автореферат диссертации по энергетике, 05.14.12, диссертация на тему:Разработка нового способа грозозащиты высоковольных распределительных воздушных линий 6-10 кВ длинно-искровыми разрядниками

САНКТ - ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (СПбГТУ) НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ "СТРИМЕР"

^^ На правах рукописи

СИВАЕВ Александр Дмитриевич

РАЗРАБОТКА НОВОГО СПОСОБА ГРОЗОЗАЩИТЫ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ 6 - 10 КВ ДЛИННО-ИСКРОВЫМИ РАЗРЯДНИКАМИ

05.14.12 - Техника высоких напряжений

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1999

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном Техническ Университете и научно-производственном объединении "Стример".

Научный руководитель - доктор технических наук,

старший научный сотрудник, Г.В. Подпоркин

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор, Ф.Х. Халилов

Ведущее предприятие: ОАО Ленэнерго (г. Санкт - Петербург)

специализированного совета К144.09.01 в Научно-исследовательском институте п передаче электроэнергии постоянным током высокого напряжения (АО НИИГП по адресу: г. Санкт- Петербург, ул. Константинова, д. 1, к. 32.

Отзывы (в двух экземплярах), заверенные гербовой печатью, просьб направлять по адресу: 194223, Россия, г. Санкт- Петербург, ул. Курчатова, д.1/ 34

С диссертацией можно ознакомляться в библиотеке института.

- кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Е.А. Соломоник

Защита состоится " Щ "

мая 1999 г. в М часов на заседани

АО НИИПТ.

Автореферат разослан " М " апреля 1999 г.

Ученый секретарь специализированного совета К 144.09.01, кандидат технических наук

РАЗРАБОТКА НОВОГО СПОСОБА ГРОЗОЗАЩИТЫ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ 6 - 10 КВ ДЛИННО-ИСКРОВЫМИ РАЗРЯДНИКАМИ

Обгцая характеристика работы

Актуальность проблемы. Качество электроснабжения большинства потребителей напрямую зависит от надежности работы распределительных воздушных линий (ВЛ) 6-10 кВ, протяженность которых в России превышает 1,2 млн. км. Одной из основных причин аварий и нарушений на ВЛ 6 - 10 кВ являются грозовые воздействия. Они вызывают повреждения изоляторов, опор, проводов, приводят к однофазным замыканиям на землю, дуговым перенапряжениям, коротким замыканиям и автоматическим отключениям. Вследствие низкого уровня импульсной прочности линейной изоляции В Л б - 10 кВ являются весьма подверженными грозовым отключениям, так как практически все перенапряжения от прямых ударов молнии и значительная часть индуктированных перенапряжений приводят к перекрытиям изоляции, с большой вероятностью переходящим в силовую дугу напряжения промышленной частоты. Поэтому проблема повышения эффективности грозозащиты и сокращения числа отключений потребителей от источников электрической энергии очень актуальна, и ей уделяется повышенное внимание в энергосистемах.

Традиционные средства ограничения перенапряжений, применяющиеся для грозозащиты подстанционного оборудования, не могут широко использоваться на ВЛ либо из-за технического несоответствия предъявляемым требованиям, либо из-за высокой стоимости.

Поэтому в настоящее время по существу единственной технической мерой, призванной снижать ущерб от грозовых отключений В Л 6-10 кВ, в России служит автоматическое повторное включение (АПВ), эффективность которого в среднем не превышает 50%.

Реальная перспектива внедрения в нашей стране распределительных. воздушных линий с изолированными проводами предопределяет необходимость применения какой-либо системы их грозозащиты для предотвращения пережога изоляции и проводов силовыми токами короткого замыкания. Те известные по опыту использования в других странах системы грозозащиты ВЛ с изолированными проводами, которые приемлемы по стоимости, не решают проблему комплексно, а лишь обеспечивают защиту проводов, при этом число грозовых отключений ВЛ не снижается.

Поэтому весьма важной является задача поиска новых нетрадиционных экономически доступных технических решений в области грозозащиты, эффективных для применения на ВЛ как с неизолированными, так и с изолированными проводами.

Цель работы. Основной целью работы явилась разработка нового способа грозозащиты ВЛ 6-10 кВ, основанного на применении специальных длинно-искровых разрядников (РДИ), способных предотвращать дуговые замыкания за счет реализации принципа удлинения импульсного скользящего разряда.

Для практического достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

- на основе экспериментальных исследований импульсных разрядных характеристик изолированных проводов определить основные конструктивные и технологические требования для разработки РДИ и обосновать техническую возможность реализации идеи удлинения пути разряда вдоль защитного устройства;

- изготовить опытные образцы прототипов РДИ и провести лабораторные экспериментальные исследования их электрических характеристик при воздействии токов и напряжений, соответствующих рабочим эксплуатационным условиям;

- провести комплексные экспериментальные исследования физических процессов перехода импульсного грозового перекрытия РДИ в силовую дугу с использованием синтетической схемы, моделирующей грозовое воздействие молнии и силовую сеть промышленной частоты;

- выработать необходимые рекомендации по применению предлагаемого способа грозозащиты ВЛ на основе анализа основных технических и технико-экономических факторов, определяющих область эффективного использования длинно-искровых разрядников.

Научная новизна и практическая ценность. В настоящей работе предложен новый способ грозозащиты воздушных распределительных линий 6-10 кВ, основанный на принципе исключения перехода искрового грозового перекрытия в силовую дугу напряжения промышленной частоты.

Обоснованы научно-методические рекомендации для разработки длинно-искровых разрядников, предложены различные варианты исполнения РДИ и способы их установки на воздушных линиях.

В результате экспериментальных исследований электрических характеристик скользящего разряда вдоль изоляционных поверхностей опытных образцов изолированных проводов с различными конструктивными параметрами доказана возможность формирования искрового

дерекрытия по разряднику с необходимой по условию предотвращения юроткого замыкания длиной канала.

Проведены комплексные экспериментальные исследования элек-грических характеристик опытных прототипов РДИ на макетах ВЛ при юздействиях импульсных грозовых перенапряжений, коммутационных деренапряжений, напряжения промышленной частоты, а также им-дульсных грозовых токов.

Выполнены экспериментальные исследования процессов перехода импульсного искрового перекрытия в силовое дуговое замыкание :о пр о вождающего тока рабочего напряжения на опытных образцах ЭДИ.

В результате обработки и анализа экспериментальных данных подучены аналитические зависимости, определяющие взаимосвязь между допустимыми по условию гашения сопровождающих токов параметра-пи электрической сети и разрядников.

Получены аналитические зависимости вероятности установления )ежима короткого замыкания на ВЛ вследствие грозовых перекрытий )т параметров электрической сети, сопротивления заземления опор и длины импульсного перекрытия разрядника.

Предложенный принцип нового способа грозозащиты и различные варианты его технического воплощения защищены патентами Российской Федерации и международной заявкой на патент по системе

Разработанный способ грозозащиты воздушных линий с учетом шработанных технико-экономических рекомендаций может быть дрименен на действующих и вновь вводимых в эксплуатацию воздуш-шх распределительных линиях 6 - 10 кВ как традиционного исполне-дия, так и с изолированными проводами.

На защиту выносятся: принцип исключения перехода искрового дерекрытия в силовую дугу за счет удлинения импульсного скользящего разряда; научно-методические рекомендации по разработке РДИ с дспользованием этого принципа; результаты экспериментальных исследований импульсных характеристик скользящего разряда вдоль по-зерхности изолированных проводов; результаты экспериментальных дсследований разрядных характеристик прототипов РДИ; результаты жспериментальных исследований процессов перехода импульсного дскрового перекрытия РДИ в силовую дугу; аналитические зависимости, определяющие взаимосвязь между допустимыми по условию га-пения сопровождающих токов параметрами электрической сети и раз-эядников.

Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались:

- на 4-ой и 5-ой российской научно-технической конференции "Электромагнитная совместимость технических средств и биологических объектов" ЭМС, С.- Петербург, 1996, 1998 г.г.;

- на совещании "Эксплуатация, производство и обеспечение качества защитных средств от перенапряжений в классе 0,5 - 35 кВ" Мин. топлива и энергетики РФ, РАО "ЕЭС России", НПО "Электрокерамика", ПЭИГЖ. 6 -9 октября 1997 г., С.- Петербург;

- на конференции Международного института инженеров электриков и электронщиков ШЕЕ, Берлин, 1997 г.;

- на 24-ой Международной конференции по молниезащите (1СЬР-98), Бирмингем, Великобритания, 1998 г.;

- на 12-ой Международной конференции по промышленному электроснабжению, Таиланд, 1998 г.

По теме диссертации в соавторстве опубликовано 13 печатных работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы составляет 154 стр., из них 99 стр. машинописного текста, 18 таблиц, 48 рисунков, список литературы из 123 наименований, приложение на 10 стр.

Содержание работы.

Во введении раскрывается актуальность темы исследования, ее практическая ценность и научная новизна, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

1. ГРОЗОЗАЩИТА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ 6-10 КВ. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

Анализ опыта эксплуатации распределительных электрических сетей показывает, что их надежность ниже, чем у сетей более высоких классов напряжения. Значительная часть перерывов электроснабжения и аварийных отключений (до 70 - 80 % от общего количества) приходится на распределительные линии.

Одной из основных причин аварий и нарушений являются грозовые воздействия, приводящие к однофазным замыканиям, разрушениям изоляторов, отключениям линий.

Аварийные отключения ВЛ 6 - 10 кВ по причине грозовых перенапряжений составляют до 40% от общего числа отключений. При этом причиной более, чем половины всех грозовых отключений ВЛ могут быть индуктированные перенапряжения, что обусловлено низким уровнем импульсной прочности изоляции.

Помимо нанесения ущерба, связанного с дуговыми перенапряжениями и с отключениями ВЛ, атмосферные перенапряжения зачастую становятся непосредственным фактором, приводящим к значительным повреждениям подстандаонного оборудования, проводов и опор ВЛ. Отмечается высокая повреждаемость изоляторов на линиях с железобетонными опорами, причем с увеличением интенсивности грозовой деятельности количество повреждений изоляторов возрастает.

Из опубликованных результатов исследований известны наиболее значимые факторы, влияющие на число грозовых отключений ВЛ 6- 10 кВ: сопротивление заземления опор II з, степень экранирования ВЛ расположенными вдоль трассы сооружениями, лесными массивами, проводами ВЛ более высоких классов напряжения, а также наличие, вид и расположение так называемых "ослабленных точек". Приводимые расчетные данные показывают, что чем выше Лз, тем меньше число грозовых отключений от индуктированных напряжений. Например, для В Л 10 кВ с железобетонными опорами изменение от 100 Ом до 10 Ом увеличивает долю отключений за счет индуктированных перенапряжений с 1 % до 60 %. В целом же, грозовая аварийность ВЛ 10 кВ увеличивается с ростом Яз.

Многочисленные экспериментальные и теоретические исследования показывают, что в большинстве случаев индуктированные перенапряжения на ВЛ 10 кВ не превышают величины 300 кВ, тем не менее, значительная их часть приводит к перекрытиям изоляторов на ВЛ с железобетонными опорами из-за их низкой импульсной прочности.

Действующие в настоящее время в России нормы не предусматривают какой-либо специальной защиты от грозовых перенапряжений В Л с неизолированными проводами напряжением 6-10 кв, за исключением случаев защиты отдельных точек ВЛ с ослабленной изоляцией или с повышенными требованиями по надежности. В этих местах предполагается установка трубчатых или вентильных разрядников, а также искровых промежутков при наличии АПВ.

Существующий опыт применения разрядников для защиты ВЛ от грозовых перенапряжений и теоретические исследования показывают, что технические возможности вентильных и трубчатых разрядников не могут в полной мере удовлетворить предъявляемым к ним требованиям в соответствии с условиями работы на ВЛ при воздействии грозовых разрядов. Искровые воздушные промежутки приводят только к увеличению числа отключений ВЛ.

При отсутствии тросов основным грозозащитным мероприятием на ВЛ 6 -10 кВ считается АПВ. Среднее значение вероятности успешного АПВ для распределительных сетей составляет РАПв ~ 0,5. Помимо недостаточно высокой эффективности АПВ, оно приводит к дополнительному ущербу, связанному с электродинамическими нагрузками на оборудование подстанций и более интенсивным расходованием ресурса выключателей.

Во многих странах (Финляндия, США, Япония и др.) накоплен большой опыт эксплуатации ВЛ с изолированными проводами (ВЛИ), имеющих повышенную надежность работы в нормальном режиме. Но их применение требует обязательного решения проблемы грозозащиты. Это связано с необходимостью предотвращения пережога проводов из-за горения дуги в месте импульсного пробоя изоляции провода. Для решения этой задачи в США провод оголяется в зоне крепления к изолятору, а на границе изоляции устанавливаются массивные зажимы. В Финляндии применяются дугозащитные "рога", которые однофазные замыкания переводят в короткие двухфазные, что приводит к отключению ВЛ. Обе представленные системы грозозащиты ВЛИ препятствуют перегораншо провода, но не снижают число отключений.

В Японии широко применяются нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН), которые устанавливаются параллельно каждому изолятору на всех опорах или через несколько опор. Такая мера способна сократить число грозовых отключений от наведенных перенапряжений до минимума, хотя и требует очень больших затрат, но при прямом ударе молнии ОПН подвержены разрушению.

В настоящее время в России освоен выпуск изолированных проводов и планируется массовое их применение на ВЛ 6 -10 кВ. В связи с этим установлено нормативное требование обязательного использования на ВЛИ каких-либо устройств грозозащиты.

Обзор современного состояния изучаемой проблемы позволил определить цель и задачи исследований, связанные с разработкой нового способа грозозащиты электрических сетей 6-10 кВ.

2. НОВЫЙ СПОСОБ ГРОЗОЗАЩИТЫ ДЛИННО-ИСКРОВЫМИ РАЗРЯДНИКАМИ.

После грозового перекрытия изоляции вероятность установления силовой дуги главным образом зависит от средней напряженности электрического поля, создаваемой рабочим напряжением линии на канале перекрытия.

Физические закономерности, связанные с переходом импульсного перекрытия в силовую дугу, исследовались в разных лабораториях мира. На основе обобщения результатов этих исследований и опыта эксплуатации действующих ВЛ в России принято соотношение, позволяющее оценивать вероятность возникновения силовой дуги при грозовых перекрытиях изоляции

?й = (1,59 Су/-6)х 10"2= (1,59 6) х 10'2, (1)

где Е=11фИ - средняя напряжённость электрического поля вдоль пути перекрытия, кВ/м ; Щ - фазное напряжение линии, кВ; /- длина пути перекрытия, м.

Формула (1) справедлива при £>10 кВ/м. По литературным данным

Рд = 0 при Е<7 кВ/м. (2)

Как видно из (1), при заданном номинальном напряжении вероятность возникновения дуги приблизительно обратно пропорциональна длине пути перекрытия. Поэтому за счет увеличения / можно снизить Рд и, следовательно, сократить число отключений линий.

Анализ рассматриваемого явления позволяет установить, что улучшение грозозащиты линий электропередачи возможно путём удлинения пути импульсного грозового перекрытия.

Для реализации этого принципа предложено новое техническое решение, связанное с применением специальных длинно-искровых разрядников (РДИ).

Разрабатываемые разрядники разделяются на два вида в зависимости от способа их установки по отношению к защищаемой фазной изоляции: параллельно защищаемой изоляции и последовательно с защищаемой изоляцией.

При параллельной установке с изолятором (рис. 1,а) путь импульсного перекрытия складывается из воздушного зазора между проводом и поверхностным металлическим электродом разрядника и непосредственно поверхности изоляции разрядника. При выбранном воздушном зазоре Б = 2-5 см необходимая длина изоляционной части разрядника для ВЛ 10 кВ, исходя из критерия (2). составляет / =75-78 см.

Оптимальной с точки зрения габаритов и технологичности монтажа представляется петлеобразная конструкция разрядника (рис. 1,6). Механической основой, обеспечивающей жесткость конструкции и возможность закрепления на опоре, служит стальной стержень диаметром 6-9 мм, согнутый в петлю. Он одновременно выполняет роль электрической подложки, передающей потенциал опоры на всю длину разрядника. Стержень покрыт изоляцией из светостабилизированного полиэтилена толщиной 3-4 мм.

Вариант электрически последовательного подключения РДИ к фазной изоляции показан на рис. 1, в. При этом роль изоляционного элемента разрядника выполняет трубка из изоляционного материала, стойкого к атмосферным воздействиям (светостабилизированный полиэтилен, кремнийорганическая резина), а роль внутреннего проводящего стержня выполняет сам провод линии, на который эта трубка надевается в процессе монтажа линии.

В данном случае при грозовом перенапряжении на проводе искровой канал перекрытия формируется по поверхности трубки и по поверхности изолятора. При этом длина каждого из плеч изоляционной трубки определяется из соотношения: / = Ь - Б, где / - длина перекрытия по поверхности трубки, Ь - необходимая суммарная длина перекрытия, Э - длина пути поверхностного перекрытия изолятора.

При массовой установке любых аппаратов, например ОПН, параллельно изоляторам линии неизбежно снижается надёжность ее работы в случае их повреждения из-за грозовых воздействий.

Установка разрядников в виде изоляционных трубок на провода ВЛ не только не снижает, а наоборот, за счёт усиления основной изоляции увеличивает надёжность работы линии в рабочем режиме и при всех остальных электрических воздействиях.

При соответствующей толщине стенки изоляционной трубки она способна длительно выдерживать рабочее напряжение и все коммутационные и квазистационарные перенапряжения. По существу, обеспечивается двойное резервирование основной изоляции линии, и таким образом устраняются все электрические причины, вызывающие отключение ВЛ 6- 10 кВ.

а)

б)

Рис. 1. Конструктивные варианты РДИ.

а) петлевой РДИ на опоре; б) конструкция петлевого РДИ; в)изоляционная трубка на проводе.

I - петлеобразный изолированный стержень, 2 - узел крепления,3 стапьная траверса, 4 - металлическая трубка, 5 - провод, б - канал разряда, 7 -изолятор, 8 - железобетонный столб, 9 - изоляционная трубка.

3. ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗРЯДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДЛИННО-ИСКРОВЫХ РАЗРЯДНИКОВ.

Задачей настоящих исследований была проверка работоспособности прототипов РДИ при грозовых воздействиях и уточнение их конструктивных параметров и электрических характеристик, определяющих надежность и защитные свойства предлагаемых систем грозозащиты.

Исследования 50%-ных импульсных разрядных напряжений проводились с помощью генератора импульсных напряжений (ГИН) с номинальным напряжением 1,2 МВ при емкости в ударе 64 нФ. Испытательный импульс имел стандартную форму 1,2/50 мкс.

Для обоснования возможности удлинения импульсного перекрытия за счет скользящего разряда и выработки основных конструктивных принципов разработки РДИ были исследованы разрядные напряжения перекрытая по поверхности изоляции отрезков изолированных проводов и кабелей с разными диаметрами внутреннего электрода, толщиной и материалом изоляции. Наилучшие результаты были получены для проводов, покрытых полиэтиленом.

Как видно из Рис. 2, весьма длинные промежутки (5 м и более) по поверхности проводов перекрываются при относительно низком напряжении. Разрядные напряжения при отрицательной полярности импульса существенно ниже, чем при положительной полярности.

Чем тоньше слой изоляции, тем ниже разрядные напряжения скользящего разряда по ее поверхности, но также и напряжения пробоя изоляции. Поскольку разрядное напряжение по поверхности изолированного провода должно быть ниже, чем пробивное напряжение изоляции, толщина изоляции должна быть скоординирована с необходимой длиной перекрытия РДИ.

С целью проверки стойкости изоляции изолированного провода к воздействию импульсных токов грозового перенапряжения были проведены испытания с использованием генератора импульсных токов.

Двадцать импульсов тока 0,5/35 мкс с амплитудой 40 кА были поданы на изолированный провод длиной 1=5 м. Повреждения или эрозии изоляции из полиэтилена высокого давления не наблюдалось. По пути прохождения канала разряда отмечен лёгкий налёт сажи, который легко удалялся при увлажнении дождем.

С учетом результатов предварительных исследований были изготовлены и испытаны на лабораторных моделях ВЛ прототипы РДИ 6 и 10 кВ, для которых использовался изолированный провод с жилой диаметром (1 = 9 мм и толщиной полиэтиленовой изоляции Ь = 4 мм.

350

кВ

300

250

200 150 100

50 -0 -О 1 2 3 4 5 б М 7

-43-- (1= 9, Ь=7.5 -— -Л- — (1= 3.4, Ь=3.8 -—©- (1= 9.4, Ь=2.5 -

Рис. 2. 50% разрядные напряжения по поверхности изолированных проводов, с! - диаметр металлической жилы, мм; Ь - толщина изоляции, мм.

Были исследованы соотношения разрядных характеристик РДИ и защищаемых типовых фарфоровых (ШФ-10, ШФ-20) и стеклянных (ШС-10) изоляторов. Установлены возможные диапазоны границ зоны пересечения вольт-секундных характеристик РДИ и изоляторов, или фактические защитные пределы иг1ред, означающие, что при амплитуде стандартного грозового импульса и< и^д РДИ защищает изолятор от перекрытия и таким образом предотвращает отключение линии. Показано, что в зависимости от вариантов модификаций РДИ, типов изоля-

41-<1=9.1, Ь=8.5 +

■Я-<1= 9, Ь=7.5 +

■А-с!=3.4, Ь=3.8 +

торов и видов обвязок провода, а также полярности перенапряжения, этот параметр находится в диапазоне 300 кВ< игтреЛ< 600 кВ. Из этого следует, что предлагаемые РДИ могут защитить от перекрытия изоляцию BJI практически при всех наведенных перенапряжениях. В тех случаях, когда грозовое воздействие превысит по амплитуде и^д, например, при прямом ударе молнии в провод, изолятор BJI перекрывается ранее РДИ, тем самым его шунтируя и предохраняя изоляцию РДИ от пробоя из-за крутого фронта перенапряжения.

Результаты исследования модификации РДИ, представленной на рис. 1а, в условиях загрязнения и увлажнения при удельной поверхностной проводимости 5-15 мкСм, показали отсутствие влияния загрязнения на импульсные характеристики.

Проведены исследования разрядных характеристик прототипа РДИ 10 кВ (рис. 1а) с длиной пути перекрытия / = 0,8 м и воздушным искровым промежутком S = 2 см при коммутационных воздействиях и напряжении промышленной частоты. Для этого использована установка на базе испытательного трансформатора ИОМ 100/25. Коммутационный импульс 3000/7000 мкс формировался с помощью тиристорного блока управления. Как в сухом и чистом состоянии, так и при загрязнении и увлажнении на уровне 2-20 мкСм, РДИ выдерживают длительно приложенное напряжение промышленной частоты и коммутационный импульс с амплитудным значением UMaKC =60 кВ.

Таким образом, был сделан вывод, что РДИ рассматриваемой конструкции будет срабатывать при воздействии грозовых перенапряжений, но не будет подвержен перекрытиям при коммутационных воздействиях и рабочем напряжении.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРЕХОДА ИМПУЛЬСНОГО ГРОЗОВОГО ПЕРЕКРЫТИЯ В СИЛОВУЮ ДУГУ.

Для проведения полномасштабных исследований была разработана экспериментальная установка, представляющая собой совокупность трех генераторов импульсов тока различной амплитуды и длительности, моделирующих работу испытуемых разрядников в реальной действующей сети при воздействии на нее импульсов молнии.

Генератор импульсных токов с ударной емкостью 0,6 мкФ обеспечивал моделирование грозового импульса с амплитудными значениями напряжения 220 кВ и тока 15 кА, длительностью фронта 1 - 5 мкс и длительностью полуспада 40 - 60 мкс. В качестве источника ра-

бочего напряжения использовалась комбинация двух генераторов, моделирующих две разнополярные полуволны тока промышленной частоты за счет колебательного разряда, со сдвигом по времени 3-5 мс, двух накопительных емкостей С[ = 300 мкФ и С2 = 1000 мкФ, предварительно заряженных от источников постоянного тока до напряжения И = 0 - 9 кВ, величина которого эквивалентировала амплитудное рабочее напряжение сети.

Источник сетевого напряжения подключался к испытуемым образцам РДИ через модель распределительной линии, длиной порядка 6 км, состоящую из П-образной Ь - С схемы замещения и кабельной вставки.

В процессе исследований изменялась длина перекрытия по РДИ -/ в диапазоне 0,2 - 2,0 м, зарядное напряжение накопительных конденсаторов и, величина токоограничивающих сопротивлений, и контролировались напряжения на разряднике и ток через него.

После прохождения через РДИ импульса, имитировавшего ток молнии, либо происходил колебательный разряд генераторов напряжения сети, означавший формирование дуги, либо напряжение на испытуемом промежутке восстанавливалось до величины зарядного напряжения генератора сети, что означало отсутствие перехода импульсного перекрытия в дуговой разряд. При этом наибольшее зарядное напряжение, при котором не происходило дугового замыкания, принималось за критическое - и^, значению которого соответствовала критическая величина среднего градиента напряжения вдоль канала перекрытия

Е^р ~ и Кр /1.

Обработка и анализ полученных экспериментальных данных позволили установить взаимосвязь между основными параметрами, определяющими физические закономерности перехода импульсного перекрытия в силовую дугу. На рис. 3 представлены основные экспериментальные данные, которые аппроксимируются аналитическим выражением:

Екр ~ (42~3,4 • иф кз) [кВ/м], (3)

где - 1КЗ [А] и Иф.к.,. [кВ] - амплитудные значения тока и

напряжения в сети короткого замыкания через РДИ.

Соответственно, величину критической длины перекрытия можно выразить как:

Цфкз. ' 4.3

м ,

(4)

100 (42-3,4-6гфкз) а при известной длине / критическая величина фазного напряже-

ния:

и,

4200/

ф к зх р

Л, +340/

ИЗ

(5;

¿а и 5.И и 6.0 5,5 и V 6,0 кВ 8,5'

Рис. 3. Экспериментальные зависимости критического среднего градиента напряжения по пути разряда от амплитуды фазного напряжения.

1„ - амплитуда тока короткого замыкания через разрядник.

Полученные зависимости показывают, что чем выше ток короткого замыкания и напряжение сети, тем меньше критический градиент напряжения, определяющий условия перехода грозового перекрытия в силовую дугу, и что с увеличением тока к.з. критическое напряжение "подхвата дуги" при заданной длине перекрытия также уменьшается.

Величина 1к.3, в свою очередь, связана с параметром иф.к/, соотношением:

где Ъ- суммарное эквивалентное сопротивление одной фазы контура замыкания сети.

С учетом этого критическое значение напряжения иф.к.з кр. может быть выражено как:

Как видно из выражения (7), если параметр I задан конструкцией разрядника, то условия гашения дуги определяются величиной сопротивления 2.

Если известны параметры рабочего напряжения ВЛ и режим возможного короткого замыкания, т.е. задана величина иф.кз., то можно оценить величину сопротивления 2КТ, достаточную для обеспечения гашения тока короткого замыкания:

5. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПРИМЕНЕНИЮ ДЛИННО-ИСКРОВЫХ РАЗРЯДНИКОВ.

Выполнены расчетные оценки условий гашения сопровождающего тока в длинно-искровых разрядниках, установленных на воздушных линиях. Для этого использовалось программное обеспечение КЯАБТ, разработанное в СПбГТУ. Каждый участок ВЛ представлялся трехфазной "П" - схемой замещения. Разрядники размещались на одной из фаз на каждой опоре. Модель разрядника представлялась искровым промежутком с последовательным активным сопротивлением, включающим и сопротивление заземления опоры. В расчетах варьировались: величина тока к.з. 1к _ длина ВЛ, место пробоя разрядников на ВЛ,

(б)

иф^кр =-о,171гф,ш)2 +4Ж и

(7)

мгновенное значение напряжения на лиши в момент пробоя разрядников, активное сопротивление разрядников и заземления опоры К, величина емкости на шинах подстанции.

Наибольшее значение сопровождающего тока через длинно-искровые разрядники наблюдается в случае их пробоя в непосредственной близости от питающей подстанции и при пробое всех трех фаз.

В том случае, если Я > 10 Ом и 1К(3) > 10 кА, наибольшее мгновенное значение тока может быть оценено как 1м(3) = иф.макс. /Я.

В этих же условиях, но при протекании тока только в двух фазах разрядников, амплитуда тока немного ниже 1м(2) ~ ил.Макс. /211.

Предложен и технически обоснован способ установки разрядников на ВЛ, позволяющий использовать для ограничения токов короткого замыкания сопротивления заземления опор. Для этого разрядники должны устанавливаться по одному на каждую опору с чередованием фаз. Проведенные лабораторные испытания подтвердили работоспособность РДИ при защите изоляции от перекрытий на модели ВЛ с длиной пролета 100 м.

С учетом такого способа размещения разрядников на линии выполнен расчетный анализ влияния величины сопротивления заземления опоры на вероятность перехода импульсных перекрытий в силовую дугу.

Использование полученных ранее эмпирических зависимостей (3) - (8) и наиболее жесткого критерия условия гашения, установленного при анализе переходных процессов короткого замыкания на ВЛ в виде: ифкз.кр. > ил макс. /2 - позволило оценить необходимые величины сопротивлений заземления опор 11кр. Например, для ВЛ б кВ с РДИ, имеющими длину пуш перекрытия / = 0,5 м, 11Кр= 13 Ом, а для ВЛ 10 кВ при I = 0,8 м, Ккр= 34 Ом. При таких условиях должно обеспечиваться отсутствие перехода импульсных перекрытий в силовую дугу независимо от момента грозового воздействия (Рд= 0).

В случае, если 11< может быть установлена зависимость Ра= ^И). С учетом (8), например, для случая двухфазного замыкания:

Расчетные оценки показали , что при 11= 0,8 , Рй = 0,2, а при 0,5 К^Ра-ОД- 0,5.

V

л.махс

(9)

У

Выполненные технико-экономические оценки показали эффективность применения нового способа грозозащиты на распределительных ВЛ. Особенно необходимо и экономически целесообразно использование РДИ для обеспечения надежной работы в грозовых условиях ВЛ 6 - 10 кВ с изолированными проводами.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Предлагаемый способ грозозащиты распределительных воздушных линий (ВЛ) 6-10 кВ позволяет предотвращать однофазные замыкания на землю и короткие замыкания, связанные с переходом импульсных грозовых перекрытий в дугу промышленного напряжения.

2. Новый способ грозозащиты может быть реализован за счет установки на ВЛ длинно-искровых разрядников (РДИ) электрически параллельно или последовательно с защищаемой изоляцией.

3.Все конструктивные варианты и модификации РДИ основаны на принципе формирования импульсного скользящего разряда вдоль изоляционной поверхности разрядника с длиной пути, превышающей в несколько раз длину перекрытия защищаемой изоляции.

4.3а счет установки разрядашков в виде изоляционных трубок на провода ВЛ 6-10 кВ достигается надежная грозозащита линий как с изолированными, так и с неизолированными проводами при индуктированных перенапряжениях и при прямых ударах молнии в линию. Одновременно значительно усиливается основная изоляция линии.

5. РДИ параллельной установки надежно защищают изоляцию воздушных линий от импульсных перекрытий и сокращают до минимума число отключений при индуктированных грозовых перенапряжениях.

6. Коммутационные перенапряжения и рабочее напряжение промышленной частоты не приводят ни к перекрытиям РДИ, ни к каким-либо нарушениям их работоспособности.

7. Основными факторами, определяющими физические условия процесса перехода импульсного перекрытия РДИ в силовую дугу, являются средний градиент рабочего напряжения вдоль канала импульсного разряда, длина перекрытия, амплитудные величины напряжения промышленной частоты и сопровождающего тока, момент грозового перекрытия.

8.Использование полученных эмпирических зависимостей, связывающих параметры напряжений и токов при междуфазных замыканиях с рабочей длиной РДИ, позволяет расчетным образом оценивать техническую эффективность применения РДИ для грозозащиты воздушных линий.

9. Наибольшая эффективность нового способа грозозащиты и повышения надежности работы ВЛ достигается при установке на каждую опору по одному разряднику с последовательным чередованием по фазам.

10.Вероятность успешного предотвращения длинно-искровыми разрядниками дуговых замыканий на ВЛ необходимо оценивать по выработанной методике, учитывающей влияние величины сопротивления заземления опор.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1.Подпоркин Г.В., Сиваев А.Д. Разрядные характеристики скользящего разряда длинных воздушных промежутков импульсных грозовых разрядников. - Труды СПбГТУ, № 460, Электротехника и электроэнергетика Вопросы надежности, с. 72 - 78, С.- Петербург, 1996 г.

2.Подпоркин Г.В., Сиваев А.Д. Новый способ грозозащиты воздушных ЛЭП при помощи длинно - искровых разрядников и изоляторов. - В кн.: Тезисы докладов четвертой российской научно-технической конференции "Электромагнитная совместимость технических средств и биологических объектов" ЭМС - 96, С,- Петербург.

1996 г., с. 40-45.

3.Подпоркин Г.В., Сиваев А.Д. Новая грозозащита линий электропередачи с помощью длинноискровых разрядников. - Энергетик,

1997 г. № 3, с. 15-17.

4.Подпоркин Г.В., Сиваев А.Д. Грозозащита ВЛ 6 - 10 кВ длинно - искровыми разрядниками РДИ 6 - 10 кВ. Эксплуатация, производство и обеспечение качества защитных средств от перенапряжений в классе 0,5 - 35 кВ/ Сборник Минтопэнерго, РАО "ЕЭС России", НПО "Электрокерамика", ПЭИПК. С,- Петербург, 1997 г., с. 54 - 60.

5.Podporkin G.Y., Sivaev A.D. Lighting Protection of Distribution Lines by Long Flashover Arresters (LFA). - IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 13, No. 3, July 1998. pp. 814 - 823.