автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Повышение надежности распределительных сетей от 6 до 10 кВ на основе моделирования и усиления их грозоупорности

На правах рукописи

Малышева Елена Павловна

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ ОТ б ДО 10 кВ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ И УСИЛЕНИЯ ИХ ГРОЗОУПОРНОСТИ

Специальность: 05.14.02 - Электростанция н электроэнергетические системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск 2006

Работа выполнена в ФГОУ ВПО "Новосибирский государственный технический университет"

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор

Овсянников Александр

Георгиевич

Официальные доктор технических наук, профес*

оппоненты: Ефремов Игорь Алексеевич

кандидат технических наук, Гунгер Юрий Робертович

Ведущая организация ОАО «Сибирский НИИ энергетики»

Защита состоится мая 2006 г. в 12-00 часов

(ауд. 227) на заседании диссертационного совета Д 223.008.01 при ФГОУ ВПО "Новосибирская государственная академия водного транспорта" по адресу: 630099, г. Новосибирск, ул. Щетинкина, 33, НГАВТ (тел/факс 222-49-76; E-mail: ngavt@ngs.ru или nsavt_ese@mail.ru')

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО "Новосибирская государственная академия водного транспорта"

Автореферат разослан 6* апреля 2006 г.

Ученый секретарь /¿/-^

диссертационного совета ^¿Er^bSb. Тонышев

Л006А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Аюуальность темы. Перерывы электроснабжения потребителей происходят, в основном, при отказах распределительных сетей. Из общего числа отключений и повреждений воздушных линий (BJI) около половины связаны с атмосферными перенапряжениями. Поэтому повышение грозоупорности распределительных сетей является актуальной задачей. Ее решением занимались многие научные коллективы и специалисты: Д. В. Разевиг, А. С. Май-копар, Э.М. Базелян, А.Н. Новикова, Г.В. Подпоркин, Ф.Х. Халилов, Ф.А. Гиндуллин, М.В. Костенко, К.П. Кадомская, И.А. Ефремов и др. Итоги их исследований вошли в руководящие документы по молниезащите В Л, зданий и сооружений.

Грозоупорность BJI, под которой понимается удельное число отключений на 100 км длины и 100 грозовых часов, определяется двумя группами перенапряжений, связанными с прямыми ударами молнии (ПУМ) в BJI и индуктированными перенапряжениями (ИПН). Переход к дуговой форме разряда одновременно на двух, трех изоляторах приводит к межфазному короткому замыканию и отключению BJI, что непосредственно влияет на грозоупорность BJI. Кроме того, повреждения изоляторов, траверс, опор и проводов также в большинстве случаев возникают при горении силовой дуги. Повреждения элементов ВЛ требуют их выявления и замены или ремонта, что резко увеличивает длительность перерывов в энергоснабжении.

Для корректной оценки грозоупорности BJI 10 кВ требуется, возможно, более полная информация о процессе перекрытия и последующего перехода импульсного перекрытия в дугу. Следует отметить, что за исключением отдельных косвенно-оценочного характера работ (исследования A.C. Майко-пара и М. Darveniza 60-х годов прошлого века) проблема установления силовой дуги практически не исследовалась. Это связано со сложностью экспериментальных исследований и испытаний. В них необходимо согласовывать воздействие импульсного напряжения с амплитудой более 100 кВ с сопровождающим импульсным током до 0,5 - 2 кА при имитации индуктированных перенапряжений (ИПН) и 30 кА - для прямых ударов молнии (ПУМ), рабочего переменного напряжения от 6 до 20 кВ и тока дуги до сотен ампер. При этом требуется вариация сочетаний величин напряжений и токов, фазовых моментов перекрытия, типов наиболее распространенных в настоящее время линейных изоляторов, а также материала и конструкции опор, приводящих к изменению дугогасящих свойств. Имеющиеся данные позволяют лишь приближенно оценить величину коэффициента перехода импульсного перекрытия в дугу. Остаются неясными перспективы его снижения, а, следовательно, повышения грозоупорности и надежности работы BJL

В связи с изложенным тема диссертации является ак1уальвой.

Связь темы диссертации с общенаучными и отраслевыми программами.

Работа выполнялась в соответствий с научными направлениями исследовательского комитета В2 (22) СИГРЭ «Воздушные линии электропередачи», с отраслевой научно-технической программой 04 ^Электротехническое оборудование подстанций и электрических сетей" РАО «ЕЭС России» и сводной программой НИОКР ОЭС «Сибирьэнерго», раздел 5 «Электроэнергетика».

Цель работы состояла в разработке мероприятий, направленных на повышение грозоупорности В Л от б до 10 кВ, как наиболее распространенных в распределительных сетях и узлах нагрузки.

Идея работы. Для достижения поставленной цели автор использовал две, выявленные в работе, возможности. Снижение числа отключений, обусловленных прямыми ударами молнии, возможно, за счет использования экранирующего эффекта леса (лесополос). Для исключения перекрытий изоляции при воздействии индуктированных перенапряжений наиболее кардинальной мерой является усиление изоляции. При этом достигается двойной эффект: при усилении изоляции снижается вероятность перекрытия и снижается вероятность перехода импульсного перекрытия линейных изоляторов при грозовых воздействиях в силовую дугу промышленной частоты.

Методы исследования заключаются в анализе опыта эксплуатации BJI от 6 до 10 кВ, физическом и математическом моделировании процессов грозового отключения ВЛ, проведении лабораторных испытаний и полевых регистраций, обработке результатов с применением методов математической статистики и теории вероятностей, интегрального исчисления, теоретических основ электротехники и физики газоразрядных процессов. Использованы методы компьютерного моделирования с применением программы «LIGHTNING», разработанной в СибНИИЭ и дополненной автором в части вывода данных об индуктированных потенциалов проводов.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: обоснованностью исходных посылок, вытекающих из опыта эксплуатации и физической картины явлений; удовлетворительным совпадением результатов теоретических исследований с результатами экспериментов. Испытания и измерения проводились на аттестованном оборудовании высоковольтного испытательного комплекса СибНИИЭ в соответствии с требованиями ГОСТ 1516.2 -97, стандартов МЭК и других нормативных документов. Оценки чувствительности и погрешностей измерений были выполнены с запасом по отношению к возможным ошибкам.

Научная новизна работы характеризуется следующими новыми научными положениями:

о Численными экспериментами с применением модели, учитывающей индуктированные перенапряжения, установлено, что в общем числе грозо-

<и

вых отключений типовых ВЛ от 6 до 10 кВ с железобетонными й металлическими опорами до 70 % составляют отключения, связанные с воздействиями индуктированных перенапряжений, о Показано, что вероятность перехода импульсного перекрытия межфазной изоляции больше в случае, когда межфазное замыкание происходит на соседних опорах по сравнению с замыканием на одной опоре, о В экспериментах при напряжении 6,3 кВ с изоляторами ШС-10А, ШФ-10В, ШФ-20В, ШК-10, получено, что коэффициент перехода импульсного перекрытия в дугу не зависит от материала изоляторов (фарфор, стекло и кремнийорганическая резина) и материала проводов (медь, сталь и алюминий).

о Впервые зарегистрирован импульс индуктированного перенапряжения в контактной сети железной дороги при ударе молнии на расстоянии 1 км от линии. Форма импульса строго симметрична в виде «колокола» с длительностью фронта около 10 мкс и длительностью на полувысоте около 25 мкс. Для прямых ударов молнии была зарегистрирована форма биэкс-поненциального импульса с фронтом не более 12,5 мкс и длительностью на полувысоте около 65 мкс.

Практическая ценность работы заключается в следующем. Доведена до практического использования программа, которая на стадии проектирования или при анализе опыта эксплуатации позволяет рассчитать грозоупор-ность ВЛ любого типа с учетом рельефа местности и наличия леса. Рекомендации по усилению уровня изоляции обеспечивают повышение грозоупорно-сти ВЛ от 6 до 10 кВ в два и более раз.

Реализация работы. Предложенные в работе мероприятия позволяют практически исключить перекрытия изоляции от индуктированных перенапряжений и, тем самым, повысить грозоупорность В Л от 6 до 10 кВ почти вдвое. Разработанные в диссертации рекомендации по усилению изоляции используются в Горно-Алтайском предприятии электрических сетей ОАО «Алтайэнерго», в службе электроснабжения и электрификации ЗападноСибирской железной дороги и ЗАО ВНПО «РОСЛЭП». Годовой экономический эффект составляет 238 тыс. руб.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены:

• на международной конференции «ИЗОЛЯЦИЯ- 99» (15-18 июня, 1999, Санкт-Петербургский государственный технический университет);

• на пятой Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика:

экология, надежность, безопасность» (19-21 декабря 1999, Томск, ТПУ);

• на шестой международной конференции «Современные техника и технология» (февраль 2000, Томск, ПТУ);

• на научных семинарах СибНИИЭ и конференциях молодых ученых НГТУ. На защиту выносятся:

• Математическая модель нисходящего лидера молнии и встречных разрядов с введенным блоком моделирования лесной просеки.

• Основные результаты численных экспериментов по указанной модели:

о удельное число грозовых отключений увеличивается при увеличении ширины просеки от 0 до 30 м примерно в 8 - 10, а в открытой зоне - в 20 раз;

о законы распределения амплитуд токов молнии для ударов в линию и ударов в землю незначительно отличаются от исходного логарифмически - нормального распределения, но средний ток для ударов в землю (~ 27 кА) несколько меньше, а для ударов в линию (~ 35 кА) несколько больше, чем для исходного распределения;

о в общем числе грозовых отключений типовых ВЛ от 6 до 10 кВ с железобетонными и металлическими опорами до 70 % составляют отключения, связанные с воздействиями индуктированных перенапряжений.

• Различие коэффициента перехода импульсного перекрытия в силовую дугу в зависимости от характера тока межфазного замыкания для случаев перекрытия изоляции двух фаз на одной и разных опорах.

• Новые опытные данные по коэффициентам перехода импульсного перекрытия в дугу, по форме реальных грозовых перенапряжений и прочности типовых изоляторов В Л от 6 до 10 кВ при форме волны, приближенной к индуктированным перенапряжениям.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 7 научных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и трех приложений. Изложена на 163 страницах машинописного текста, содержащего 76 рисунков и 10 таблиц, а также список использованных литературы из 50 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель и идея исследований. Представлена научная новизна и практическая значимость полученных результатов. Сформулированы научные положения, выно-

симые на защиту. Отражен уровень апробации и объем публикаций по теме диссертации.

В первой главе приведен обзор методов и средств регистрации индуктированных перенапряжений, обсуждено влияние коэффициента перехода импульсного перекрытия в силовую дугу на показатель грозоупорности BJI средних и высших классов напряжения, поставлены цели и задачи работы.

Во второй главе приводятся и обсуждаются результаты экспериментальных исследований перехода импульсного перекрытия в силовую дугу. Схема испытаний состояла из трех частей: силовой, ограничительно - защитной и импульсной. Переменное напряжение 6,3 кВ подавалось на изоляторы от силового трансформатора ТМ 1600/10/6,3 кВ с помощью типовой ячейки КРУ-К-ХП с номинальным током отключения 800 А. Задержка отключения токов короткого замыкания (к.з.) в 0,2 секунды позволяла провести необходимые измерения и установить факт горения дуги перекрытия изоляторов.

В первой серии опытов моделировалась силовая дуга межфазного перекрытия, возникающего на разных опорах, когда преобладает активная составляющая тока, обусловленная сопротивлением заземления опор. Активное сопротивление цепи межфазного замыкания моделировалось реакторами, выполненными из нихрома.

Импульсное напряжение, необходимое для начального перекрытия изоляторов, вырабатывалось с помощью генератора импульсных напряжений (ГИН) с зарядным напряжением до 800 кВ. ГИН настраивался на стандартную грозовую волну 1,2/50 мкс. Для защиты силовых кабелей, ячейки и трансформатора от импульсных напряжений при перекрытии изоляторов на каждой фазе устанавливались нелинейные ограничители перенапряжений ОПН- 10 кВ. '

Контроль формы и величины тока дуги проводился с помощью трансформатора тока типа ТПЛ-10, а также резисторного шунта Лш = 5 Ом и осциллографа. Синхронизация импульсного и переменного напряжений осуществлялась задержкой поджига ГИН относительно момента перехода синусоидального переменного напряжения через нулевое значение (ф = 0,180°).

При неизменных величинах напряжений и сопровождающих токов изменялась фаза переменного напряжения, при которой происходило импульсное перекрытие, и определялись границы диапазона фаз, в котором импульсное перекрытие не переходило в силовую дугу. Затем при том же типе изолятора изменялась величина сопровождающего переменного тока, и испытания повторялись. Ионный цикл испытаний повторялся для каждого типа изолятора (П1С-10А, ШФ-10Г, изолирующая траверса). Изменением амплитуды импульсного напряжения и величины демпферных резисторов варьировался ток импульсной дуги в пределах: от 0,5 до 0,2 кА.

В другой серии опытов ток силовой дуги ограничивался индуктивностью, а волновые процессы моделировались L-C контуром.

В схеме (рисунок 1) отрезок ВЛ от 6 до 10 кВ длиной порядка от 15 до 16 км моделировался сосредоточенной индуктивностью Ьд = 16 мГн и емкостью Сп = 166 нФ. Волновое сопротивление этого контура примерно соответствовало волновому сопротивлению линии Zл = 300 Ом. Индуктивность реактора, ограничивающего ток к.з., выбиралась, исходя из характерных величин тока к.з. на BJI от 6 до 10 кВ (от 200 до 500 А).

Эксперименты проводились при двух значениях индуктивности Lr = 4 мГн и 60 мГн. С учетом последовательного включения индуктивные сопротивления цепи на стадии формирования тока к.з., соответственно составляли Z,= 6,3 и Zj= 24 Ом, а токи к.з. /, = 950 А; /2= 250 А.

(4мГн)

Поджиг

шн

2?

г^Суд

¿л» Сл - индуктивность проводов линии (/ = 16 км); Лщи - шунт измерения импульсного тока перекрытия; Лш - шунт измерения тока дуги Рисунок 1 - Схема испытаний во второй серии опытов

Характерные осциллограммы напряжения на изоляторе (после образования дуги оно тождественно равно падению напряжения на дуговом канале) и тока на выходе трансформатора приведены на рисунке 2.

Параметры: Ер = 30 кВ^фф/м; Lp = 60 мГн; L„ - 16 мГн; Сл = 166 нФ. Масштабы: 2 мс/дел по оси абсцисс; 120 А/дел и 2,3 кВ/дел по оси ординат Рисунок 2 - Процессы в схеме с ограничением тока индуктивностью и колебательным контуром при отсутствии (а) и образовании дуги (б)

В результате анализа полученных результатов было отмечено следующее:

а) Амплитудное значение тока дуги в том полупериоде, когда она возникла, всегда меньше, чем в последующих полупериодах. Однако если дуга в первом полупериоде зажигалась в его начале, то это отличие не превышало 5% . Если же она поджигалась в конце полупериода, то отличие могло достигать нескольких раз.

б) Градиенты напряжения вдоль канала установившейся дуги при токах в сотни ампер достигали значения, в среднем 30 В/см, и почти не зависели от величины тока в этом диапазоне. Максимальный градиент в дуге, соответствовавший началу нарастания тока в ней, составлял 210 В/см.

в) Начальные значения тока в дуге, при которых дуга переходила в устойчивое состояние, имел порядок 10 А, а минимальная скорость нарастания тока дуги составляла 10 А/мс.

г) Коэффициент перехода от импульсного перекрытия в дугу и параметры дугового канала, не зависели от материала изолятора (фарфор, стекло, кремнийорганическая резина) и материала проводов (медь, алюминий, сталь).

д) Стеклянные изоляторы разрушались либо с первого воздействия (при больших импульсных напряжениях ГИН) либо в результате многократных

* воздействий дуги на их поверхность.

Результаты экспериментов приведены на рисунке 3 в сравнении с зависимостями, рекомендованными A.C. Майкопаром (1) и рассчитанными по

выражению (2), приведенному в «Проекте руководящих указаний по защите от внутренних и грозовых перенапряжений сетей 3 - 750 кВ» ШИИПТ).

1 ^ . Е0 т» = 1---агсБШ——

Я Ещ- т

где Ерм — амплитудное значение градиента рабочего напряжения, Ео - «безопасный» градиент; Ео= 10 кВ/м (проводящие опоры) и 2%= 20 кВ/м (дерево).

„ = (^-«>.10*.

разр.

где 1/ - наибольшее длительно допустимое рабочее (линейное) напряжение, кВэфф, принимаемое в соответствии с ГОСТ 1516.1-76; /разр - суммарная длина пути разряда по двум гирляндам изоляторов и участку траверсы между ними, м.

Разница в зависимостях достаточно велика, особенно в области градиентов от 10 до 30 кВэфо/м, в которую и попадают все типы изоляторов, используемые на ВЛ от 6 до 10 кВ. Отметим также различие в коэффициентах перехода при различных величинах и характере тока в дуге, определяемый внешней цепью. При среднем токе межфазного к.з. на ВЛ от 6 до 10 кВ порядка 300 А при межфазном перекрытии на одной опоре, можно рекомендовать эмпирическую зависимость:

г) = (1,14 38) 102, (3)

где Яр = Ц/1, а / = 2 (Я + 0,5^); Н и О - строительная высота и диаметр изоляторов.

При межфазном перекрытии, реализуемом на двух опорах, когда ток ограничивается суммарным сопротивлением заземления двух опор порядка 40 Ом:

л= (1,3-£р+47>10-2. (4)

О 10 20 X 40 50 И 70

Е,кВэф4/м

1 - расчет по (1) с параметрами Ео=100 В/см и 200 В/см соответственно; 2 -расчет по (2); 3-5 - экспериментальные данные автора в схеме с активным сопротивлением внешней цепи (3), в схеме с индуктивным сопротивлением внешней цепи и колебательным контуром при Ьр=4 (4) и 60 мГн (5) соответственно

Рисунок 3 - Зависимость коэффициента перехода импульсного перекрытия в силовую дугу от градиента рабочего напряжения

Так как в экспериментах трудно поварьировать все возможные ситуации в работе были проведены расчеты высоко- и низкочастотной составляющих тока, причем результаты испытаний первой серии опытов хорошо совпали с расчетом при заданных параметрах сети. Крутизна нарастания низкочастотного компонента тока к.з. в любой произвольный момент / > /„, определяется как:

ей' _Е со

СОБ ((О-/—фсеши)Н — *81П(фжз —ф ) ех

•г\ сети

.(5)

а в момент к.з. (со/к 3 = фкз) определяется лишь индуктивностью схемы и мгновенным значением напряжения:

¿У сН

•Э1Пфкз

(6)

1=к.з.

На рисунке 4 приведены характерные осциллограммы переходного тока /„ ч (О в зависимости от фазы <ркз Они даны для разных параметров сети: Х= 20 Ом; Я=3 Ом отвечает условию межфазного перекрытия на одной опоре реальной ВЛ 6 кВ, и Х= 3 Ом; Я= 20 Ом, что соответствует перекрытию на разных опорах и отвечает условиям первой серии экспериментов при минимальном значении ограничивающего сопротивления.

Сравнительный анализ начальных участков кривых показал следующее:

а) в цепи с преобладанием активного сопротивления (/?) крутизна нарастания

тока существенно выше;

б) форма и амплитуда первой полуволны тока при одинаковых фк, сущест- '

венно отличаются, причем при фКз < 0,5л первые максимумы тока цепи с преобладанием реактивного сопротивления (X) выше, как и их времена подъема, а при фазе к.з. фкз > 0,5л наблюдается обратное соотношение -в цепи с преобладанием X максимумы тока меньше, длительность первой полуволны больше;

в) в цепях с различным отношением Х/Я переход тока к.з. после первой полуволны через ноль происходит при различных мгновенных значениях рабочего напряжения, что приводит к различным характеристикам восстановления напряжения ив(/) на дуговом промежутке.

Расчетная вероятность перехода импульсного перекрытия в дугу при торможении роста тока индуктивным сопротивлением внешней цепи снизились по сравнению со случаем активного сопротивления. Однако это снижение оказалось не столь существенным. По-видимому, нельзя принимать сопротивление канала перекрытия равным нулю или очень малым на ранних стадиях процесса, трансформирующегося в дуговой. Наоборот, на этой стадии активное сопротивление канала превышает реактивное сопротивление цепи, в результате чего ток в дуге нарастает, хотя и до относительно малых величин, однако с высокой скоростью, определяемой малой величиной по-

ь

стоянной времени Т =-. Это предположение подтверждается осцилло-

ЯД

граммами тока, в которых прослеживался начальный участок быстрого нарастания тока: за время от 0,2 до 0,5 мс ток возрастал от 30 до 50 А. Таким образом, в начальной стадии процессы нарастания тока в принципиально различных схемах протекают почти одинаково, только в первом случае активный характер тока задается внешней цепью (/?р» Хр), а во втором - сопротивлением канала перекрытия (Яд» Хр). Во-вторых, для образования и последующего поддержания дугового состояния канала перекрытия, по-видимому, не требуется большой скорости ввода энергии, что в нашем случае адекватно скорости нарастания тока в дуге. Из сопоставления расчетных).

500 400 300 200 5 юо 0

-10<Ь

-200

-300

^ 1 * 1 ш Я 1 - - - -и -¡(0) ---¡(36) —■— '(90) —»—¡(120) —й—¡(144) —ж—¡(164)

1 \ 1 1 • 1 т о * г XI ;; л^ ^ д

угловой градус а

^ ^ ^ ^^

угловой градус

б

а) Я = 20 Ом; X = 3 Ом; б) X = 20 Ом; Я= 3 Ом Рисунок 4 - Кривые нарастания тока короткого замыкания при различных параметрах цепи и моментах времени

оценок (даже при допущении, что сопротивление дуги изначально имеет малую величину) и экспериментально установленных значений г) следует, что переход в дугу может реализоваться при средней скорости нарастания порядка 20 А/мс (см. кривые на рисунке 4 при параметрах, близких к 180°

В третьей главе представлена методика расчета грозопоражаемости ВЛ, основанная на известной модели ориентировки лидера молнии, разработанной в СибНИИЭ и приведены результаты численных экспериментов. В модели рассматривается разряд отрицательной молнии типа «облако - земля». Математическое описание основывается на следующих физических представлениях о распространении и ориентировки лидера молнии.

1. Считается, что распространение нисходящего лидера носит ступенчатый характер. При этом в начале каждой ступени возникает вспышка стримеров от головки нисходящего лидера, которая завершается формированием пространственных лидеров на ее границе. Далее происходит развитие пространственных лидеров до соединения с головкой нисходящего лидера. При соединении одного из пространственных лидеров с нисходящим лидером возникает новая вспышка стримеров с катодного конца пространственного лидера и процесс повторяется. В терминах случайного процесса описание распространения нисходящего лидера сводится к нахождению вероятностей перехода случайного процесса, зависящих от поля и определяющих случайные приращения координат головки нисходящего лидера на очередной ступени, при заданном исходном состоянии системы и параметрах нисходящего лидера.

2. Предполагается детерминированная связь параметров нисходящего лидера (<2г линейной плотности заряда; /$- длины ступени; т^- - длительности ступени; Уг средней скорости) с током возвратного удара 1Ш, определяемая соотношением вида:

5

(7)

р -_' _

5ГЛ л 1 ,

о,8-а

(8)

V — V г ^5

V ! - {10)

Hf)

'о

IU=Kn'Qn'Vn, (И)

где Q0 - линейная плотность заряда на головке лидера (х - 0); Estr - средняя напряженность поля (параметр модели); V/ - скорость волны нейтрализации при возвратном ударе; к„, а, ку константы (параметры модели).

3. Считается, что существуют W потенциально возможных направлений распространения нисходящего лидера на очередной ступени. Предполагается, что случайный характер распространения обусловлен случайным местом формирования пространственных лидеров, а также случайным временем их развития до соединения с головкой нисходящего лидера, зависящим от поля.

В сферической системе координат, связанной с головкой нисходящего лидера потенциально возможные направления распространения фиксируются параметрическими координатами ф,, 9j,j =1, N.

Функции плотности распределения случайных величин <ру и 9, определяются соотношениями:

1 sinff,

t<p ~ 2-pi ~ (l-cosé?4) ' (12)

где 0,- максимальный угол отклонения, определяемый вспышкой стримеров.

Случайное направление распространения нисходящего лидера на очередной ступени определяется исходя из условия

, tj),j = 1,-Wj. (О)

в результате разыгрывания случайных величин <цу, (, и t-p (<р7, *,) в соответствии с методом Монте-Карло.

4. Критерий инициирования восходящих разрядов рассматривается для каждого конкретного объекта. Для проводов линий электропередачи этот критерий связывается с достижением погонным зарядом провода некоторой критической величины Qkp^

Qm{um; иФ)= Qkр, (14)

где Qm(U Пр, i/ф)- погонный заряд провода, зависящий от рабочего напряжения линии l/ф и потенциала, наведенного зарядом лидера молнии Uпр.

5. Используется дипольная модель зарядов грозового облака. Считается, что заряды лидера молнии сосредоточены на его оси с линейной плотностью Заряды, индуцированные на объекте, определяются в результате решения системы интегральных уравнений.

Предложенная модель позволяет построить реализации случайного процесса при заданном исходном состоянии системы: от момента старта лидера молнии до соединения его со встречными разрядами с провода (троса) или удара в землю. В результате построения реализаций случайного процесса при варьировании координат точек старта и параметров лидера молнии может быть получена статистическая оценка числа прямых ударов или вероятности прорыва.

На рисунке 5 приведены графические изображения результатов моделирования грозопоражаемости ВЛ 10 кВ для двух реализаций.

Рисунок 5 - Моделирование грозопоражаемости В Л 10 кВ в безлесной зоне (а) и в просеке (б)

Результаты численных экспериментов приведены на рисунках 6-8.

Анализируя полученные результаты необходимо отметить следующее:

1) Плотность ударов молнии в землю вблизи линии минимальна и возрастает с увеличением расстояния от оси линии. При этом плотность ударов в землю вблизи линии зависит от амплитуды тока молнии (рисунок 6). С увеличением тока молнии (/м) зона ударов молнии в землю удаляется: минимальное расстояние от оси линии до точки удара возрастает с 7,5 до 30 м, а расстояние, на котором плотность ударов достигает своего исходного значения - с 30 до 50 м.

----общая плотность ударов молнии в землю

Рисунок 6 - Плотность ударов молнии в землю для различных диапазонов амплитуд тока молнии

2) Распределение амплитуд токов молнии для ударов в линию и ударов в землю (рисунок 7) - незначительно отличаются от исходного логарифмически - нормального.распределения. При этом средний ток для ударов в землю (~ 27 кА) несколько меньше, а для ударов в линию (~ 35 кА) несколько больше, чем для исходного распределения.

\ \ «чо

ч Ч

\ * ш жжроя * >д

1 земто 'Ъ

^Г- - 1, кА

О 20 40 «О 80 ЮО 120 140 160

Рисунок 7 - Экспериментальные законы распределения амплитуд токов молнии для ударов в провод и в землю

3) Полученный в работе закон распределения индуктированных напряжений (рисунок 8) хорошо согласуется с результатами Д.В. Разевига и др. Отличие по сравнению с известными законами объясняется тем, что в данной работе амплитуда индуктированных напряжений рассчитывалась при постоянной скорости возвратного удара и минимальном расстоянии от оси линии до точки удара (20 м). Поэтому результаты оказались несколько завышенными в начальной части распределения.

1 0,8 0,6 0,4 0,2

О

50 ЮО 150 200 250 ЗОО

I - в данной работе, 2 - по известным моделям Рисунок 8 - Экспериментальные законы распределения амплитуд индуктированных перенапряжений

Результаты численных экспериментов приведены в таблице 1. По результатам расчетов видно, что лес (высота леса закладывалась равной 15 метрам) оказывает сильное экранирующее влияние. Удельное число грозовых отключений увеличивается при увеличении ширины просеки от 0 до 30 м примерно от 8 -10, а в открытой местности - в 20 раз.

Из таблицы 1 также видно, что только каждый третий, из прямых ударов молнии приводит к перекрытию изоляции. Это объясняется некоторыми особенностями работы математической модели. В ней учитывалось, что при попадании молнии в один из проводов и при перекрытии его изоляции напряжение на проводе перекрытой фазы снижается (предполагалось, что сопротивление заземления опор было равно 20 Ом) до уровня, недостаточного для перекрытия изоляции на другой фазе. Небольшую часть случаев с прямыми ударами молнии без перекрытия изоляции дали и молнии с малыми токами.

\р<и> \\

\\ VI

\\ ч 1

2 ^ ---- ~~ " г—-- и, кВ

Таблица 1 - Результаты численных экспериментов

Ширина просеки </„р., м 30 15 0

Класс напряжения В Л, кВ б 10 6 10 6 10

Изоляторы ШФ-20В, С/о.5 = 140 кВ

Число прямых ударов молнии в линию Л^л, 1/100км/100 г. ч:

- с учетом влияния леса 16,4 22,3 9,8 17,6 1,7 2,3

- без учета влияния леса 33,6 45,2

Число перекрытий двух фаз от ПУМ, Ыпум, 1/100км/100 г.ч.:

- с учетом влияния леса 5,0 7,9 3,2 5,9 0,6 0,8

- без учета влияния леса 11,4 15,2

Число перекрытий двух фаз от ИПН, Иить 1/Ю0км/Ю0 г.ч.:

- с учетом влияния леса 12,6 18,1 8,0 14,6 1,5 2,0

- без учета влияния леса 28,7 38,0

Общее число перекрытий:

- с учетом влияния леса 17,6 26 11,2 20,5 2,1 2,8

- без учета влияния леса 40,1 53,2

Доля перекрытий от ИПН в общем числе перекрытий, %

- с учетом влияния леса 71,5 69,6 71,4 71,2 71,4 71,4

- без учета влияния леса 70,0 71,4

Одним из главных факторов, который внушил надежду на повышение грозоупорности В Л от б до 10 кВ путем усиления уровня изоляции, является преобладание перекрытий, связанных с воздействием индуктированных перенапряжений: их доля составила в среднем 71 % от общего числа перекрытий.

В четвертой главе приведены результаты полевых регистрации индуктированных перенапряжений и экспериментальных исследований прочности изоляторов при воздействии напряжения нестандартной формы макси-

мально приближенной к индуктированным перенапряжениям.

Регистрация индуктированных перенапряжений производилась на опытном пролете СибНИИЭ (без напряжения, с согласованием по обоим концам) и в контактной сети переменного тока Алтайской дистанции электроснабжения Западно-Сибирской железной дороги.

Характерные осциллограммы ИПН в опытном пролете, возникавших от дальних ударов молнии, приведены на рисунке 9.

Рисунок 9 - Характерные осциллограммы индуктированных перенапряжений от дальних ударов молнии

Весьма ценные осциллограммы были получены на железной дороге от удаленной на 20 км грозы (рисунки 10 - 12). В соответствии с положительной полярностью все удары молнии были идентифицированы как прямые удары в опоры контактной сети. Один из них (рисунок 11) вызвал обратное перекрытие изоляции от удара молнии в опору. Все сигналы, имели примерно одинаковую форму биэкспоненциального импульса с фронтом не более 12,5 мкс и длительностью на полувысоте около 65 мкс.

Осциллограмма, приведенная на рисунке 12, зафиксировала импульс перенапряжения, индуктированного на проводах контактной сети при ударе молнии в землю на расстоянии по прямой от точки удара до контактной сети 1 км.

При этом под электромагнитное влияние тока молнии попал больший участок контактной сети фазы «ВС», а к контактной сети фазы «АС» он нахо-

дидся сбоку. Видимо по этой причине амплитуда индуктированного перенапряжения была вдвое больше на фазе «ВС» (18 кВ), чем на фазе «АС» (9 кВ).

400,0 300,0 ф 200Д э" 100,0 о Р -1000

0 6 13 19 25 31 38 44 50 ^ мс

фаза В

еггт^....

V___^ -41

Рисунок 10 - Осциллограмма импульсных перенапряжений при прямом ударе многокомпонентной молнии в опору контактной сети

400 300 200 * 100-

-100 1---------

0 12,5 . 25,0 37,5 50,0

1; мс

Рисунок 11 - Осциллограмма импульса перенапряжения при прямом ударе многокомпонентной молнии в опору, вызвавшем перекрытие изоляции

Рисунок 12 - Индуктированные перенапряжения на проводах от удаленного на 1 км удара молнии в землю

Для проверки электрической прочности при нестандартной форме импульса напряжения были проведены испытания изоляторов трех типов: ШС -10Д, ШФ -ЮГ, ШФ -20В и изолирующей траверсы. 1Т1Н настраивался на форму волны: фронт - 3,5 ± 1 мкс, длительность на полувысоте 25 ± 5мкс.

Методом «вверх-вниз» определялось напряжение, соответствующее 50 % -ной вероятности перекрытия изолятора, и коэффициент вариации разрядного напряжения. При этой величине напряжения измерялось время до перекрытия по 30 точкам и вычислялось его среднее значение Полученные и приведенные к нормальным условиям 50%-ные напряжения и среднее значение времени до перекрытия для каждого типа изолятора сведены в таблице 2.

Таблица 2 - 50%-ные напряжения перекрытия и средние значения __времени до перекрытия___

Тип изолятора г пер. мкс 1^50%» КВ/ КваР* % и 50./., кВ, стандарта.

+ - + - + -

шс-юд 6,5 4,0 106/1,5 133 /2,1 80 80

ШФ-10Г 6,3 5,8 120/1,3 138/1,9 110 125

ШФ-20В 5,7 7,6 150/1,7 182/2,6 140 135

Изолирующая траверса 6,8 8,7 322/1,6 360/1,8 - -

На рисунке 13 приведены типичные осциллограммы напряжения, соответствующие случаям перекрытия изоляторов.

Масштабы: а - 2 В/дел по оси ординат, 5 мкс/дел по оси абсцисс;

6-2 В/дел по оси ординат, 2 мкс/дел по оси абсцисс.

Рисунок 13 - Типичные осциллограммы напряжения при перекрытии изоляторов ШС -10Д (а) и ШФ -20В (б)

Ожидалось, что увеличение длительности фронта приведет к снижению импульсной прочности изолятора, а снижение общей длительности импульса к увеличению импульсной прочности изолятора. Второй фактор, по-видимому, оказал более существенное влияние, и импульсная прочность изолятора при положительной полярности (напомним, что для индуктированных перенапряжений при ближних ударах молнии в землю характерна именно положительная полярность) увеличилась в 1,30; 1,09 и 1,07 раза для изоляторов типа ШС -10Д, ШФ - ЮГ и ШФ -20В, соответственно.

В пятой главе даны рекомендации по повышению грозоупорности воздушных линий электропередачи распределительных сетей от 6 до 10 кВ с оценкой эффективности возможных технических решений.

Выбор трассы BJI Это мероприятие осуществимо на стадии проекта-' рования будущих участков распределительной сети. При прочих равных условиях прокладка трассы ВЛ в складках местности или долинах, равно как и по лесным просекам или вблизи лесополос, между зданиями и сооружениями, значительно сократит число прямых ударов молнии в будущие участки ВЛ.

Усиление изоляции ВЛ. Для снижения числа отключений, связанных с прямыми ударами молнии в провода ВЛ, усиление изоляции, т.е. увеличение ее напряжения перекрытия при атмосферных перенапряжениях, имеет смысл, в основном, в части снижения вероятности одновременной) Перекрытия изо-

ляции на двух фазах ВЛ. Согласно расчетным данным при сопротивлении заземления опор порядка 20 Ом лишь каждый третий удар молнии приводит к этому исходу, т.е. подготавливает ситуацию к возникновению силовой дуги межфазного короткого замыкания и отключению ВЛ.

Коэффициент перехода импульсного перекрытия в силовую дугу для ПУМ мы ранее принимали равным ц = 1. Это делалось в предположении, что весь заряд молнии стекает по каналу в точку удара и ток молнии в этой стадии имеет величину около 50-100 А и длится десятые доли секунды. В реальности молнии имеют многокомпонентный характер и во многих случаях повторные разряды молнии попадают в другую точку. Поэтому даже для прямых ударов коэффициент т] должен быть меньше единицы.

Основным выигрышем от усиления изоляции является снижение вероятности отключения В Л от 6 до 10 кВ от индуктированных перенапряжений, связанных с ближними ударами молнии или при ударах в опору или в грозозащитный трос, монтируемый на подходах к РУ. При этом одновременно работают оба фактора, т.е. снижается и вероятность перекрытия изоляции на двух фазах, и снижается вероятность установления силовой дуги. Это хорошо проиллюстрировано полевыми регистрациями грозовых перенапряжений и их следствий, приведенных выше на рисунках 10 и 11, а также итоговыми расчетными оценками, приведенными в таблицах 3 и 4.

Таблица 3 - Удельное число отключений ВЛ 6 и 10 кВ от индуктированных перенапряжений, 1/100 км-100 г.ч. в безлесной зоне (оценка сверху)

Изоляция ВЛ 6кВ ВЛ 10 кВ

Л Липн Лоте ипн Л "ипн ^отк ипн

ШС-10А 0,22 50,2 11,0 0,37 57 21,1

ШС-10В 0,16 50,2 8,0 0,27 57 15,4

ШС-10Г 0,17 55,2 9,4 0,28 72,3 23,1

ШФ-10Г 0,19 46,1 8,8 0,32 61,4 19,7

ШФ-20В 0,13 28,7 3,7 0,22 38,0 8,4

ШК-10 0,21 41,8 8,8 0,35 53,2 18,6

Ж 70/10 0,23 43,0 9,9 0,38 57 21,7

Изолир. траверса 0,04 11,4 0,5 0,07 15,2 и

Самым простым вариантом усиления изоляции на ВЛ от 6 до 10 кВ, является замена изоляторов ШС-10, ШФ-10 на изоляторы ШФ-20. В этом варианте грозоупорность ВЛ от 6 до 10 кВ по сравнению с худшим вариантом (изоляторы ШС-10А или ШС-10Г) увеличивается в 1,6 и 1,8 раза. Опыт

эксплуатации в некоторых сетевых предприятиях показал эффективность данного мероприятия. Существует также несколько более хлопотный и менее выигрышный вариант перехода на подвесные полимерные изоляторы Ж 70/10- II УХЛ1, которые только что прошли сертификационные испытания на опытном производстве СибНИИЭ и выпускаются в значительном количестве для северных районов Сибири. Их напряжение перекрытия на стандартном грозовом импульсе составляет 120 кВ. Однако, их недостаточно большая изоляционная длина (200 мм) не очень сильно снижает вероятность перехода в дугу. Поэтому выигрыш в грозоупорности невелик тоже.

Таблица 4 - Удельное число отключений ВЛ 6 и 10 кВ, 1/100 км-100 г.ч. в безлесной зоне (оценка сверху)

Изоляция ВЛбкВ ВЛМкВ

Л^ОТК ПУМ Л'отк ипн Л'опс пум Л<отк ипн

ШС-10А 13,0 11,0 17,3 21,1

ШС-10В 13,0 8,0 17,3 15,4

ШС-10Г 13,9 9,4 18,5 23,1

ШФ-10Г 12,2 8,8 16,2 19,7

ШФ-20В 11,4 3,7 15,2 8,4

ШК-10 11,8 . 8,8 15,7 18,6

Ж 70/10 12,4 9,9 16,5 21,7

Изолир. траверса 3,6 0,5 4,3 1,1

Наконец, при реконструкции действующих или строительстве новых ВЛ от 6 до 10 кВ можно рекомендовать к применению изолирующие траверсы, которые практически исключат перекрытия и, тем более, отключения, связанные с воздействиями индуктированных перенапряжений. Изолирующие траверсы могут быть выполнены из электроизоляционного бетона или с применением полимерных изоляторов. Изолирующие траверсы эффективны не только в повышении грозоупорности. Они кардинально решают экологическую проблему, предотвращая гибель птиц, нередко попадающих под напряжение, когда они садятся на металлические траверсы и касаются провода ВЛ от 6 от 10 кВ. Эффективными остаются и деревянные траверсы.

Применение защитных аппаратов. Современный этап эксплуатации сетей характеризуется окончательным переходом от вентильных и трубчатых разрядников к ОГГН на основе оксидно-цинковых варисторов.

Для установки на подстанциях ОПН практически не имеют альтернативы. Подвесные ОПН, предназначенные для установки непосредственно на

опорах ВЛ, на российском рынке еще редкость. На данном этапе, более рационально использовать консольную установку ОПН на опорах. При этом ОПН, практически не отличаются от подстанционных, но, как правило, имеют сниженную удельную поглощаемую энергию, т.к. «работают параллельно» с ОПН на соседних и более дальних опорах. Разумеется, при выборе уровня ограничения и пропускной способности ОПН следует учитывать возможность их работы при длительном существовании однофазных дуговых ' замыканий на землю.

Для установки на ВЛ представляются очень перспективными также и длинно-искровые разрядники РДИ10-ИТ.

Заключение

Предлагаем некоторые методы повышения надежности распределительных сетей:

1. На действующих В Л от 6 до 10 кВ рекомендуется усилить изоляцию, заменив изоляторы ШС-10 и ШФ-10 на изоляторы ШФ-20. При реконструкции действующих или строительстве новых ВЛ предпочтительно использовать изолирующие траверсы (деревянные, из полимерных изоляторов или из изоляционного бетона).

2. На защищенных подходах вместо трубчатых разрядников по концам участка рекомендуется установить ОПН с пропускной способностью по току не менее 30 кА и по энергии — не менее 5 кДж/кВ.

3. Допустима также установка по краям защищенного подхода вместо трубчатых" разрядников длинно-искровых разрядников. Предпочтительный тип разрядника РДИ 10-ИТ. Вольт-секундная характеристика разрядника должна лежать ниже вольт-секундной характеристики гирлянды изоляторов.

Основные результаты, полученные в диссертационной работе, изложены в следующих публикациях:

1. Малышева, Е.П. Исследование перехода импульсного перекрытия изоляторов ВЛ 6...10 кВ в силовую дугу [Текст] / Е.П. Малышева, Д.А. Голдобин, А Г. Овсянников //Актуальные проблемы техники и электрофизики высоких напряжений: науч. вестник /Новосиб. госуд. техн. ун-т. - Новосибирск, 1998. -№2(5).-С. 85-100.

2. Малышева, Е.П. Исследование перехода импульсного перекрытия изоляторов ВЛ б'. .10 кВ в силовую дугу [Текст] / Е.П. Малышева, А.Г. Овсянни- ' ков // «ИЗОЛЯЦИЯ- 99»: тр. междун. науч.-техн. конф.; Санкт-Петербург, 1518 июня 1999 г. - Санкт-Петербург, 1999. - С. 144 - 145.

3. Малышева, Е.П. Возможности сокращения вырубки леса под воздушные линии электропередачи в контексте проблемы грозопоражаемости ВЛ [Текст]

/ Е.П. Малышева, A.C. Гайворонский // Экологически перспективные системы и технологии: сб. науч. тр./ НГТУ - Новосибирск; 1999. - Вып. 3 - С. 30 -38.

4. Малышева, Е.П. Грозопоражаемость BJI, проходящих по лесным массивам [Текст] / Е.П. Малышева, A.C. Гайворонский // Энергетика: экология, надежность, безопасность: тр. 5-й всерос. науч.-техн. конф. 19-21 декабря 1999 г./ ТПУ - Томск; 1999-С. 166- 168.

5. Малышева, Е.П. Calculation of 10 kV overhead transmission lines failures caused by induced overvoltages [Текст] // Е.П. Малышева // Современные техника и технология: тр. 6-й междун. науч.-техн. конф. февраль 2000 г./ ТГТУ -Томск; 2000.-С. 128-129.

6. Малышева, Е.П. Регистрация грозовых и коммутационных перенапряжений в контактной сети 27,5 кВ [Текст] / Е.П. Малышева, А.Г. Овсянников; отв. ред. В.З. Манусов. // Электроэнергетика: сб. науч. тр./ НГТУ - Новосибирск; 2000. - С. 133-141.

7. Малышева, Е.П. Расчет удельного годового числа перекрытий изоляции BJ1 10 кВ от индуктированных перенапряжений [Текст] / Е.П. Малышева; отв. ред. В.З. Манусов // Электроэнергетика: сб. науч. тр./ НГТУ - Новосибирск; 2000. - С. 121 - 122.

Подписано в печать марта 2006 г. с оригинал макета. Бумага офсетная № 1, формат 60x84 1/16, печать Я|50. Усл. печ. л. 1,0 тираж 100 экз., заказ № 74 _.

ФГОУ ВПО "Новосибирская государственная академия водного транспорта" (ФГОУ ВПО "НГАВТ") 639099 Новосибирск, ул. Щетинкина, 33

Лицензия ЛП № 021257 от 27.11.1997

Отпечатано в отделе оформления ФГОУ ВПО "НГАВТ"

А

Г

í

'J

\

»

Введение

1 Грозоупорность воздушных линий электропередачи 10 кВ

1.1 Объект исследований

1.2 Общая характеристика грозовых воздействий

1.3 Индуктированные перенапряжения

1.4 Обзор исследований коэффициента перехода импульсного пере- 32 крытия в силовую дугу

1.5 Влияние коэффициента перехода импульсного перекрытия в ду- 37 говое замыкание на показатель грозоупорности ВЛ средних и высших классов напряжения (по материалам РУ НИИПТ)

1.6 Постановка задач исследования

2 Экспериментальные исследования перехода импульсного перекрытия в силовую дугу для ВЛ от 6 до 10 кВ

2.1 Описание экспериментальной установки

2.2 Методика испытаний и измерений

2.3 Результаты экспериментальных исследований

2.4 Обсуждение результатов эксперимента

2.5 Выводы

3 Численное моделирование прямых ударов молнии в ВЛ 10 кВ, в том числе с лесными участками

3.1 Характеристика грозопоражаемости ВЛ, проходящих по лесным 79 массивам

3.2 Методика численного расчета грозопоражаемости В Л, основан- 84 ная на модели ориентировки лидера молнии

3.3 Проведение численных экспериментов на ЭВМ

3.4 Результаты численных экспериментов и их обсуждение

3.5 Выводы

4 Экспериментальное исследование индуктированных перенапряжений и электрической прочности изоляции

4.1 Регистрация индуктированных перенапряжений

4.2 Экспериментальное исследование прочности штыревых изоля- 116 торов при воздействии напряжения нестандартной формы

4.3 Выводы

5 Рекомендации по повышению грозоупорности распределитель- 121 ных сетей

Перерывы электроснабжения потребителей происходят, в основном, при отказах распределительных сетей до 76 - 88 %. Из общего числа отключений и повреждений воздушных линий (BJT) около половины связаны с атмосферными перенапряжениями. Поэтому повышение грозоупорности распределительных сетей является актуальной задачей. Ее решением занимались многие научные коллективы и специалисты: Д. В. Разевиг, А. С. Майкопар, Э.М. Базелян, H.H. Тиходеев, А.Н. Новикова, Г.В. Подпоркин, Ф.Х. Халилов, A.A. Дульзон, Ф.А. Гиндуллин, М.В. Костенко, К.П. Кадомская, И.А. Ефремов и др. Некоторыми итогами проведенных ими исследований можно считать выпуск руководящих документов по молниезащите BJT, зданий и сооружений.

Грозоупорность BJI, под которой понимается удельное число отключений на 100 км длины и 100 грозовых часов, определяется двумя группами перенапряжений, связанными с прямыми ударами молнии (ПУМ) в BJI и индуктированными перенапряжениями (ИПН). Переход к дуговой форме разряда одновременно на двух, трех изоляторах приводит к межфазному короткому замыканию и отключению BJ1, что непосредственно влияет на грозоупорность BJ1. С другой стороны, повреждения изоляторов, траверс, опор и проводов также в большинстве случаев определяется фактом горения силовой дуги при межфазных замыканиях или длительном воздействием перемежающейся дуги емкостного тока при однофазном замыкании. Повреждения элементов BJ1 требуют их выявления и замены или ремонта, что резко увеличивает длительность перерывов в энергоснабжении. Таким образом, для корректной оценки грозоупорности BJ1 10 кВ требуется, возможно, более полная информация о процессе перекрытия и последующего перехода импульсного перекрытия в дугу.

Следует отметить, что за исключением отдельных косвенно-оценочного характера работ (работы А. С. Майкопара и М. Darveniza 60- х годов прошлого века) проблема установления силовой дуги практически не исследовалась. Это связано со сложностью экспериментальных исследований и испытаний. В них необходимо согласовывать воздействие импульсного напряжения с амплитудой более 100 кВ с сопровождающим импульсным током до 0,5 - 2 кА при имитации индуктированных и порядка 30 кА - для прямых ударов молнии и переменного напряжения от 6 до 20 кВ и тока (до сотен ампер). При этом требуется вариация сочетаний величин напряжений и токов, фазовых моментов перекрытия, типов наиболее распространенных в настоящее время линейных изоляторов, а также конструктивных особенностей опор (деревянные, железобетонные), приводящих к изменению дугогасящих свойств.

Следовательно, имеющиеся данные позволяют лишь приближенно оценить величину коэффициента перехода импульсного перекрытия в дугу. Кроме того, остаются неясными перспективы снижения этого коэффициента, а, следовательно, и повышения грозоупорности и надежности работы ВЛ в целом.

В связи с изложенным тема диссертации является актуальной.

Работа выполнялась в соответствии с научными направлениями исследовательского комитета В2 (22) СИГРЭ «Воздушные линии электропередачи», с отраслевой научно-технической программой 04 "Электротехническое оборудование подстанций и электрических сетей" РАО «ЕЭС России» и сводной программой НИОКР ОЭС «Сибирьэнерго», раздел 5 <1 «Электроэнергетика».

Цель работы состояла в разработке мероприятий, направленных на повышение грозоупорности В Л от 6 до 10 кВ, как наиболее распространенных в распределительных сетях и узлах нагрузки.

Идея работы. Для достижения поставленной цели автор использовал две возможности. Для снижения числа отключений, связанных с ПУМ практически единственной возможностью является использование экранирующего эффекта леса (лесополос). Для исключения перекрытий изоляции при воздействии индуктированных перенапряжений наиболее кардинальной мерой является * усиление изоляции. При этом достигается двойной эффект: при усилении изоляции снижается вероятность перекрытия и снижается вероятность перехода импульсного перекрытия линейных изоляторов при грозовых воздействиях в силовую дугу промышленной частоты.

Методы исследования заключаются в анализе опыта эксплуатации BJI от 6 до 10 кВ, физическом и математическом моделировании процессов грозового отключения BJI, проведении лабораторных испытаний и полевых регистраций, обработки результатов с применением методов математической статистики и теории вероятностей, интегрального исчисления, теоретических основ электротехники и физики газоразрядных процессов. Использованы методы компьютерного моделирования с применением программы «LIGHTNING».

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и ^ рекомендаций подтверждаются: корректным выбором исходных посылок, вытекающих из опыта эксплуатации и физической картины явлений; удовлетворительным совпадением результатов теоретических исследований с результатами экспериментов. Испытания и измерения проводились на аттестованном оборудовании высоковольтного испытательного комплекса СибНИИЭ в соответствии с требованиями ГОСТ 1516.2 -97, стандартов МЭК и других нормативных документов. Оценки чувствительности и погрешностей измерений были выполнены с запасом по отношению к возможным ошибкам, ф Научная новизна работы характеризуется следующими новыми научными положениями: о Численными экспериментами с применением модели, учитывающей индуктированные перенапряжения, установлено, что в общем числе грозовых отключений типовых BJI от 6 до 10 кВ с железобетонными и металлическими опорами до 70 % составляют отключения, связанные с воздействиями индуктированных перенапряжений, о Показано, что вероятность перехода импульсного перекрытия межфазной изоляции больше в случае, когда межфазное замыкание происходит на • соседних опорах по сравнению с замыканием на одной опоре. о В экспериментах при напряжении 6,3 кВ с изоляторами ШС-10А, ШФ-10В,

ШФ-20В, ШК-10, получено, что коэффициент перехода импульсного перекрытия в дугу не зависит от материала изоляторов (фарфор, стекло и кремнийорганическая резина) и материала проводов (медь, сталь и алюминий). о Впервые зарегистрирован импульс индуктированного перенапряжения в контактной сети железной дороги при ударе молнии на расстоянии 1 км от линии. Форма импульса строго симметрична в виде «колокола» с длительностью фронта около 10 мкс и длительностью на полувысоте около 25 мкс. Для прямых ударов молнии была зарегистрирована форма биэкспоненциального импульса с фронтом не более 12,5 мкс и длительностью на полувысоте около 65 мкс.

Практическая ценность работы. Предложенные в работе мероприятия позволяют практически исключить перекрытия изоляции от индуктированных перенапряжений и, тем самым, повысить грозоупорность ВЛ от 6 до 10 кВ почти вдвое.

Реализация работы. Разработанные в диссертации научные положения (численные расчеты грозоупорности В Л 10 кВ, рекомендации по усилению изоляции, рекомендации по использованию коэффициентов перехода 4 импульсного перекрытия в дугу) используются в Горно-Алтайском предприятии электрических сетей ОАО «Алтайэнерго», в службе электроснабжения и электрификации Западно-Сибирской железной дороги и ЗАО ВНПО «РОСЛЭП». Годовой экономический эффект составляет 238 тыс. руб.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены:

• на международной конференции «ИЗОЛЯЦИЯ- 99» (15-18 июня, 1999, Санкт-петербургский государственный технический университет); * • на пятой Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (19-21 декабря, 1999, Томск, ТПУ);

• на шестой международной конференции «Современные техника и технология» (февраль 2000, Томск, ТПУ);

• на научных семинарах СибНИИЭ и конференциях молодых ученых НГТУ.

На защиту выносятся:

Математическая модель нисходящего лидера молнии и встречных разрядов с введенным блоком моделирования лесной просеки.

Результаты численных экспериментов по указанной модели: о удельное число грозовых отключений увеличивается при увеличении ширины просеки от 0 до 30 м примерно в 8 - 10, а в открытой зоне - в 20 раз; о законы распределения амплитуд токов молнии для ударов в линию и ударов в землю незначительно отличаются от исходного логарифмически - нормального распределения, но средний ток для ударов в землю (~ 27 кА) несколько меньше, а для ударов в линию (~ 35 кА) несколько больше, чем для исходного распределения; о в общем числе грозовых отключений типовых В Л от 6 до 10 кВ с железобетонными и металлическими опорами до 70 % составляют отключения, связанные с воздействиями индуктированных перенапряжений.

Различие коэффициента перехода импульсного перекрытия в силовую дугу в зависимости от характера тока межфазного замыкания для случаев перекрытия изоляции двух фаз на одной и разных опорах.

Новые опытные данные по коэффициентам перехода импульсного перекрытия в дугу, по форме реальных грозовых перенапряжений и прочности типовых изоляторов В Л от 6 до 10 кВ при форме волны, приближенной к индуктированным перенапряжениям.

Публикации. По основным результатам выполненных научных исследований опубликовано 7 научных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и трех приложений. Изложена на 163 страницах машинописного текста, содержащего 76 рисунков и 10 таблиц, а также список использованных литературы из 50 наименований.

Выводы

1. На действующих ВЛ от 6 до 10 кВ рекомендуется усилить изоляцию, заменив изоляторы ШС-10 и ШФ-10 на изоляторы ШФ-20. При реконструкции действующих или строительстве новых ВЛ предпочтительно использовать изолирующие траверсы (деревянные, из полимерных изоляторов или из изоляционного бетона).

2. На защищенных подходах вместо трубчатых разрядников по концам участка рекомендуется установить ОПН с пропускной способностью по току не менее 30 кА и по энергии - не менее 5 кДж/кВ.

3. Допустима также установка по краям защищенного похода вместо РТ длинно-искровых разрядников. Предпочтительный тип разрядника РДИ 10-ИТ. При заказе РДИ необходимо потребовать от производителя вольт-секундную характеристику разрядника. Она должна быть определена при воздействии стандартного грозового импульса при предразрядном времени от 2 до 20 мкс и лежать ниже вольт-секундной характеристики гирлянды изоляторов.

Заключение

Предлагаем некоторые методы повышения надежности распределительных сетей:

1. На действующих ВЛ от 6 до 10 кВ рекомендуется усилить изоляцию, заменив изоляторы ШС-10 и ШФ-10 на изоляторы ШФ-20. При реконструкции действующих или строительстве новых ВЛ предпочтительно использовать изолирующие траверсы (деревянные, из полимерных изоляторов или из изоляционного бетона).

2. На защищенных подходах вместо трубчатых разрядников по концам участка рекомендуется установить ОПН с пропускной способностью по току не менее 30 кА и по энергии - не менее 5 кДж/кВ.

3. Допустима также установка по краям защищенного похода вместо РТ длинно-искровых разрядников. Предпочтительный тип разрядника РДИ 10 -ИТ. Вольт-секундная характеристика разрядника должна лежать ниже вольт-секундной характеристики гирлянды изоляторов.

1. Справочник по электрофизическим установкам высокого напряжения Текст. / С. А. Бажанов [и др.]; под ред. И. А. Баумштейна и М.В. Хомякова. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1981.-656 с.

2. Абрамов, В.Д. Эксплуатация изоляторов высокого напряжения Текст. / В.Д. Абрамов, М.В. Хомяков. М.: Энергия, 1976. - 264 с.

3. Lee, R. Е. Prevention of covered conductor breakdown on distribution circuit arcing protection devices Текст. / R. E. Lee [et. al.] // IEEE Trans, on PAS. - August 1982. - vol. 101. - P. 2434 - 2438.

4. Шаманов, Д.В. Самонесущие изолированные провода. Преимущества четырехпроводной системы Текст. / Д.В. Шаманов // Новости электротехники: информ.-справ. изд. / Гл. ред. B.C. Журавлев.-СПб., 2004.-№5(29).-С.82-83.

5. Chubu Electric Utilizes Current Limiting Arcing Horn to Prevent Insulated Conductor Burn Down on Distribution System Текст.: Insulator News & Market Report. July/August 1998. - vol. 6. - № 4. - P. 7 - 11.

6. Washino, M. Development of Current Limiting Arcing Horn for Prevention of Lightning Faults on Distribution Lines Текст. / M. Washino, A. Fukuyama, K. Kito, K. Kato // IEEE Transactions on Power Delivery. -January 1988.-vol. 3.-№l.-P. 138- 152.

7. Кадомская, К.П. Перенапряжения в электрических сетях различного назначения и защита от них Текст.: учебник. / К.П. Кадомская, Ю.А. Лавров, А.А. Рейхердт. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. - 368 с.

8. Юман, М. Молния Текст. / М. Юман; перевод с англ. С.И. Кирилловой; под ред. Н.В. Красногорской. -М.: Мир, 1972. 327 с.

9. Техника высоких напряжений Текст.: учебник. / Л.Ф. Дмоховская [и др.]; под ред. Д.В. Разевига. М.: Энергия, 1976. - 488 с.

10. Перенапряжения и молниезащита Текст.: учеб. пособие / С.В. Горелов [и др.]; под ред. В.П. Горелова. 3-е изд., дополн. -Новосибирск: Новосиб. гос. акад. вод. трансп., 2003. - 251 с.

11. Костенко, М.В. Перенапряжения и защита от них в воздушных и кабельных электропередачах высокого напряжения Текст. / М.В. Костенко, К.П. Кадомская, М.Л. Левинштейн, И.А. Ефремов: Монография. -Л: Наука, 1998. 302 с.

12. Nucci, С.А. Lightning-induced overvoltages Текст. / С.A. Nucci, F. Rachidi // Distribution Lightning Protection: IEEE Transactions and Distribution Conference. 14 April 1999. - New Orleans, 1999. - P. 135 -140.

13. Rachidi, F. Influence of a lossy ground on lightning-induced voltages on overhead lines Текст. / F. Rachidi, C.A. Nucci, M. Ianoz, C. Mazzetti //

14. EE Trans, on Electromagnetic Compatibility. August 1996. - vol. 38. -№3. - P. 250-264.

15. Nucci, C.A. Lightning-induced voltages on overhead power lines Текст. / C.A. Nucci // Coupling models for the evaluation of the induced voltages: Electra. October 1995. - №162. - P. 121 - 145.

16. De la Rosa, F. Discussion about the inducing effects of lightning in an experimental power distribution line in Mexico Текст. / F. De la Rosa, R. Valdiviva, H. Pérez, J. Loza // IEEE Trans, on PWDR. July 1988. - vol. 3. -№3. - P. 1080-1089.

17. Chowdhuri, P. Estimation of flashover rates of overhead power distribution lines by lighting strokes to nearby ground Текст. / P. Chowdhuri // IEEE Transactions on PWDR. July 1989. - vol. 4. - №3. - P. 1982- 1988.

18. Calculating the lightning performance of distribution lines Текст.: IEEE Trans, on Power Delivery / IEEE WG on the Lightning performance of distribution lines. July 1990. - vol. 5. - №3. - P. 1408 - 1417.

19. Разевиг, Д. В. Атмосферные перенапряжения на линиях электропередачи Текст. / Д.В. Разевиг M.- JL: Госэнергоиздат, 1959.213 с.

20. Гиндуллин, Ф. А. Перенапряжения в сетях 6-35 кВ Текст. / Ф.А. Гиндуллин, В.Г. Гольдштейн, А.А. Дульзон, Ф.Х. Халилов М.: Энергоатомиздат, 1989. - 192 с.

21. Текст. / F. De la Rosa, S. Lundqwist // Int. Conf. on Lightning and Power Systems. 5-7 June 1984. - London, New York: The Institution, 1984. - P. 52-56.

22. Кадомская, К. П. Методика определения закона распределения индуктированных перенапряжений Текст. / К.П. Кадомская // Известия ВУЗов. Серия: «Энергетика». 1991, №9. - С. 40- 45.

23. Майкопар, А. С. Дуговые замыкания на линиях электропередачи Текст. /А.С. Майкопар.- М.- JL: Энергия, 1965. 200 с.

24. Bellaschi, P. Wood pole line insulation test Текст. / P. Bellaschi // El. Eng. 1947.-№7.-P. 128- 135.

25. Руководящие указания по защите от внутренних и грозовых перенапряжений сетей 3- 750 кВ (проект) Текст.: Труды НИИПТ. -вып. 21- 22. Л.: Энергия, 1975. - 360 с.

26. Darveniza, М. Line Design and electrical properties of Wood Текст. / M. Darveniza, G. J. Limbourn, S. A. Prentice // IEEE Trans. On PAS. -November 1967. vol. 86. - P. 1344 - 1356.

27. Сантоцкий, В.Г. Вероятность грозовых отключений В Л 10 кВ на железобетонных опорах Текст. / В.Г. Сантоцкий, С.А. Соколовский, В.Н. Козюра // Энергетическое строительство. 1989. - №11 - С. 52 -53.

28. Малышева, Е.П. Исследование перехода импульсного перекрытия изоляторов ВЛ 6.10 кВ в силовую дугу Текст. / Е.П. Малышева, Д.А.

29. Голдобин, А.Г. Овсянников // Актуальные проблемы техники иэлектрофизики высоких напряжений: науч. вестник / Новосиб. госуд. техн. ун-т. Новосибирск, 1998. -№ 2 (5) - С. 85 - 100.

30. Руководство по защите электрических сетей 6-1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений Текст. / под науч. ред. Н.Н. Тиходеева. 2-ое изд., перераб. и доп. - СПб.: ПЭИПК Минтоэнерго РФ, 1999.-353 с.

31. Правила устройства электроустановок. Разд.2 Передача электроэнергии: гл.2.4, 2.5 Текст.: утв. М-вом энергетики Рос. Федерации 20.05.03: ввод. В действие с 01.10.03. М.: ЭНАС, 2003. - 7-е изд. - Вып.З - 160 с.

32. Зевин, A.A. Современные возможности сокращения вырубки леса под воздушные линии электропередачи Текст. / A.A. Зевин, J1.E. Кузнецова // Известия академии наук. Серия: Энергетика. 1997. - № 1. - С. 137 — 154.

33. Малышева, Е.П. Грозопоражаемость BJ1, проходящих по лесным массивам Текст. / Е.П. Малышева, A.C. Гайворонский // Энергетика: экология, надежность, безопасность: тр. 5-й всерос. науч.-техн. конф. 19-21 декабря 1999 г., Томск: ТПУ, 1999-С. 166- 168.

34. Anderson, K.B. Lightning parameters for engineering application Текст. / K.B. Anderson, A.J. Erikson // Electra. 1980. - №69. - P. 65 - 102.

35. Техника высоких напряжений устройств электрической тяги Текст.: учебник. / В.Д. Радченко. М.: Транспорт, 1975. - 360 с.

36. Малышева, Е.П. Регистрация грозовых и коммутационных перенапряжений в контактной сети 27,5 кВ Текст. / Е.П. Малышева, А.Г. Овсянников; отв. ред. В.З. Манусов. // Электроэнергетика: Сб. научных трудов Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000. - С. 133 - 141.

37. Потужный, А.К. Затухание волн очень высокого напряжения в 110 кВ линии электропередачи Текст. / А.К. Потужный, С.М. Фертик // Электричество. 1946. - №6. - С. 52 - 57.

38. ГОСТ 1516.2 97. Электрооборудование и электроустановки переменного тока на напряжение 3 кВ и выше. Общие методы испытаний электрической прочности изоляции Текст. - Взамен ГОСТ 1516.2 - 76; введ. 1999 -01 -01. - М.: Изд-во стандартов, 1998. - 35 с.

39. Малышева, Е.П. Calculation of 10 kV overhead transmission lines failures caused by induced overvoltages Текст. / Е.П. Малышева // Современные техника и технология: тр. 6-й междун. нач.-техн. конф. февраль 2000 г., Томск: ТГТУ, 2000. С. 128.

40. Малышева, Е.П. Расчет удельного годового числа перекрытий изоляции BJI 10 кВ от индуктированных перенапряжений Текст./ Е.П. Малышева; отв. ред. В.З. Манусов. // Электроэнергетика: Сб. научных тр. / Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000. - С. 121 - 122.

41. Gaivoronsky, A.S. Numerical model of lightning leader orientation on transmission line Текст. / A.S. Gaivoronsky, K.V. Karasyuk // Proc. 8th Internat. Symposium on High Voltage Engineering. Japan, Iokohama, 1993.-P. 277-280.

42. Трифонов, Ю.И. Новое высоковольтное оборудование для энергетических объектов Текст. / Ю.И. Трифонов // Электро: произв,-техн. журнал / Гл. ред. Никитин О.А.-М., 2001. №1. - С. 4 -7.