автореферат диссертации по энергетике, 05.14.12, диссертация на тему:Исследование влияния изменения характеристик защитных аппаратов на показатель надежности защиты подстанций 35-500 кВ от перенапряжений

Введение.

Глава первая. Обзор исследуемого вопроса и постановка задачи диссертационной работы.

1.1. Причины изменения вольтамперной и вольтсекундной характеристики вентильных разрядников (РВ).

1.2. Причины изменения В АХ нелинейных ограничителей перенапряжений классов напряжений 35-500 кВ.

1.3. Анализ показателя надежности грозозащиты подстанций 35-500 кВ при номинальных характеристиках ВР.

1.4. Анализ современного состояния защиты подстанций 35-500 кВ от внутренних перенапряжений.

1.5. Выводы и постановка задачи диссертационной работы.

Глава вторая. Усовершенствованная методика исследования перенапряжений и токов через защитные аппараты подстанщий 35-500 кВ.

2.1. Методика численного анализа надежности грозозащиты подстанций.

2.1.1. Основные положения методики.

2.1.2. Методика совместного расчета процессов в системе молния - подстанция

2.1.3. Область опасных волн при прорыве молнии на провода и при обратных перекрытиях с опоры на провод.

2.1.4. Алгоритм построения кривых опасных волн (КОВ).

2.2. Обзор внутренних перенапряжений.

2.3. Методика расчета импульсных и коммутационных токов через ОПН

2.4. Методика прогнозирования ожидаемого срока слзАбы ОПН.

Глава третья. Исследование грозозащиты типовых подстанций 35-500 кВ с использованием вентильных разрядников и мероприятия по улучшению грозозащиты подстанций

3.1.Основные положения исследования грозозащиты типовых подстанций

35-330 кВ.

3.2. Исследование грозозащиты тупиковой подстанции 35 icB и импульсных токов, протекающих через защитные аппараты.

3.3. Исследование грозозащиты типовых подстанций 110-500 кВ при использовании вентильных разрядников с гостированными и измененными характеристиками.

3.3.1. Исследование грозозащиты типовых подстанций ПО кВ при использовании вентильных разрядников.

3.3.2. Исследование грозозапщты типовых подстанций 220 кВ при использовании вентильных разрядников.

3.3.3. Исследование грозозащиты типовых подстанций 330 кВ при использовании вентильных разрядников.

3.3.4. Исследование грозозащиты типовых подстанций 500 кВ при использовании вентильных разрядников.

3.4. Использование ОПН нового поколения в грозозащите типовых подстанций 110-500 кВ.

3.5. Каскадный способ грозозащиты подстанций ПОкВ.ПО

3.6. Анализ импульсных токов, протекающих через защитные аппараты

110-500кВ.,.

3.7. Исследование вопроса срока службы эксплуатационного оборудования.

3.8. Выводы по главе.

Глава четвертая. Глубокое ограничение внутренних перенапряжений в сетях 35-500 кВ.

4.1. Исследование внутренних перенапряжений при коммутациях линий

35-500 кВ.

4.2. Мероприятия по улучшению заш;иты подстанций 35-500 кВ от внутренних перенапряжений.

4.3. Исследование внутренних перенапряжений при коммутациях трансформаторов (автотрансформаторов).

4.4. Исследование внутренних перенапряжений при коммутациях реакторов. Мероприятия по улзАшению защиты реакторов от перенапряжений при их коммутациях.

4.5. Исследование коммутационных токов, протекающих через нелинейные ограничители перенапряжений.

Глава пятая. Разработка технических требований к ОПН 35-500 кВ.

5.1. Анализ допустимых токов, протекающих в нормальном эксплуатационном режиме, при импульсных и коммутационных воздействиях.

5.2. Исследование напряжений, воздействующих на нелинейные ограничители перенапряжений.

5.2.1. Характеристики рабочего напряжения.

5.2.2. Характеристики квазистационарных перенапряжений в симметричном режиме.

5.2.3. Характеристики квазистационарных перенапряжений в несимметричном режиме.

5.3. Анализ импульсных и коммутационных токов протекающих через ОПН.

5.4. Технические требования к ОПН.

5.5. Вопросы эксплуатации ОПН.

5.6. Исследование срока службы ОПН.

Электроэнергетическая система России включает в себе большой спектр сетей, отличающихся как по классу напряжения, так и по предназначению. Можно выделить следующие типы сетей [ 1 ]:

• генераторного напряжения;

• собственных нужд электростанций;

• распределительных, работающих в режиме с изолированной или резонанс-но заземленной нейтралью;

• распределительных промышленных предприятий, имеющих специфику производства;

• общих, работающих в режиме эффективного заземления нейтрали. Одним из наиболее важных показателей работы сетей является надежность работы электрооборудования, входящего в данную сеть. Эта надежность определяется в значительной степени правильной координацией изоляции, а также мерами защиты от длительных и кратковременных перенапряжений. Так, например, по вине грозовых и внутренних перенапряжений нарушение нормальной работы сетей 0,4-35 кВ для нефтепромыслов Западной Сибири составляет 51 % от всех повреждений [ 2-4 ].

Запщта от грозовых и внутренних перенапряжений в энергосистемах осуществляется с помощью принятия специальных мер, которые предусмотрены в ПТЭ, ПУЭ и РУ по защите от перенапряжений. Одним из основных мер защиты электрооборудования электрических сетей до сих пор являются вентильные разрядники (РВ).

Однако в настоящее время необходимость замены вентильных разрядников 35 кВ и выше на нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН) вызвана следующими обстоятельствами.

1. Промышленностью страны практически приостановлен выпуск вентильных разрядников по ГОСТ 16357-83 [ 5 ] ( серии РВМК, РВМГ, РВМ, РВС).

2. Наличие в разрядниках искровых промежутков из цветных металлов и большая материалоемкость приводит к тому, что эти защитные аппараты оказываются тяжелыми, громоздкими, а также достаточно дорогими.

3. Большинство вентильных разрядников 35 кВ и выше (кроме аппаратов для сетей 1150 кВ) эксплуатируются более 25 лет. По различным причинам эти аппараты исчерпапи свой ресурс по пропускной способности и по защитным характеристикам.

4. Вентильные разрядники в ряде случаев не обеспечивают технико-экономи-чески обоснованных показателей защиты от грозовых перенапряжений, а в ряде случаев и от внутренних перенапряжений.

5. При коммутациях ненагруженных участков сборных шин подстанций 110 кВ и выше разъединителями наблюдаются случаи разрушения вентильных разрядников, устанавливаемых на подстанциях. Это приводит к серьезным авариям, простою оборудования на длительный период.

6. Защитные характеристики вентильных разрядников, проработавших более 20ч-25 лет, ухудшаются. Как будет показано дальше вольтамперная характеристика (ВАХ) разрядников увеличивается приблизительно на 15-Л-20 %, а вольтсе-кундная характеристика (ВСХ) - в большинстве случаев снижается, а в ряде случаев растет.

Замена вентильных разрядников на нелинейные ограничители должна выполняться таким образом чтобы ограничители 35 кВ и выше не вызывали серьезных проектных, строительных и эксплуатационных работ и расходов. Поэтому они должны быть подключены в тех же точках (присоединениях), где в настоящее время установлены вентильные разрядники. Однако и при такой "простой" замене вентильных разрядников на нелинейные ограничители перенапряжений возникает ряд проблем, без решения которых эксплуатация сетей невозможна.

В ряде энергосистем такая "простая" замена РВ на ОПН привела к повреждению не только самих защитных аппаратов, но и защищаемых видов электрооборудования. По этой причине у эксплуатационного персонала появилось негативное отношение к новейшим защитным аппаратам - нелинейным ограничителям перенапряжений.

При замене вентильных разрядников на ОПН могут возникать также следующие трудности. Так как до прекращения выпуска разрядников установка ОПН проводилась для вновь вводимых в эксплуатацию объектов, то в рамках разработ ки защиты от внутренних перенапряжений проводились все необходимые расчеты аварийных и послеаварийных режимов. Соответственно по полученным результатам разрабатывались мероприятия по защите электрооборудования и линий. Однако единой методики выбора ОПН не существовало. Поэтому в последние годы, из-за экономического хаоса в стране при замене разрядников на ОПН, эксплуатирующие, некоторые проектные организации, а также заводы - изготовители не производили необходимьгх расчетов, что привело к значительному увеличению количества отказов ОПН. Например, к нарушениям условий правильной эксплуатации ОПН можно отнести случаи возникновения феррорезонансных явлений, нерасчетное загрязнение внешней изоляции защитных аппаратов, нарушение режима заземления нейтрали, частые коммутации электрооборудования и линий и т.д.

Все отмеченное выше делает актуальной проблему, связанную с анализом изменения характеристик вентильных разрядников, с повышением показателя надежности грозозапщты и запщты от внутренних перенапряжений изоляции электрооборудования сетей высокого и сверхвысокого напряжения, с выбором и обос нованным размещением современных защитных аппаратов.

Целью диссертационной работы является исследование влияния изменения ха рактеристик вентильных разрядников на показатель надежности грозозащиты подстанций 354-500 кВ; исследование вопроса надежной работы ОПН при замене ими вентильных разрядников; разработка рекомендаций по установке ОПН.

Научная новизна диссертационной работы. Получены достоверные данные о состоянии характеристик вентильных разрядников после 15 -г-25 лет их эксплуатации в сетях; показано, что ухудшение электрических характеристик упомянутых запщшых аппаратов в несколько раз снижает показатель надежности грозозащиты (число лет безаварийной работы при грозовых ситуациях) подстанций; получены характеристики показателя надежности работы электрооборудования сетей 35 - 500 кВ при грозовых и внутренних перенапряжениях; даны перспективные технические условия работы новейших защитных аппаратов - нелинейных ограничителей перенапряжений.

Практическая ценность полученных результатов состоит в следующем:

1) Разработана методика отбраковки вентильных разрядников по изменению их запщтных характеристик;

2) даны рекомендации по замене вентильных разрядников на нелинейные ограничители перенапряжений;

3) даны рекомендации, предотвращающие повреждение ограничЕггелей перенапряжений в условиях их эксплуатации;

4) даны исходные даннью, необходимые для безаварийной эксплуатации нелинейных ограничителей перенапряжений.

Реализация результатов работы. Обоснованный переход от вентильных разрядников к нелинейным ограничителям перенапряжений внедрен в энергосистемах РАО "ЕЭС России" и в ряде промышленных предприятий России, в разработках АООТ "НИИ Электрокерамика" и др.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на четвертой и пятой Российских научно-технических конференциях "Электромагнитная совместимость технических средств и биологических объектов (г. Санкт-Петербург, 1996,1998 г.г.), на совещаниях "Эксплуатация, производство и обеспечение качества запщтных средств от перенапряжений в классе НО кВ и выше (г. Санкт-Петербург, 1996 г.), "Эксплуатация, производство и обеспечение качества защитных средств от перенапряжений в классе 0,5-ь35 кВ (г. Санкт-Петербург, 1997 г.), "Современные проблемы эксплуатации элеьсфообо-рудования при возникновении перенапряжений в сетях различных классов напря9 жения и способы их ограничения (г. Санкт-Петербург, 1998 г.), "Современное состояние и проблемы диагностики высоковольтных измерительных трансформаторов тока и напряжения, силовых конденсаторов и батарей конденсаторов" (Боткинская ГЭС, 1998 г.).

Публикации. По результатам работы опубликовано б печатных работ. Структура и объем диссертации. Диссертация включает введение, пять глав, заключение, список литературы из 63 наименований. Основной материал изложен на 285 страницах машинописного текста.

6. Результаты исследования импульсных токов при грозовых воздействиях показали, что необходимо не допускать смешанного применения зашдтных аппаратов. Импульсные токи через ОПН увеличиваются в два раза.

7. Прогнозированы импульсные и коммутационные токи через ограничители перенапряжений 35-500 кВ в зависимости от мощности питающего источника и места подключения этих защитных аппаратов.

8. Определен срок службы ОПН.

9. По результатам диссертации автором опубликовано 6 печатных работ [57-62 .

Заключение

Несмотря на достигнутые успехи в области защиты электрооборудования от грозовых и внутренних перенапряжений, в настоящее время остается еще ряд проблем аппаратных способов запщты в связи с массовой заменой вентильных разрядников на нелинейные ограничители перенапряжений. Это особенно важно в сетях высокого и сверхвысокого напряжения, так как эксплуатирующие организации (энергосистемы и электроэнергетики промышленных предприятий) встречают трудности из-за отсутствия обновленных директивных документов (правила устройства электроустановок, руководящие указания по защите электрических сетей от перенапряжений).

Такие же трудности возникают и для проективных организаций при использовании ограничителей перенапряжений взамен вентильных разрядников. Это главным образом связано при выборе типа, места установки и определении максимальных допустимых расстояний от защищаемого оборудования до нелинейных ограничителей перенапряжений.

В диссертационной работе дан ответ на ряд вопросов, перечисленных выше. Основными выводами диссертации являются следуюпще.

1. Анализ защитных характеристик этих аппаратов показал, что после 20-25 лет эксплуатации у вентильных разрядников вольтамперная характеристика повышается на 15-20% (в ряде случаев до 30%), вольтсекундная характеристика изменяется на 20-30%.

2. Ухудшение электрических характеристик вентильных разрядников в несколько раз снижает показатель надежности грозозапщты типовых подстанций 35-500 кВ.

3. Исследования показали, что использование РВ с измененной ВАХ во всех случаях не удовлетворяет технико-экономическим показателям грозозапщты типовых подстанций 35-500 кВ.

225

4. Замена вентильных разрядников 35-500 кВ на соответствующие ограничители перенапряжений компенсирует ухудшение защитных характеристик РВ, улучшает показатель надежности грозозащиты в 2 4^3 раза.

5. Исследования показали, что использование ОПН позволяет обеспечить расчетный срок службы эксплуатационного оборудования.

1. Михайлов В.В. Надежность электроснабжения промыпшенных предприятий. -М.: Энергия, 1973.

2. Меньшов Б.Г., Суд И.И. Электрофикация предприятий нефтяной и газовой промышленности. -М.: Недра, 1984. -177 с: ил.

3. Разрядники вентильные переменного тока на нелинейное напряжение от 3,8 до 600 кВ, ГОСТ 16357-83. Государственный комитет по стандартам. Издание официальное. - М.: Изд. стандартов, 1983.

4. Курчатов И.В., Ковалев H.A., Костина Т.З., Русинов Л.М. Исследование карборундовых саморегулирующихся сопротивлений. ЖТФ: 1933, т.з., № 8.

5. Волькенау В.А., Пружинина Грановская В.И. Старение карборунда при многократной нагрузке импульсами тока. Вестник электропромышленности. 1960, №4.

6. Braun А., Bugh G. Uber den Mechanismus spannungabhangioer Widerstande. Helv. Phys. Acta,1978, B-15.5.571.

7. Шишман Д.В., Бронфман А.И., Пружинина В.И., Савельев В.П. Вентильные разрядники высокого напряжения. Энергия. ЛО. 1971.

8. Шишман Д.В. Опыт применения нелинейных сопротивлений в вентильных разрядниках. Материалы научно-технического совещания "Применение полупроводников в электротехнике", 1958.

9. Исследование стабильности основных электрических характеристик вентильных разрядников. Технический отчет, шифр 34/4. Министерство электростанций и электропромышленности СССР, Ленинградский филиал ГИЭКИ. Ленинград, 1953 г.

10. Шищман Д.В., Гуревич A.A. Опыт эксплуатации вилитовых разрядников. "Электрические станции", 1962, № 12.

11. Акт о результатах опытной эксплуатации испытаний разрядников РВМК-330. Организация и/я Р-6614, предприятие и/я Г-4316 и Минэнерго СССР ЛТВН НИИПТ и Киевэнерго, 1970.

12. Исследование возможности создания вентильных разрядников 35-500 кВ для глубокого ограничения грозовых и внутренних перенапряжений. Технический отчет, шифр ИО2.9110. Организация и/я Р-6614, предприятие и/я Г-4316. Ленинград, 1970, стр. 71, илл. 17.

13. Калинин Е.В. и др. Вольтсекундные характеристики вентильных разрядников. " Электрические станции 1969, № 7.

14. Савельев В.П., Иванова Т.К. Исследование пробивных напряжений вентильных разрядников при коммутационных перенапряжениях, "Электричество",1967, № 6.

15. Протокол испытаний опытного образца разрядника типа РВМК-1150. Шифр ЦФ 70-15-022. Организация и/я Р-6614, предприятие и/я Р-6517. Москва,

16. Протокол ОКР по созданию опытного оборудования 1200 кВ. "Разрядник 750 кВ магнитновентильный, взрывобезопасный для запдиты автотрансформатора". Шифр ЦФ72-10105-022. Организация и/я Р-6614, предприятие и/я Р-6517. Москва, 1972.

17. Акопян A.A., Фотин В.П., Ярошенко А.И. Комбинированные разрядники для сетей 500 кВ и результаты их испытания, "Электрические станции", 1962, №2.

18. Артемьев Д.Е. и др. Испытание разрядников 330 кВ для глубокого ограничения коммутационных перенапряжений. Известия НИИПТ, 1967.

19. Половой И.Ф., Михайлов Ю.А., Халилов Ф.Х. Перенапряжения на электрооборудовании высокого напряжения. -Л.: Энергия, 1975.

20. Зархи И.М., Мешков В.Н., Халилов Ф.Х. Внутренние перенапряжения в сетях 6- 35 кВ. Л.: Наука, 1986.

21. Костенко М.В., Невретдинов Ю.М., Халилов Ф.Х. Грозозащита электрических сетей в районах с высоким удельным сопротивлением грунта.- Л.:Наука, 1984.

22. Передача энергии постоянным и переменным током. Труды НИИПТ, выпуск21.22. Энергия. ЛО, 1975.

23. Тиходеев H.H., Шур С.С. Изоляция электрических сетей. Энергия, ЛО, 1979.

24. Мерхалев С.Д., Миролюбов A.B., Попков В.И. и др. Выбор и опыт эксплуатации изоляции линий 500 кВ АРЕ. Электрические станции, 1972, № 9.

25. Костенко М.В., Богатенков И.М., Михайлов Ю.А. и др. Грозозащита подстанций и электрических машин высокого напряжения. Учебное пособие Изд. ЛПИ им. М.И.Калинина, 1982.

26. Анализ надежности грозозащиты подстанций / М.В.Костенко, Б.В.Ефимов, И.М.Зархи, Н.И.Гумерова. -Л.: Наука, 1981.

27. Горев A.A., Мащкиллейсон Л.Е. Импульсные характеристики линейной изоляции и искровых промежутков // Электрические станции. 1936, №11.

28. Артемьев Д.Е., Тиходеев H.H., Шур С.С. Координация изоляции линий эктро-передач / Под редакцией Щедрина H.H., М-Л, Энергия, 1966.

29. Артемьев Д.Е., Тиходеев H.H., Шур С.С. Статистические основы выбора изоляции линий электропередач высщих классов напряжения / Под редакцией Щедрина H.H., М-Л, Энергия, 1965.

30. Тиходеев H.H., Шур С.С. Изоляция электрических сетей ( методика выбора статистической координации и приведения к норме ) Л., Энергия, 1979.

31. Бронфман А.И. Режимы работы вентильных разрядников при грозовых пере-напряжениях.-Л., Энергия, 1977г.

32. Иманов Г.М., Халилов Ф.Х., Таджибаев А.И. Характеристики, выбор и размещение ограничителей перенапряжений (110-220 кВ). С-Пб, 1997г., (ПЭИПК).

33. Справочник по электрическим установкам напряжения. / Под ред.

34. H.A. Баумштейна, С.А. Бажанова.- 3-е изд.; перераб. и доп.; М.: Энергоатом-издат, 1989. -768с. илл.

35. Техника высоких напряжений. Под. ред. М.В. Костенко.М., "Вьющая школа", 1973.

36. Костенко М.В., Кадомская К.П., Левинштейн М.Л., Ефремов H.A. Перенапряжения и защита от них в воздушных и кабельных электропередачах высокого напряжения. -Л.: Наука, 1988.

37. Программное обеспечение упражнений, курсовых проектов и работ по ТВН. / Под. ред. чл.- корр. АН СССР М.В.Костенко. -Л.: ЛГТУ, 1990.

38. Костенко М.В. Правило эквивалентной волны для узловой точки с нелинейным сопротивлением молнии // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1989. №4.

39. В.В. Базуткин, К.П. Кадомская, М.В. Костенко, Ю.А. Михайлов. Перенапряжения в электрических системах и защита от них, СПб, Энергоатомиздат, 1995.

40. Отчет о НИР "Руководящие указания по защите от грозовых и внутренних перенапряжений электрических сетей 6-1150 кВ единой энергосистемы СССР, том 2. Грозозащита ливий и подстанций 6-1150 кВ", СПб, НИИПТ, 1991.

41. Катсон В.Д., Никитин О.В., Половой И.Ф. и др. Годовое число коммутаций линий и трансформаторов высших классов напряжения / Электрические станции. 1970. - № 10.

42. Половой И.О., Михайлов Ю.А., Халилов Ф.Х. Внутренние перенапряжения на электрооборудовании высокого и сверхвысокого напряжения Л.: Энергия, 1986 г.

43. Костенко М.В., Халилов Ф.Х. Влияние метеоусловий на амплитуду коммутационных перенапряжений на линиях 500 кВ / Известия АН СССР Энергетика и транспорт, 1973, № 4.

44. Смирнов Н.В., Дунин- Барковский И.В. Теория вероятностей и математическая статистика в технике. Физматгиз, 1985.

45. Вентцель Е.С., Овчаров Л.Л. Теория вероятностей. Наука, М., 1973.

46. Результаты испытаний на опытно-промышленной электропередаче 750 кВ Конаково Москва, Ч. П. Исследования в полной схеме электропередачи

47. A.A. Акопян, H.H. Беляков, А.Н. Комаров и др. // Дальние электропередачи 750 кВ. 4.2. Оборудование, подстанции. М.: 1975. С. 61-86.

48. Попов СМ., Рашкес B.C. Перенапряжения на реакторе и трансформаторе 500 кВ при отключении реактора выключателями ВВ-400 // Электрические станции. 1969. № 9. С. 65-69.

49. Костенко М.В. и др. Заземление в сетях высокого напряжения и классификация перенапряжений. Учебное пособие. Изд. ЛИЙ, 1979.

50. Разрядники для глубокого ограничения перенапряжений в электрических системах 110-500 кВ. Г.Н.Александров, А.И. Бронфман, В.Ф.Ласло и др.

51. СИГРЭ, 1978, докл. 33-0.6 .

52. Информ. бюллетень № 9. Регионального специального Совета по диагностике электрооборудования при Уралэнерго 2-3.09.98.

53. Долгих В.А., Олендзкая Н.Ф., Цзин A.A. К вопросу о сроке службы ограничителей перенапряжений // Исследования в области применения ограничителей. Сб. научи, тр. НИИПТ. Л.: Энергоиздат. 1981. с. 48-55

54. Иманов Г.М., Кольгаев A.B., Таджибаев А.И., Халилов Ф.Х. Необходимость срочной замены вентильных разрядников на наиболее современные защит ные аппараты. В кн. "Повышение роли инспекторского состава "Госэнерго-надзора", Петербургский ИПК, СПб, 1998 г.

55. Колычев A.B., Халилов Ф.Х. "Необходимость защиты от перенапряжений силовых фильтров и батарей статических конденсаторов". Информ. бюллетень № 9 Регионального спец. Совета по диагностике электрооборудования при Уралэнерго, 2-3.09.98.

56. Колычев A.B., Розет В.Е., Халилов Ф.Х. "Характеристики ОПН для защиты батарей статических конденсаторов" Информ. бюллетень № 9 Регионального спец. Совета по диагностике электрооборудования при Уралэнерго,2322.3.09.98.

57. Колычев A.B., Шилина H.A., Халилов Ф.Х. Необходимость защиты сетей напряжением до 1 кВ от перенапряжений. Труды СПбГТУ "Электротехника и электроэнергетика". Проблемы управления электроэнергетическими система ми, №471, 1998 г.233

58. П Р И Л О Ж Е H И Я I, П, Ш 1У, У.

59. Принципиальная схема тупиковой подстанции 35кВ с двумя силовыми трансформаторами СТ1 и СТ2 .1. ЛЛ16,05,04,03,02,3 4,0 (2)4,6® 4,6 2,33,03,0 3,02,0\4,04,0тн5,0 5,03,0