автореферат диссертации по энергетике, 05.14.12, диссертация на тему:Разработка мероприятий по снижению аварийности линий 1150 кВ из-за ударов молнии

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Для служебного пользования Эк-j.N

На правах рукописи

НИКИТИН Олег Александрович

РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИЙ ПО СНИЖЕНИЮ АВАРИЙНОСТИ ЛИНИЙ 1150 кВ ИЗ-ЗА УДАРОВ МОЛНИИ

Специальность 05.14.12 - Техника высоких напряжений

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

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -1995 г.

) /

/ 1 - /

Работа выполнена в Акционерном обществе "Дальние электропередачи* и на кафедре техники и электрофизики высоких напряжений Московского энергетического института (технического университета)

Научный руководитель - член-корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор Льяков А.Ф.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Халилов Ф.Х. кандидат технических наук, Комаров А.К.

Ведущая организация - Казахэнерго

! О (0 ~~~

Защита состоится_!—1_^"у_[995 г. в _— часов на засе-

дании Диссертационного совета К. 053. 16.07 московского энергетического института по адресу: г.Москва, Красноказарменная 14, Ученый совет нэп. ¿г

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

</ ? -С/САяТа

Диссертация в виде научного доклада разослана --!-

отзывы на диссертацию в виде научного доклада в двух экземпляра*, заверенные печатью, просим направлять по адресу.- 105835, ГСП, Москва, Е-250, Красноказарменная 14, ученый совет МЭИ.

Ученый секретарь диссертационного совета К 053.16.07

К.Т.П., С.Н.С. ТАРАСОВА Т.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Надежная работа линий электропередачи по-прежнему остается одним из основ-х условий бесперебойного снабжения потребителей электроэнергией. В особенности i относится к линиям 1150 кВ, которые являются уникальными сооружениями как с |ки зрения оборудования и условий работы, так и в отношении выполняемых функций l межсистемных связей.

Целью работы является установление основных причин аварийного отключения шй 1150 кВ и научное обоснование комплекса мероприятий по повышению надеж-гги их функционирования.

В связи с этим в первой части работы обобщены эксплуатационные данные, от-:ящиеся не только к отключению линий 1150 кВ, но и линий классов напряжения 500 и 750 кВ, что позволило установить устойчивые тенденции по видам аварий и вос-шить относительно небольшой опыт эксплуатации линий 1150 кВ.

Установлено, что преимущественной причиной выхода линии 1150 кВ из работы ¡яются грозовые отключения, составляющие 94 % от общего числа и 80 % от коли-тва устойчивых отключений.

Проведенные исследования показали определяющую роль прорывов молнии через >совую защиту преимущественно в связи с недостаточной молниезащитой фазных зводов иа анкерно-угловых опорах. Оценка эффективности предлагаемых дополни-ъных мер защиты анкерного узла потребовала разработки специальной методики. В зи со сложной конструкцией анкерного узла единственно приемлемым подходом для пения указанной задачи мог быть подход, базирующийся на физических представле-IX о поражении объекта молнией за счет развития встречного лидера с объекта.

Наряду с рекомендациями по дополнительным мерам защиты анкерно-углового а уделено внимание влиянию раскачивания проводов в пролете при ударах молнии [изи линии на вероятность прорыва молнии через тросовую защиту. В связи с воз-жным влиянием раскачивания проводов, а также по другим соображениям, целесооб-но использование отрицательных углов подвески тросов. При этом необходимо было 'нить ухудшение молниезащиты проводов средней фазы.

Новые возможности в исследовании молниезащиты открывает использование ис-ственных заряженных аэрозольных образований (ЗАО). Разряды с ЗАО в модель ли-I, несмотря на то, что не удается выдержать требуемые масштабы моделирования, воляют качественно исследовать процесс поражения линии и в отдельных случаях гучить новые количественные данные, как например, по зонам защиты молниеотводов. 1годаря использованию ЗАО удалось экспериментально наблюдать раскачивание про-:ов и тросов при ударах молнии вблизи линии.

Анализ молниезащиты линий 1150 кВ и линий класса напряжения 750 кВ и 500 кВ ;азывает, что для повышения достоверности оценки степени грозоупорности линий Н целесообразна организация системы регистрации разрядов молнии в линию и изи нее.

Обобщение в представленном докладе близких по тематике опубликованных работ залось возможным благодаря тому, что деятельность автора самым тесным образом ia связана с созданием, пуском и эксплуатацией такого уникального сооружения как

линия 1150 кВ длиной 1900 хм, с решением проблемы снижения аварийности и повыш кия надежности работы этой линии.

Научная новизна основных положений представленной в докладе совокупное

работ:

1. На основании анализа эксплуатационных данных об аварийности линий СВН УВН установлено увеличение доли аварий за счет ударов молнии в линии и показа] определяющая роль этой доли для линий 1150 кВ. Аварии происходят благодаря npopi вам молнии через тросовую защиту.

2. Показано, что наиболее достоверным средством оценки эффективности рг личных средств молниезащиты является расчетная методика оценки вероятности пор жения фазных проводов линии, базирующаяся на физических процессах поражен молнией наземных объектов. Внесены уточнения в методику, связанные с учетом влиян короны, возникающей на проводах и тросах.

3. В результате анализа молниезащищенности различных элементов линии 1150 ; установлено, что наиболее поражаемым элементом являются анкерно-угловые опор Произведена оценка эффективности различных дополнительных средств молниезащи анкерного удоа и выбран вариант для реализации.

4. Показана расчетным путем н подтверждена экспериментально на моделях в< можность раскачивания проводов при ударе молнии в тросы и вблизи линии электрог редачи. Подтверждена целесообразность использования отрицательных углов подвес тросов для уменьшения негативных последствий влияния раскачивания проводов.

5. Показана возможность использования искусственных заряженных аэрозольн облаков для оценки эффективности устройств молниезащиты ЛЭП на моделях. Выявле несоответствие зон защиты, определенных традиционным способом и с помощью ЗАО

6. Предложен комплекс мероприятий по организации системы регистрации t тенсивности и параметров грозовых разрядов вблизи линии и ударов молнии в нее.

Практическая значимость:

1. Установлена основная причина аварийного отключения линии 1150 кВ - прор вы молнии сквозь тросовую защиту.

2. Предложен комплекс мероприятий по повышению грозоупорности линии 1 кВ, в том числе дополнительная тросовая перемычка на анкерно-угловых опорах, зам< сдвоенного троса на одинарный, обоснована целесообразность перехода на отрицате ный угол защиты тросами.

3. Методика оценки эффективности молниезащиты может бьггь использована > ЛЭП других классов напряжения.

4. Показана целесообразность и перспективность дальнейшего расширения п] менения заряженных аэрозольных образований для решения практических задач Mi ниезащиты.

5. Определены пути технического решения проблемы текущей регистрации уда] молнии в линию и вблизи нее.

Апробация работы

Материалы, вошедшие в диссертацию, доложены на:

1. 21-ой Международной конференции по молниезашите (Берлин, 1993 г.);

2. Семинаре Высшей технической школы г.Циттау (1991 г.);

3. Научной конференции "Проблемы электротехники" (Новосибирск, 1993 г.);

4. Семинарах ПО ДЭП и кафедры ТЭВН МЭИ.

Обобщенные в докладе работы проводились при непосредственном участии автора илективом научных сотрудников кафедры ТЭВН МЭИ, ПО ДЭП, НИИПТ, КирНИОЭ. чный вклад автора заключается в анализе причин аварий ЛЭП 500 кВ - 1150 кВ, в усо-зшенствовании методики определения вероятности прорыва молнии за счет учета ияния короны, в обосновании конкретных мер улучшения молниезащиты, в предло-нии и обосновании использования ЗАО для исследования молниезащиты, в постановке учных вопросов, связанных с влиянием раскачивания проводов и повреждения тросов и ударах молнии и личного участия в проведении экспериментов, выполнении расчетов скачивания проводов при ударах молнии и принципиальном обосновании схемы ре-страции разрядов молнии.

Внедрение результатов

Конкретные рекомендации по дополнительным мерам молниезащиты анкерно-повых опор линии 1150 кВ внедрены на Казэнерго, и на линии 750 кВ в Белглавэнерго.

1. АНАЛИЗ ОПЫТА ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ СВН И УВН

1.1. Анализ причин аварий на линиях 500 - 1150 кВ

Накопление опыта эксплуатации таких важных для нормального функционирова-1я хозяйства страны сооружений какими являются линии СВН и УВН имеет первосте-:нное значение для дальнейшего повышения надежности их работы. Особенно это !нно для ЛЭП 750 кВ и в еще большей мере 1150 кВ, поскольку освоение этих классов (пряжения произошло сравнительно недавно.

Таблица 1

Удельная повреждаемость линий 500 - 1150 кВ по годам наблюдения з - 1/(100 км * год)) (числитель - по общему числу отключений, зна-гнатель - по устойчивым отключениям)

Год 1985 1988 1990 1992

и,MB 0,50 0,75 1,15 0,50 0,75 1,15 0,50 0,75 1 ,15 0,50 0,75 1,15

Цл.ЛИН гыс.км 6,2 1,08 0,9 1,19 1,94 1,91 7,55 2 ,41 1,91 7,66 2,41 0,51

р 0,45 0,15 0,28 0,19 0 0 0,72 0,20 0,26 0 0, 1 0,05 0,52 0,16 0,33 0,21 0,38 0,11 0,25 0,09 0,04 0,04 0,2 0

Р^Рср Рср 0,21 0,28 0,36 0,91 1,0 1,0 0,25 0,03 0, 26 1,0 0,31 0,11 0,09 0,20 0,60 1,17 1,64 1,33 0,56 0,55 0,8 0,58 0,39 1,00

В результате целенаправленной деятельности по регистрации и анализу повреж-ений начиная с 1985 г. накоплен материал по имевшим место авариям на линиях 500 кВ, 50 кВ и 1150 кВ.

Ниже приводятся результаты анализа данных по отключениям ЛЭП. Прежде всего

рассмотрим показатели удельной повреждаемости линий каждого класса напряжен! (число отключений, приходящихся на 100 км дайны линии в год) по годам (табл.1) средние за период наблюдения (табл.2).

Представленные в таблицах данные позволяют сделать следующие выводы:

1. Удельная повреждаемость линий существенно уменьшается с ростом homi нального напряжения. По сравнению с ЛЭП 500 кВ линии 750 кВ повреждаются в 2,8 р; меньше, 1150 кВ - в 4,0 раза.

2. Рассчитанные статистические показатели: среднее квадратичное отклонен« коэффициент вариации и доверительный интервал для среднего значения удельной по режденности свидетельствуют о том, что для уточнения значений удельной поврежд емости для ЛЭП 750 кВ и 1150 кВ необходимо дальнейшее накопление информации увеличением длины линий и времени эксплуатации.

3. Сравнение частных значений коэффициента вариации показателя поврежд емости К = (Р год - Р ср)/Р ср по годам и классам напряжения свидетельствует, 41 большая величина этого показателя для ЛЭП 750 кВ и 1150 кВ обусловлена не толы колебаниями влияющих факторов по годам, но и сравнительно небольшой длиной лини находящихся в эксплуатации.

Таблица

Средние годовые показатели повреждаемости за период 1985-195 годы (числитель - по общему числу отключений, знаменатель - по ус тойчивым отключениям)

U,kB 500 750 1150

Рср+4Р(90%) 1/100км*год 0,57+0,14 0,20+0,05 0,21+0,076 0,097+0,05 0,14+0.083 0,045+0,04

б\ 1/ 100км*год 0,192 0,0697 0,106 0,0713 0,117 0,0565

K-sVp ср 0,334 0,347 0,515 0,735 0,813 1,256

4. Ожидаемые значения удельной повредаемости на будующее, которые мож1 оценить величиной Р ср, находятся в пределах от 0,76 до 038 для ЛЭП 500 кВ, от 0,32 ; 0,1 для 750 кВ и от 0Д6 до 0,03 для 1150 кВ.

5. Относительная доля устойчивых повреждений по классам напряжения измен; ется в пределах: 500 кВ - 0,023, 750 кВ - 0,0064, 1150 кВ - 0,036, что объясняется действие двух противоречивых тенденций с ростом напряжения: общим увеличением вероятное! устойчивых повреждений благодаря росту напряжения и увеличением доли грозовых л ренапряжений.

Дальнейший анализ касается классификации и удельного вклада различного вщ аварий. В таблице 3 представлены значения средней по годам удельной повреждаемое! для линий различных классов напряжения по категориям причин отключения (числител 1/100 км.год) и соответствующие величины в процентах от общего числа отключен! (знаменатель).

Таблица 3

Классификация среднегодовых отключений ЛЭП 500-1150 кВ за 985-1992 гг.

Причины отключений ЛЭП 500 ЛЭП 750 ЛЭП 1150

Общ. откл. Уст. откл. Общ. откл. Уст. откл. Общ. откл. Уст. откл.

Ошибки проекта 0,35 0,61 0,17 0,87 0 0 0 0 0 0 0 0

Ошибки стр. монт. орг. 1,22 2,13 1,04 5,22 0,64 3, 13 0,64 6,66 0 0 0 0

Заводские дефекты 0,35 0,61 0,35 1,74 0 0 0 0 0 0 0 0

Ошибки персонала 2,09 3,64 1 ,22 6 ,09 1 ,93 9,38 1,93 20,00 0 0 0 0

Естеств. износ 1,57 2,74 0,87 4 ,35 0 0 0 0 0 0 0 0

Посторонние вмешат-ва 6,98 12,16 5,73 23,47 3,87 18,75 2 ,58 26,66 0 0 0 0

Гроза 9,94 17,33 2,27 11,30 5, 16 25,00 0,64 6,67 13,50 93,75 3,6 80,00

Стихийные явления 19,72 34,35 7,33 36,52 7.0 9 34,38 3,22 33,33 0,90 6 ,25 0,90 20,00

Прочие причины 15,18 26,44 2,09 10,43 1 ,93 9,38 0,64 6,66 0 0 0 0

Обш.кол-во отключений 329 100 115 100 32 100 15 100 16 100 5 100

Основной вывод, следующий из данных этой таблицы, заключается в том, что с величением номинального напряжения доля грозовых отключений от 17,3 % для 500 кВ озрастает до 94 % для 1150 кВ. Справедливость этой тенденции подтверждается тем, что ля ЛЭП 750 кВ грозовые повреждения имеют промежуточную величину равную 25 %.

Среди стихийных явлений главенствующее место занимает гроза. Цифра 94 % розовых аварий определяет необходимость тщательного анализа грозоупорности линий 150 кВ и совершенствования средств молниезащиты. Удельное число грозовых отклю-[ений для ЛЭП 500 кВ и 750 кВ уменьшается с ростом напряжения и имеет достаточно ¡изкую величину, но для 1150 кВ вдруг наблюдается резкое увеличение до недопустимо ¡ысоких значений. Тем более это представляется удивительным, что влияние остальных юзможных причин аварии с ростом номинального напряжения уменьшается до пренеб->ежимо малого. Исключение составляют стихийные явления, к которым относится гроза.

На основании исследования грозовой активности вдоль трассы ЛЭП 1150 кВ Эки->астуз-Кокчетав длиной 494 км. по данным метеонаблюдений и с помощью магнитных )егистраторов тока через опоры установлено:

1. Средняя продолжительность гроз составляет за 6 лет наблюдений 48 час. в год превышает нормативную.

2. Удельное число ударов молний в линию испытывает существенное колебание п одам и колеблется от 25 до 60 1/100 км.год при среднем 38 1/100 км.гоя, что объясняет очень большие колебания числа отключений по годам.

3. Показано соответствие между удельным числом отключений рассчитанным п поражению опор и по продолжительности гроз.

Далее необходимо проанализировать поражаемость элементов ЛЭП 1150 кВ, сред которых выделим пролет, промежуточные и анкерно-угловые опоры.

Проведенные расчеты и данные полевых наблюдений подтвердили надежну; молниеэащиту проводов линии в пролете и на промежуточных опорах. Вместе с те совместные ПЭО ДЭП и НИИПТ исследования поражаемости молнией опор лини Экибастуз-Кокчетав с помощью ферромагнитных регистраторов показали, что причине грозовых отключений является прорыв молнии сквозь тросовую защиту вблизи анкернс угловых опор.

Вывод о неудовлетворительной защите анкерно-угловых опор подтверждается с( постаалением конструкций промежуточных и анкерно-угловых опор. На анкерно-угловы опорах превышение троса над проводами составляет всего 10 м., а на промежуточно ПОГ -1150 более 16 м. Расстояние между тросами в пролете со смежными анкерным опорами - 48 м, а с промежуточными опорами - 35 м. Тахим образом средняя фаза ai керно-угловой опоры имеет худшую молниезащиту. Ослабленной является также облает вблизи дополнительной стойки, так как она удалена от троса.

1.2. Сопоставление методов анализа грозозащиты ЛЭП

Определяющий вклад грозовых отключений в аварии ЛЭП 1150 кВ требует прш лечения надежных методов оценки эффективности различных средств молниезащип Большой вклад в развитие методов расчета числа грозовых отключений линий внесл Д.В.Разевиг, М.В.Костенко, Н.Н.Тиходеев, В.В.Бургсдорф и др.

В результате расчетов удельного числа устойчивых грозовых отключений для м ний 110-750 кВ с характерными для этих линий параметрами при 50 грозовых часах в го получены М.В.Костенко соответствующие значения отключений для ЛЭП классов наг ряжения от 110 кВ до 750 кВ, представленные в таблице 4 (вторая строка). Там же указа ны вероятности неуспешного АПВ (третья строка).

Сравнение расчетных данных для линий СВН и УВН с полученными в данно работе результатами (таблица 4, строки 2 и 4) свидетельствует о том, что:

1. Для линий 500 кВ совпадение расчетных и эксплуатационных значений удел1 ного числа устойчивых отключений является удовлетворительным, но для 750 кВ экспл} атационные значения в 5,6 раза меньше расчетных. Для линии 1150 кВ расчет по Tpajt ционным методам не имеет смысла:

Таблица 4

Расчетные и эксплуатационные значения удельного числа устойчивых озовых отключений

U, кВ 110 220 330 500 750 1150

ср расч. 0,8 0,4 0,022 0,028 0,036 -

1-Р АПВ 0,25 0,23 0,23 0, 35 0,35 0,35

ср ЭКС. 0,023 0,0064 0,036

1-РАПВ)ЭКС 0,23 0,12 0,27

2. Имеющиеся эксплуатационные данные по общему числу повреждений и числу гойчивых повреждений позволяют определить вероятность неуспешного автоматичес-го повторного включения (1-Р ЛПВ) и сопоставить с расчетными значениями. Доля успешных АПВ поданным эксплуатации существенно меньше.

Сопоставление эксплуатационных данных для 750 и 1150 кВ показывает резкое сличение числа аварий, связанных с прорывами молнии через тросовую защиту. Наб->даемые цифры и тенденции не согласуются с расчетом. Методы расчета пригодные я ЛЭП 110-500 кВ не могут быть рекомендованы для линий 750-1150 кВ.

АНАЛИЗ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕР ЗАЩИТЫ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ 1150 кВ 2.1. Методика оценки относительной эффективности средств молниезащиты В настоящее время используются два основных подхода к расчетному определению щитного действия средств молниезащиты: электрогеометрический и вероятностный.

Электрогеометрический метод нагляден и прост, во многих случаях дает прием-мые результаты, но при некоторых условиях приводит к несоответствию с экспери-:нтальными результатами. Например, в расчете полного числа разрядов в линию, в ха-ктере изменения числа поражений в зависимости от высоты объекта. Но, главное, не ражается физическая суть процесса, его вероятностный характер.

Эти особенности отражает вероятностный метод расчета прорывов молнии арионов В.П., Колечицкий Е.С., Шульгин В.Н./

Развивающийся лидер нисходящей молнии, трос, провода линии и поверхность или образуют многоэлектродную систему. Предполагается, что поражение молнией >бого элемента системы определяется вероятностными соотношениями, аналогичными м, которые определяют распределение разрядов при испытании многоэлектродной стемы в лабораторных условиях.

Следующее допущение заключается в том, что поражение троса, провода или или нисходящим разрядом связывается с возникновением встречного лидера с одного этих объектов. Представляется наиболее правдоподобным, что процесс ориентации зряда молнии определяется перехватом нисходящего лидера развивающимися встреч-|м лидером.

Представление избирательного развития лидера с земли, троса или провода как еимущественного пробоя соответствующего промежутка позволяет использовать

сформулированный ранее подход к определению вероятности пробоя в многоэлектродно] системе.

С учетом этого обстоятельства расчет организуется следующим образом.

Для нижней границы каждой ячейки, на которые разбивается вся область воз можного нахождения головки нисходящего лидера, вычисляется минимальный ток мол нии, соответствующий выполнению условия возникновения лидера с одного из электрс дов и рассчитывается вероятность прорыва для каждой из ячеек сетки. Далее определя ется суммарная вероятность прорыва для всех ячеек сетки.

В связи с применением методики необходимо было решить ряд проблем.

1. Выполнить расчет трехмерного электрического поля в системе нисходящий ли дер - анкерно-угловая опора.

В данном случае наиболее подходящим является метод эквивалентных зарядо! Элементами опор, провода линий и тросы моделируются отрезками линейных зарядо: Проблемой является то, что для трехмерной задачи расчет распределения поля для каж дой ячейки не должен продолжаться более 1-2 мин,, иначе общее компьютерное врем окажется недопустимо большим.

2. Оценить влияние на распределение поля объемного заряда, накапливаемог вблизи линии. В поле грозового облака, характерная величина напряженности которог вблизи поверхности земли составляет 10 кВ/м и более, возможно развитие коронног разряда с тросов, который и вызывает появление униполярного объемного заряда. Обг емный заряд снижает напряженность поля вблизи тросов и способствует преимущес твенному развитию встречного лидера с проводов.

В настоящее время имеются существенные достижения в расчете поля коронног разряда. Разработаны приближенные аналитические, например, метод Дейча-Попкова, эффективные численные методы, позволяющие рассчитывать достаточно сложные слу чаи.

Особую проблему представляет расчет поля короны в нестандартных условиях, данном случае, стримерной короны с тросов и проводов в поле нисходящего лидер; Предложено оценить влияние импульсной короны как среднее между расчетом поля бе ее учета и расчетом поля стационарной короны.

Учитывая сложность расчетов для анкерно-углового узла ЛЭП 1150 кВ была ра: работана упрощенная схема расчетов относительной эффективности средств молниеза щиты. Относительное изменение рассчитанной таким образом вероятности прорыва ха рактериэует эффективность используемого средства молниезащиты.

2.2. Анализ эффективности дополнительных средств молниезащиты анкерного узл<

Расчетная модель анкерного узла показана на рис.1. Средние значения напряжен ности поля на длине 3 м определялись для тросов в местах их крепления к опорам и дл фазных проводов в местах их крепления к гирляндам. В каждом варианте расчета в ка честве исходных данных фигурировали величина тока молнии, координата для нисходя шего лидера, который опускался вертикально. Переменным параметром была высот головки нисходящего лидера Нгп, которая изменялась в пределах от 300 м до 50 м.

Были рассмотрены следующие варианты схем молниезащиты:

1- проектный, с помощью тросов 2хАС70, которые крепятся на вершинах основны стоек фаз А и С (рис.1);

Рис.2. Схеме установки для испытания на молннсэдшиидсмность.

I — генератор «»ряженного «аро«ол«; 2 — ««ражениок «ороаельмок о(л«я«.' 3 — п*Ро-rcHcptTop« 4 — иогфчиик быооквго м&пр*жсми*: 5 — модель ЛЭП ИЗО «В.* 6 — оецнлло rpftf^ 7 — ыомсритсль мааршхеммооти •лкктричсояего ncniJ • — ыомсритсль «лекгро -магнитного лмяулю*,' 9 — «оситроииооптичсоиим npto^pêyçftircrtt.* 10 — faroann«p*r.

\

2- в дополнение к проектной, монтируется трос 2хАС70 в виде ромба, проходящего через вершины опоры А, дополнительной стойки фазы С и через точки на фазе С против перехода шлейфа в провод;

3- в отличие от варианта 2 вместо ромба используется пятиугольник, когда две ветви троса не сходятся на опоре фазы А, а продолжаются параллельно друг другу от фазы С до фазы А;

4- в дополнение к проектному варианту, используется трос ЗхАС70 (200 мм расстояние между отдельными ветвями) по вершинам опор А,С и дополнительной стойки фазы С.

При расчетах было прнято, что относительная дисперсия напряжения возникновения встречного лидера составляет 7%.

Из результатов расчета следует, что дополнительные меры молниезащиты в 5 и более раз снижают вероятность прорыва на провод (вариант 2), хотя для фазы А она остается достаточно большой. Это обстоятельство корректируется применением пятиугольника (вариантЗ).

Эффективное действие дополнительных тросов позволяет ограничиться одним дополнительным тросом подходящим по вершинам стоек (случай 4) как наиболее простым для реализации случаем.

2.3. Влияние конструкции и расположения молниезащитных тросов на грозоупор-ностьЛЭП - 1150 кВ

Большой удельный вес грозовых отключений заставляет рассмотреть возможность перехода в конструкции пролета линии 1150 кВ с положительного угла защиты тросом равного + 24 на отрицательный угол равный - 11°.

Были рассмотрены два возможных варианта конструкции тросов. В проектном варианте использован двойной провод с расстоянием между ними ОД м. В эксплуатации обнаружился недостаток этой конструкции связанный с возможностью перехлестывания тросов. Поэтому необходимо было проверить возможность использования с точки зрения молниезащиты другого варианта - одинарного троса диаметром 0,025 м.

Сравнительные расчеты вероятности прорыва молнии к фазным проводам позволили сделать следующие выводы относительно влияния конструкции молниезащитных тросов и их расположения на грозоупорность ЛЭП 1150 кВ.

1. Применение отрицательных углов защиты позволяет значительно улучшить защищенность крайних фаз пролета линии.

2. Отрицательные углы защиты ухудшают защищенность центральной фазы пролета особенно при разрядах молний с низкими значениями тока (< 10 кА).

Защищенность центральной фазы при малых токах нельзя считать удовлетворительной и при положительном угле защиты. Однако прорывы молнии с такими малыми токами не приводят к перекрытию изоляции линии.

3. Применение как расщепленного, так и одинарного тросов не влияет на грозоупорность линии.

3. ВЛИЯНИЕ РАСКАЧИВАНИЯ ПРОВОДОВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ МОЛНИЕЗАШИТЫ

Во время грозы возникают сильные порывы ветра, происходит силовое воздействие электрического поля заряженного облака и зарядов спускающегося лидерного канала молнии. Это приводит к качанию проводной системы ЛЭП. Раскачка может привести к противофазному отклонению троса и защищаемого провода. В результате смещения тросов и проводов меняются углы тросовой защиты фазных проводов и вероятность прорывов молнии к проводам изменяется.

Возможны взаимные смещения проводов и тросов за счет силового взаимодействия между зарядами в канале молнии и наведенными в проводах воздушной линии. Это взаимодействие также может привести к раскачке и пляске проводной системы ЛЭП.

Раскачивание проводов в сильных электрических полях рассматривалось в ряде работ, но это было связано со стационарными процессами и объяснялось появлением коронного разряда.

Силы действующие на провод со стороны спускающегося от грозового облака лидера могут быть определены, если рассчитать электрическое поле от лидера и наведенные на проводе поверхностные заряды.

Плотность линейного заряда, наведенная на проводе лидером, и сила действующая на единицу длины провода определяется как:

V = Со Но Ео, Р = Ео -Г ,

где Со - удельная емкость провода, Но, Яо - высота подвеса и эквивалентный радиус провода.

Действующая избыточная сила вызывает ускоренное движение провода.

Проведенные расчеты показали, что фазный провод линии 1150 кВ начинает двигаться ускоренно под действием лидера, соответствующего току молнии 30 кА при опускании его до высоты 80 м над линией.

Оценки показывают, что в реальной грозовой обстановке при близком ударе молнии в землю, в трос или опору система проводов приходит в движение. Провода и тросы могут колебаться в прогивофазе, что увеличивает вероятность прорыва молний через тросовую защиту и при этих условиях существующая защита может оказаться не эффективной. При активной грозовой деятельности возможно появление разрядов из одной грозовой ячейки каждые 20-30 сив этом случае возможны прорывы молнии к проводам, так как время успокоения колебаний после близкого удара превышает время появления нового удара. Причем проведенные исследования разрядов молнии показали, что обычно наблюдается несколько близких ударов из одной грозовой ячейки.

4. ПРИМЕНЕНИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ АЭРОЗОЛЬНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ ПРИ АНАЛИЗЕ ГРОЗОЗАЩИЩЕННОСГИ ЛЭП

4Л.Методика получения заряженных аэрозольных образований для исследования молниеэащищенности энергетических объектов

Одним из возможных применений заряженных аэрозольных образований (ЗАО) является их использование для оценки эффективности средств молниезащиты. Такая возможность появилась в связи с решением проблемы получения ЗАО, способных генерировать разряды иммитирующие разряды молнии. По сравнению с разрядами в длинных воздушных промежутках под действием импульсов напряжения от ГИН использование разрядов получаемых от ЗАО имеет свои особенности:

1. более точно отражаются условия развития разряда из грозового облака, т.к. ЗАО как и облако представляет заряженный водный аэрозоль;

2. развитие разряда происходит на фоне медленно меняющегося поля облака, а не под действием импульсного напряжения от ГИН (в том числе при Е > > Е мин разр.);

3. более правильно отражаются стадии разряда естественной молнии (в том числе и стадии, которые не наблюдаются при разряде с ГИН);

4. применение ЗАО отражает наблюдаемые на практике отличие зон защиты полученных с помощью ГИН.

5. применение ЗАО существенно расширяет возможности определения статистических характеристик поражения защищаемого объекта, особенно в области очень малых значений вероятности.

Были определены условия, позволяющие создать ЗАО с максимальными значениями плотности объемного заряда и наибольшими геометрическими размерами.

Схема установки для получения ЗАО и испытания на молниезащищенность представлена на рис.2.

Генератор заряженного аэрозоля (1) представляет собой прямоточный электрический паровой котел с пароперегревателем, в сопле на выходе которого за счет охлаждения и конденсации образуются водяные капли. В воду добавляются ПАВ, стабилизирующие аэрозоль и замедляющие быстрое испарение капель.

Зарядка капель происходит в поле коронного разряда с иглы относительно стенок сопла. Перенос заряда и образование ЗАО на удалении от генератора обеспечивается газодинамическим потоком, образующимся на выходе из сопла. Были исследованы варианты создания ЗАО, когда струя направлялась вертикально вверх или наклонно. Последний вариант является предпочтительным для испытания на молниезащищенность из-за более контролируемых и стабильных параметров ЗАО.

Для обеспечения предельных значений плотности заряда было уделено внимание вопросам экранировки заземленных выступающих частей генератора и других элементов установки. На созданных экспериментальных установках получены значения суммарного объемного заряда ЗАО до 200 мкКл и разряды длиной 1-3 м. Автор принимал непосредственное участие в разработке и наладке экспериментальной установки, созданной на п/ст Белый Раст. "

Обьекг и устройства молниезащиты размещались на плоскости под струей и разряды развивались между струей и ними.

Используя статические фотографии, фотохронограммы, осциллограммы токов через заземленные объекты и напряженности у плоскости были исследованы стадии разряда с ЗАО , которые включают стримерную корону с заземленных объектов, лидер-ные разряды с ЗАО и встречные лидеры с объектов и главную стадию разряда, в том числе процесс сбора заряда из облака в разряд. Наблюдались специфические стадии, подобные процессам в стримерной зоне, охватывающие значительную часть промежутка между струей и плоскостью.

Соответствие стадиям развития естественной молнии является основанием для использования разрядов с ЗАО для испытания на молниезащишенность.

4.2. Оценка эффективности молниезащигы на моделях с использованием ЗАО.

Для оценки эффективности молниезащиты на модели линии 1150 кВ использовалась экспериментальная установка, представленная на рис.2.

Доказательство соответствия процессов поражения молнией наземных объектов в натуре и на модели с использованием ЗАО является сложной задачей. Прежде всего это определяется нелинейным характером процессов и еще более осложняется при необходимости учета раскачивания проводов при ударе молнии вблизи линии. В связи с этим в работе реализованы различные приближенные подходы при установлении критериев подобия:

1. Приближенное геометрическое подобие отражающее соответствие между размерами грозовой ячейки облака и характерными размерами линии. Этот масштаб принят 1:200.

2. Эквивалентность соотношения между электрической силой действующей на провода при ударе молнии вблизи линии и весом фазных проводов.

При организации экспериментальных исследований стремились удоалетворить оба указанных требования. Приближенный характер подхода к моделированию определяет и сугубо приближенный характер результатов, которые, прежде всего, являются качественными, а не в количественном плане и могут отражать только тенденции или определенные функциональные зависимости.

Было исследовано воздействие разрядов с ЗАО на модель пролета линии 1150 кВ с учетом раскачивания проводов и тросов. Наблюдаемое раскачивание проводов и тросов отражало не только возможное раскачивание под действием ударов молнии вблизи линии, но и под действием порывов ветра при грозе.

Подсчитывалась доля ударов молнии в фазные провода (прорывы молнии) при общем числе разрядов из ЗАО достигающем в каждом случае 10000. Основные результаты экспериментов сводятся к следующему:

1. отмечен факт раскачки проводов при разрядах вблизи модели линии;

2. отмечен факт увеличения вероятности поражения фазных проводов при раскачке. При стабилизации проводов в положении соответствующем углу защиты тросами + 28 прорывы молнии к фазным проводам отсутствовали.

3. с учетом раскачивания проводов и тросов в зависимости от значений углов защиты вероятность прорыва молнии к фазным проводам изменяется в соответствии с данными, приведенными в табл.5. Таким образом, показано, что применение отрицательных углов защиты Н = - ('0 - 15)] исхлючает прорыв молнии к фазным проводам.

Табл. 5

Экспериментальные значения вероятности прорыва в зависимости от угла зашиты

град 28 0 - И

Р пр,% 6 1 < 0,01

5. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОЙ РЕГИСТРАЦИИ ГРОЗОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ЛИНИИ 1150 кВ

Необходимость разработки автоматической системы регистрации волновых процессов (АСРВП) связана с определяющим вкладом ударов молнии в общее число отключений линии 11S0 кВ. Информация о количестве ударов молнии, местах ударов, доли перекрытий и прорывов молнии позволяет более правильно организовать молниезащиту линии.

В работе реализован способ измерения расстояния до места возникновения волн, который предусматривает возможность регистрации процессов как при наличии коротких замыканий, так и ударов молнии в фазные провода без коротких замыканий. В общем случае для полноты информации регистрируются 3 волны распространяющиеся различными путями от места удара к пункту регистрации. В реальных условиях обработка информации затрудняется в связи с искажением фронтов волн. Показано, что необходимая достоверность достигается при использовании точек максимальной крутизны на фронте волн. Рассмотрен вопрос о выборе диапазона частот для корректной обработки сигнала ( f < 30 х ltf Гц).

Экспериментальная проверка возможности реализации указанного способа была проведена на-линии 1150 кВ Экибастуз - Кокчетав - Кустанай. Устраивались искусственные короткие замыкания на расстоянии 173 - 773 км от п/ст Экибастузская, на которой была установлена регистрирующая аппаратура.

Результаты экспериментальной проверки на ЛЭП 1150 кВ длиной 891 км подтвердили возможность регистрации волн, возникающих при коротких замыканиях и возможность определения расстояния до места повреждения, причем погрешность не превышала 700 м. Было подтверждено, что общее время регистрации волн должно соответствовать времени двойного пробега волной обслуживаемой линии.

В соответствии со сформулированным принципом регистрации и результатами экспериментальной проверки его работоспособности была разработана блок-схема АСРВП и создано соответствующее устройство. Устройство было смонтировано на подстанции Экибастузская и введено в эксплуатацию. Оно позволяет обслуживающему персоналу регистрировать места замыкания на землю и прорывы молнии.

Система АСРВП должна работать в совокупности с системой регистрации мест удара и параметров разрядов молнии вблизи трассы линий УВН. Такие системы функционируют в большинстве стран мира, имеются соответствующие разработки в России, но их внедрение ограничивается финансовыми возможностями.

Указанный комплекс измерительных устройств позволяет определить как интенсивность грозовой деятельности, так и число ударов молнии непосредственно в линию, число прорывов молнии и их распределение вдоль линии, регистрировать случай повреждения изоляции линии. Для каждого конкретного случая можно указать полярность и амплитуды тока молнии.

Впервые появляется возможность на основе полной информации о каждом ударе молнии и накоплении соответствующих статистических даннымх оптимизировать мол-ниезащиту линий УВН.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Произведено обобщение и анализ опыта эксплуатации линий УВН начиная с 1985 г. Произведена классификация имевших место аварий в соответствии с источниками повреждений.

2. Показано, что удельная повреждаемость линий существенно уменьшается с ростом номинального напряжения. По сравнению с ЛЭП 500 кВ линия 1150 кВ повреждается в 4 раза меньше.

3. Существенное влияние на статистические показатели повреждаемости оказывают колебания влияющих факторов по годам. Для уточнения значений удельной повреждаемости ЛЭП 750 кВ и 1150 кВ необходимо дальнейшее накопление опыта эксплуатации.

4. Ожидаемые значения удельной повреждаемости при дальнейшей эксплуатации находятся в пределах от 0,76 до 0,38 для ЛЭП 500 кВ 0,03 для 1150. Относительная доля устойчивых повреждений составляет : 500 кВ - 0,023, 750 кВ - 0,0064, 1150 кВ - 0,036.

5. С увеличением номинального напряжения доля грозовых отключений возрастает от 173 % для 500 кВ до 94 % для 1150 кВ. Удельное число грозовых отключений за период 85-92 гг. составляло для ЛЭП 500 кВ - 0,094, 750 кВ - 0,052, 1150 кВ - 0,135.

6. Показано, что наиболее достоверным средством оценки эффективности различных средств молниезащиты является расчетная методика оценки вероятности поражения фазных проводов линии, базирующаяся на физических процессах поражения молнией наземных объектов. Внесены уточнения в методику с учетом влияния короны, возникающей с проводов и тросов.

7. В результате анализа молниезащищенности различных элементов линии 1150 кВ установлено, что наиболее слабый элементом являются анкерно-углоеые опоры. Средняя фаза анкерно-угловой опоры имеет худшую молниезащиту. Ослабленной является также область вблизи дополнительной стойки, так как она удалена от троса.

8. Выполнен анализ эффективности предлагаемых дополнительных мер защиты анкерного узла. Эффективное действие дополнительных тросов позволяет ограничиться одним дополнительным тросом, проходящим по вершинам стоек как наиболее простым для реализации случаем.

9. Выполнен анализ влияния расположения и конструкции тросов на грозоупор-ность линии 1150 кВ, в частности сделан вывод о целесообразности использования отрицательных углов подвески тросов.

Ю.Показана расчетным путем и подтверждена экспериментально на моделях воз-

можность раскачивания проводов при ударе молнии в тросы и вблизи линии электропередачи. Подтверждена целесообразность использования отрицательных углов подвески тросов для ликвидации влияния раскачивания проводов.

П.Показана возможность использования искусственных заряженных аэрозольных облаков для испытания устройств молниезащиты ЛЭП на моделях. Установлено несоответствие зон защиты, определенных традиционным способом и с помощью ЗАО.

12.Предложен комплекс мероприятий по организации системы регистрации интенсивности и параметров грозовых разрядов вблизи линии и ударов молнии в нее.

13.Разработана автоматизированная система регистрации волновых процессов позволяющая опрделить место удара молнии в провода ЛЭП.

Доклад является обобщением следующих опубликованных работ по теме:

1. Никитин О А., Глебов Э.С. Опыт эксплуатации изоляции ВЛ 500 кВ // Электрические станции - 1970 - N% 11 - С. 47 - 51.

2. Никитин О А, Дьяков А.Ф. и др. Пусковые испытания и исследования первой электропередачи 1150 кВ перед вводом ее в эксплуатацию // Электрические станции -1986 - N% 7 - С. 39 - 44.

3. Никитин ОА По поводу статьи Курносова А.И., Шашко СД, Александрова ВД-, Головецкого А.В, Дейча С.М., Кунцевича С.В, Рохлина A3. Новая железобетонная ан-керно-угловая опора ВЛ 500 кВ // Электрические станции - 1987 - N% 7 - С. 58 - 61.

4. Никитин ОА, Дьяков А.Ф. Экспериментальные режимы коротких замыканий на электропередаче 1150 кВ // Электрические станции - 1988 - N%3 - С. 62 - 67.

5. Никитин ОА., Ильиничнин В.В. Первые итоги работы электропередачи 1200 кВ // Электрические станции - 1989 - N% 8 - С. 60 - 64.

6. Никитин ОА, Дьяков А.Ф. и др. Испытания в цикле ОАПВ на ЛЭП 1150 кВ Экибастуз - Кокчетав с шунтирующими реакторами // Электричество - 1989 - N % 8 - С. 13 - 20.

7. Никитин ОА Некоторые проблемы освоения и испытаний электропередачи УВН как элемента объединенных энергосистем // Международная конференция по большим электрическим системам высокого напряжения: Тез. докл. СИГРЭ - Кокчетав,

1989 - 5 с.

8. Никитин ОА, Бродовой ЕН, Брянцев А.М. и др. Перспективы применения управляемых реакторов магнитно-вентильного типа в электропередачах УВН и СВН // Международная конференция по. большим электрическим системам высокого напряжения: Тез. докл. СИГРЭ - Кокчетав, 1989 - 5 с.

9. Никитин ОА, Ильиничнин В.В. и др. Применение тиристорных компенсаторов для снижения коммутационных перенапряжений в линии электропередачи // Электрические станции - 1990 - N% 1 - С. 68 - 73.

10. Никитин ОА, Ильиничнин В.В., Смирнов Б.И. Вопросы технологии электропередач ультравысокого напряжения // Электрические станции - 1990 - N% 2 - С. 54 - 59.

И. Никитин ОА, Карташов И.И. Технология электропередач ультравысокого напряжения (заседания рабочей группы СИГРЭ и "Круглого стола") // Электричество -

1990 - N% 4 - С. 84 - 86.

12. Никитин ОА, Бродовой Е.Н., Ильиничнин В.В. и др. Перспективы применения

магнитно-вентельных управляемых реакторов в энергетических системах // Электротехника - 1991 - N% 2 - С. 2 - 4.

13. Никитин OA, Дьяков А.Ф., Карташов И.И. USSR 1200 kV transmission line // Transmission and distribution USA - 1991 - March -9 c.

14. Nikitin OA., Rubtsova N.B., Lasarenko N.V., Tokarskyi AJu., Stoljarov M.D. et al. Evaluation of electromsgtietic field levels of extremely high voltage electric power installation personnel // SIGRE Session - 1992 - Report - N 36-102 - 6 c.

15. Никитин OA., Анненков B.3., Жуков А.В. и др. Электропередачи 1150 кВ, 2 т. Испытания электрооборудования 750 - 1150 кВ на промышленных линиях 750 кВ и на стенде 1150 кВ в Белом Расте - М: Энергоатомиздат, 1992 - 280 с.

16. Никитин ОЛ., Анцупов К.В., Базуткин В.В., Белогловский АА., Верещагин И.П., Темников А.Г., Сысоев B.C. Problems of lightning Protection of 1150 kV. Power-Transmission Lines // 21 lntern.confer.on Lightning Protection: Тез. докл. - Berlin Germany - September 1992 - C. 55 - 60.

17. Никитин OA., Кошелев МЛ., Сысоев B.C., Темников А.Г. Моделирование разрядных явлений грозовых облаков //21 Intern.confer, on Lightning Protection: Тез. докл. -Berlin Germany - September - 1992 - 8 c.

18. Никитин ОЛ., Базуткин B.B., Литвинов AJI. О повышении грозоупорности линий электропередач 1Ю-220 кВ с тросами: Тез. докл. Научной конференции с международным участием "Проблемы электротехники - Новосибирск - 20-22 октября 1993 - С. 98 -101.

19. Никитин ОЛ., Дикой В.П., Корягин Ю.М., Лаврентьев В.М. и др. Электропередачи 1150 кВ, 2 т. Организация эксплуатации электропередачи 1150 кВ - М: Энергоатомиздат, 1992 - 280 с.

20. Никитин ОЛ. Анализ надежности работ линий электропередач сверхвысокого напряжения: Тез. докл. Научная конференция с международным участием "Проблемы электротехники" - Новосибирск, 1993 - С. 76 - 77.

21. Никитин OA., Бизяев А.С., Левковский Л.И. Исследование воздействия молний на сталеалюминиевые провода: Тез. докл. Научная конференция с международным участием "Проблемы электротехники" - Новосибирск, 1993 - С. 148 - 151.

22. Никитин ОЛ., Верещагин И.П., Макальский Л.М, Белогловский АЛ. Молни-езашита анкерно-углового узла ЛЭП - 1150 кВ // Известия академии наук РФ, Энергетика - 1993 - N% 4 - С. 29 - 39.

23. Никитин OA, Белголовский АА. Влияние конструкции и расположения мол-ниеэашитных тросов на грозоупорность ЛЭП-1150 кВ - М. 1993 - 22 с. - Деп. в ГАСНТИ 44.2937.

24. Никитин ОА„ Дьяков А.Ф., Макальский Л.М. Возможные причины поражения линий электропередач сверхвысокого напряжения разрядами молнии - М. - 1994. - 12 с. -Деп. в ГАСНТИ 44.29.37.