автореферат диссертации по энергетике, 05.14.12, диссертация на тему:Методы исследования развития атмосферных перенапряжений в высоковольтных линиях энергосистем Севера и разработка комплекса мер по повышению надежности их работы

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК КОЛЬСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР ИНСТИТУТ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ ЭНЕРГЕТИКИ СЕВЕРА

ЕФИМОВ Борис Васильевич

УДК 621.316

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗВИТИЯ АТМОСФЕРНЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЛИНИЯХ ЭНЕРГОСИСТЕМ СЕВЕРА И РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА МЕР ПО ПОВЫШЕНИЮ НАДЕЖНОСТИ ИХ РАБОТЫ

Специальность: 05.14.12 - техника высоких напряжений

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение..................................................................6

1. Обзор данных по эксплуатационной надежности работы линий электропередачи и краткий анализ существующих методов теоретического исследования атмосферных перенапряжений в высоковольтных сетях .........................................8

1.1. Основные факторы, влияющие на надежность работы ЛЭП, состояние теории и методов расчета грозоупорности линий электропередачи и подстанций ..............................8

1.2. Цели и задачи исследования..........................................28

2. Анализ автоматических отключений ЛЭП по данным многолетнего опыта их эксплуатации на Севере............ 31

2.1.Основные особенности компьютерных информационно-аналитических систем по текущему состоянию, дефектам, отключениям, отказам и авариям линий................................................31

2.2. Основные результаты анализа совокупности отключений ЛЭП за

многолетний период регистрации ..................................35

3.Теория распространения волн атмосферных перенапряжений в многопроводных коронирующих линиях с учетом влияния поверхностного эффекта в земле и проводах........................50

3.1. Общие положения и допущения......................................50

3.2. Вольт-кулоновые характеристики и динамические потенциальные коэффициенты коронирующих проводов..........................53

3.3. Общее решение телеграфных уравнений многопроводной корони-рующей линии при идеально проводящей земле..................60

3.4. Аналитическое решение уравнений для п-проводной линии с

одним коронирующим проводом................... 74

3.5. Физика распространения волн в двухпроводной коронирующей

линии................................................................85

3.6. Общий случай коронирования любого числа проводов..............96

3.7. Сопоставление результатов расчетов модальным методом с литературными экспериментальными данными при хорошо проводящей земле................................ 100

3.8. Алгоритм расчета деформации волн импульсной короной методом бегущих волн. Сопоставление с расчетами модальным методом . . 104

3.9. Частотный метод расчета деформации волн в многопроводной линии с потерями в земле и проводах при напряжении ниже начала короны ................................ 114

3.9.1. Собственные и взаимные параметры проводов линии с потерями .......................................114

3.9.2. Вопросы практической реализации решения систем линейных телеграфных уравнений с частотнозависимыми параметрами с помощью интегрального преобразования Фурье . ... 119

3.9.3. Численное исследование деформации волн в линиях различной конструкции................................................127

3.9.4.Экспериментальное исследование волновых процессов на полигоне в районе с высоким удельным сопротивлением грунта и сопоставление с расчетными данными................143

3.10. Алгоритм расчета деформации волн при напряжении ниже

начала короны методом бегущих волн............... ] 53

3.11. Общий алгоритм одновременного учета влияния импульсной короны и потерь в земле в многопроводной линии конечной длины

с дискретными неоднородностями по длине............ 164

3.12. Численное исследование совместного влияния различных факторов на развитие перенапряжений в ЛЭП........................174

4. Методика расчета и результаты численного анализа влияния основных конструктивных и электрических параметров на грозоупорность ЛЭП при высоком удельном сопротивлении грунта............................................181

4.1. Основные особенности развития атмосферных перенапряжений в

ЛЭП при низкой проводимости грунта..............................181

4.2. Расчет параметров схемы замещения искусственных заземлителей с учетом искрообразования в грунте по данным полевых экспериментов в районе с низкой проводимостью грунта..................189

4.2.1. Моделирование процессов стекания тока в элементах заземлителей реальной длины.................... 189

4.2.2. Генерирование и измерение импульсов с крутыми фронтами

в сосредоточенных и протяженных подземных проводниках. .. 194

4.2.3. Результаты измерений импульсов токов и напряжений на входе элементов заземлений опор.................. 211

4.2.4. Методика подбора параметров схем замещения грозозащитных заземлений опор по данным эксперимента ..............221

4.3. Методики и алгоритмы уточненного расчета вероятного числа грозовых отключений ЛЭП................... 236

4.3.1. Оценка степени влияния токов смещения в грунте на число отключений ЛЭП..................... 236

4.3.2. Итерационный алгоритм расчета вероятного числа грозовых отключений ЛЭП....................... 241

4.4. Анализ результатов методических расчетов............ 261

5. Основные положения методики определения надежности грозозащиты подстанций при непосредственном учете деформации волн на подходах ЛЭП........................................274

5.1. Понятие объема опасных волн......................................274

5.2. Примеры анализа надежности грозозащиты подстанций..........284

6. Основные технические рекомендации по повышению грозо-стойкости ЛЭП............................. 290

6.1. Сопоставление расчетного числа грозовых отключений ЛЭП

с фактической грозоупорностью ЛЭП......................290

6.2. Анализ эффективности тросовой грозозащиты вплоть до аномально высоких удельных сопротивлений грунта и сопротивлений заземлений опор....................................................296

6.3. Анализ целесообразности применения протяженых заземлителей. 300

6.4. Повышение надежности работы линий путем подвески тросов ниже уровня фазных проводов, а также оптико-волоконных кабелей связи (ВОКС) с несущими металлическими элементами. . . . 306

6.4.1. Повышение грозостойкости ЛЭП при подвеске ВОКС, встроенных в грозотрос........................................306

6.4.2. Снижение вероятного числа грозовых отключений ЛЭП при подвеске второго троса или ВОКС с металлической несущей частью........................................308

6.4.3. Оценка вероятности поражений ВОКС, вследствие грозовых разрядов в ЛЭП............................................315

6.4.4. Вопросы электромагнитной совместимости линий элекро-передачи с ВОКС и улучшения экологической обстановки под

ЛЭП............................................................320

6.5. Анализ грозовых отключений двухцепных линий и эффективности мероприятий по повышению надежности их работы..........327

6.6. Обзор результатов анализа эффективности технических мероприятий по повышению грозостойкости ЛЭП..............................333

Заключение................................................................339

Список использованных источников......................................346

ВВЕДЕНИИ

Надежность высоковольтных сетей, являющихся важнейшей составляющей электроэнергосистем, во многом определяется элекромагнитными переходными процессами, возникающими в отдельных участках сети. Среди многих видов этих процессов для линий электропередачи и по дотаций высокого напряжения особую роль играют атмосферные перенапряжения. Так, в зависимости от грозовой активности в каждую линию (при средней длине порядка ста километров) приходится от нескольких десятков до сотен ударов молнии в год. 1 !ри отсутствии защитных мер нормальная работа сети в грозовой сезон просто невозможна. Поэтому составной частью любого проекта воздушной ЛЭ11 является ее 1розозащита. Анализ и обобщение огромного опыта эксплуатации, развитие теории грозовых перенапряжений, разработка все более совершенных защитных мероприятий позволило в основном решить эту проблему для типовых линий, проходящих по большей части территории нашей страны. Однако бурное развитие энергетики отдаленных районов, в том числе Европейского Севера, показало, что простое перенесение технических решений, хорошо работающих в обычных условиях, дает в этих регионах недостаточный уровень грозо-упорности высоковольтного оборудования. Коли повышению надежности грозозащиты подстанций в последние десятилетия уделялось большое внимание в научной и технической литературе, то до настоящего времени нет обобщающего исследования, охватывающего все вопросы, возникающие при анализе грозостойкости ЛЭП в специфических северных условиях. Решению этой актуальной комплексной проблемы, имеющей, как самостоятельное теоретическое, так и насущное для энергосистем практическое значение посвящена диссертационная работа. При этом изложение теории развития атмосферных перенапряжений ориентировано на широкий класс высоковольтных линий, работающих в близких природных и климатических условиях. Анализ конкретных проблем и решение практических задач в основном производится на примере линий ] ] 0-330 кВ АО "Колэнерго" и АО "Карелэперго".

В первой главе анализируется современное состояние вопроса и показана специфика развития грозовых перенапряжений в условиях низкой проводимости грунта, характерной для Севера. Рассматриваются различные (альтернативные и взаимодополняющие) методы расчета распространения волн в линиях. Изложен существую-

щий подход к выбору грозозащитных мероприятий. Приведены основные положения традиционной методики расчета вероятного числа отключений ЛЭП, ее уточнения и модификации. Показано, что практика эксплуатации требует создания новых методов анализа грочоунорности линий, изначально ориентированных на численные методы расчета. Формулируются цели и ставятся задачи работы.

Во второй главе дана характеристика информационно-аналитической системы, предназначен ной для обработки данных но дефектам, отказам и авариям ЛЭП и приведены основные данные но автоматическим отключениям линий за 17 лет регистрации.

Третья глава посвящена развитию теории распространения грозовых волн в многопроводных линиях, разработке численных методов расчета отдельного и совместного влияния нелинейных характеристик импульсной короны и частотпозави-симых потерь в земле, созданию алгоритмов расчета, пригодных для многовариантных исследований на современных ПЭВМ.

В четвертой главе дан анализ основных ограничений и допущений традиционной методики, которые становятся неправомерными при больших сопротивлениях заземлений опор, изложена новая методика, свободная от этих недостатков, и исследовано влияние вновь учтенных факторов на расчетное число отключений ЛЭП.

В пятой главе кратко описан методика анализа надежности грозозащиты подстанций, включающая в себя одновременный расчет волновых процессов на подходе ЛЭП и в схеме замещения подстанции.

Наконец, в тестой главе на основе исследований, описанных в предыдущих главах, и результатов многовариантных расчетов по новой методике решен ряд практических вопросов, связанных с повышением грозоупорности действующих и проектируемых линий электропередачи энергосистем Севера страны.

1. Обзор данных по эксплуатационной надежности работы линий электропередачи и краткий анализ существующих методов теоретического исследования атмосферных перенапряжений в высоковольтных сетях.

1.1. Основные факторы, влияющие на надежность работы ЛЭП, состояние теории и методов расчета грозоупорности линий электропередачи и подстанций.

Отставание сетевого строительства в СССР по сравнению с ведущими странами Западной Европы и США отмечалось еще в 70-е - 80-е годы. Так в [I] отмечается, что доля капиталовложений в сооружение электрических сетей составила с 1981-1985 гг. 18% общих вложений в электроэнергетику, в то время как в западных странах эта доля достигла 22-36%. При этом в общих затратах на высоковольтные сети около 40% приходилось на подстанции с их оборудованием. В эти годы замедленное развитие сетей объяснялось их растущей стоимостью. Главными причинами удорожания назывались - тиражирование проектными организациями устаревших технических решений и быстрый рост строительства ЛЭП в удаленных районах (Севера, Сибири и т.д.). За последнее десятилетие положение только резко ухудшалось. Ввод новых линий или их существенная реконструкция, бывшая обычным явлением в любой энергосистеме вплоть до конца 80-х годов, стала исключительным событием в 90-х годах. Основная часть крайне скудного финансирования, выделяемого на нужды электрических сетей тратится па проведение текущих работ, да и то далеко не в требуемом объеме.

В этих условиях проблемы, накапливавшиеся в течении ряда десятилетий, постоянно обостряются. Однако внешне это не ощущается. Высоковольтные сети функционируют достаточно надежно. Потребление электроэнергии после почти двукратного падения стабилизировалось и даже начало расти. Мало того, число документально зафиксированных автоматических отключений линий 1 10-330 кВ АО "Колэнерго" в период с 1991 г. по 1995 г. упало почти в три раза (см. главу 2). И это в условиях, когда показывать реальное бедственное положение (в отличие от предыдущих лет) стало выгодно. Таким образом создается видимое благополучие в работе сетей.

На самом деле все эти годы происходит резкий рост доли техники, вырабатывающей или уже давно выработавшей свой ресурс. Появился термин "обвальное старение техники" [2]. Надо отметить еще одно обстоятельство. Значительное сокращение потребления электроэнергии привело к росту рабочего напряжения до уровня, иногда превышающего длительно допустимое. Это стало в ряде случаев трудноразрешимой проблемой. Таким образом не только ухудшаются электрические параметры оборудования, но и растут воздействия на него. Относительно высокая надежность работы сетей пока поддерживается за счет заложенных запасов, а также усилиями квалифицированного персонала соответствующих служб энергосистем (хотя и здесь в последние годы появились новые проблемы). Упомянутое снижение числа отключений ЛЭП объясняется только циклическим характером интенсивности внешних факторов (гроз, сильных ветров), и не связано с текущим состоянием оборудования. Это только подчеркивает, что ссылки на данные опыта эксплуатации без должного анализа могут привести к неправильным выводам. В частности, начиная с 1996 года число отключений снова начало расти, как и предсказывалось автором диссертации и работниками Центральной высоковольтной лаборатории АО "Колэнерго" в начале 90-х годов. Ожидать существенного изменения экономической ситуации в обозримом будущем не приходится. В этих условиях подробный анализ отказов и аварий каждой ЛЭП, разработка реализуемых на практике систем мероприятий по сохранению технического уровня и обеспечению надежности работы линий становится все более актуальной задачей. Сказанное относится и к оборудованию подстанций.

Надо отметить, что в целом технические решения, заложенные СЗО "Энергосетьпроект" при проектировании ЛЭП в экстремальных условиях Европейского Севера страны, себя оправдали. Это относится к большинству линий классов напряжения от 110 до 330 кВ, то есть всем напряжениям сетей с глухозаземленной нейтралью, существующим в этих регионах. Как показывает сравнение данных второй главы настоящей работы с данными по ряду энергосистем, приведенных в [3], общее число автоматических отключений линий АО "Колэнерго" и АО "Карелэнерго" находится на уровне среднего для центральной и южной частей бывшего СССР. Однако разброс данных опыта эксплуатации ЛЭП различных энергосистем (возможно вызванный различными методиками сбора, отбора и обработки первичной

информации) столь велик, что увеличение или уменьшение средних чисел отключений даже на 50% оставило бы эти энергосистемы на том же среднем уровне.

На этом фоне резко выделяются удельное число (на 100 км линии в год при фактическом числе грозовых часов) и доля грозовых отключений. По удельному числу этих отключений северные энергосистемы примерно в четыре раза превосходят электрические сети, расположенные в районах с гораздо большей грозовой активностью [4]. Доля грозовых отключений системообразующих ЛЭП 330 кВ составляет в среднем за год 50-55%, а в грозовые месяцы ряда лет доходит до 90-95%. В то же время, например в Крымэнерго, эта доля составляет 25%. И это при среднем числе грозовых часов вдоль трасс ЛЭП на Кольском полуострове - 7, против 60-80 часов в Южных районах. Считается, что энергосистемы завышают долю грозовых причин в статистике отказов и аварий. Действительно вопрос о причине срабатывания релейной защиты линий часто остается не выясненным. Если это произошло во время близко проходящей грозы, то отключение обычно относится к грозовым. Но, во-первых, фактор субъективности проявляется в одинаковой степени для всех энергосистем. Во-вторых, в последние годы энергосистемы во многом заинтересованы подчеркивать ухудшающееся техническое состояние высоковольтного оборудования, а для этого нужно наоборот во всевозможной отчетности снижать долю отключений из-за внешних причин В-третьих, значительное влияние не объективности расследования истинных при�