Тема: Расчет и выбор молниезащиты подстанции
Цель: Изучение методов расчета параметров молниезащиты подстанций и линий электропередач.
Знания и умения, приобретаемые студентом при выполнении практического занятия: порядок расчета молниезащиты подстанций и воздушных линий электропередач, навык практического расчета молниезащиты оборудования электроэнергетических систем.
В результате выполнения практического занятия у студента формируются компетенции ПК-3 (способностью принимать участие в проектировании объектов профессиональной деятельности в соответствии с техническим заданием и нормативно-технической документацией, соблюдая различные технические, энергоэффективные и экологические требования).
Актуальность практического занятия обусловлена необходимостью студентов обладать навыками расчетов молниезащиты оборудования электроэнергетических систем.
Теоретическая часть
Защита от прямых ударов молнии открытых токоведущих частей подстанции осуществляется с помощью стержневых молниеотводов. Для удешевления защиты молниеотводы устанавливаются на конструкциях подстанции, а также на осветительных мачтах и крышах зданий. Дорогие отдельно стоящие молниеотводы применяются только при невозможности установки молниеотводов на конструкциях подстанции. В зону защиты должны также включаться пролеты линий между подстанцией и концевыми опорами. Защита этих пролетов осуществляется тросами линейных подходов, которые присоединяются к портальным конструкциям подстанций. Возможна также установка стержневых молниеотводов на концевых опорах при условии присоединения их заземления к общему заземляющему контуру подстанции.
Заземлители на станциях и подстанциях выполняются общими для обеспечения безопасности персонала, для заземления нейтралей трансформаторов и генераторов и для заземления молниеотводов, т. е. для целей грозозащиты. При поражении молниеотвода ток молнии, стекающий в заземление подстанции, вызывает на этом заземлении подъем потенциала, который может вызвать обратное перекрытие подстанционной изоляции. По правилам ПУЭ в электроустановках с большими токами замыкания на землю (подстанции 110кВ и выше) сопротивление заземляющего устройства должно быть не более 0,5Ом.
Заземление подстанции относится к классу протяженных заземлителей. Обычно заземляющее устройство подстанции выполняется в виде контурного заземлителя с равномерно распределенными по периметру контура вертикальными (трубчатыми или стержневыми) заземлителями и сеткой, выравнивающей потенциалы в пределах контура. Чем больше длина фронта волны тока молнии и удельное сопротивление грунта, тем больше площадь заземлителя, которая эффективно участвует в отводе тока молнии. Как и для всех протяженных заземлителей, эта эффективность может выражаться отношением Ul/U0, где U0 и Ul – импульсные напряжения на заземлителе в точке присоединения молниеотвода и на расстоянии l от него. Для ориентировки можно указать, что на заземлителе размером 40X40 м2 отношение Ul/U0>0,7 при tфр>5-6мксек и >200–300ом·м. Во всяком случае для улучшения отвода тока молнии всегда целесообразно сосредоточивать вертикальные заземлители вблизи молниеотводов.
При установке стержневых молниеотводов на портальных консрукциях трансформаторов, имеющих обмотки 6—35кВ, слабым звеном являются изоляции этих обмоток и соответствующая внешняя изоляция. В этих случаях на выводах обмоток 6 – 35кВ следует устанавливать вентильные разрядники. На напряжении 6 – 35кВ РВ устанавливаются непосредственно у ввода, на напряжении 20 – 35кВ – на расстоянии до 5 – 10м от ввода.
Согласно ПУЭ сопротивление заземления подстанции с малыми токами замыкания на землю, т. е. подстанций 35кВ и ниже, должно определяться по формуле:
, Ом (10.1)
если заземляющие устройства одновременно используются для электроустановок с напряжением до 1000В и
, Ом (10.2)
если заземляющее устройство используется только для электроустановок напряжением выше 1000В, где I – полный ток замыкания на землю. Во всех случаях сопротивление заземляющего устройства не должно быть выше 10Ом.
Установка молниеотводов на конструкциях ОРУ 35кВ и присоединение тросов, защищающих подходы линий 35кВ к конструкциям подстанции, допускается при условии, что расчетное сопротивление растекания части заземления, расположенного в зоне 20 – 30м от места присоединения молниеотвода к заземлителю, не превышает 4Ом. Если это условие не выдерживается, необходима установка отдельно стоящих молниеотводов, в защитную зону которых должны входить пролеты линий от портальных конструкций до концевых опор.
При грозовом поражении проводов линии (в результате прямого удара молнии или обратного перекрытия) на подстанцию набегает волна напряжния, ограниченная импульсным разрядным напряжением линейной изоляции. Под действием импульсной короны фронт волны сглаживается. Обычно в расчетах принимают волну с косоугольным фронтом и амплитудой, равной 50%-ному разрядному напряжению линейной изоляции.
Защита подстанционной изоляции от набегающих волн осуществляется вентильными разрядниками. Если разрядник установлен рядом с изоляцией (на расстоянии нескольких метров по ошиновке), то напряжение на разряднике равно напряжению на изоляции, а так как характеристики РВ скоординированы с импульсными характеристиками изоляции, то изоляция защищена от грозовых перенапряжений. Но на подстанциях разрядник должен защищать всю изоляцию ОРУ, в общем случае находящуюся на расстоянии l (считая по ошиновке) от разрядника. В этом общем случае между РВ и изоляцией возникает перепад напряжения U.
Зависимость U от параметров схемы и набегающей волны рассмотрим на простейшей схеме рисунок 6.1. Изоляция в схеме замещена емкостью С.
Допустим, что набегающая волна имеет косоугольную форму с фронтом длиной tфр >5-6мксек и крутизной фронта а= U0/tфр. Волновой процесс в схеме можно разделить на две стадии – до и после срабатывания разрядника.
Рисунок 10.1 – Расчетная схема для определения перепада напряжения между изоляцией и разрядником
До срабатывания РВ волна проходит мимо РВ без преломления.
Напряжение на емкости равно:
(10.3)
где T = zC. Емкость С сглаживает фронт волны.
Напряжение на РВ до прихода отраженной от емкости волны, т. е. до момента t=2, где =l/c, изменяется по закону 
. При t>2 напряжение uр находится наложением волны 2at и отраженной от емкости волны.
Если пробивное напряжение искрового промежутка разрядника равно UПР, то максимальное напряжение на емкости (изоляции), определенное по пробивному напряжению искрового промежутка, равно:
(10.4)
ЗначенияU определяются путем построения приведенного на рисунке 10.2. В случае UПР <u* напряжение на изоляции не достигнет значения UПР. В этом сказывается благоприятный эффект емкости С. При временах t>t* напряжение на изоляции уже выше UПР. По мере заряда емкости С перепад напряжения между разрядником и изоляцией стремится к значению
(10.5)
Из изложенного следует, что перепад напряженияU тем меньше, чем меньше крутизна набегающей волны а и расстояние l, а также чем больше емкость защищаемой изоляции.
После пробоя искрового промежутка РВ через рабочее сопротивление РВ проходит импульсный ток ip. С некоторым приближением можно принять, что фронт волны uОСТ(t) имеет косоугольную форму, причем его крутизна равна крутизне набегающей волны а, а длина tфр = UОСТ/а. Схема на рисунке 10.1 может быть заменена расчетной схемой на рисунке, 10.3, а с источником косоугольного напряжения Uост. Участок ошиновки l в этой схеме замещен П-образной схемой. Емкость С учитывает как емкость изоляции, так и половину ошиновки.
Рисунок 10.2 – Кривые напряжения на разряднике UP и на изоляции UC
Рисунок 10.3 –К расчету напряжения на изоляции в схеме на рисунке 10.1 после срабатывания искрового промежутка РВ; а — схема замещения: б — форма волны на изоляции
Емкость второй половины ошиновки в П-образной схеме замещения оказывается отнесенной к стороне источника напряжения, в переходном процессе в схеме не участвует и не показана. Индуктивность ошиновки:
(10.4)
где z — волновое сопротивление ошиновки. Так как в переходном процессе до пробоя искрового промежутка РВ емкость С была заряжена до напряжения UС0 = UСМ(1), то это напряжение следует принять в качестве начального на емкости в схеме на рисунок 6.3,а.
Источник напряжения UОСТ, воздействуя на колебательный контур LC с периодом собственных колебаний 
, создает на емкости С импульсное напряжение ис, показанное на рисунке 10.3, б. Приближенное значение амплитуды напряжения по емкости:
(10.5)
Напряжение 
есть максимальное напряжение на емкости (изоляции) определенное по остающемуся напряжению на рабочем сопротивлении РВ.
При UC0<<.UОСТ кривая 
в зависимости от отношения tфр/T показана на рисунке 6.4. В предельном случае tфр/T = 0 (прямоугольная волна) отношение =2. С ростом и уменьшением Т, т. е. со снижением расстояния l, отношение спадает.
Рисунок 10.4 – Падение волны на колебательный контур. кривые UСМ/U0 при разных формах набегающих на контур волн.
Максимальные значения не должны выходить за пределы кривой выдерживаемого напряжения изоляции. Обычно допустимое отношение Uсм к напряжению на разряднике Uрв не должно превышать 1,2—1,3. Это означает, что при заданном расстоянии l между РВ и изоляцией необходимо ограничение (снизу) длины фронта волны или ограничение (сверху) крутизны фронта а. И, наоборот, при заданной крутизне необходимо ограничение расстояния l. Таким образом, разрядник на подстанции имеет определенную зону защиты, зависящую от характеристик изоляции и РВ и параметров набегающей волны.
При прямом ударе молнии в провода или при обратном перекрытии в месте удара возникает волна, фронт которой может быть принят практически прямоугольным. После пробега расстояния L фронт волны под действием импульсной короны удлиняется с нулевого значения до длины
(10.6)
где U0 — амплитуда набегающей волны
крутизна фронта снижается от бесконечности до значения
(10.7)
Предположим, что при выбранном месте установки разрядников на подстанции, т. е. при заданных расстояниях l от РВ до изоляции, расчетом установлено, что расчетная крутизна фронта набегающей волны не должна превышать аД0П Тогда из формулы (6.7) легко найти расчетную длину так называемой «опасной зоны» на линейном подходе т. е. зоны, в которой недопустимо появление прямоугольной волны:
(10.8)
где с = 300м/мксек; В определяется по графику в зависимости от диаметра провода (рисунок 6.) выражено в 1/кв; аДОП — в киловольтах в микросекунду (кв/мксек); Ln — в километрах(км).
Рисунок 10.4 – Завистмость В от диаметра провода линии.
Очевидно, что линейные подходы на расстоянии Ln должны быть защищены тросовыми молниеотводами.
Задания
1. Определить максимальное напряжение на изоляции электрооборудования, если длина защищенного подхода по линии 110 кВ равна 2 км, линия выполнена тросами АСО 240, расстояние от разрядника до защищаемого трансформатора на подстанции 5 м, ошиновка выполнена проводами АСО 300, расстояние между проводами ошиновки 3 м, защита изоляции трансформатора осуществляется разрядником вентильным на напряжение 110 кВ.
2. Определить длину необходимого защищенного подхода на линии 110 кВ, линия выполнена проводами АСО 240, расстояние от разрядника до защищаемого трансформатора на подстанции 15 м, ошиновка выполнена проводами АСО 300, расстояние между проводами ошиновки 5 м, защита изоляции трансформатора осуществляется разрядником вентильным на напряжение 110 кВ, максимальная кратность пренапряжений на изоляции трансформатора – 3,5.
Таблица 10.1 – Характеристики вентильных разрядников.
| Номинальное напряжение разрядника, кВ | Наибольшее допустимое напряжениена разряднике, кВ | Пробивное напряжение разрядника при частоте 50 Гц, кВ | Импульсное пробивное напряжение разрядника (при предразрядном времени от 2 до 10 мксек), кВ(не более) | Остающееся напряжение разрядника при импульсном токе с длиной фронта волны 10 мксек, кВ (не более) | |||
| не менее | не более | 3 000 А | 5 000 А | 10000 А | |||
| 3,8 | 7,5 | 9,5 | 9,5 | ||||
| 7,6 | 15,5 | ||||||
| 12,7 | 25,5 | ||||||
| 40,5 | |||||||
| 1 130 | 1 070 | 1 180 |
Контрольные вопросы
1. Принцип действия трубчатого разрядника.
2. Устройство и принцип действия вентильного разрядника.
3. Основные характеристики вентильных разрядников.
4. Схемы расположения вентильных разрядников при защите электроэнергетического оборудования.
5. Маркировка вентильных разрядников.
6. Ограничители перенапряжений, их устройство и характеристики.
7. Опишите качественно прохождение прямоугольной волны по линии электропередач.
8. Качественно охарактеризуйте процессы отражения и преломления волн перенапряжения на узлах энергосистемы.
9. Какое сопротивление должен иметь заземлитель молниеотовода подстанции.
Список литературы, рекомендуемый к использованию по данной теме
Основная литература
1. Электроснабжение сельского хозяйства: учебник / т. Б. Лещинская, и. В. Наумов ; [ред. Г. В. Лихачёва]. - М. : Колос, 2008. - 655 с. – ISBN 978-5-9532-0560-3.
2. Расчет электрических полей устройств высокого напряжения : учеб. пособие / И. П. Белоедова, Ю. В. Елисеев, Е. С. Колечицкий и др. ; ред. Е. С. Колечицкий. - М.: ИД МЭИ, 2008. - 248 с. – ISBN 978-5-383-00072-4
Дополнительная литература
3. Техника высоких напряжений : учебник для вузов / под ред. Д. В. Разевига. – 2-е изд., пер. и доп. – М. : Энергия, 1976. – 488 с.
4. Техника высоких напряжений(изоляция и перенапряжение в электрических установках) : учебник для техникумов / В. П. Ларионов, В. В. Базуткин, Ю. Г. Сергеев ; под ред. В. П. Ларионова. – М. : Энергоиздат, 1982. – 296 с.
Практическое занятие №7