автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Повышение грозоупорности воздушных линий электропередачи за счет изменения их конструкции

— »• И I

\ О V

2 1 ДЕК 183В

На правах рукописи

МОГИЛЕНКО АНДРЕЙ ПЕТРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ГРОЗОУПОРНОСТИ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ЗА СЧЕТ ИЗМЕНЕНИЯ ИХ КОНСТРУКЦИИ

Специальность 05.14.02 - "Электрические станции

Специальность 05.14.12 - "Техника высоких напряжений"

(электрическая часть), сети, электроэнергетические системы и управление ими"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иваново 1998

Работа выполнена на кафедре "Электрические системы" Ивановского государственного энергетического университета.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Щелыкалов Ю.Я.

Научный консультант:

кандидат технических наук, доцент Сорокин А.Ф,

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Слышалов В.К. кандидат технических наук, доцент Селезнев Ю.Г.

Ведущая организация - АООТ "Ивэнерго"

Защита состоится 25 декабря1998 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета по. защите кандидатских диссертаций К 063.10.01 при Ивановском государственном энергетическом университете по адресу: г. Иваново, ул. Рабфаковская, д. 34, аудитория Б-237.

Отзывы (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим отсылать по адресу: 153003, г. Иваново, ул. Рабфаковская, д. 34, Ученый Совет ИГЭУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан" 13 " ноября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, проф|

^^■"Мошкарин А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие электроэнергетики сопровождается строительством новых и модернизацией действующих линий электропередачи и подстанций. Значительная доля затрат на строительство воздушных линий электропередачи (ВЛЭП) и открытых подстанций связана с их грозозащитой. Основными элементами грозозащиты ВЛЭП являются тросы, монтируемые по всей длине или на подходах к открытым распределительным устройствам (ОРУ) подстанций. Вопрос о целесообразности установки тросовой защиты по всей длине линии для вновь сооружаемых или реконструируемых ВЛЭП должен основываться на расчетах грозоупорности линий. Однако результаты расчетов часто не согласуются с данными, полученными при эксплуатации.

Вероятность повреждения электрооборудования подстанций от набегающих с ВЛЭП импульсов атмосферных перенапряжений значительно снижается при использовании тросовой защиты на подходах к подстанциям. В настоящее время отсутствуют методы определения длины защищенного тросами подхода к подстанции, одновременно учитывающие конструкцию ВЛЭП, схему подстанции, наличие на подстанции и линии нескольких комплектов разрядников, а также форму грозового импульса и другие факторы.

Вследствие этого актуальными являются задачи:

- анализ расчетных методов определения ожидаемого числа грозовых отключений ВЛЭП;

- совершенствование расчетного метода определения грозоупорности ВЛЭП;

- обоснование установки тросовой защиты по всей длине ВЛЭП и на подходах к подстанциям;

- исследование влияния конструкции линий на показатели их грозоупорности.

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка расчетных способов определения показателей грозоупорности различных конструкций ВЛЭП и выявление конструктивных факторов, обеспечивающих максимальный уровень грозоупорности линий электропередачи.

Для достижения указанной цели в работе поставлены и решаются следующие основные задачи:

1. Определение причин расхождения результатов расчетов числа гро-ювых отключений линий электропередачи с эксплуатационными данными га основе анализа известных методов расчета атмосферных перенапряжений на изоляции ВЛЭП.

2. Выявление основных факторов, определяющих параметры главного разряда молнии и разработка расчетного метода определения вероятности тоявления токов молнии с заданными максимальным значением и крутизной при поражении элементов конструкции ВЛЭП.

3. Разработка методики определения грозовых перенапряжений ш различных элементах конструкции ВЛЭП с использованием известной математической модели главного разряда молнии.

4. Расчет формы импульсов грозовых перенапряжений в точке пора жения молнией провода линии с учетом его коронирования.

5. Разработка методики расчета деформации формы импульсов грозо вых перенапряжений при распространении их вдоль провода линии.

6. Исследование влияния конструкции ВЛЭП на форму импульса гро зового перенапряжения в точке удара молнии и на интенсивность его де формации при распространении вдоль линии.

7. Расчёт числа грозовых отключений ВЛЭП различных конструкций.

8. Разработка способа определения длины защищенных тросовых под ходов к подстанциям, основанного на математическом моделирование процессов, происходящих при разряде молнии в линию электропередачи i при распространении импульсов перенапряжений вдоль проводов ВЛЭП.

Научная новизна проведенных исследований заключается в создали! комплекса расчетных методик, реализованного в виде расчетных програш и позволяющего разрабатывать мероприятия по совершенствованию гро зозащиты ВЛЭП. С этой целью:

1. Впервые предложено использовать в качестве независимого исход ного параметра при расчетах атмосферных перенапряжений линейнук плотность объемного заряда лидерной стадии разряда молнии.

2. Разработана методика расчета вероятности появления токов мол нии с различными максимальными значениями при поражении элементо! конструкции ВЛЭП, позволяющая учесть электрические параметры пора женного объекта. На основании вычислительных экспериментов выявлень факторы, влияющие на параметры импульса тока молнии.

3. Разработана методика расчета импульсов грозовых переналряженш на изоляции ВЛЭП при поражении опор, а также фазных проводов и гро Зозащитных тросов, с учетом их коронирования и влияния соседних про водов и тросов.

4. Разработана методика расчета деформации импульсов грозовых пе ренапряжений при распространении их вдоль пораженной ВЛЭП, осно ванная на решении уравнения баланса энергий при развитии стримерно! короны и позволяющая проводить оценку изменения формы импульса пе ренапряжений при перемещении его вдоль линии.

5. Впервые показано, что повышение грозоупорности электропереда1 может быть обеспечено путем снижения габаритов ВЛЭП, увеличения се чения фазных проводов, радиуса их расщепления и числа составляющие расщепленного провода.

Практическая ценность предлагаемой работы заключается в следую щем:

1. Показано, что повышение грозоупорности ВЛЭП без тросов може: быть обеспечено путем изменения их конструкции, связанного с уменыне нием габаритов линии и увеличением размеров их фазных проводов при из неизменном общем сечении.

2. Показано, что длина защищенного тросами подхода к подстанциям может быть уменьшена по сравнению с принятой в настоящее время.

3. Разработан комплекс расчетных методик оценки параметров грозо-/порности ВЛЭП и подстанций, реализованный в виде расчетных программ.

Реализация результатов работы. В энергосистемах "Ивэнерго", "Ниж-ювэнерго" и "Пензаэнерго" внедрены и используются методики и программы, разработанные по материалам диссертационной работы:

-системы расчета грозоупорности ЛЭП высокого и сверхвысокого тпряжения,

- программа расчета длины защищенных подходов к подстанциям.

Акты внедрения расчетных методик и программ для ЭВМ прилагают-:я к диссертации.

Достоверность результатов в части разработок моделей и алгоритмов определения числа грозовых отключений ВЛЭП подтверждена сопоставлением результатов расчета с данными опыта их эксплуатации. Досто-(ерность результатов в части разработок моделей и алгоритмов определены длин защищенных тросовых подходов к подстанциям подтверждена ;опоставлением результатов расчета с данными теоретических и экспериментальных исследований, полученных другими авторами, а также экспериментами на физических моделях подстанций.

Автор защищает:

1. Методику расчета вероятности тока молнии с заданным максимальным значением при поражении различных элементов конструкции ЗЛЭП, использующую в качестве исходного параметра погонный заряд гидерной стадии развития молнии.

2. Методику расчета вероятности опасных атмосферных перенапряже-шй на изоляции ВЛЭП различных конструкций.

3. Методику определения ожидаемого числа грозовых отключений ШЭП с использованием результатов расчета атмосферных перенапряже-шй.

4. Методику расчета деформации импульсов атмосферных перенапря-кений при их движении вдоль ВЛЭП в результате коронирования провозе и тросов, основанную на решении уравнения баланса энергий.

5. Способ расчета длины защищенного тросового подхода к ОРУ под-танции, учитывающий конструкцию ВЛЭП, схему подстанции, наличие [а подстанции и линии нескольких комплектов разрядников, а также ре-ультаты расчетов импульсов грозовых перенапряжений на линейной изо-

[ЯЦИИ.

Апробация работы. Основные положения работы и ее отдельные раз-;елы обсуждались на научных конференциях: 22-я международная конфе->енция по молниезащите, Будапешт, 1994; международной научно-ехнической конференции 'VI Бенардосовские чтения' Иваново, 1994; на-чном семинаре по теоретической электротехнике, Иваново, ИГЭУ, 1995; [аучном семинаре 'Управление режимами электроэнергетических систем' [амяти Д.П. Ледянкина, Иваново, ИГЭУ, 1995 г., международной научно-

технической конференции 'VIII Бенардосовские чтения', Иваново, ИГЭ"! 1997 г.

Публикации, По результатам исследований опубликовано 9 печатнь: работ. Работа проводилась в рамках госбюджетной межвузовской научн< технической программы "Повышение надежности, экономичности и эк< логичности энергетической системы России" и хоздоговорной работе "Oj ределение допустимого числа отключений BJI 110-220 кВ с учетом xapai теристик потребителей и удельного сопротивления грунта по трассам л] ний", ИГЭУ, 1995 г..

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введена 5 глав, заключения, списка литературы из 83 наименований и 4 прилож ний. Основной материал изложен на 158 страницах машинописного текст Работа содержит 78 иллюстраций, 17 таблиц. Общий объем работы ci ставляет 172 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы диссертационной работ и направление исследований, сформулированы цели исследований и ра работок, перечислены решаемые задачи, отражены научная новизна практическая ценность полученных результатов, а также основные пол! жения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ литературных данных и нормативнь документов по существующим способам грозозащиты воздушных линк электропередачи. Показано, что основными способами грозозащит ВЛЭП являются грозозащитные тросы, устанавливаемые на линиях либ по всей длине, либо на подходах к ОРУ подстанций. В результате пров денного анализа показано, что монтаж грозозащитных тросов на ВЛЭП i всегда целесообразен.

Решение о необходимости монтажа или обновления тросовой защит на ВЛЭП должно основываться на определении ожидаемого числа гроз вых отключений - N0tm- Результаты расчетов No-гкл по существующим метликам значительно превышают эксплуатационные данные и поэтому тр буют уточнения.

Длина защищенного тросами участка на подходе ВЛЭП к ОРУ треб ет обоснования в каждом конкретном случае. Точность оценки длины по, хода во многом определяется правильностью учета деформации импулы перенапряжений при его перемещении вдоль ВЛЭП. Однако в расчет! длины тросового подхода по существующим методикам используют, к; правило, косоугольный импульс. Это определяет необходимость разрабо ки методики расчета деформации импульсов перенапряжений при перем щении их вдоль пораженной молнией ВЛЭП.

Методы расчета числа грозовых отключений и деформации грозово! импульса при перемещении его вдоль линии могут быть разработан только на основании анализа параметров главного разряда молнии. Лиг ратурные данные о параметрах грозового разряда могут быть положены :

основу методики расчета импульса тока молнии и грозовых перенапряжений. В настоящее время существует несколько методов расчета параметров импульса тока молнии, грозовых перенапряжений на изолйции линий и числа грозовых отключений ВЛЭП. Однако все эти методы обладают значительными погрешностями, связанными с упрощенным представлением о разряде молнии.

Наилучшее согласование расчетных и экспериментальных данных о параметрах главного разряда молнии дает метод расчета процесса нейтрализации объемного заряда лидера, предложенный Г.Н. Александровым и А.Ф. Сорокиным, основанный на решении уравнения баланса энергии. Этот метод позволяет определить скорость распространения волны нейтрализации (скорость нейтрализации), а также зависимость тока молнии от времени. Принципиальным преимуществом этого метода является то, что исходным параметром в нем является линейная плотность заряда лидера - qл, который накапливается вокруг канала в течение лидерной стадии развития разряда. Принимается, что канал лидера прямолинеен, а qл постоянен вдоль канала. Стадия нейтрализации начинается в момент времени, когда стримеры лидера достигают земли или встречных стримеров, развивающихся с пораженного объекта. При движении волны нейтрализации с канала распространяются стримеры, вносящие заряд нейтрализации с линейной плотностью причем qн =-Ял.

При нейтрализации энергия, запасенная в электрическом поле объемного заряда, расходуется на тепловые потери в канале -\УК, стримерах, вносящих заряд дк, - \Vcrp и на изменение энергии электромагнитной волны, распространяющейся вдоль Канала, - \УЭМ. Расчет ведется явным численным методом Эйлера. Для каждого ¡-ого интервала времени ^ составляется и решается уравнение баланса энергий:

WFWкi+WCTpi+Wэ„i, (1)

где - энергия, расходуемая на нейтрализацию некоторого заряда

Wi=qлД^li(Ui-Uoб¡), (2)

где Поб - соответственно потенциалы пораженного объекта и объемного заряда, нейтрализуемого в ьый расчетный интервал времени ^ ; дц -длина канала, вдоль которого происходит нейтрализация в ь ый расчетный интервал времени.

Слагаемые правой части уравнения (1) также выражаются через заряд ЯЛДЬ; > который определяется в результате решения этого уравнения.

Ток в ¡-ый расчетный интервал времени рассчитывается по выражению:

Чл 5 А1а;

Скорость нейтрализации:

9™«™; =

^нейтр 1 _

Недостатком рассмотренного метода является использование в расч тах потерь энергии в канале 1 значения сопротивления канала молш

определяемое в процессе нейтрализации по выражениям, предложе ным Теплером и С.И. Брагинским для лабораторной искры. Это определ ет некоторое расхождение расчетных данных о максимальном значен! импульса тока молнии, крутизне его фронта и максимальной скорос нейтрализации с данными полевых измерений.

Рассмотренный метод расчета стадии нейтрализации объемного зар да лидера был положен в основу расчетной методики оценки вероятное: грозовых перенапряжений, воздействующих на изоляцию ВЛЭП.

В соответствии с результатами проведенного анализа литературнь данных о назначейии конструкции тросовой защиты линий, о параметр: грозового разряда и методах их расчетов, а также методах расчета чиа грозовых отключений были поставлены следующие основные задачи и следований:

- углубить представления о стадии главного разряда молнии в резул тате усовершенствования ее математической модели;

- разработать методику расчета перенапряжений, возникающих на л нейной изоляции ВЛЭП;

- разработать методику расчета деформации импульсов перенапряж ний при их движении вдоль ВЛЭП;

- провести анализ влияния конструкции ВЛЭП на максимальное зн чение и форму атмосферных перенапряжений, возникающих на линейнс изоляции;

- провести анализ влияния конструкции ВЛЭП на ее грозоупорность;

- разработать методику расчета перенапряжений, возникающих ] изоляции оборудования подстанций при набегании с линий импульс« грозовых перенапряжений.

Во второй главе разработана методика расчета вероятности появлеш токов молний и атмосферных перенапряжений, воздействующих на изол цию пораженных ВЛЭП. В основу положена математическая модель пр цесса нейтрализации объемного заряда лидера при ударе молнии в элеме ты конструкции ВЛЭП, основанная на решении уравнения баланса эне гий.

Таблица 1. Результаты обработки зарегистрированных данных об основных параметрах главного разряда молнии

^м. кА 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 120 150

8нейгр > о.е. С 0,09 0,16 0,24 0,27 0,28 0,31 0,33 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6

мКл 0,19 0,22 0,28 0,35 0,44 0,52 0,61 0,70 0,80 0,89 0,99 1,19 1,49

Рм,о.е. 0,97 0,91 0,77 0,61 0,46 0,33 0,23 0,16 0,10 0,07 0,04 0,01 0,002

В таблице приняты обозначения: 1м - максимальное значение то]

молнии, Э - - скорость нейтрализации объемного заряда канала мо

нии, с - скорость света, Рм - вероятность появления молнии с указанными параметрами.

По экспериментальным данным Вагнера и В.В. Бургсдорфа о вероятности тока молнии 1м и скорости распространения волны нейтрализации ^нейтр впервые построена зависимость вероятности появления молнии от

линейной плотности заряда лидера ял (табл.1), которая описывается выражением:

РЧл =ехр(-4000(Чл-1,9-10-4). (5)

Значения ял, соответствующие различным значениям вероятности появления молнии, рассчитывались в диссертационной работе следующим образом:

Чл=^— (6)

"нейтр

В результате расчетов установлено, что 50%-ному значению тока молнии 37 кА соответствует линейная плотность объемного заряда лидера qл=0,41 мКл/м. Поэтому основные расчеты параметров грозового разряда проводились для такого заряда.

При расчете тока молнии по методу, анализ которого проведен в главе 1, установлено, что расчетные значения максимального значения тока молнии меньше экспериментальных на 15-50%. Показано, что это различие связано с использованием в расчетах для определения значения сопротивления канала выражений, полученных при исследовании лабораторной искры. В диссертационной работе для расчета сопротивления канала молнии была предложена формула:

^ укан

гкан = Густ + гкан0 ехр - — , (7)

V ^кан

где Туи- - значение погонного сопротивления канала в сечении, через которое прошел бесконечно большой заряд; гканО- начальное сопротивление

канала молнии; Ккан - коэффициент, характеризующий скорость увеличения проводимости канала в зависимости от заряда, прошедшего по нему; Р^кан- заряд, прошедший через рассматриваемое сечение.

Принималось, что сопротивление стримеров, соединяющих канал лидера молнии с землей или пораженным объектом, изменяется по аналогичному выражению. Для всех переменных, входящих в выражения для определения сопротивления канала в стадии нейтрализации, получены выражения в виде зависимостей от погонного заряда лидера qл. Все остальные исходные для расчетов данные (высота разряда молнии, погонные индуктивность и емкость канала разряда и др.) принимались соответствующими данным полевых измерений параметров грозового разряда.

Результаты расчетов тока молнии по предложенной методике с использованием выражения (7) хорошо согласуются с данными В.В. Бурге-

дорфа о соотношении максимального значения тока молнии его крутиз] (рис. 1).

кА 35

30

25

20

15

10

5

0

6 В 10 12 14 16 1В 20 22 24 2В 28 30 32 мкс Рис. 1. Расчетная зависимость тока молнии с погонным зарядом =0,41мЮУм времени при ударе в опору - (1) и соответствующий ему косоугольный импульс, по<щ енный по результатам экспериментальной регистрации параметров грозового разряд; (2)

С использованием разработанной в диссертационной работе методге расчета тока молнии проведены расчеты перенапряжений на изоляц] ВЛЭП при поражении молнией опор при различных погонных зарядах к нала лидера. Расчет напряжения на опоре проводился с учетом импульсн го сопротивления заземления и индуктивности опоры. Установлено, ч основное влияние на величину перенапряжений на изоляции ВЛЭП п] поражении молнией опор оказывает высота опоры. Результаты расчет* перенапряжений для различных типов опор систематизированы и прш дены в приложении к работе. Пример расчета приведен на рис. 2.

В третьей главе рассматриваются вопросы разработки методики ре чета формы импульса грозового перенапряжения на линейной изоляц] однофазной ВЛЭП без тросов и трехфазной ВЛЭП с тросами в точке уда молнии, а также методика расчета деформации импульса при его распр странении вдоль ВЛЭП. Потенциал провода в предлагаемой методике о реДеляется с учетом развития с провода коронного разряда в стримерн« форме.

При расчётах принималось, что за рассматриваемый ¡-ый интерв времени на пораженный провод стекает заряд молнии Qм I и растека«

ся на участке провода длиной М = А* &св (^св - скорость распространен электромагнитной волны вдоль провода воздушной ЛЭП) в обе сторо! от места удара (см. рис. 3).

кВ 700

600

500

400

300

200

100

О

0 2 4 6 8 1тсс

Рис.2 Зависимость расчетных грозовых перенапряжений от времени на линейной изоляции ВЛЭП при поражении молнией опор различных типов (погонный заряд лидера Qji =0,41 мКл/м, сопротивление заземления - 15 Ом, удельное сопротивление грунта -100 Ом • м, длина заземлитеяя 3 м): 1 - опора ВЛЭП 1150 кВ, 2 - опора ВЛЭП 35 кВ

Погонный заряд первого (j=l) участка провода:

_ Qm i /0.

qnpoij-y^. (8)

Ток в Проводе на этом участке:

Jnpij = ЧпрО!j "ев- (9)

Если заряд qnpo у создает напряженность электрического поля, при

которой возможно развитие ионизационных процессов, то с поверхности провода развиваются стримеры, которые могут достигнуть длины:

р .. = ^прОц а0)

с стр 11 ~ с ' V1"/

2Л80 Естр

где: Естр - напряженность электрического поля вдоль канала стримера.

Стримеры переносят заряд провода в окружающее пространство и вокруг провода формируется объемный заряд. Внедрение заряда происходит в основном за счет перемещения электронов в каналах стримеров и продолжается до тех пор, пока существует разность потенциалов между проводом и кончиками стримеров. При достижении линейной плотностью объемного заряда вблизи .¡-ого участка провода некоторой величины Ч об.мака ц движение электронов в стримерах прекращается.

Участки провода

////////////////

Земля

Рис. 3. Расчетная модель главного разряда молнии: гоб " Радиус зоны объемного заряда; Ьнейгр - высота участка, на котором происход

нейтрализация; - длина участка, на котором происходит нейтрализащ

^стр - длина стримеров, соединяющих головку лидера с землей (пораженным объекте

в начале главного разряда молнии

В общем случае за расчетный интервал времени ^ линейная пло ность объемного заряда вблизи _|-ого участка провода достигает величин Чоб. ц, меньшей величины Я об.макс. ц. Заряд провода в конце расчетно

интервала времени при этом:

Чпр ц = ЧпрО ц ~ Чвн. у. (1

Решение задачи по определению параметров импульса атмосферно перенапряжения через каждый интервал времени заключается в опре/: лении заряда 1вн ц, который внедряется с провода в точке удара молнии

на: всех участках провода при его распространении. Эта задача решаете* использованием уравнения баланса энергии на участке провода .

При расчетах принимается, что объемный заряд концентрируется : поверхности цилиндра, коаксиального с проводом. Радиус цилиндра рав длине стримеров.

В общем случае, когда к расчетному >ому интервалу времени вокруг ого участка провода стримеры уже имели длину ^ стр у и был внедрен об

мный заряд ц05 у, начальная максимальная энергия импульса на единицу дины рассматриваемого участка провода:

^ = <4>ц апР +Ч°б аоб ц +(япр ц "св)2 ^р", 02) де апр, асбу - собственные потенциальные коэффициенты провода и бъемного заряда; Ьщ, - погонная индуктивность провода.

В процессе формирования объемного заряда энергия импульса на рассматриваемом участке провода будет уменьшаться. При равенстве потен-;иалов провода и объемного заряда (когда стримеры достигнут макси-[альной длины и движение электронов прекратится) энергия импульса на осматриваемом участке провода будет минимальной:

= я2пр0 апр + (яоб у + ЧПро у - Япро)2 «об + Ь

+ (чПрО "св)2-^.

де япро - максимальный заряд на единицу длины провода, при котором

рекращается накопление заряда вокруг рассматриваемого участка прово-а.

За 5-ый расчетный интервал времени Д1 стримеры на ¿-ом участке про-ода удлиняются на А^стру = и^р у М, а объемный заряд увеличивается

а цвн у. Энергия импульса в конце интервала определится по выражению:

^1 = (чпрО ц -ЧтцУ апр +(яоб ц +Чвн ц)2 аоб +

L (14)

+ [(чпрО ц ~Явн

Уменьшение энергии импульса на ¿-ом участке за рассматриваемый 1-[й интервал времени ЬХ:

Эта величина рассчитывается в предположении, что потери энергии на недрение заряда явну пропорциональны удлинению стримеров М^ц

а рассматриваемый интервал времени:

-WШ1H

--—Д^стрц- (16)

*-стр у

Интенсивность процессов ионизации и скорость перемещения элек-ронов в стримерах при внедрении заряда зависит от напряженности элек-рического поля. По мере удлинения стримеров и переноса зарядов прово-а в окружающее пространство напряженность поля на границе зоны ио-изации и вдоль каналов стримеров уменьшается, что приводит к сниже-ию скорости распространения стримеров и величины внедряемого заряда.

Предложено учитывать снижение скорости стримеров в процес формирования объемного заряда следующим образом:

_ ^стр ij — ^стрО i-1 j ЧпрО ij ~"ЧпрО ,.

°стр ij ~ истр н > V

"crpij ЧпрО ij

где Усгрн ■ наибольшая скорость распространения стримеров, оценив;

мая величиной порядка v^pa =(l0+6 -10+7)м/с; ^стрО i—1 j - Длина стр

меров в предыдущий расчетный интервал времени.

В результате совместного решения уравнений (Ш) - (17) определяет заряд, внедряемый с провода в окружающее его пространство, оставШий на проводе заряд, а также суммарный объемный заряд вблизи расчетно участка в каждый расчетный интервал времени. По результатам расчет зарядов определяется потенциал участка провода, расположенного произвольном удалении от места удара молнии в линию.

Результаты расчетов формы деформированного импульса хорошо < гласуются с аналогичными литературными данными, полученными в ] зультате экспериментальных исследований. Наилучшее согласование с

мечается при наибольшей скорости стримеров иСТрu — 0,2• 10+ м/с, со<

ветствующей результатам экспериментальных исследований параметр разряда (рис.4).

~ Для учета влияния на величину перенапряжения на пораженном щ воде соседних с ним фазных проводов и грозозащитных тросов (см. рис предложена методика иттерационного решения системы уравнений, свяэ вающих потенциалы и заряды проводов и тросов:

U=aQ, (

где и - матрица потенциалов проводов и тросов; ОС - матрица собств< ных и взаимных потенциальных коэффициентов; Q - матрица заряд проводов и тросов.

В качестве упрощения принималось, что соседние с пораженным щ вода и тросы ВЛЭП не коронируют и не оказывают взаимного влиян друг на друга.

По результатам решения системы (18) определялось значение нап] жения на пораженном проводе по выражению:

п

Unp =ипр1 - 2 ипрк. С

к=2

где Unpi - составляющая напряжения пораженного провода от собствен! го заряда; Unp к - составляющие напряжения на пораженном проводе от : рядов на соседних проводах; а - число проводов и тросов линии элект{ передачи.

иВ

1400 1200 1000 800 600 400 200 0

Шр

N

ч

' V- \ ч Ч

\Ч \ \ \

\ \ V V

ч2>

1

О 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 ^ 5ис,4. Формы импульсов перенапряжений в точке удара молнии в ВЛЭП (1, 3) и на расстоянии 1298 м от нее (2,4). (1, 2 - по литературным данным, 3,4- эквивалентные расчетные импульсы). Отрицательная полярность импульса, радиус провода Гпр = 25мм

(провод ЛСЭЯ), высота провода над землей Ьпр = 12м , 0(лр н = 0,2 • 10+7 м/с

Хорошее согласование расчетных и экспериментальных данных о де-юрмации импульсов перенапряжений при их распространении вдоль ко-юнирующего провода ВЛЭП дает основание использовать предложенные 1етодики для определения формы импульса перенапряжений на любом его далении от места возникновения на линиях электропередачи любой кон-трукции, а также проводить исследования влияния конструкции линии на гаксимальное значение и форму импульсов грозовых перенапряжений. 1редлагаемые методики можно использовать при выборе конструкций оздушных линий электропередачи по заданному уровню грозоупорности.

В четвертой главе проведены исследования влияния геометрических [араметров линии электропередачи на параметры грозовых перенапряже-[ий на ее изоляции в точке удара молнии и на некотором удалении от нее.

В качестве основных конструктивных параметров ВЛЭП при проведе-ии исследований были приняты:

- средняя высота подвеса провода;

- расстояние между проводами соседних фаз;

- радиус провода;

- радиус расщепления фазного провода (для расщепленного провода);

- число составляющих фазу проводов (для расщепленного провода). Рассматривались следующие конструкции одноцепных ВЛЭП:

1) линия с горизонтальным расположением фазных проводов без тро-

ов;

2) линия с горизонтальным расположением фазных проводов-с троса-

га;

3) линия с одним грозозащитным тросом и сближенными фазными [роводами, расположенными в вершинах равностороннего треугольника;

4) линия с двумя грозозащитными тросами и сближенными фазньп проводами, расположенными в вершинах равностороннего треугольника

Расчеты показали, что изменение конструктивных параметров ВЛЭ приводит к изменению как крутизны, так и максимального значения и; пульса грозового перенапряжения. При этом в исследуемом диапазоне V менения конструктивных параметров ВЛЭП для рассматриваемых коне рукций линий изменение крутизны импульса перенапряжения приводит изменению длины его фронта всего лишь в пределах 0,2 - 0,3 мке, что соо ветствует изменению величины разрядных напряжений не более чем 1 2 %. Поэтому анализ влияния геометрических параметров ВЛЭП на пар метры грозовых перенапряжений на линейной изоляции сведен к анали влияния конструкции линии на величину максимального значения импул са перенапряжения.

Максимальное значение импульса грозовых перенапряжений в знач тельной мере зависит от конструкции фазных проводов и линии в целс как в точке удара молнии, так и на некотором удалении от нее. Изменен конструкции линии в направлении уменьшения габаритов и увеличен] числа и размеров фазных проводов и тросов (изменение конструкции и г баритов, приводящее к увеличению пропускной способности ВЛЭП) пр водит к уменьшению уровня грозовых перенапряжений на изолящ ВЛЭП. При этом измените максимального значения грозового перен пряжения при изменении конструкции может достигать значений 50 - 70 ® Результаты расчета максимальных значений импульсов грозовых перен пряжений для ВЛЭП 220 кВ различных конструкций приведены на рис. 5.

Приведенные данные свидетельствуют о том, что на ВЛЭП с компак ным расположением проводов формируются импульсы грозовых перен пряжений с меньшим максимальным значением. Это означает, что ки пактные ВЛЭП повышенной пропускной способности обладают больш« грозоупорностью по сравнению с линиями электропередачи традиционн го исполнения.

Полученные расчетные данные о максимальных значениях импульа грозовых перенапряжений для различных конструкций линий электрон редачи при различных значениях погонного заряда лидера как в точ] удара молнии, так и на удалении от нее систематизированы и использую ся в энергосистемах при оценке параметров грозоупорности ВЛЭП и по станций.

В пятой главе проведены исследования влияния конструкции ВЛЭ на вероятность перекрытия ее изоляции при поражении молнией опо фазных проводов и грозозащитных тросов. Оценка грозовых перенапр жений проводилась по применяемым в настоящее время методикам с и пользованием косоугольного импульса тока молнии и импульса, рассч тываемого по методикам, предложенным в работе.

kB 1600

1550

1500

1450

1400

1350

1300

1250

1200

3 3.5 4 4.5 . 5 5.5 6 Б.5 7 7.5 м Рис. 5. Зависимости максимальных Значений перенапряжений на изоляции ВЛЭП 220 кВ различных конструкций при поражении фазных проводов молнией с погонным зарядом лидера qn=0,2 мКл/м (Рм=95%) от расстояния между фазными проводами: 1, 2, 3, 4 -конструкции ВЛЭП 1, 2, 3,4 соответственно; фазный провод АС 330/30 со средней высотой подвеса всех проводов в первой и второй конструкциях и нижних - в третьей и четвертой конструкциях Hnp=10M :

Установлено, что расчетные данные о вероятности перекрытия изоляции при представлении тока молнии косоугольным импульсом многократно превышают аналогичные данные, получаемые при использовании расчетной формы импульса тока молнии: при поражении опоры - в 2 -10 раз, при поражешш фазных проводов - в 3 - 4 раза, при поражении тросов - в 20-30 раз.

С использованненм полученных данных о вероятности перекрытия изоляции проведены расчеты ожидаемого числа грозовых отключений ВЛЭП по существующим методикам с использованием не косоугольлого, а предлагаемого расчетного импульса тока молнии. Установлено, что при замене косоугольного импульса импульсом, определяемым по предлагаемым в работе методикам, расчетные данные о числе грозовых отключений ВЛЭП приближаются к данным, полученным в результате эксплуатации. Например, для ВЛЭП 220 кВ с тросом число грозовых отключений, приведенное на 100 км и 100 грозовых часов, составляет 0,17 1/год (в отличие от 3 - 3,5 1/год при расчетах по применяемым в настоящее время методикам). По данным АООТ "Нижновэнерго" эта величина составляет 0,14-0,42 1/год.

Предложен способ расчета необходимой длины защищенного тросами подхода ВЛЭП к подстанции по условию воздействия безопасного для ее изоляции импульса грозовых перенапряжений. Расчет проводится в два этапа.

На первом этапе проводится определение параметров безопасных для изоляции оборудования подстанций импульсов атмосферных перенапряжений. Для расчета безопасных перенапряжений разработана математиче-

екая модель, основанная на численном моделировании процессов, происходящих на подстанции с нелинейными элементами (разрядниками и ОПН). Модель позволяет учесть в расчетах импульсы грозовых перенапряжений, набегающих с линии, и импульсы, возникающие при преломлении и отражении во всех узлах подстанции. Результаты расчетов перенапряжений на изоляции оборудования подстанции при набегании на нее импульсов косоугольной формы хорошо согласуются с результатами, полученными на анализаторах грозозащиты в СПбГТУ и ИГЭУ. Достоверность результатов расчетов перенапряжений по указанной методике подтвердил и опыт ее эксплуатации в Ивэнерго, Пензаэнерго, Нижновэнерго и других энергосистемах. Разработанная модель подстанции с нелинейными элементами проста в эксплуатации и позволяет устранить многие недостатки, присущие применяемым в настоящее время методам определения перенапряжений на оборудовании подстанции:

1) учесть большое (до нескольких сотен) число элементов подстанции;

2) использовать в расчетах любую форму импульса перенапряжения;

3) учитывать неодновременность срабатывания разрядников.

На втором этапе численным методом выполняется расчет длины защищенного подхода. Процесс распространения импульсов перенапряжений произвольной формы по ВЛЭП и между узлами подстанции разбивается на расчетные интервалы времени ^. В начале расчета принимается, что удар молнии происходит в непосредственной близости от подстанции. Если при этом напряжение на трансформаторе хотя бы в один из расчетных интервалов времени превышает опасный для изоляции трансформатора уровень перенапряжений, то точка удара молнии передвигается дальше от подстанции на величину расчетного шага по длине д^. Процесс расчета производится до тех пор, пока изначально опасный импульс перенапряжений не уменьшается вследствие деформации при перемещении вдоль ВЛЭП до безопасных значений. Полученное расстояние определяет длину необходимого защищенного тросами подхода к подстанции.

В результате расчетов установлено, что длина защищенного тросового подхода к подстанциям класса напряжения, например 110 - 220 кВ, должна составлять величину порядка 1 км. Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что существующие рекомендации о длинах защищенных подходов ВЛЭП могут быть пересмотрены в сторону их уменьшения.

В приложениях приведены расчетные данные о параметрах грозового разряда, перенапряжениях на различных элементах конструкций воздушных линий электропередачи, и числе грозовых отключений ВЛЭП различных классов напряжений, а также акты внедрения результатов диссертационной работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные теоретические и практические результаты работы заключается в разработке комплекса расчетных методик, реализованном в виде асчетных программ и позволяющего разрабатывать мероприятия по со-ершенствованию грозозащиты ВЛЭП и сводятся к следующему:

1. Разработана методика расчета тока молнии, основанная на решении равнения баланса энергий в ее канале. Методика обеспечивает возмож-юсть использования при расчетах большого числа реальных параметров розового разряда, определенных опытным путем, за исключением величи-ы сопротивления канала главного разряда. Сопротивление при расчетах редставляется в виде зависимостей от погонного заряда лидера молнии.

2. Разработана методика расчета перенапряжений на линейной изо ля-, зш ВЛЭП различных конструкций при поражении их молнией, позво-яющая учесть коронирование фазных проводов и тросов.

3. Разработана методика расчета деформации грозовых импульсов пе-енапряжений при перемещении их по проводам пораженной линии элек-ропередачи.

4. Исследовано влияние конструкции ВЛЭП на величину грозовых пе-енапряжений и вероятность перекрытия линейной изоляции. Впервые по-азано, что изменение конструкции линии в сторону уменьшения изоляци-нных расстояний и увеличения числа и размеров фазных проводов может ривести к снижению максимальных значений перенапряжений на О - 70 %.

5. Установлено, что ВЛЭП могут иметь различные показатели грозо-порности при прочих одинаковых параметрах, например пропускной спо-обности. Большую естественную грозоупорность имеют компактные 1ЛЭП повышенной пропускной способности.

6. Выявлены причины расхождения результатов расчетов числа грозо-ых отключений линий электропередачи с эксплуатационными данными. гточнена методика расчета ожидаемого числа грозовых отключений ли-ий, позволяющая выбирать конструкцию ВЛЭП по заданному уровню розоупорности.

7. Разработан способ расчета необходимой длины защищенного тро-звого подхода к подстанции при выбранной конструкции ВЛЭП по усйо-ию опасного для изоляции подстанционного оборудования импульса, [оказано, что длина защищенного тросами подхода к подстанциям может ыть уменьшена по сравнению с принятой в настоящее время.

8. В энергосистемах "Ивэнерго", "Нижновэнерго" и "Пензаэнерго" вне-рены и используются методики и программы, разработанные по материа-ам диссертационной работы.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Digital calculation procedure of Lightning surge propagation along the overhead line in the case of lightning stroke the conductor G.N. Alexsandrov, A.F. Sorokin, A.P. Mogüenko: 22 st, ICLP, 1994, Budapesht. - Стр. 103-106.

2. Сорокин А.Ф., Могиленко АЛ. Параметры главного разряда молнии П Тезисы докладов международной научно-технической конференции "Vil Бенардосовские чтения" / Ивановский государственный энергетический университет. - Иваново, 1994. - с. 55.

3. Кадников С.Н., Сорокин А.Ф., Могиленко АЛ. Расчет переходного процесса коронирования проводов при воздействии импульсов перенапряг жений // Тезисы докладов международной научно-технической конференции *VII Бенардосовские чтения" / Ивановский государственный энергетический университет. - Иваново, 1994. - с. 15.

4. Кадников С.Н., Сорокин А.Ф., Могиленко АЛ. Расчет процесса ионизации газа в электрическом поле одиночного провода при воздействии постоянного напряжения // Научный семинар по теоретической электротехнике / Ивановский государственный энергетический университет. - Иваново, 1995. - с. 20.

5. Система расчета грозоупорности воздушных линий электропередачи высокого и сверхвысокого напряжений / Макаров А.В., Сорокин А.Ф., Антонов Н.А;, Могиленко А.П. // Научный семинар по теоретической электротехнике./ Ивановский государственный энергетический университет. - Иваново, 1995. - с. 37.

6. Сорокин А.Ф., Барабошкина Т.В., Могиленко АЛ. Определение вероятности появления токов молнии // Научный семинар "Управление режимами электроэнергетических систем" памяти Д.П. Ледянкина / Ивановский государственный энергетический университет. - Иваново, 1995 г.-с. 29.

7. Александров ГЛ., Сорокин А.Ф., Могиленко АЛ. Методика расчета перенапряжений на линиях электропередачи, -Электричество (в печати).

8. Сорокин А.Ф., Барабощкина Т.В., Могиленко АЛ. Математическая модель молнии в электротехническщ расчетах // Тезисы докладов международной научно-технической конференции "VIII Бенардосовские чтения" / Ивановский государственный энергетический университет. - Иваново, 1997 г.-с. 21.

9. Сорокин А.Ф., Барабошкина Т.В., Могиленко А.П. Расчет токов молнии при поражении объектов с распределенными параметрами // Повышение эффективности работы ТЭС и энергосистем: Труды ИГЭУ - Иваново, 1997г.-с. 179-182.

61: 99-5/135-0

Ивановский государственный энергетический университет

На правах рукописи Могиленко Андрей Петрович

ПОВЫШЕНИЕ ГРОЗОУПОРНОСТИ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ЗА СЧЕТ ИЗМЕНЕНИЯ ИХ КОНСТРУКЦИИ

Специальность 05.14.02 - "Электрические станции (электрическая часть), сети, электроэнергетические системы и управление ими"

Специальность 05.14.12. - "Техника высоких напряжений"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Ю.Я. Щелыкалов Научный консультант:

кандидат технических наук, доцент А.Ф. Сорокин

Иваново 1998 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................5

1. СПОСОБЫ И УСТРОЙСТВА ГРОЗОЗАЩИТЫ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ. ПАРАМЕТРЫ ГРОЗОВЫХ РАЗРЯДОВ......................................................................................................11

1.1 Использование тросов для грозозащиты воздушных линий

электропередачи...................................................................................11

1.2. Способы оценки длины защищенных подходов к подстанциям.........................................................................................15

1.3 Параметры грозовых разрядов......................................................18

1.4 Методы расчета главного разряда молнии...................................23

1.5. Методы определения ожидаемого расчетного числа

грозовых отключений воздушных линий электропередачи..............30

Постановка задачи исследований.......................................................37

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРНЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ НА ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ...................................................................................39

2.1 Анализ влияния параметров модели главного разряда на ток молнии............................................................................................39

2.2. Расчетная методика определения токов молнии при поражении элементов линий электропередачи...................................45

2.3. Определение выражения для расчёта изменения сопротивления канала молнии в процессе главного разряда............48

2.4 Расчет параметров разряда и атмосферных перенапряжений при поражении молнией опор воздушных линий электропередачи...................................................................................53

2.5 Расчет параметров разряда и атмосферных перенапряжений при поражении молнией проводов воздушных линий электропередачи...................................................................................59

Выводы..................................................................................................65

3. РАСЧЕТ ФОРМЫ ИМПУЛЬСА ГРОЗОВЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ НА РАЗЛИЧНЫХ УЧАСТКАХ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ПРИ ПОРАЖЕНИИ МОЛНИЕЙ ФАЗНЫХ ПРОВОДОВ.....................................................................................................67

3.1 Методика расчета импульса грозового перенапряжения на одиночном коронирующем проводе...................................................67

3.2 Методика расчета импульса грозового перенапряжения на

проводе в многопроводной системе....................................................76

Выводы..................................................................................................85

4. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВЛЭП НА ПАРАМЕТРЫ ГРОЗОВЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ................86

4.1 Расчет параметров грозового разряда и атмосферных перенапряжений при поражении проводов однофазных воздушных линий электропередачи....................................................86

4.2 Расчет параметров грозового разряда и атмосферных перенапряжений при поражении проводов многофазных

воздушных линий электропередачи..................................................101

Выводы................................................................................................118

5. ИССЛЕДОВАНЕЕ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКЦИИ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ НА ЧИСЛО ГРОЗОВЫХ ОТКЛЮЧЕНИЙ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ЗАЩИЩЕННЫХ ПОДХОДОВ К ПОДСТАНЦИЯМ.............................................................119

5.1 Расчёт вероятности перекрытия линейной изоляции при поражении молнией опор воздушных линий электропередачи......119

5.2 Расчёт вероятности перекрытия линейной изоляции при поражении молнией фазных проводов воздушных линий электропередачи.................................................................................124

5.3 Расчёт вероятности перекрытия линейной изоляции при поражений молнией грозозащитных тросов воздушных линий

электропередачи.................................................................................130

5.4 Анализ влияния конструкции воздушных линий электропередачи на ожидаемое число грозовых отключений.........135

5.5 Методика расчёта перенапряжений на изоляции

оборудования подстанций при набегании импульсов с ВЛЭГТ.......140

Выводы................................................................................................147

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................148

ЛИТЕРАТУРА..............................................................................................151

ПРИЛОЖЕНИЕ 1.........................................................................................159

Результаты расчётов максимальных значений крутизны и тока молнии при поражении опор ВЛЭП при различных значениях импульсного сопротивления заземления опор и погонного

заряда лидера молнии........................................................................159

ПРИЛОЖЕНИЕ 2.........................................................................................165

Результаты расчётов параметров импульсов грозовых

перенапряжений в различных точках ВЛЭП....................................165

ПРИЛОЖЕНИЕ 3.........................................................................................169

Результаты расчётов ожидаемого числа грозовых отключений

ВЛЭП различных классов напряжений............................................169

ПРИЛОЖЕНИЕ 4.........................................................................................170

Акты внедрения..................................................................................170

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Развитие электроэнергетики сопровождается строительством новых и модернизацией действующих линий электропередачи и подстанций. Значительная доля затрат на строительство воздушных линий электропередачи (ВЛЭП) и открытых подстанций связана с их грозозащитой. Основными элементами грозозащиты ВЛЭП являются тросы, монтируемые по всей длине или на подходах к открытым распределительным устройствам (ОРУ) подстанций. Вопрос о целесообразности установки тросовой защиты по всей длине линии для вновь сооружаемых или реконструируемых ВЛЭП должен основываться на расчетах грозоупорности линий. Однако результаты расчетов часто не согласуются с данными, полученными при эксплуатации.

Вероятность повреждения электрооборудования подстанций от набегающих с ВЛЭП импульсов атмосферных перенапряжений значительно снижается при использовании тросовой защиты на подходах к подстанциям. В настоящее время отсутствуют методы определения длины защищенного тросами подхода к подстанции, одновременно учитывающие конструкцию ВЛЭП, схему подстанции, наличие на подстанции и линии нескольких комплектов разрядников, а также форму грозового импульса и другие факторы.

Вследствие этого актуальными являются задачи:

- анализ расчетных методов определения ожидаемого числа грозовых отключений ВЛЭП;

- совершенствование расчетного метода определения грозоупорности ВЛЭП;

- обоснование установки тросовой защиты по всей длине ВЛЭП и на подходах к подстанциям;

- исследование влияния конструкции линий на показатели их грозоупорности.

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка расчетных способов определения показателей грозо-упорности различных конструкций ВЛЭП и выявление конструктивных факторов, обеспечивающих максимальный уровень грозоупорности линий электропередачи.

Для достижения указанной цели в работе поставлены и решаются следующие основные задачи:

1. Определение причин расхождения результатов расчетов числа грозовых отключений линий электропередачи с эксплуатационными данными на основе анализа известных методов расчета атмосферных перенапряжений на изоляции ВЛЭП.

2. Выявление основных факторов, определяющих параметры главного разряда молнии и разработка расчетного метода определения вероятности появления токов молнии с заданными максимальным значением и крутизной при поражении элементов конструкции ВЛЭП.

3. Разработка методики определения грозовых перенапряжений на различных элементах конструкции ВЛЭП с использованием известной математической модели главного разряда молнии.

4. Расчет формы импульсов грозовых перенапряжений в точке поражения молнией провода линии с учетом его коронирования.

5. Разработка методики расчета деформации формы импульсов грозовых перенапряжений при распространении их вдоль провода линии.

6. Исследование влияния конструкции ВЛЭП на форму импульса грозового перенапряжения в точке удара молнии и на интенсивность его деформации при распространении вдоль линии.

7. Расчёт числа грозовых отключений ВЛЭП различных конструкций.

8. Разработка способа определения длины защищенных тросовых подходов к подстанциям, основанного на математическом моделировании процессов, происходящих при разряде молнии в линию электропередачи и при распространении импульсов перенапряжений вдоль проводов ВЛЭП.

Научная новизна проведенных исследований заключается в создании комплекса расчетных методик, реализованного в виде расчетных программ и позволяющего разрабатывать мероприятия по совершенствованию грозозащиты ВЛЭП. С этой целью:

1. Впервые предложено использовать в качестве независимого исходного параметра при расчетах атмосферных перенапряжений линейную плотность объемного заряда лидерной стадии разряда молнии.

2. Разработана методика расчета вероятности появления токов молнии с различными максимальными значениями при поражении элементов конструкции ВЛЭП, позволяющая учесть электрические параметры пораженного объекта. На основании вычислительных экспериментов выявлены факторы, влияющие на параметры импульса тока молнии.

3. Разработана методика расчета импульсов грозовых перенапряжений на изоляции ВЛЭП при поражении опор, а также фазных проводов и грозозащитных тросов, с учетом их коронирования и влияния соседних проводов и тросов.

4. Разработана методика расчета деформации импульсов грозовых перенапряжений при распространении их вдоль пораженной ВЛЭП, основанная на решении уравнения баланса энергий при развитии стримерной короны и позволяющая проводить оценку изменения формы импульса перенапряжений при перемещении его вдоль линии.

5. Впервые показано, что повышение грозоупорности электропередач может быть обеспечено путем снижения габаритов ВЛЭП, увеличения сечения фазных проводов, радиуса их расщепления и числа составляющих расщепленного провода.

Практическая ценность предлагаемой работы заключается в следующем:

1. Показано, что повышение грозоупорности ВЛЭП без тросов может быть обеспечено путем изменения их конструкции, связанного с уменыде-

нием габаритов линии и увеличением размеров их фазных проводов при их неизменном общем сечении.

2. Показано, что длина защищенного тросами подхода к подстанциям может быть уменьшена по сравнению с принятой в настоящее время.

3. Разработан комплекс расчетных методик оценки параметров грозо-упорности ВЛЭП и подстанций, реализованный в виде расчетных программ.

Реализация результатов работы. В энергосистемах "Ивэнерго", "Ниж-новэнерго" и "Пензаэнерго" внедрены и используются методики и программы, разработанные по материалам диссертационной работы:

- системы расчета грозоупорности ЛЭП высокого и сверхвысокого напряжения,

- программа расчета длины защищенных подходов к подстанциям.

Акты внедрения расчетных методик и программ для ЭВМ прилагаются к диссертации.

Достоверность результатов в части разработок моделей и алгоритмов определения числа грозовых отключений ВЛЭП подтверждена сопоставлением результатов расчета с данными опыта их эксплуатации. Достоверность результатов в части разработок моделей и алгоритмов определения длин защищенных тросовых подходов к подстанциям подтверждена сопоставлением результатов расчета с данными теоретических и экспериментальных исследований, полученных другими авторами, а также экспериментами на физических моделях подстанций.

Автор защищает:

1. Методику расчета вероятности тока молнии с заданным максимальным значением при поражении различных элементов конструкции ВЛЭП, использующую в качестве исходного параметра погонный заряд лидерной стадии развития молнии.

2. Методику расчета вероятности опасных атмосферных перенапряжений на изоляции ВЛЭП различных конструкций.

3. Методику определения ожидаемого числа грозовых отключений ВЛЭП с использованием результатов расчета атмосферных перенапряжений.

4. Методику расчета деформации импульсов атмосферных перенапряжений при их движении вдоль ВЛЭП в результате коронирования проводов и тросов, основанную на решении уравнения баланса энергий.

5. Способ расчета длины защищенного тросового подхода к ОРУ подстанции, учитывающий конструкцию ВЛЭП, схему подстанции, наличие на подстанции и линии нескольких комплектов разрядников, а также результаты расчетов импульсов грозовых перенапряжений на линейной изоляции.

Апробация работы. Основные положения работы и ее отдельные разделы обсуждались на научных конференциях: 22-я международная конференция по молниезащите, Будапешт, 1994; международной научно-технической конференции 'VI Бенардосовские чтения' Иваново, 1994; научном семинаре по теоретической электротехнике, Иваново, ИГЭУ, 1995; научном семинаре 'Управление режимами электроэнергетических систем' памяти Д.П. Ледянкина, Иваново, ИГЭУ, 1995 г., международной научно-технической конференции 'VIII Бенардосовские чтения', Иваново, ИГЭУ, 1997 г.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 9 печатных работ [58, 75-82]. Работа проводилась в рамках госбюджетной межвузовской научно-технической программы "Повышение надежности, экономичности и экологичности энергетической системы России" и хоздоговорной работе "Определение допустимого числа отключений ВЛ 110-220 кВ с учетом характеристик потребителей и удельного сопротивления грунта по трассам линий", ИГЭУ, 1995 г..

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 83 наименований и 4 приложений. Основной материал изложен на 158 страницах машинописного текста.

Работа содержит 78 иллюстраций, 17 таблиц. Общий объем работы составляет 172 страницы.

В первой главе приводится анализ данных об эффективности тросовой защиты линиях электропередачи, о современных методах определения ожидаемого числа грозовых отключений ВЛЭП и моделирования главного разряда молнии, о способах расчета деформации импульсов перенапряжений при их движении вдоль линий. Во второй главе предложен метод расчета вероятности появления токов молний и атмосферных перенапряжений, воздействующих на изоляцию пораженных ВЛЭП. В основу метода положена математическая модель процесса нейтрализации объемного заряда лидера при ударе молнии в элементы конструкции ВЛЭП, основанная на решении уравнения баланса энергий. В третьей главе предложена методика расчета формы импульса грозового перенапряжения на линейной изоляции однофазной ВЛЭП без тросов и трехфазной ВЛЭП с тросами в точке удара молнии, а также методика расчета деформации импульс при его распространении вдоль ВЛЭП, основанные на определении потерь энергии на ионизацию воздуха вблизи провода. В четвертой главе проведен анализ влияния конструкции ВЛЭП на параметры импульсов грозовых перенапряжений. Показано, что изменением конструкции ВЛЭП можно регулировать грозоупорность линии. В пятой главе проведены исследования влияния конструкции ВЛЭП на вероятность перекрытия ее изоляции при поражении молнией опор, фазных проводов и грозозащитных тросов. Оценка грозовых перенапряжений проводилась с использованием предложенных в диссертационной работе методик. Предложен метод оценки длины защищенного тросами участка линии на подходе к подстанции. В приложениях приведены расчетные данные о параметрах грозового разряда, перенапряжениях на различных элементах конструкций воздушных линий электропередачи, и числе грозовых отключений ВЛЭП различных классов напряжения.

1. СПОСОБЫ И УСТРОЙСТВА ГРОЗОЗАЩИТЫ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ. ПАРАМЕТРЫ

ГРОЗОВЫХ РАЗРЯДОВ

1.1 Использование тросов для грозозащиты воздушных линий электропередачи

Воздушные линии электропередачи (ВЛЭП), как и все оборудование электроэнергетических систем, защищают от воздействия молний. Основным элементом грозозащиты линии являются тросы, монтируемые на опорах выше фазных проводов. Линии на металлических и железобетонных опорах защищаются, как правило, по всей длине, линии на деревянных опорах и опорах из изоляционного бетона - только на некоторой части (обычно на подходах к подстанциям) [1]. Опыт эксплуатации показывает, что наличие на ВЛЭП грозозащитных тросов снижает количество их отключений в результате поражения молнией в несколько раз. По оценкам [817] число грозовых отключений ВЛЭП 110 - 220 кВ на металлических и железобетонных опорах, приведенное на 100 км и 100 грозовых часов, составляет в среднем 0,2 -1,4 и 4 -12 раз в год соответственно для