

• Альтернативной мерой исключения возникновения опасных феррорезонансных явлений в сетях, оснащенных ТН типа ЗНОМ, могут являться либо оснащение их третичных обмоток резисторами с рекомендуемым сопротивлением 25 Ом, либо установка в сети 35 кВ антирезонансных трансформаторов напряжения типа НАМИ.

Для ВЛ 110-330 кВ.

• Уменьшение интенсивности электростатического и электромагнитного полей по трассам В Л 110-330 кВ двухцепного исполнения с вертикальной подвеской проводов можно добиться применением нетрадиционной фазировки проводов цепей (ABC-cba)

Для ВЛ 35-330 кВ.

• Повышение надежности эксплуатации двухцепных В Л 35-330 кВ при их грозовых поражениях может быть достигнуто путем установки ОПН непосредственно на опорах по их трассам.

Установку необходимого количества защитных аппаратов типа ОПН на опорах и выбор их характеристик, в том числе и энергоемкость, целесообразно производить в соответствии с рекомендациями, приведенными в заключении по работе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенная работа позволяет сделать выводы как методического характера, так и по существу рассматриваемой проблемы — выявления особенностей эксплуатации двухцепных BJI в сетях среднего и высокого напряжения, а также установление технической целесообразности оснащения двухцепных В Л 35-330 кВ защитными аппаратами типа ОПН и определению их энергоемкости при различных уровнях сопротивлений заземления опор.

К методическим выводам можно отнести следующие:

• разработана математическая модель для исследования процессов при ОДЗ в двухцепных ВЛ, позволяющая моделировать двухцепную ВЛ не в виде системы сосредоточенных емкостей, а в виде обобщенных П-схем замещения; учитывающих межфазные и межцепные емкости;

• показано, что обычно принимаемое моделирование процессов при ОДЗ при совмещении точек ОДЗ и наблюдения может привести к заниженным оценкам перенапряжений, возникающих как в режиме зажигания дуги, так и после её погасания;

• разработана математическая модель, позволяющая исследовать в двухцепных ВЛ феррорезонансные перенапряжения, обусловленные насыщением магнитопроводов трансформаторов напряжения;

• проанализированы электростатические и электромагнитные поля по трассам двухцепных ВЛ высокого напряжения;

• применена теория ориентировки канала лидера молнии при исследовании грозоупорности двухцепных ВЛ 35-330 кВ, оснащенных защитными аппаратами типа ОПН, установленными на опорах ВЛ;

• показано, что основными факторами, влияющими на условия эксплуатации ОПН, являются конструкции ВЛ ( высоты опор, количество грозозащитных тросов), сопротивления заземления опор; при сопротивлениях заземления опор, не превышающих 10 Ом, определяющими грозовыми воздействиями являются удары молнии в провода при прорыве сквозь тросовую защиту. При больших значениях сопротивления при установлении требований к токовым и энергетическим нагрузкам ОПН следует учитывать также и удары молнии в опору или в трос вблизи от опоры; определяющим грозовым воздействием при выборе аппаратов, устанавливаемых на нижних фазах, будут являться удары молнии в опору или в трос вблизи опоры;

1. Техника высоких напряжений: Учебник для студентов электротехнических и электроэнергетических вузов. Под общей ред. Д.В. Разевига. Изд. 2-е, перераб. И доп. М., «Энергия», 1976.

2. Техника высоких напряжений: Учебник для вузов.-Под ред. Г.С. Кучинского.- СПб.:Энергоатомиздат. Санкт-Петербургское отд-ние, 2003.-608 е.: ил.

3. Перенапряжения в электрических сетях различного назначения и защита от них: Учебник. / К.П. Кадомская, Ю.А. Лавров, А. А. Рейхердт А.А. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. - 368 е.- (Серия «Учебники НГТУ»).

4. Перенапряжения в электрических системах и защита от них: Учебник для вузов / В.В. Базуткин, К.П. Кадомская, М.В. Костенко, Ю. А. Михайлов. СПб.: Энергоатомиздат, Санкт-Петербургское отд-ние, 1995. - 320 е.: ил.

5. Костенко М.В., Кадомская К.П., Левинштейн М.Л., Ефремов И.А. Перенапряжения и защита от них в воздушных и кабельных электропередачах высокого напряжения. — Л.: Наука, 1988. — 302 с.

6. Ларионов В.П. Основы молниезащиты. Под ред. И.М. Бортника. — М.: Знак, 1999. 104 е., ил.

7. Rachidi F., Nucci С.A., Ianoz М.у Mazzetti С. Response of multiconductor power lines to nearby lightning return stroke electromagnetic fields //IEEE Trans. On Power Delivery.- Vol. 12.- No. 3.- 1997. P. 1404.

8. Kawamura Т., Nagano M., Ichihara M., Ishikawa K.f Mizoguchi S., Imakoma Т., Shimomura T. Development of metal oxide transmission line arrester and it's effectiveness. //CIGRE,- 1994 Session. - Rep.33.201.

9. Washino, et al. Development of current limiting arcing horn for prevention of lightning faults on distribution lines //IEEE Trans. On Power Delivery.-Vol.3.-No. 1.- 1988.- P.138.

10. Gaivoronsky A.S., Karasyuk K.V. Numerical model of lightning leader orientation on transmission line //Pros. 8-th Internat. Symposium on High Voltage Engineering. Japan. Yokohama.- 1993.- P.277.

11. Карасюк K.B. Численные исследования и разработка методов расчета грозоупорности BJI УВН. Диссертация на соиск. уч. ст. канд. техн. наук.- Новосибирск. - НГТУ. - 1996.-170 с.

12. Шалин А.И. Защита от замыканий на землю в резистивно-заземленных сетях 6-35 кВ // Труды Третей Всероссийской научно-технической конференции. Новосибирск, 2004. - 186 с.

13. Кадомская К.П., Курсиш В.А. и др. Процессы при однофазных дуговых замыканиях в сетях 6-35 кВ с учетом распределенности параметров воздушных линий //Изв. высш.уч. зав. и энерг. объедин. Минск. 1994,№1-2.

14. Заболотников А.П., Кадомская К.П., Тихонов А.А. Математическое моделирование и перенапряжения в электрических сетях 6.35 кВ: Монография. Новосиб. гос. техн. ун-т.-Новосибирск, 1993.-158 с.

15. Применение многофакторного вычислительного эксперимента. Методические указания к практическим занятиям. К.П. Кадомская. -Новосибирск. НЭТИ. - 1986.

16. Алексеев В.Г., Думайцев С.Г., Зихерман М.Х. Исследование режимов работы ТНКИ в сетях 6-10 кВ. //Электрические станции.- 1980.- №1.23Лихачев Ф.А. Повышение надежности распределительных сетей 6-10 кВ. //Электрические станции.-1981.- №11.

17. Дударев JI.E., Левковский А.И., Волошек И.В. Численный анализ феррорезонансных процессов в сетях с изолированной нейтралью. //Электрические станции.- 1991.- №1.

18. Дударев JI.E., Эль-Хатиб Аднан. Подавление феррорезонансных процессов в сетях с изолированной нейтралью. //Электрические станции.- 1993.- №1.

19. Левковский А.И. Исследование переходных процессов при дуговых замыканиях на землю в электрических сетях 10 кВ с трансформаторами напряжения НАМИ-10. // Электрические станции.-1990.-№ 10.- С.79.

20. Богдан А.В., Калмыков В.В., Сафарбаков А.А. Переходные процессы в сети 10 кВ с трансформаторами НАМИ-10. //Электрические станции.-1993.-№10.- С. 46.

21. Зихерман М.Х.^Левковский А.И. Резонансные процессы в сетях 35 кВ с трансформаторами напряжения. //Электрические станции.-1996.-№5.-С.54.

22. Ъ2.Дьяков А.Ф., Левченко И.И., Никитин О.А., Аношин О.А., Кужекин И.П.,МаксимовБ.К. Электромагнитная обстановка и оценка её влияния на человека.//Электричество.-1997.-№5.С.2-10.

23. Электромагнитные поля в производственных условиях. (СанПиН 2.2.4.1191-03)

24. Материалы научного семинара "Экологические проблемы электропередач сверхвысокого напряжения". Новосибирск, 1983.

25. Кадомская К.П. Физико-математические основы техники и электрофизики высоких напряжений: Конспект лекций / Новосиб. Электротехн. Ин-т. Новосибирск, 1991.-87 с.

26. Базуткин В.В., Ларионов В.П., Пинталь Ю.С. Техника высоких напряжений. Изоляция и перенапряжения в электрических системах.

27. Учебник /Под общ. ред. В.П.Ларионова.-З-е изд., перераб. и доп.-М.: Энергоатомиздат.- 1986. 464 е.: ил.

28. Anderson К.В., Erikson A. J. Lightning parameters for engineering application //Electra.-1980.-No 69.-P.65.

29. Базелян Э.М., Горин Б.Н., Левитов В.И. Физические и инженерные основы молниезащиты. — Л.: Гидрометеоиздат. 1978. - 233с.

30. Основы математической статистики. Методические указания к расчетному заданию. К.П. Кадомская. Новосибирск. - НГТУ. - 1999.

31. Данные ЗАО «Феникс-88»: http://www.fenix88.nsk.su/opn4.php41 .Руководство по защите электрических сетей 6-1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений /Под научной редакцией Н.Н. Тиходеева.-2-е изд.- СПб:ПЭИПК Минтопэнерго РФ, 1999.-353 с.