автореферат диссертации по энергетике, 05.14.12, диссертация на тему:Разработка метода расчета грозоупорности воздушных линий электропередачи 110-750КВ

ээ

РГБ ОД

1 т гт

На правах рукописи УДК 621.316.98

ИЛЛАРИОНОВА ЕЛЕНА АНДРЕЕВНА

РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА ГРОЗОУИОРНОСТИ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ 110-750 КВ

Специальность 05.14.12 Техника высоких напряжений

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1999

Работа выполнена в Московском энергетическом институте (Техническом университете) на кафедре Техники и электрофизики высоких напряжений.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Ларионов В.П.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Халилов Ф.Х.

кандидат технических наук, с.н.с. Голдобин Д.А.

Ведущая организация

Центральные межсистемные электрические сети РАО ЕЭС России

Защита диссертации состоится ме> и> 1999г. в^/^Уна заседании

диссертационного совета К 063.38.21 при Санкт-Петербургском государственном техническом университете (195251, Санкт-Петербург, Политехническая, 29)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного технического университета.

Автореферат разослан ч/У » О/т 7 ы^гье 1999г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета К 063.38.21, кандидат технических наук

Кулаков СЛ.

п^л-огр

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Проблема обеспечения надежности линий электропередачи относится к ряду ключевых проблем в электроэнергетике. В этой связи не утрачивают своей актуальности исследования, направленные на поиск путей повышения грозоупорности и разработку новых методических принципов оценки грозопоражаемости ВЛ.

Одним из вопросов, связанных с расчетом грозоупорности ВЛ, является определение поражаемости линий молнией. Существующие оценки числа ударов молний, стягиваемых линией, носят эмпирический характер. Возможности совершенствования такого подхода за счет учета большего числа влияющих факторов практически исчерпаны. Аналогичные проблемы имеют место при расчете распределения ударов молнии между отдельными конструктивными элементами ВЛ.

Удары молнии происходят в фазные провода и опоры, а на линиях с защитными тросами еще в трос. Наиболее слабым элементом линии в отношении электрической прочности является изоляция проводов на опорах, прежде всего гирлянда изоляторов. Полноценная статистика поражений молнией отдельных элементов воздушных линий (опор, тросов, фазных проводов) из-за технических трудностей практически отсутствует. Поэтому анализ эксплуатационных данных обычно сводится к вычитанию из общего числа грозовых отключений расчетного числа их, произошедших из-за обратных перекрытий изоляции при ударах молнии в опоры. Остаток относится к прорывам молнии в зону защиты тросов, то есть к ударам в фазные провода. Возможность пробоя воздушного промежутка трос-провод при ударах молнии в тросы не учитывается. Конечно, получаемые для этих условий вероятности перекрытия промежутка трос-провод меньше, чем вероятности перекрытия гирлянды при ударе молнии в опору или в провод. Однако, за счет большого числа ударов молнии, поражающих тросы, число отключений от таких ударов становится соизмеримым с отключениями от перекрытия гирлянды изоляторов при ударе молнии в опору или провод. Это особенно актуально для ВЛ с большими длинами пролетов и высокими значениями сопротивления заземления.

Вышесказанное свидетельствует об актуачьности проведенных исследований, основной целью которых является совершенствование расчетных методов, адекватных процессам развития грозовых перенапряжений. Только с учетом результатов расчетов можно в настоящее время оптимизировать молниезащиту воздушных линий электропередачи.

Метод исследования. Методика расчета грозоупорности линий электропередачи базируется на положениях теоретических основ электротехники, теории электромагнитного поля и техники высоких напряжений. В диссертационной работе широко используются результаты численных экспериментов, проводимых на ЭВМ с помощью специально разработанных программ, реализующих высокоточные математические алгоритмы.

Практическая значимость. Разработано программное обеспечение для расчета грозоупорности воздушных линий на основе предложенной в диссертации методики расчета числа грозовых отключений ЛЭП. Созданная программа может использоваться как инструмент при разработке и проектировании систем тросовой защиты и позволяет получить статистические оценки показателей грозоупорности ВЛ различных классов напряжения.

Разработанный метод расчета грозоупорности воздушных линий электропередачи рекомендуется для включения в руководящие указания по защите электроустановок от грозовых перенапряжений. Научная новизна.

1. Разработан метод оценки поражаемости воздушных линий электропередачи молнией. Для этого предложена математическая модель распространения ступенчатого лидерного канала, включающая в себя динамическое изменение характеристик разряда молнии во времени.

2. Получено распределение ударов между опорами и тросами с учетом геометрических параметров ВЛ и возможности поражения линии молниями с различными токами.

3. Разработан метод расчета числа отключений ВЛ вследствие прорывов молнии мимо тросовой защиты для линий электропередачи различной конструкции.

4. Разработан метод расчета числа отключений ВЛ вследствие ударов молнии в трос в середину пролета.

Достоверность результатов работы подтверждается хорошим совпадением результатов расчета числа грозовых отключений ЛЭП с данными эксплуатации.

Положения, выносимые на защиту.

1. Математическая модель развития ступенчатого лидера молнии.

2. Метод оценки поражаемости воздушных линий электропередачи молнией.

3. Распределение ударов между опорами и тросами с учетом геометрических параметров ВЛ и возможности поражения линии молниями с различными токами.

4. Методика расчета ожидаемого числа грозовых отключений вследствие поражений молнией отдельных элементов воздушных линий электропередачи.

5. Результаты расчетов грозоупорности ЛЭП 110 - 750 кВ.

Результаты работы использованы в МЭС Центра РАО «ЕЭС России», АО «ОРГРЭС».

Апробация работы. Материалы работы докладывались и обсуждались на научных семинарах в НИЦ ТИВ РАН, на кафедре «Инженерная электрофизика и техника высоких напряжений» Санкт-Петербургского государственного технического университета.

По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ и выпущено 3 научно-технических отчета.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 52 наименования и трех приложений. Объем работы составляет 115 страниц, включая 32 рисунка и 16 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована основная цель работы, отражена научная новизна и практическая ценность.

В первой главе приведен обзор и дается анализ современного состояния вопроса, связанного с оценкой грозоупорности воздушных линий электропередачи.

Имеющиеся в настоящее время расчетные формулы для определения поражаемости ВЛ молнией имеют различие лишь в характере зависимости числа ударов от высоты объекта. Показано, что для получения более обоснованных результатов в расчетах поражаемости должна учитываться не только геометрия объекта, но и электрические характеристики разряда молнии.

Проведен анализ существующих методов оценки ожидаемого числа грозовых отключений при ударах молнии в отдельные элементы ЛЭП (опоры, тросы, фазные провода).

Отмечены недостатки применяемых подходов. Сформулированы задачи работы.

Во второй главе рассмотрены вопросы поражаемости воздушных линий электропередачи молнией.

Для оценки поражаемости ВЛ молнией предложена модель развития отрицательного ступенчатого лидера, включающая в себя динамическое изменение характеристик разряда молнии во времени.

Основными характеристиками нисходящего лидера, определяющими динамику его распространения являются изменение скорости и длины лидерного канала во времени. Используя экспериментальные данные по лидерной стадии искрового разряда, построим графики изменения средней скорости V и длины лидерного канала (рис.1, 2) при его распространении.

Лидер развивается ступенчато, т.е. изменяет свою длину не плавно, а через определенные интервалы времени тст (время необходимое для восстановления напряженности поля у головки лидера для старта очередной ступени) перемещается на величину, равную длине ступени 1ст . Это перемещение происходит с очень высокой скоростью, после чего процесс развития снова затормаживается для восстановления необходимой напряженности поля. Далее происходит пробой следующего промежутка длиною в 1ст .

Интерваты времени между ступенями изменяются в большинстве зарегистрированных разрядов молний в пределах от 30 до 50мкс. Задавая линейный характер изменения тст при развитии лидерного каната и используя зависимость, представленную на рис.2, можно получить график изменения длин ступеней /си . При таком подходе диапазон изменения длин ступеней при движении ступенчатого лидера к земле хорошо согласуется с результатами, получаемыми по фоторазверткам разрядов молнии, а средние значения 1ст лежат в диапазоне от 10 до 50 м (для лидерных каналов различной длины).

Среднюю скорость лидера в произвольный момент времени можно оценить как

(1)

где г;ф, - время пробоя промежутка длиною в /„„, .

Так как тст, » г„„, то (1) можно переписать в виде:

V«» =-• (2)

"ср) г

Характер изменения средней скорости лидерного канала при его распространении по направлению к земле

00 0 1 02 03 0 4 0 5 ОС 07 08 09 1 0

I д /1

Рис. 1

Характер изменения длины лидерного канала при его распространении по направлению к земле

0 0 0 1 0 2 03 04 05 0 6 07 08 0 9 1 0

*Р Рис. 2

Таким образом, среднюю скорость развития лидерного канала по направлению к земле можно рассчитать по формуле:

п

Уср = —-, (3)

и

где п - число ступеней.

Рассчитанные значения уср по (3) хорошо согласуются с экспериментальными

данными, полученными при исследованиях реальных разрядов молний.

Для оценки поражаемое™ линии электропередачи молнией необходимо знать траекторию головки лидерного канала, ступенчато развивающегося из отрицательно заряженной грозовой ячейки облака. Для этого перед стартом очередной ступени должно быть определено электрическое поле, образуемое зарядом лидера, поскольку это поле во взаимодействии с электрическими полями, создаваемыми в результате процессов в наземных объектах, определяет точку поражения.

При расчетах электрического поля, создаваемого каналом лидера, развивающимся по направлению к земле, примем экспоненциальное уменьшение погонной плотности заряда по высоте лидерного канала. Такое распределение качественно соответствует феноменологическим наблюдениям молнии. При главном

разряде канал молнии светится ярче всего в нижнеи части, а в верхних частях свечение его тускнеет с высотой. Это явление обычно связывается с уменьшением тока главного разряда по высоте канала. Поскольку ток формируется в результате нейтрализации зарядов лидера, то уменьшение его с высотой свидетельствует о соответствующем снижении погонной плотности заряда лидера.

При возникновении ступени наряду с электронами образуются положительные ионы, которые ослабляют напряженность электрического поля как в радиальном направлении, так и перед головкой лидерного канала, в результате чего продвижение лидера к земле затормаживается. В ослабленном поле электроны захватываются электроотрицательными частицами воздуха, и образуются отрицательные ионы. Напряженность электрического поля в области головки лидера восстанавливается, и возникает следующая ступень, в основном, вследствие ион-ионной рекомбинации, основное уравнение которой:

1 1

-= — + at, (4)

n{t) по

где п0 - начальная концентрация ионов; n(t) - концентрация ионов через время t, а -

коэффициент рекомбинации, равный в атмосферном воздухе г-Ю^см'/с.

Можно предположить, что при ступенчатом развитии лидера происходит

\

частичная нейтрализация его заряда, а ступени представляют собой частичные разряды, подобные главному разряду. Таким образом, электрическое поле создаваемое лидерным каналом определяется, в основном, зарядом его головной части, когда лидер находится в активном состоянии, то есть перед стартом очередной ступени.

Во время приближения лидерного канала к поверхности земли скорость его распространения существенно возрастает, интервалы времени между ступенями уменьшаются. Процессы рекомбинации не успевают оказать существенного влияния на ход развития ступенчатого лидера. Все это позволяет сделать предположение, что на небольших расстояниях от земли распределение погонной плотности заряда при развитии лидерного канала можно считать приблизительно совпадающим с распределением, соответствующим стадии нейтрализации.

Закон изменения погонной плотности заряда вдоль лидерного канала можно записать следующим образом:

<rh = a0-e-Ph, (5)

где <тл - линейная плотность заряда на высоте И от поверхности земли; а0 - плотность

заряда у поверхности земли; ¡3 - коэффициент, определяемый в зависимости от длины лидерного канала.

При средней скорости главного разряда гр = 50м/мкс за время равное длительности фронта Тфср нейтрализуется заряд нижней части лидера длиной

I = Ур-ТфСр ■ Учитывая, что длительность импульса в "ср больше длительности

тф,ср

фронта, полную длину канала молнии можно оценить как (/■ "ср ).

Тфср

Разработанная на основе развития ступенчатого лидера молнии расчетная модель позволяет определить расстояния поражения /? (наибольшее расстояние по горизонтали между каналом лидера и объектом, при котором последний все еще может быть поражен молнией) для объектов различной высоты Иой и различных значений

токов молнии /д, . В табл. 1 приведены отношения расстояний поражения к высоте объекта для различных токов молнии.

Из данных таблицы 1 можно получить зависимости -= /(Л() Для

'и

различных высот объектов, которые с высокой степенью точности можно

к ГГ~

аппроксимировать выражениями вида -= а, ■ +а2 ■ 1 и .

^оС

Таблица 1

Высота объекта Кб Ток молнии 1м

ЮкА 15кА 25кА ЗОкА 50кА 75кА 90кА

Юм 2,7 3,6 4,6 4,9 5,9 7,4 7,8

15м 2,13 2,87 3,67 4,0 4,8 6,0 6,3

20м 1,75 2,4 3,15 3,4 4,1 5,17 5,45

30м 1,3 1,87 2,47 2,7 3,3 3,97 4,4

40м 1,0 1,525 2,075 2,275 2,8 3,375 3,775

50м 0,82 1,28 1,8 1,96 2,44 3,0 3,34

60м 0,68 1,1 1,58 1,7 2,18 2,7 3,05

Токи молнии принято разделять на токи перекрытия изоляции - более 20кА и экранированные токи - 20кА и менее. В логарифмически-нормальных координатах распределение вероятностей Р{1м) изображается ломаной линией с точкой перелома при 1м =20кАи р(/м) = 0,8.

Для учета возможности поражения объекта молниями с различными токами необходимо проинтегрировать вероятности всех токов в пределах от 0,01 до 0,99. Подставляя полученный результат в уравнения аппроксимаций, можно получить величину эквивалентного расстояния поражения Лэт для объектов различной высоты.

Результаты расчетов приведены на рис.3. Зависимость, представленная на рис.3, аппроксимируется следующим уравнением:

к«.

На рис.4 показаны зависимости отношения

(6)

от высоты объекта,

полученные по различным методикам и разработанной в диссертации модели. Из рис. 4 видно, что результаты, полученные по формуле (6), не противоречат существующим оценкам величины полосы стягивания ЛЭП.

Зависимость эквивалентного расстояния поражения от высоты объекта

Кэкв >м 120 •

-

-

- /

- / У

- /

- /

- /

-

1 1 1 1

Зависимость ¡^ЭКв!И0а от высоты объекта

^экв / Иоб е.5 —1

3 5 -гага— 2 0 — I 5 — 1 0 — О 5

/*об . м Рис.3

¿об .М

1 - проект руководящих указаний (1964г);

2 - по формуле Р. Андерсона и А. Эрикссона;

3 — по данным Е. Гарбагнати и Л.Деллеры;

4 - по разработанному в диссертации методу

Рис.4

Таким образом, число ударов, поражающих воздушные линии электропередачи, следует определять как:

где N - плотность ударов в землю на 1 км2 в год; IV - эффективная ширина линии, м.

Предложен новый подход к расчету распределения ударов молнии между опорами и тросами.

Распределение ударов молнии между опорами и тросами не постоянно, а зависит как от длины пролета между опорами линии электропередачи, так и от заряда лидерного канала и соответствующего ему тока молнии. Чем больше заряд лидера и ток молнии, тем раньше создаются условия для развития встречного разряда с вершин опор, высота которых больше средней высоты подвеса троса. С увеличением тока молнии доля ударов в опоры возрастает.

Количественную оценку распределения ударов молнии между опорами и тросами можно сделать на основе электрогеометрического метода расчета. На рис.5 показаны опоры, трос, стрела провеса троса / , а также зоны «захвата»

молнии опорами «Оп» и тросом «Тр» при токе молнии, соответствующем некоторому значению дистанции поражения Л. Полагаем, что распределение ударов молнии между опорами и тросом в пределах длины пролета /, пропорционально протяженностям зон

захвата молнии опорами 1оп и тросом / . При увеличении тока молнии 1М , и соответствующей ему дистанции поражения Я, зона захвата молнии тросом сокращается и при Ям становится равной нулю, то есть при токе молнии, соответствующем Км и большем, все удары поражают только опоры. Исходя из геометрии задачи и учитывая, что / >->- / , можно получить следующее соотношение:

По (8) можно определить долю ударов в опоры только при токе молнии, соответствующем одному из значений Я Необходимо определить интегральную долю ударов молнии в опоры (обозначим се как Д0„) при всех возможных значениях Я С

учетом зависимости Я = 9,4 ■ /Ц3 интегральная доля ударов молнии в опоры составляет:

(7)

(8)

940/™, Д°"=—Т2 '

ир

Тогда доля ударов в тросы определяется как:

А„р=1-Аоп=1--(10)

пр

К расчету распределения ударов молнии, поражающих опоры и пролеты воздушных линий электропередачи

третья глава посвящена вопросам определения числа грозовых отключений линий электропередачи, защищенных тросами.

Предложен новый подход к расчету числа отключений от прорывов молнии на фазные провода.

Математическое описание рассматриваемого явления требует оценки электрического поля при развитии лидера молнии, образованного зарядом лидера, определяемым в соответствии с главой 2, и наведенными зарядами в наземных объектах.

Определение траектории распространения нисходящего лидерного канала осуществлялось в соответствии с максимальным градиентом напряженности

электрического поля. Принималось во внимание возможное отклонение в траектории развития лидера от направления, соответствующего максимальному градиенту. Выполнялись расчеты для различных значений токов молнии и расстояний от точки старта лидерного канала до оси ЛЭП.

На основании проведенных расчетов было определено, что в зависимости от траектории головка канала лидера попадает в область захвата молнии тросом А, проводом В или в область захвата молнии землей С (рис.6).

Для проведения инженерных расчетов вероятности прорыва молнии на фазные провода границу зон захвата молнии тросом и проводом, то есть линию их равновероятного поражения, можно представить прямой линией, которая является перпендикуляром 1, восстановленным из середины отрезка, соединяющего трос и провод. Граница между зонами захвата молнии проводом и поверхностью земли при разных значениях тока молнии, то есть линия равновероятного поражения молнией провода и земли, при больших расстояниях от объектов, характерных для

К определению критического расстояния поражения

о

Ьтр - высота подвеса троса; Ьпр - высота подвеса провода.

-í:

i

Рис. 6

X

рассматриваемых явлений, может быть описана уравнением параболы. Зона захвата провода В с увели-чением расстояния от троса и провода сокращается. В точке т смыкаются между собой зоны захвата молнии тросом и землей, а зона захвата молнии проводом становится равной нулю. Совместное решение уравнений границ зон захвата позволяет

определить величину критического расстояния поражения:

d

+ tga\(tgccf

(И)

2A cosa

[772

где tga =-, d = у An

Д h

+ AS

2 Ah

cos a = —. d

Расстоянию Я соответствует ток молнии

А/ Лр

9,4

Тогда

вероятность поражения провода молнией равна:

Ра=1-Р{<м.«Р)- (12)

Вероятность перекрытия гирлянды изоляторов при ударах молнии в фазный провод составляет:

ртр=р(1,у.)-шм.1р), (13)

где 1}у - ток защитного уровня.

Если /3> >1/,!^ или р[/3у )-< кр), то перекрытие гирлянды невозможно,

поскольку молнии с токами больше критического не могут проникать в зону защиты тросов.

Зависимость вероятности прорыва молнии на фазные провода от защитного угла

- 1

-

- 1 •

- { 1

- 1 11

- / /•

- / /

- / / /

- / /

-

..., г 1 1 1 1 1 1

-30 -20 -10 о

10 20 30 40 50 60 70

а , град.

1 - по формуле В.В. Бургсдорфа;

2 - по формуле М.В. Костенко и A.M. Новиковой;

3 - по разработанному в диссертации подходу.

Рис.7

Предложенный подход можно также применять для расчета вероятности перекрытия при ударах молнии в провода ВЛ с отрицательными углами защиты (рис. 7). Получаемые результаты (кривая 3 на рис.7) не противоречат существующим оценкам вероятности прорыва молнии мимо тросовой защиты.

Таким образом, число отключений ЛЭП от прорывов молнии мимо тросовой защиты определяется как:

"откллр ~ ^уд ' ^а ' ^'пер ^ 0^)

где «>г) рассчитывается согласно (7), Ра и Ршр по (12) и (13) соответственно.

Проведен анализ влияния рабочего напряжения на вероятность прорыва молнии на фазные провода. Установлено, что для ВЛ классов напряжения 110—ЗЗОкВ максимальные изменения значений вероятности прорывов молнии на фазные провода с учетом влияния рабочего напряжения не превышают 10%. Для линий высших классов напряжения изменение значения Ра становится больше 10% и увеличивается с ростом номинального напряжения.

Однако, несмотря на существенное увеличение значений Ра для ВЛ 500-750кВ

с малыми углами защиты даже при учете рабочего напряжения, прорывы молнии на фазные провода не будут приводить к отключениям линий. Для анкерно-угловых опор, а также для промежуточных опор с большими защитными углами будет наблюдаться небольшое увеличение значений числа отключений.

Число отключений, произошедших от удара молнии в трос рассчитывается по формуле:

„,Р = Пуь ■ ' О-Р*)-(р„Р-пР '^шр-гр +Р„,ри, ■ Ли), (15)

в которой Я - вероятность пробоя воздушного промежутка трос-провод в середине пролета; г] - вероятность перехода импульсной дуги в дугу промышленной частоты для промежутка трос-провод в середине пролета; Рп[р ю - вероятность перекрытия гирлянды изоляторов на опоре при ударе молнии в трос; г}п - вероятность перехода импульсной дуги в дугу промышленной частоты для гирлянды изоляторов; число ударов, поражающих линии электропередачи пуд определяется в соответствие с

формулой (7); доля ударов в тросы Д по (10); Ра согласно (12).

Число отключений от ударов молнии в тросы определялось следующим образом. При ударе молнии в трос в середине пролета по нему в обе стороны от точки

удара распространяются волны напряжения и =- тр'к . Определялось изменение во

времени разности потенциалов между тросом и проводом в точке удара молнии и„р {() и на гирлянде изоляторов £/„,(<). Отключение фиксировалось при выполнении одного из условий:

ир„{))>^тр.„р{()

и, Л) ъш„<() (16)

где С/ (г) - разрядное напряжение промежутка трос-провод; ир„,(1) " разрядное

напряжение гирлянды изоляторов.

Напряжение на тросе и на проводе рассчитывались с учетом отражения волн от четырех ближайших к месту удара молнии опор. Эквивалентное сопротивление канала молнии определялось в соответствии с формулой:

+ (17)

Учет влияния короны на значения волновых сопротивлений и коэффициентов связи проводился динамически по мере изменения напряжения на тросе.

Для каждого из промежутков строились кривые опасных параметров. Вероятности перекрытия при ударе молнии в трос Р„,р_„р и Р„,ри, определялись как суммы вероятностей пробоя при первых и последующих компонентах разряда молнии:

Рщр - Р\пр + Рщр > (18)

где Р'1р - вероятность пробоя при первых компонентах молнии; Р'тр - вероятность пробоя при последующих компонентах молнии. Вероятность Р]„р определяется как:

I

Р1р (19)

о

Исключая долю пробоев, приходящуюся на первые компоненты удара, вероятность пробоя промежутка трос-провод при последующих компонентах можно определить как:

1

(20)

где ([-Р^,) - доля ударов молнии за исключением доли вызвавших пробои в первых компонентах удара; Д2 - доля ударов молнии с числом компонентов п >2, по данным

о

Р. Андерсона и А. Эрикссона д2 =0,55 ; Ра н Р/ - вероятности появления критических крутизны фронта и тока молнии в последующих компонентах отрицательных молний.

Общее число отключений ВЛ от ударов молнии в трос определялось как сумма числа отключений от пробоя воздушного промежутка трос-провод и от перекрытия гирлянды изоляторов на опоре.

Расчет числа отключений от ударов молнии в опоры проводился по методике, представленной в проекте руководящих указаний по защите от грозовых и внутренних перенапряжений электрических систем 6-1150кВ, с учетом полученных в диссертации соотношений (7), (9), (12).

В таблице 2 приведено сопоставление расчетных и эксплуатационных данных грозоупорности ВЛ 110-750кВ на металлических и железобетонных опорах. Анализ полученных результатов показывает, что предложенный в диссертации подход хорошо согласуется с эксплуатационными показателями рассматриваемых ВЛ.

Таблица 2

Класс :пряжения 110 110 220 220 330 500 750

Тип и материал опор металл башенная ж/б башенная металл башенная ж/б башенная металл порт. Металл порт. металл порт.

п 1откл пр (а 100 км и 100 г.ч. 1,03 0,33 1,82 0,41 0,15 0,005 0,002

потк1 оп 1а 100км и 100 г.ч. 0,54 0,43 0,73 0,44 0,2 0,12 0,06

^пт 17 тр :а 100км и 100 г.ч. 2,18 1,69 0,48 0,3 0,047 0,01 0,007

^иткл а 100км и 100 г.ч. 3,75 2,45 3,03 1,15 0,4 0,135 0,069

0 на 100км ЮОг.ч. по опыту :плуатации 3,9 2,8 2,7 1,5 0,34 0,15 0,07

В четвертой главе проведен расчет ожидаемого числа грозовых отключений конкретных ВЛ 110-220кВ, включающих в себя участки с высоким сопротивлением заземления опор и большими длинами пролетов. В таблице 3 приведено

число грозовых отключений рассмотренных линий, полученных по методике НИИПТ и по разработанному в диссертации подходу. Хорошее совпадение результатов расчета грозоупорности ВЛ по предложенной методике и данных эксплуатации этих линий в энергосистемах свидетельствует о достоверности применяемого подхода.

Таблица 3

Класс напряжения Длина линии, км "откл при 40 г.ч. по НИИПТ ^откл при 40 Г.Ч. по диссертации ^откл по опыту эксплуатации

110 41 0,3 0,64 0,8

220 112 1,9 2,3 2,5

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе предложен новый подход к оценке грозоупорности воздушных линий электропередачи различных классов напряжения. Проведенные исследования позволяют сформулировать следующие выводы:

1. На основе учета физических процессов, происходящих во время развития разряда молнии, разработан метод оценки поражаемое™ ВЛ. Для этого предложена математическая модель распространения ступенчатого лидерного канала, включающая в себя динамическое изменение характеристик разряда молнии во времени.

Использование разработанной в диссертации модели позволило определить величины расстояний поражения для объектов различной высоты и различных токов молнии. На основе обобщения результатов расчета была получена зависимость эквивалентного расстояния поражения от высоты объекта, что позволило более точно определить величину полосы стягивания и число ударов молний, поражающих ВЛ.

2. Показано, что распределение ударов между опорами и тросами не постоянно, а зависит как от длины пролета между опорами ВЛ, так и от заряда лидерного канала и соответствующего ему тока молнии. Получена зависимость этого распределения, которая учитывает влияние геометрических и электрических факторов.

3. Разработан метод расчета числа отключений ВЛ вследствие прорывов молнии мимо тросовой защиты для линий электропередачи различной конструкции. Показано, что для ЛЭП классов напряжения выше 500кВ прорывы молнии на фазные провода в большинстве случаев не приводят к отключениям линии. Отмечено, что анкерные опоры

являются менее грозоупорными с точки зрения прорывов молнии мимо тросовой защиты.

4. Проведен анализ влияния рабочего напряжения на вероятность прорывов молнии на фазные провода. Установлено, что для ВЛ классов напряжения 110-330кВ предельные значения изменения вероятности прорыва молнии мимо тросовой защиты не превышают 10%. Для линий высших классов напряжения изменение значения Ра

становится больше 10% и увеличивается с ростом номинального напряжения. Однако, в связи с высокими значениями токов защитного уровня данных ЛЭП прорывы молнии на фазные провода для ВЛ с малыми углами защиты даже при учете рабочего напряжения, не будут приводить к отключениям линий. Для анкерно-угловых опор, а также для промежуточных опор с большими защитными углами будет наблюдаться небольшое увеличение значений числа отключений.

5. На основе предложенного в диссертации подхода к расчету числа отключений от ударов молнии в трос показано, что для ВЛ 110—ЗЗОкВ числом указанных отключений пренебрегать нельзя, особенно при высоких значениях сопротивлений заземления опор и больших длинах пролетов.

6. По разработанной в диссертации методике расчета грозоупорности ВЛ получены данные по числу грозовых отключений ВЛ 110-220кВ различного конструктивного исполнения. Хорошее совпадение результатов расчета грозоупорности ВЛ с данными эксплуатации свидетельствуют о его применимости к расчету молннезащиты линий электропередачи различных конструкций, в том числе проходящих в гористой местности с высоким сопротивлением заземления опор и большими длинами пролетов.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Илларионова Е.А., Ларионов В.П. Расчет электрогеометрическим методом вероятности поражения молнией проводов воздушной линии электропередачи, защищенной тросами. // Известия РАН сер. "Энергетика", 1995, №2, с. 18-22.

2. Илларионова Е.А., Ларионов В.П. Расчет поражаемости молнией проводов воздушных линий, защищенных тросами. // Известия РАН сер. "Энергетика", 1996, №1, с. 45-49.

3. Ларионов В.П., Илларионова Е.А. Расчет распределения ударов молнии между опорами и тросами.// Вестник МЭИ, 1996, №1, с. 67-69.

4. Ларионов В.П., Илларионова Е.А. Характеристики молниезащиты воздушных линий СВН и УВН. // Электричество, 1996, №9, с. 21-23.

5. Илларионова Е.А., Ларионов В.П. Расчетная модель ступенчатого лидера отрицательной молнии. // Электричество, 1997, №5, с. 70-71.

6. Е.А. Illarionova, V.P. Larionov Calculations of probability of lightning stroke into the overhead line wire protected cable. // 23rd International Conference on Lightning Protection (ICLP), Firenze (Italy) - 23-27 September 1996.

7. Larionov V.P., Illarionova E.A. Charge distribution along the stepped leader of lightning. // Second International Symposium «Lightning and Mountains», 1-5 june, 1997, France.

8. Larionov V.P., Illarionova E.A. Lightning protection characteristics of 500-1150kV overhead power transmission lines. 10е International Symposium on High Voltage Engineering - Montreal, August 1997.

9. Илларионова E.A., Ларионов В.П. Поражаемость воздушных электрических сетей молнией. 11 Международная конференция Электробезопасность' 97 - Вроцлав, сентябрь 1997 (на польском языке).

10. Илларионова Е.А., Ларионов В.П. Поражаемость воздушных линий электропередачи молнией. «Электричество», №10,1997.

11. Larionov V.P., Illarionova Е.А. Storm Overvoltages at HV and UHV Transmission Lines. 24"' International Conference on Lightning Protection (ICLP), Birmingham (United Kingdom) - 14-18 September 1998.

Введение.

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ МОЛНИЕЗАЩИТЫ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ.

1.1 Характеристика показателей грозоупорности.

1.2 Определение удельного числа грозовых отключений от обратных перекрытий линейной изоляции при ударах молнии в опору.

1.3 Определение числа грозовых отключений от ударов молнии в трос в середину пролета.

1.4 Определение числа грозовых отключений от прорывов молнии мимо тросовой защиты.

1.5 Постановка задачи исследования.:.

2. ПОРАЖАЕМОСТЬ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ МОЛНИЕЙ.

2.1 Определение зависимости расстояния поражения от токов молнии для объектов различной высоты.

2.2 Разработка метода оценки поражаемости В Л.

2.2.1 Феноменология развития ступенчатого лидера.

2.2.2 Моделирование развития ступенчатого лидера.

2.3 Определение боковой дистанции поражения для воздушных линий электропередачи.

2.4 Расчет распределения ударов между опорами и тросами.

2.5 Выводы.

3. ГРОЗОУПОРНОСТЬ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ, ЗАЩИЩЕННЫХ ТРОСАМИ.

3.1 Определение волнового сопротивления проводов и тросов и коэффициента связи между ними для расчета грозоупорности воздушных линий электропередачи.

3.2 Определение числа отключений В Л вследствие прорывов молнии мимо тросовой защиты.

3.2.1 Анализ влияния рабочего напряжения на число отключений вследствие прорывов молнии мимо тросовой защиты.

3.3 Определение числа отключений от ударов молнии в тросы.

3.4 Определение общего числа грозовых отключений линий электропередачи, защищенных тросами.

4. ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННОЙ МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ГРОЗОУПОР-НОСТИ НА ПРИМЕРЕ КОНКРЕТНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ.

4.1 Определение числа грозовых отключений ВЛ 1 ЮкВ.

4.2 Расчет грозоупорности ЛЭП 220 кВ.

Проблема обеспечения надежности линий электропередачи относится к ряду ключевых проблем в электроэнергетике. В этой связи не утрачивают своей актуальности исследования, направленные на поиск путей повышения грозоупорности и разработку новых методических принципов оценки грозопоражаемости ВЛ. Наибольшее значение имеет расчет грозоупорности ВЛ 110750кВ, защищенных тросами.

В последнее время считается, что алгоритм расчета грозоупорности ВЛ -удельного числа грозовых отключений при 100 грозовых часах на 100км длины ВЛ -достаточно хорошо отработан. Однако оценка большинства входящих в него параметров носит эмпирический характер. Многие из них рассчитываются по соотношениям из «Руководящих указаний по защите от перенапряжений электротехнических установок переменного тока 3-220кВ», разработанных более полувека тому назад. Безусловно, эти соотношения уточнены и модернизированы на основе использования эмпирических данных и опыта эксплуатации ВЛ, однако принципиальный эмпирический подход к расчету грозоупорности ВЛ остался неизменным.

С другой стороны, в последнее время получила дальнейшее развитие разработка модели механизма развития разряда молнии. При этом, что особенно важно, современные возможности вычислительной техники позволили реализовать математические модели различных стадий развития молнии. Поэтому создались условия для совершенствования расчетных методов оценки грозоупорности ВЛ с использованием моделей механизма развития молнии.

Решению именно этой задачи посвящена настоящая диссертационная работа. Вышесказанное свидетельствует об актуальности исследований, выполненных в диссертационной работе. Основной целью этих исследований является совершенствование расчетных методов определения грозоупорности В Л с тросами. При этом расчетные алгоритмы основаны на учете физических процессов, происходящих во время развития разряда молнии.

Как известно, удары молнии происходят в фазные провода и опоры, а на линиях с защитными тросами еще в трос. Наиболее слабым элементом линии в отношении электрической прочности является изоляция проводов на опорах, прежде всего гирлянда изоляторов.

Полноценная статистика поражений молнией отдельных элементов воздушных линий (опор, тросов, фазных проводов) из-за технических трудностей практически отсутствует. Поэтому анализ эксплуатационных данных обычно сводится к вычитанию из общего числа грозовых отключений расчетного числа их, произошедших из-за обратных перекрытий изоляции при ударах молнии в опоры. Остаток относится к прорывам молнии в зону защиты тросов, то есть к ударам в фазные провода. Возможность пробоя воздушного промежутка трос-провод при ударах молнии в тросы не учитывается. Конечно, получаемые для этих условий вероятности перекрытия промежутка трос-провод меньше, чем вероятности перекрытия гирлянды при ударе молнии в опору или в провод. Однако за счет большого числа ударов молнии, поражающих тросы, число отключений от таких ударов становится соизмеримым с отключениями от перекрытия гирлянды изоляторов при ударе молнии в опору или провод. Это особенно актуально для ВЛ с большими длинами пролетов и высокими значениями сопротивления заземления.

Научной новизной работы является разработка метода оценки поражаемости воздушных линий электропередачи, основанного на математической модели распространения ступенчатого лидера молнии. В работе по-новому предлагается рассчитывать распределение ударов молнии между опорами и тросами. Усовершенствована методика расчета ожидаемого числа грозовых отключений ВЛ.

Практическая значимость работы состоит в разработке программного обеспечения для расчета различных составляющих ожидаемого числа грозовых отключений ВЛ 110-750 кВ, которое может использоваться как инструмент при разработке и проектировании систем тросовой защиты и позволяет получить статистические оценки показателей грозоупорности ВЛ.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Илларионова Е.А., Ларионов В.П. Расчет электрогеометрическим методом вероятности поражения молнией проводов воздушной линии электропередачи, защищенной тросами. // Известия РАН, сер. "Энергетика", 1995, №2, с. 18-22.

2. Илларионова Е.А., Ларионов В.П. Расчет поражаемости молнией проводов воздушных линий, защищенных тросами. // Известия РАН, сер. "Энергетика",

1996, №1, с. 45-49.

3. Ларионов В.П., Илларионова Е.А. Расчет распределения ударов молнии между опорами и тросами.// Вестник МЭИ, 1996, №1, с. 67-69.

4. Ларионов В.П., Илларионова Е.А. Характеристики молниезащиты воздушных линий СВН и УВН. // Электричество, 1996, №9, с. 21-23.

5. Илларионова Е.А., Ларионов В.П. Расчетная модель ступенчатого лидера отрицательной молнии. // Электричество, 1997, №5, с. 70-71.

6. Е.А. Illarionova, V.P. Larionov. Calculations of probability of lightning stroke into the overhead line wire protected cable. // 23rd International Conference on Lightning Protection (ICLP), Firenze (Italy) - 23-27 September 1996.

7. Larionov V.P., Illarionova E.A. Charge distribution along the stepped leader of lightning. // Second International Symposium «Lightning and Mountains», 1-5 June,

1997, France.

8. Larionov V.P., Illarionova E.A. Lightning protection characteristics of 500-1150kV overhead power transmission lines. 10е International Symposium on High Voltage Engineering - Montreal, August 1997.

9. Илларионова E.A., Ларионов В.П. Поражаемость воздушных электрических сетей молнией. 11 Международная конференция Электробезопасность' 97 - Вроцлав, сентябрь 1997 (на польском языке).

Ю.Илларионова Е.А., Ларионов В.П. Поражаемость воздушных линий электропередачи молнией. «Электричество», №10, 1997.

11. Larionov V.P., Illarionova Е.А. Storm Overvoltages at HV and UHV Transmission Lines. 24th International Conference on Lightning Protection (ICLP), Birmingham (United Kingdom) - 14-18 September 1998.

2.5 Выводы.

1. Предложен подход, позволяющий определить эквивалентное расстояние поражения для объектов любой высоты. Это расстояние определяется с учетом возможности поражения наземных объектов молниями с различными токами.

2. Разработан метод оценки поражаемости ВЛ. Для этого предложена математическая модель распространения ступенчатого лидерного канала, включающая в себя динамическое изменение характеристик разряда молнии во времени.

3. На основе разработанного метода оценки поражаемости ВЛ были получены значения эквивалентного расстояния поражения для ЛЭП различной высоты. Это позволило более точно определить величину полосы стягивания и число ударов молнии, поражающих ВЛ.

4. Получено распределение ударов молнии между опорами и тросами с учетом геометрических параметров ВЛ и возможности поражения линии молниями с различными токами.

3. ГРОЗОУПОРНОСТЬ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ,

ЗАЩИЩЕННЫХ ТРОСАМИ.

3.1 Определение волнового сопротивления проводов и тросов и коэффициента связи между ними для расчета грозоупорности воздушных линий электропередачи.

Геометрическое (без учета короны) волновое сопротивление одиночного троса или провода рассчитывается по формуле /10/:

2 К гг =60- 1п ——, (3.1) г где г - радиус троса или провода, м; Иср - средняя высота подвеса троса или провода над землей, м.

Геометрический коэффициент связи провода с одиночным тросом определяется как:

1п 1п

12

2^2 кг - , ч , (3-2)

V г2 ; где Д2 - расстояние между проводом и зеркальным изображением троса относительно земной поверхности, м; с/12 - расстояние между проводом и тросом, м; /^ - средняя высота троса над землей, м; г2 - радиус троса, м.

Известно, что в формулы, определяющие коэффициенты связи, волновые сопротивления, емкость и индуктивность проводов ЛЭП входит радиус провода. При появлении вокруг провода ионизированного чехла, коронирующий провод радиуса г можно заменить в расчетах проводом большего радиуса гк и экспериментально или теоретически найти зависимость гк=/(и). Тогда подстановка найденного значения гк в уравнения основных волновых параметров ЛЭП будет равносильна введению в эти уравнения поправки на импульсную корону.

При возникновении на проводах и тросах импульсной короны волновое сопротивление снижается, а коэффициент связи возрастает. Существуют различные методы определения параметров ЛЭП при импульсной короне. Ряд из них рассмотрен в работах /9/, /11/, /43/. Так в работе /11/ на основе решения системы приближенных квазилинейных телеграфных уравнений многопроводной линии, учитывающей вольт-кулоновую характеристику коронирующего провода и наведенные заряды на параллельных проводах, был уточнен физический смысл и количественная характеристика влияния импульсного коронного разряда на волновое сопротивление коронирующего провода и коэффициенты связи остальных проводов. Подход, предложенный в /11/, является, несомненно, более прогрессивным, однако учет влияния короны при этом является отдельной задачей, требующей применения методов расчета электрических полей, обладающих большими функциональными возможностями.

В данной работе поправка на корону для волновых сопротивлений и коэффициентов связи проводилась по методике, базирующейся на понятии «коронного чехла» 191. Связь между радиусом одиночного или эквивалентным радиусом расщепленного коронирующего провода гж и воздействующим напряжением и описывается трансцендентным уравнением: ш2^ и-к"-' (3.3)

У-к/ г

V эк у гДе гж ={п'гк 'К)/П» (3.4) в котором гк - радиус чехла короны составляющего провода, Я - радиус расщепления, п - число составляющих расщепленного провода, Е~р - средняя напряженность на границе коронного чехла при отрицательной полярности волны; по результатам обработки экспериментальных данных Е'ср связана с радиусом чехла короны провода зависимостью:

Е-ср=Ъ\9-г^ш. (3.5)

С учетом зависимостей (3.4) и (3.5) трансцендентное уравнение для расчета гк имеет вид:

2к и = 33,9• п-г^21п?-. (3.6)

Поправки на корону для коэффициента связи провода с одним коронирующим тросом и волнового сопротивления провода (троса) вводятся с использованием функции /2/:

-1Гт-=-п-^-^-' (3-7) г аи и0 г аи где ио - напряжение начала короны на составляющих расщепленного провода радиуса г рассчитывается по уравнению (3.5) при гк =г; 1-У() и IVк определяются

2/г 2/г как Шй = —Жк = — г ^

Тогда:

У^-Ш-; (3.8) Ч л/и • 1п ккР) = кг1—(3.9)

Расчетные формулы для определения поправки на корону для волнового сопротивления и коэффициента связи провода с двумя коронирующими тросами приведены в /2/.

3.2 Определение числа отключений ВЛ вследствие прорывов молнии мимо тросовой защиты.

В главе 1 было показано, что одним из основных влияющих параметров для определения числа отключений при ударах молнии в фазный провод является вероятность Ра .

В данной работе для расчета вероятности прорыва молнии мимо тросовой защиты Ра использовалась модель развития лидерного канала, схематично представленная на рис.3.1 а. Данная модель включает в себя как учет

К расчету вероятности прорыва молнии мимо тросовой защиты

§ § « л к

Л и ч к ч тр. макс трос пр. макс провод ГТ //////// Г/ ///// а) б) Рис. 3.1 интенсивности разрядного процесса (значения токов молнии, поражающей фазные провода), так и геометрические параметры линии электропередачи.

Математическое описание рассматриваемого явления требует оценки электрического поля при развитии лидера молнии, образованного зарядом лидера, определяемым в соответствии с главой 2, и наведенными зарядами в наземных объектах. Расчет электрического поля проводился методом эквивалентных зарядов (Приложение 1).

Определение траектории распространения нисходящего лидерного канала осуществлялось в соответствии с максимальным градиентом напряженности электрического поля. Принималось во внимание возможное отклонение в траектории развития лидера от направления, соответствующего максимальному градиенту (рис.3.16). Это отклонение рассчитывалось согласно нормальному закону распределения вероятности.

По мере распространения лидера молнии по направлению к земле на элементах конструкции ЛЭП (трос, фазный провод) проверялось выполнение условий возникновения стримерной короны и возможности развития встречных разрядов. Согласно /44/ было принято, что встречный лидер возникает при средней напряженности электрического поля 5кВ/см.

Для получения различных траекторий распространения лидерного канала по направлению к земле был проведен ряд расчетов при неизменном значении тока молнии из одной и той же ячейки грозового облака (рис.3.2).

Результаты расчетов показали наличие трех пространственных областей, при попадании головки лидера в которые однозначно выполняется условие финального пробоя промежутков: лидерный канал-трос (область А), лидерный канал-фазный провод (область В), лидерный канал-земля (область С). На рис.3.3 приведены графики изменения градиента напряженности электрического поля у элементов ВЛ и земли для этих случаев. Поражение объекта определялось возникновением встречного лидера с последующим финальным пробоем промежутка между нисходящим и восходящим каналами. Если на элементах ВЛ не создавались условия для старта встречного лидера, то считалось, что молния поражает землю.

При достижении градиента напряженности 5кВ/см на одном из элементов ЛЭП с него навстречу нисходящему каналу молнии начинает развиваться

Траектории развития лидерного канала

Рис.3.2

О 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Ь, м область А а)

Рис. 3.3

Е, кВ/см

О 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 к, м область В б) Рис. 3.3

О 50 100 150 200 250 300 350 400 450 к, м область С в)

Рис. 3.3 встречный разряд. Это приводит к снижению или резкому замедлению роста электрического поля у других элементов линии. Появившийся встречный лидер распространяется в направлении максимального градиента напряженности электрического поля, тем самым, сокращая расстояние между каналом молнии и объектом и определяя точку поражения.

Однако могут быть случаи, когда выполнение условия возникновения встречного лидера имеет место одновременно для двух объектов (например, для троса и провода). Примем, что такое положение головки канала лидера молнии приводит к равновероятному поражению обоих объектов.

Выполнялись расчеты для различных значений токов молнии и расстояний от точки старта лидерного канала до оси ЛЭП.

Результаты расчетов показали, что для ЛЭП различной конструкции существуют некоторые критические значения токов молнии, при превышении которых удары в провод невозможны, так как при любой траектории и положении головки лидерного канала в пределах полосы стягивания ВЛ раньше выполняется условие развития встречного разряда с грозозащитного троса или при больших расстояниях от оси ЛЭП молния поражает землю.

На основании проведенных расчетов было определено, что в зависимости от траектории головка канала лидера попадает в область захвата молнии тросом А, проводом В или в область захвата молнии землей С (рис.3.4).

В поперечном сечении границей зон захвата молнии тросом и проводом является линия, соответствующая такому положению лидера, при котором поражение молнией троса и провода является равновероятным. Расположение этой границы будет зависеть от конкретной конструкции линии электропередачи. Поэтому для упрощения дальнейших расчетов примем, что линия равновероятного поражения троса и провода соответствует перпендикуляру, восстановленному из середины отрезка, соединяющего трос с фазным проводом. Такое допущение приводит к завышению получаемых результатов вероятности прорыва молнии мимо тросовой защиты, однако это позволяет сделать данный подход универсальным. Численные эксперименты показали, что в этом случае погрешность расчета не превосходит 10%.

Уравнение границы захвата молнии тросом и проводом 1 (рис.3.4) в координатах ХОУ можно записать как:

К определению критического расстояния поражения ктР - высота подвеса троса; Ы - высота подвеса провода

Рис. 3.4

Д5 й2 Д5

У = = + (ЗЛ0) где уь - координата точки В на оси у, й - расстояние между тросом и проводом, А51 и А/г - смещения провода относительно троса, соответственно по горизонтали и вертикали, кп - высота подвеса провода на опоре.

Граница между зонами захвата молнии проводом и поверхностью земли при разных значениях тока молнии, то есть линия равновероятного поражения молнией провода и земли, при больших расстояниях от объектов, характерных для рассматриваемых явлений, может быть описана уравнение параболы: у = (х2/2кя) + (кй/ 2). (3.11)

Зона захвата провода В с увеличением расстояния от троса и провода Я сокращается. В точке т смыкаются между собой зоны захвата молнии тросом и землей, а зона захвата молнии проводом становится равной нулю. Совместное решение уравнений (3.10) и (3.11) позволяет определить величину критического расстояния поражения:

КР = К

1 + (^а)2 + ——-+ tga №<х)2 + —^— +1

4 7 2п„ соэ а V п„со5а

3.12) г—,--7 А/г где 1яа = —,а = ыА.п +А5 ,соз« = —. АИ а

Расстоянию Я соответствует по (1.47) ток молнии:

I М.кр

Г и \3/2

3.13)

9,4 у

При токах больше 1Мкр и расстояниях поражения выше Якр удары в провод невозможны. Вероятность поражения провода молнией определяется следующим образом:

Ра=\-Р{1м,Х (3.14)

Однако не все разряды, поражающие фазный провод, могут привести к перекрытию гирлянды изоляторов ВЛ. Ток защитного уровня 13 у для линий на стальных и железобетонных опорах определяется как:

3-15) к.пр где и50„/о - 50% разрядное напряжение изоляции для импульсов отрицательной полярности с косоугольным фронтом при среднестатистических временных параметрах импульса; гк пр - волновое сопротивление провода с учетом короны.

Вероятность перекрытия гирлянды изоляторов при ударах молнии в фазный провод составляет:

ЗЛ6)

Если или р(/3>,)-<р(/Мл.р), то перекрытие гирлянды невозможно, поскольку молнии с токами больше критического не могут проникать в зону защиты тросов.

На рис.3.5 представлены зависимости вероятности поражения фазного провода от защитного угла а (на примере В Л 220кВ, Иоп - 24 м), рассчитанные по формулам (1.41), (1.43) и по предложенному в диссертации подходу. Из рисунка видно, что получаемые результаты (кривая 3) не противоречат существующим оценкам вероятности прорыва молнии мимо тросовой защиты. Однако предлагаемый подход можно также применять для расчета Ра при ударах молнии в провода ВЛ с отрицательными углами защиты. Более того, кривая Ра = /(«) не имеет разрыва при переходе от положительных углов защиты к отрицательным в отличие от зависимости, полученной в /45/.

Таким образом, число отключений ЛЭП от прорывов молнии мимо тросовой защиты определяется следующим образом:

П0тю,.пр=пуд-Ра-Ртр-Г], (3.17) где пуд рассчитывается согласно (2.16), Ра и Рпер по (3.14) и (3.16) соответственно.

В таблице 3.1 приведены результаты расчетов числа отключений потю1пр для некоторых типов опор по предложенной методике.

Анализ данных расчетов показывает, что для линий электропередачи классов напряжения выше 500кВ прорывы молнии мимо тросовой защиты в большинстве случаев не приводят к отключениям линий вследствие высоких значений токов защитного уровня. Следует также отметить, что анкерные опоры

Зависимость вероятности прорыва молнии на фазные провода от защитного угла

Ра V

1 3 / 1

-

- 2

- / /1

- /

- /

- /

-

1 1 1 1 1—" 1 1 1 1 \

-30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 а, град.

1 - по формуле (1.41) /16/;

2 - по формуле (1.43) /8/;

3 - по разработанному в диссертации подходу.

Рис.3.5

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе предложен новый подход к оценке грозоупорности воздушных линий электропередачи различных классов напряжения.

Проведенные исследования позволяют сформулировать следующие выводы:

1. На основе учета физических процессов, происходящих во время развития разряда молнии, разработан метод оценки поражаемости ВЛ. Для этого предложена математическая модель распространения ступенчатого лидерного канала, включающая в себя динамическое изменение характеристик разряда молнии во времени.

Использование разработанной в диссертации модели позволило определить величины расстояний поражения для объектов различной высоты и различных токов молнии. На основе обобщения результатов расчета была получена зависимость эквивалентного расстояния поражения от высоты объекта, что позволило более точно определить величину полосы стягивания и число ударов молний, поражающих ВЛ.

2. Показано, что распределение ударов между опорами и тросами не постоянно, а зависит как от длины пролета между опорами ВЛ, так и от заряда лидерного канала и соответствующего ему тока молнии. Получена зависимость этого распределения, которая учитывает влияние геометрических и электрических факторов.

3. Разработан метод расчета числа отключений В Л вследствие прорывов молнии мимо тросовой защиты для линий электропередачи различной конструкции. Показано, что для ЛЭП классов напряжения выше 500кВ прорывы молнии на фазные провода в большинстве случаев не приводят к отключениям линии. Отмечено, что анкерные опоры являются менее грозоупорными с точки зрения прорывов молнии мимо тросовой защиты.

4. Проведен анализ влияния рабочего напряжения на вероятность прорывов молнии на фазные провода. Установлено, что для ВЛ классов напряжения 110-ЗЗОкВ предельные значения изменения вероятности прорыва молнии мимо тросовой защиты не превышают 10%. Для линий высших классов напряжения изменение значения Ра становится больше 10% и увеличивается с ростом номинального напряжения. Однако в связи с высокими значениями токов защитного уровня данных ЛЭП прорывы молнии на фазные провода для ВЛ с малыми углами защиты даже при учете рабочего напряжения, не будут приводить к отключениям линий. Для анкерно-угловых опор, а также для промежуточных опор с большими защитными углами будет наблюдаться небольшое увеличение значений числа отключений.

5. На основе предложенного в диссертации подхода к расчету числа отключений от ударов молнии в трос показано, что для ВЛ 110-330кВ числом указанных отключений пренебрегать нельзя, особенно при высоких значениях сопротивлений заземления опор и больших длинах пролетов.

6. По разработанной в диссертации методике расчета грозоупорности ВЛ получены данные по числу грозовых отключений ВЛ 110-220кВ различного конструктивного исполнения. Хорошее совпадение результатов расчета грозоупорности ВЛ с данными эксплуатации свидетельствуют о его применимости к расчету молниезащиты линий электропередачи различных конструкций, в том числе проходящих в гористой местности с высоким сопротивлением заземления опор и большими длинами пролетов.

7. Разработанная в диссертации методика расчета грозоупорности воздушных линий электропередачи может быть рекомендована для включения в руководящие указания по защите электроустановок от грозовых перенапряжений.

1. Базуткин В.В., Ларионов В.П., Пинталь Ю.С. Техника высоких напряжений: Изоляция и перенапряжения в электрических системах: Учебник для вузов. / 3-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1986.

2. Руководящие указания по защите от грозовых и внутренних перенапряжений электрических систем 6-1150кВ ЕЭС. СПб, НИИПТ, 1993.

3. Руководящие указания по защите от перенапряжений электрических сетей 3-500кВ (Проект). // Электрические станции, 1964, №6.

4. Anderson R.B., Eriksson A.J. Lightning parameters for engineering application. // Electra, 1980, №69.

5. Раков B.A., Луц A.O. К оценке радиуса стягивания разрядов молнии к объекту. // «Электричество», 1988, №9.

6. Базелян Э.М., Горин Б.Н., Левитов В.И. Физические и инженерные основы молниезащиты. //Л.: Гидрометеоиздат, 1978.

7. Никитин О.А. Разработка мероприятий по снижению аварийности линий 1150 кВ из-за ударов молнии: Автореф. дисс. на соиск. степени канд. техн. наук. МЭИ, 1995.

8. Костенко М.В., Новикова А.Н. Вероятность прорыва молнии на провода воздушных линий электропередачи: опыт эксплуатации и его обобщение. //Известия РАН, сер. «Энергетика», 1993, №5, с.73-80.

9. Разевиг Д.В. Атмосферные перенапряжения на линиях электропередачи. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1959.

10. Техника высоких напряжений: Учебное пособие для вузов. Богатенков И.М., Иманов Г.М., Кизеветтер В.Е. и др.; под ред. Кучинского Г.С. СПб: Изд. ПЭИПК 1998. - 700 е.: ил.

11. Костенко М.В. Волновое сопротивление коронирующего провода и коэффициенты связи между проводами ЛЭП. //Известия РАН, сер. «Энергетика», 1982, №3.

12. Костенко М.В. Сопротивление канала главного разряда молнии. // «Электричество», 1985, №3.

13. Александров Г.М., Герасимов Ю.А. Электрическая прочность изолирующих подвесок проводов BJI при коммутационных и грозовых импульсах. // «Электричество», 1995, №6.

14. Костенко М.В. Атмосферные перенапряжения и грозозащита высоковольтных установок. //Госэнергоиздат, 1949.

15. Костенко М.В., Половой И.Ф., Розенфельд А.Н. Роль прорывов молнии на провода мимо тросов для грозозащиты линий высших классов напряжения. // «Электричество», 1961, №4.

16. Бургсдорф В.В. Грозозащита линий электропередачи. // «Электричество», 1969, №8.

17. Перенапряжения в электрических системах и защита от них: Учебник для вузов / В.В. Базуткин, К.П. Кадомская, М.В. Костенко, Ю.А. Михайлов. СПб.: Энергоатоиздат, Санкт-Петербург, отд-ние. 1995. - 320с.:ил.

18. Базелян Э.М. Влияние рабочего напряжения на вероятность прорыва молнии к проводам воздушных линий. // Электричество, 1981, №5.

19. М. Darveniza, F. Popolansky, E.R. Whitehead. Lightning protection of UHV Transmission Lines. Electra№41, 1975.

20. Love E.R., Whitehead E.R. Improvement in Lightning Stroke Modelling and Applications to the Design of EHV and UHV Transmission Lines. Thesis submitted to the University of Colorado in partial fulfilment of requirements for the M.S. (EE) degree.

21. IEC Standart 1024-1 (03.1990). Protection of structures against lightning. Part. 1: General principles.

22. Ларионов В.П., Колечицкий E.C., Шульгин B.H. Расчет вероятности прорыва молнии через тросовую защиту. // Электричество, 1981, №5.

23. Колечицкий Е.С. Метод непосредственного расчета поражения молнией наземных объектов. Возможности и проблемы. //Известия РАН, сер. «Энергетика», 1993, №1.

24. L. Dellera, Е. Garbagnati. Lightning stroke simulation by means of the leader progression model. Part 1,2, IEEE Trans. On Power Delivery, vol.5,October 1990.

25. F.A.M. Rizk. Modeling of transmission line exposure to direct lightning strokes. // IEEE Transaction on Power Delivery, 1990, vol. 5, №4.

26. M. Bernardi, L. Dellera, E. Garbagnati, G. Sartorio. Leader Progression model of lightning: updating of the model on the basis of recent test results. 23 ICLP -Florence, 1996.

27. Бургсдорф B.B. Параметры токов молниии выбор их расчетных значений. // Электричество, 1990, №2.

28. Schonland В. The lightning Discharge.- Handbuch der Physik. Bd 22. SpringerVerlag, 1956.

29. В.П. Ларионов. Лидерная стадия искрового разряда. // Электричество, 1961, №8.

30. Бойков А.П., Богданов О.В, Гайворонский А.С.- и др. Развитие лидера в воздушных промежутках большой длины. // Электричество, 1988, №9.

31. Юман М.А. Молния. / Пер. с англ. М.: Мир, 1972.

32. Berger К., Vogelsanger Е., Photographische Blitzuntersuchungen der Jahre 1955 -1965 auf dem Monte San Salvatore, Bull. SEV, 57, 1-22 (1966).

33. Иванов A.B, Ларионов В.П. Распределение зарядов в зоне ионизации при поверхностном разряде. // Электричество, 1970, №3.

34. Murooka G., Koyama S. The nansecond surface discharge stady by using dust figure techniques. 11th ICPIG. - Prague, 1973.

35. Loeb L.B. Some Aspects of Breakdown Strimers. Physical review, 1954, №2.

36. Dellera L., Pigini A., Garbagnati E. A lightning model based on the similarity between lightning phenomena and long laboratory sparks // 16. JBK, Szeged. 1981. R -2.09

37. Cristescu D., Dragen G., Gary G. et al. New aspects of the physics of lightning impact in the laboratory // 5 JSHV. Braunschweig, 1987. P.81.01.

38. Larsson A., Cooray V, Charge distribution in the lightning leader channel. Proc. 23 ICLP, v. I. - Florence, 1996.

39. Bruce C.E.R., Golde R.H. The lightning discharge. Journ. IEE, 1941, v.88, pt II, p. 487.

40. Garbagnati E., Marinani F., Lo Piparo G.B. Parameters of lightning currents. Interpretation of the results obtained in Italy. 16th ICLP, Seged, 1981. R 1.03.

41. И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗов, Москва, 1981.

42. Brown G.W. Lightning performans // IEEE Trans. Power Appar. and Sist. 1978, №1.

43. Федченко И.К., Кондра Б.Н. Коэффициенты связи линий электропередачи при импульсной короне. Киев, Изд-во «Техника», 1968, 120с.

44. Базелян Э.М., Райзер Ю.П. Искровой разряд: Учеб. пособие: для вузов. М: Изд-во МФТИ. 1997. - 320с.

45. Шевченко С.Ю. «Исследование грозозащиты воздушных линий электропередачи повышенной натуральной мощности»: Автореф. дис. канд. техн. наук. ЛИИ, 1989.

46. Справочник по электрическим установкам высокого напряжения. // Под ред. И.А. Баумштейна, С.А. Бажанова. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1989.

47. Правила устройства электроустановок. /Минэнерго СССР,- 6-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1985.

48. L. Paris and R. Cortina. Switching and Lightning Impulse Discharge Characteristics of Large Air Gaps and Long Insulator Strings. IEEE Trans. Power Apparatus and Systems, vol.87, №4, 1968.

49. S. Fugitaka et al. Investigation on Lightning Protection for Electric Power Systems in Japan. CIGRE, 1958, №332.

50. Руководящие указания по защите от внутренних и грозовых перенапряжений сетей 3-750кВ (Проект) // Труды НИИПТ. Вып. 21-22, 1975.

51. Отчет о НИР. Исследование грозозащищенности конструкций линий и подстанций ПО «Иркутскэнерго». Базуткин В.В., Литвинов А.Л., Илларионова Е.А. и др., гос. per. №01920014878, МЭИ, 1992г.

52. Е.С. Колечицкий. Расчет электрических полей устройств высокого напряжения. М.: Энергоатомиздат, 1983.