Методика выбора ОПН для защиты оборудования сетей 110-750 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений

В процессе эксплуатации изоляция оборудования подстанций (ПС) подвергается воздействию рабочего напряжения, а также различных видов перенапряжений. Основными защитными изоляции от грозовых и аппаратами (ЗА) для защиты являются коммутационпых перенапряжений вентильные разрядники (РВ) и нелинейные ограничители неренапряжений (ОПН). При построении или модернизации уже существующих схем защиты от перенапряжений оборудования ПС с помощью ОПН и РВ необходимо решать две основные тесно связанные друг с другом задачи: выбор числа, мест установки и характеристик ЗА, которые обеспечат надежную защиту изоляции от грозовых и коммутационных перенапряженийобеспечение надежной работы самих ЗА при квазистационарных перенапряжениях, для ограничения которых они не предназначены. Защитные свойства РВ и ОПН основаны на нелинейности вольтамперной характеристики их рабочих элементов, обеспечивающей заметное снижение сопротивления при повышенных напряжениях и возврат в исходное состояние после снижения напряжения до нормального рабочего. Низкая нелинейность вольтамперной характеристики рабочих элементов в разрядниках не позволяла обеспечить одновременно и достаточно глубокое ограничение перенапряжений и малый ток проводимости при воздействии рабочего напряжения, от воздействия которого удалось отстроиться за счет введения последовательно с нелинейным элементом искровых промежутков. Значительно большая нелинейность окисно-цинковых сопротивлений (варисторов) ограничителей перенапряжений конструкции ОПН позволила отказаться т. е. от использования элементы в их искровых промежутков, нелинейные ОПН присоединены к сети в течение всего срока его службы. В настоящее время вентильные разрядники практически сняты с производства и в большинстве случаев отслужили свой нормативный срок службы. Построение схем защиты изоляции оборудования как новых, так и модернизируемых подстанций, от грозовых коммутационных перенапряжений теперь оказывается возможным только с использованием ОПН. Идентичность функционального назначения РВ и ОПН и кажущаяся простота конструкции разрядников допустимости на последнего часто приводят к тому, что без замену ограничители перенапряжений проводят проверки ОПН в и эффективности использования устанавливаемого рассматриваемой точке сети. Вместе с тем типовые схемы защиты изоляции оборудования от перенапряжений и характеристики защитных аппаратов были разработаны несколько десятилетий назад с использованием упрощенных расчетных моделей, так как возможности вычислительной техники были весьма ограничены. Развитие компьютерной техники и специализированного программного обеспечения позволяют на новом уровне проводить расчеты переходных процессов в электрических сетях для оптимизации схем защиты изоляции оборудования от неренапряжений и обоснованного выбора основных характеристик защитных аппаратов. Несмотря на возможности моделирования и расчетов переходных процессов в России до сих пор широко используют наработки многолетней давности, что стимулируется отсутствием простых в использовании и достаточно обоснованных современных методик расчета различных видов перенапряжений. Сложившийся в России недостаток созвучных времени нормативных документов и методик расчета в области защиты изоляции оборудования от перенапряжений усугубляется массовым внедрением в энергетику страны защитных аппаратов типа ОПН, при использовании которых зачастую некорректно решаются задачи по выбору числа ОПН, мест их установки и основных характеристик, что является причиной повышенной аварийности как защищаемого оборудования, так и самих ОПН. Задачей работы являлась попытка рассмотреть с учетом современного уровня знаний и возможностей моделирования основные проблемы, которые необходимо решать при построении схем защиты изоляции от перенапряжений с помощью защитных аппаратов типа ОПН. В число этих проблем входит разработка методических подходов к защите оборудования от грозовых и коммутационных перенапряжений, выбор и обоснование расчетных моделей для расчетов перенапряжений и характеристик ОПН, поиск наиболее эффективных схем расстановки защитных аппаратов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основе анализа научно-технических публикаций, отечественных и зарубежных нормативных документов, посвященных вопросам защиты оборудования электрических сетей от грозовых и коммутационных перенапряжений, а также на основе расчетов, проведенных аналитически и при помощи разработанных компьютерных моделей, соискателем: •S предложен и опробован не использовавшийся ранее для выработки основ грозозащиты статистический метод оценки защищенности изоляции оборудования ОРУ 110−750 кВ подстанций от грозовых перенапряженийс целью практической реализации предложенного подхода разработаны необходимые программные модули для комплекса ЕМТРна основе проведенных на таких моделях исследований обоснована необходимость корректировки ПУЭ 7.0 в части выбора схемы защиты изоляции оборудования разных классов напряжения от грозовых перенапряжений- •S предложены и обоснованы аналитическими выкладками и исследованиями на компьютерных моделях методические подходы к выбору параметров эквивалентных схем энергосистем для расчета коммутационных перенапряжений на оборудовании ПС, в основе которых лежит принцип защиты оборудования от максимально возможных перенапряжений в данной энергосистемепоказано существенное упрощение процедуры определения требуемых характеристик ОПН при таком подходе, а также снижение риска принятия ошибочных решений из-за некорректного выбора параметров в эквивалентной расчетной схеме энергосистемыприведены практические примеры реализации предложенных подходовS обоснованы рекомендации по широкому применению ограничителей перенапряжений в линейных ячейках присоединенных ВЛ как универсального средства, позволяющего наиболее надежно защитить оборудование ПС от грозовых и коммутационных перенапряженийS составлены расчетные компьютерные схемы замещения трансформатора, с использованием которых проведен анализ передачи грозовых волн через трансформатор в разземленную нейтральданы оценки кратностям и форме импульсов грозовых перенапряжений на изоляции разземленной нейтрали силовых трансформаторов 110−220 кВрасчетным путем определены предельные параметры импульсных токов в ОПН-Н и перенапряжений в разземленных нейтралях, а также требуемые характеристики ОПН-Н для защиты изоляции нейтралейS составлены расчетные схемы замещения блочных передач, в которых проведен анализ внутренних перенапряжений, представляющих опасность для оборудования и, прежде всего, для ОПНпредложены меры повышения надежности работы ОПН в блочных передачах 110−750 кВ и основные характеристики таких ОПН- •S даны физические основы переходных процессов, происходящих в ВJ1 110 750 кВ, изоляция которой защищена при помощи ОПН подвесного исполненияпредложен и опробован в ЕМТР статистический метод подхода к оценке защищенности изоляции BJI от грозовых перенапряжений и выбору основных технических характеристик ОПНданы обобщающие выводы относительно влияния конструктивных особенностей BJI 110−750 кВ и сопротивлений заземления опор на схему расстановки аппаратов на опоре и вдоль трассы линии, а также на основные характеристики ОПН, что может быть положено в основу соответствующих методических указаний по подвесным аппаратам, которые в настоящее время в России не разработаны.

Результаты приведенных в работе исследований позволяют сформулировать основные положения методических подходов к выбору технических характеристик и схем расстановки ОПН в сетях напряжением 110 750 кВ:

1. Для корректного выбора характеристик ОПН 110−750 кВ в обязательном порядке необходимо проведение расчетов:

— внутренних перенапряжений на подстанциях, к которым присоединены ВЛ 500−750 кВ длиной более 200−300 км (глава 2);

— внутренних перенапряжений на подстанциях 110−750 кВ, на которых у силовых трансформаторов и автотрансформаторов не установлены выключатели на стороне высокого напряжения (в блочных схемах, рассмотренных в главе 4) — на практике следует избегать таких схем, как потенциально опасных для оборудования с точки зрения возникающих перенапряжений, что снимет необходимость проведения расчетов;

— грозовых перенапряжений на BJI 110−750 кВ, не обладающих достаточной грозоупорностью, с целью определения необходимости установки ОПН, числа и мест их первоочередного размещения, выбора типа ОПН и основных его характеристик (глава 5).

В остальных случаях в проведении расчетов перенапряжений нет особой необходимости, и выбор схемы защиты оборудования может быть произведен упрощенно.

2. Для выбора схемы защиты оборудования ПС от грозовых перенапряжений можно использовать требования ПУЭ 7.0 к расстояниям от защитных аппаратов до оборудования и длине защищенного тросами подхода ВЛ, скорректировав их следующим образом:

— при замене разрядников на ОПН допускается пересчитывать расстояния только до силовых трансформаторов и автотрансформаторов;

— недопустим пересчет расстояний до наиболее удаленного оборудования ОРУ (оборудования линейных ячеек), расположенного по ходу набегающих с присоединенных ВЛ грозовых волн до защитного аппарата (РВ или ОПН);

— в случае повышенных (более 20 Ом) сопротивлений заземления опор ВЛ 110−330 кВ на походах к ПС необходимо устанавливать дополнительные ОПН 110−330 кВ, размещаемые в линейные ячейки ВЛ или на сборные шины ПС;

— рекомендуется ограничить расстояния от защитных аппаратов до удаленного оборудования при большом числе присоединенных ВЛ 110, 150, 220 кВ;

— наиболее надежную защиту от грозовых перенапряжений оборудования ОРУ обеспечивают схемы, в которых в линейных ячейках присоединенных BJI установлены ОПН;

— допускается уменьшать длину защищенного тросового подхода BJI в случае установки ОПН в ее линейную ячейку.

Для выбора схемы защиты оборудования ПС от коммутационных перенапряжений достаточно использовать требования ПУЭ 7.0 к местам установки защитных аппаратов, дополнив их следующим образом: установка ОПН на присоединенные к подстанции BJ1 по условиям защиты оборудования от коммутационных перенапряжений.

— не требуется в сетях 110−220 кВ;

— обязательна для сетей 330−750 кВ.

Основные характеристики ОПН за исключением случаев, указанных в п. 1, допустимо определять упрощенно:

— в режиме ограничения грозовых перенапряжений (импульс тока 8/20 мкс амплитудой 10 кА для сетей 110−330 кВ и 20 кА для сетей 500−750 кВ) остающееся напряжение на ОПН, защищающем трансформатор или автотрансформатор, определяется по формуле ПУЭ 7.0 в зависимости от расстояния до защищаемого трансформатора или автотрансформатора;

— в режиме ограничения грозовых перенапряжений остающееся напряжение на ОПН, установленном в линейную ячейку или на сборные шины, может быть принято таким же, как для ОПН, защищающем в этом ОРУ изоляцию трансформатора или автотрансформатора;

— в режиме ограничения коммутационных перенапряжений (импульс тока 30/60 мкс амплитудой 500 А для сетей 110−220 кВ и амплитудой 1000 А для сетей 330−750 кВ) остающееся напряжение на ОПН, установленных в ОРУ, должно быть на 15−20% ниже, чем испытательное напряжение защищаемого оборудования коммутационным импульсом по ГОСТ 1516.3−96- наибольшее рабочее напряжение ОПН принимается на 2−3% выше наибольшего рабочего напряжения сети, в которую он устанавливаетсяхарактеристика «напряжение-время» ОПН принимается типовой — допустимо воздействие напряжение промышленной частоты кратности не менее 1.25 (по отношению к наибольшему рабочему напряжению ОПН) в течение 10 секноминальный разрядный ток (импульс 8/20 мкс) для сетей 110−330 кВ принимается равным 10 кА, а для сетей 500−750 кВ равным 20 кАамплитуда импульса большого тока (импульс 4/10 мкс) для сетей 110−220 кВ принимается равной 65(100) кА, для сетей 330−750 кВ равной 100 кАудельная энергия ОПН (приведенная к наибольшему рабочему напряжению), установленного на присоединенную к подстанции ВЛ (при длине менее 200−300 км), при протекании по нему одного импульса тока прямоугольной формы длительностью 2000 мкс зависит от длины ВЛ и определяется по табл.2.6, но не должна быть меньше значений, обусловленных надежной работой ОПН в режиме рассеивания энергии грозовых перенапряжений: в сетях 110, 220, 330, 500, 750 кВ соответственно 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0 кДж/кВудельная энергия ОПН (приведенная к наибольшему рабочему напряжению), установленного у трансформатора, автотрансформатора или на сборных шинах, при протекании по нему одного импульса тока прямоугольной формы длительностью 2000 мкс практически не зависит от длины присоединенных к подстанции ВЛ и должна быть не меньше значений, обусловленных надежной работой ОПН в режиме рассеивания энергии грозовых перенапряжений: в сетях 110, 220, 330, 500, 750 кВ соответственно 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0 кДж/кВосновные характеристики ОПН-Н, предназначенных для защиты изоляции разземляемой нейтрали силовых трансформаторов 110−220 кВ, определяются по табл.3.4 и соответствуют данным [1,26].