Перенапряжения в нейтрали силовых трансформаторов 6-220кВ - Сравнение изоляции нейтрали и соответствующих импульсных перенапряжений

Результаты исследований, приведенные выше, показали, что на изоляции нейтрали силовых трансформаторов 6-220 кВ при грозовых воздействиях могут появляться напряжения с опасной амплитудой. При этом связали величины этих напряжений с величиной напряжения на входе подстанции (Uo), а также с длиной волны τв и типом подстанции. Там же было показано, что для изоляции нейтрали опасны только волны, приходящие по двум и трем фазам линии. Защиту от волн, приходящих по одной фазе, обеспечивают ЗА, установленные на подстанции.
Обобщая все полученные данные, можно определить величины напряжений на входе подстанции (Uo), вызывающие опасные напряжения в нейтрали силовых трансформаторов, в зависимости от длины волны, типа подстанции и типа защитного аппарата подстанции. Так на рис. 3.25-3.27 для примера приведены зависимости опасных напряжений на входе от длины волны для подстанции с одной, двумя и тремя отходящими линиями и различными типами защитных аппаратов на подстанции при приходе волн по трем фазам. Необходимо определить какова вероятность возникновения на подстанции волн с этими параметрами.
Опасные волны перенапряжений на входе подстанции могут возникнуть в следующих случаях: на всех трех фазах при индуктированных перенапряжениях, при перекрытиях всех трех фаз линии при ударе молнии в вершину опоры или в провод; на двух фазах только при перекрытии двух фаз.

Рис. 3.25. Величина опасного напряжения на входе подстанции в зависимости от длины приходящей волны при установке на п/ст комплекта РВС-110. 1,2,3- одна, две и три отходящих ВЛ.

Рис. 3.26. Величина опасного напряжения на входе п/ст в зависимости от длины приходящей волны при установке на п/ст комплекта ОПН-110.
1,2,3- одна, две и три отходящих ВЛ.

Рис. 3.27. Величина опасных перенапряжений на входе подстанции в зависимости от длины приходящей волны при установке на п/ст комплекта РВМГ-110. 1, 2, 3 - одна, две и три отходящих ВЛ.

Индуктированные перенапряжения

(3.5)
При ударе молнии вблизи линии, по линии в обе стороны распространяется волна

где Uиэ- электрическая составляющая;
Uмм - магнитная составляющая;
Iм - ток молнии в кА;
hпр- средняя высота подвеса фазного провода, м;
в - расстояние от линии до точки удара, м;
β - скорость обратного разряда молнии, отнесенная к скорости света (β=0,05-0,4); с- скорость света;
t- время в мкс.
Произведя расчеты волн индуктированных перенапряжений на проводах линий, можно построить зависимость длины волны на проводе (г;) от расстояния до места удара (в). Расчеты были выполнены для различных значений скорости обратного разряда β =0,05-0,4 (рис. 3.28). В последующих расчетах будет использована усредненная кривая, которая соответствует средней скорости обратного разряда молнии β =0,2.

Рис. 3.28. Зависимость длины волны индуктированных перенапряжений от места удара молнии.
Полученная кривая позволяет перейти от длины волны опасных напряжений к расстоянию до места удара. Используя формулу для
определения амплитуды индуктированных перенапряжении
можно определить минимальную величину опасного тока. Кривые опасных параметров, полученных из кривых опасных амплитуд напряжения, приведены на рис. 3.29 - 3.32.

Рис. 3.29. Кривая опасных параметров для индуктированных перенапряжений при установке на п/ст комплекта РВС-110.
1, 2, 3 - одна, две и три отходящих ВЛ.

Рис. 3.30. Кривая опасных параметров для индуктированных перенапряжений при установке на п/ст комплекта ОПН-110. 1,2,3— одна, две и три отходящих ВЛ.

Рис. 3.32. Схема замещения для расчета вероятности двухфазного перекрытия при ударе молнии в вершину опоры.
Все возможные сочетания амплитуд токов молнии и расстояния в до места удара разделяются на две зоны: «опасную», лежащую правее и выше кривых, и «безопасную» - левее и ниже кривых. В опасной области любой удар молнии с током, большим критического и на расстоянии в зоне втт - втах, приведет к возникновению на линии волны, с опасной для изоляции нейтрали силового трансформатора амплитудой и длительностью (рис. 3.29).
Вероятность попадания параметров молнии и места удара молнии в область опасную определяется как двойной интеграл
(3.7)
Двумерная плотность вероятности f(Im ,в) при гипотезе о взаимной независимости равна произведению плотностей вероятностей входящих в нее величин
Плотность вероятности токов молнии равна
Плотность вероятности места удара (в) определяем из предположения,
что удар молнии равновероятен по всей ширине зоны в, то есть места удара молнии распределено по закону равномерной плотности и равно

(3.10)
Минимальное значение расстояния от места удара молнии определяется как
вmin=hnp. Максимальное значение втах будет определяться пределами интегрирования кривых опасных параметров.
Пределы интегрирования определяются из условия: число ударов
молнии с величиной опасного тока в площадь S = l· втах =100- втах, (где l- длина линии, равная 100 км) равно 1 раз в 100 лет. Так, для кривой 1 рис.

3.29 этому условию отвечает L= 300 кА и l=1,6 км при 100 грозовых часах в году и среднем числе ударов 0,1 на 1 км. Тогда для этой кривой

Рис. 3.31. Кривая опасных параметров для индуктированных перенапряжений при установке на п/ст комплекта РВМГ-110. 1,2,3- одна, две, три отходящих ВЛ.

Аналогичным образом определяются области и при интегрировании всех остальных кривых.
Кривые опасных параметров не поддаются простому аналитическому выражению. Поэтому интегрирование удобней выполнять приближенно, методом приближенного интегрирования по участкам. Разбиваем всю область «опасных» параметров на прямоугольные элементы, тогда

(3.11)
где т- число элементов, на которые разбита область, ∆Рi - интеграл по отдельному элементу.
Расчет вероятности попадания параметров молнии и места удара молнии в «опасную» зону таким способом не представляет большой трудности, особенно с использованием современных персональных машин.
Зная вероятность Ри можно определить число опасных ударов молнии на 100 грозовых часов и 100 км линии для 0,08 ударов на 1 км земной поверхности за один грозовой час

Значения ∆Pi определяются по формуле:

(3.12)
(3.13)
Результаты расчета вариантов сведены в таблицу 3.4.

Таблица 3.4.
Удельное число опасных перенапряжений для изоляции нейтрали при приходе на подстанцию волн индуктированных перенапряжений

Удар в провод или вершину опор
Как отмечалось выше, для изоляции нейтрали силовых трансформаторов опасны случаи прихода волны по двум и трем фазам линии.
Оценим вероятность двухфазного перекрытия для линии 110 кВ на металлических опорах. Двухфазное перекрытие может произойти после однофазного перекрытия при условии, что ток молнии продолжает нарастать, то есть на фронте волны тока. Схема замещения для этого случая будет иметь вид, представленный на рис. 3.32. Для данной схемы замещения согласно [48] ток молнии L равен

(3.14)
где 1т- ток молнии;
UT - напряжение перекрытия гирлянды;
Uраб — рабочее напряжение;
Еср- средняя напряженность поля по длине опоры; hпр- средняя высота подвеса провода;
Ктп -коэффициент связи провод-провод; χ - коэффициент отсоса тока в провод;
Lon - средняя индуктивность опоры;
Моп- взаимная индуктивность между каналом тока молний и опорой;
τф- время фронта волн тока молнии.
На рис. 3.33 приведена вольтсекундная характеристика изоляции линии 110 кВ. Задаваясь по ней значениями τф и Uτ, можно построить кривую опасных токов для двухфазного перекрытия линии (рис. 3.34). Проинтегрировав ее, получим вероятность двухфазного перекрытия во всем возможном диапазоне амплитуд и крутизны токов молнии. Тогда удельное число двухфазных перекрытий на 100 грозовых часов и 100 км линии.

Рис. 3.33. ВСХ изоляции линий 35 (1), 110 (2) и 150 (3) кВ.
Отсюда можно сделать следующий вывод о том, что вероятность трехфазных перекрытий еще меньше, так как для перекрытия третьей гирлянды потребуется еще больший ток молнии. При расчете числа опасных грозовых воздействий на изоляцию нейтрали силового трансформатора двухфазными и трехфазными перекрытиями можно пренебречь, так как их число практически на порядок меньше, чем число индуктированных перенапряжений.

Рис. 3.34.Кривая опасных токов для двухфазных перекрытий линий.
Такие же результаты получены для сетей других классов напряжения.
Таким образом:

1. Грозовые перенапряжения представляют опасность для изоляции нейтрали силовых трансформаторов 6-220 кВ и поэтому их необходимо защищать вентильными разрядниками или нелинейными ограничителями перенапряжений.
2. Защитные аппараты, установленные на подстанции, снижают величину напряжения в нейтрали, но она продолжает оставаться опасной для полной и облегченной изоляции нейтрали при приходе волны по трем фазам и для полной и облегченной изоляции нейтрали при приходе волны по трем фазам и для облегченной изоляции при приходе волны по двум фазам.
3. Увеличение числа отходящих линий также снижает величину напряжения в нейтрали, но при этом оно продолжает оставаться опасным для изоляции нейтрали силовых трансформаторов.
4. Защитный аппарат, установленный в нейтрали трансформатора, обеспечивает надежную защиту изоляции нейтрали и работает в облегченных условиях, так как импульсное сопротивление обмоток трансформатора ограничивает ток через разрядник. Ток, протекающий через разрядник, даже при приходе грозовой волны по трем фазам не может превысить величины 0,6-:-1,6 кА для трансформаторов 6-220 кВ. Максимально возможный импульсный ток в нейтрали определяется как: допустимое напряжение грозовой волны для фазных выводов, деленное на импульсное сопротивление обмотки трансформатора, например, он будет равен 1,3 кА для трансформаторов 110 кВ.