УДК 621.316.98.001.5
ВОЛЬТ-СЕКУНДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЛИННЫХ ВОЗДУШНЫХ ПРОМЕЖУТКОВ И ЗАЩИТА ПОДСТАНЦИЙ ОТ АТМОСФЕРНЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ*
Уотсон, Райан, Флинн, Ирвин (Великобритания)
В Великобритании и других странах для защиты оборудования линий электропередачи от грозовых перенапряжений используются стержневые молниеотводы. Опыт эксплуатации этих простых и недорогих защитных устройств показывает, как правило, их достаточную надежность.
Однако эти данные в большинстве случаев касаются традиционного оборудования, где основной электроизолирующей средой является воздух, и вольт-секундные характеристики таких конструкций подобны характеристикам простого промежутка стержень - стержень. Более широкое использование элегазового оборудования потребовало соответствующей защиты, и в этой области в последние годы был достигнут значительный прогресс. Защита элегазового оборудования стандартным искровым промежутком стержень - стержень при очень коротких временах является минимальной. Поэтому для защиты элегазового оборудования стали использовать разрядники с искровым промежутком и без него. Амплитуда грозовых перенапряжений, воздействующих на оборудование, зависит в основном от характеристик перекрытия воздушных промежутков и гирлянд изоляторов и сопротивления опор и линии.
*1W. Watson, Н. М. Ryan, A. Flynn, Т. Irwin. The voltage-time characteristics of long air gaps and the protection of substations against lightning (United Kingdom). Доклад 15— 05 на сессии СИГРЭ 1986 г. Пер. с англ. В. А. Минасбековой.
Разработаны методы расчета вольт-секундных характеристик для стандартного и нестандартного грозовых импульсов применительно к длинным воздушным промежуткам (до нескольких метров).
Типичные аналитические исследования рассматривают скорость движения лидера и предразрядные токи. Результаты теоретических исследований достаточно хорошо согласуются с экспериментальными данными. Необходим надежный метод расчета, поскольку для того, чтобы экспериментально получить характеристики перекрытия при перенапряжениях при формах волны, которые могут встречаться на практике, требуется много времени.
Целью работы было более детальное исследование вольт-секундных характеристик искрового промежутка стержень-стержень, чтобы установить необходима или нет модификация конфигурации электродов в случае очень высоких скоростей изменения напряжения.
Приведены экспериментальные результаты, полученные при испытаниях грозовым и коммутационным импульсами трех искровых промежутков длиной 2,54; 2,08 и 1,83 м, а также для разных систем электродов с искровым промежутком длиной 1,91 м.
Результаты, представленные в виде вольт-секундных характеристик до пробоя, получены при проведении испытательной программы, согласованной с правлением Южно-Шотландской энергосистемы. Проведено сравнение полученных экспериментальных данных с теоретически предсказанным пробивным напряжением при моделировании разрядов.
Эффективность применения этих искровых промежутков была оценена на основе теоретически предсказанного с помощью математического моделирования поведения искрового промежутка при использовании различных постоянных.
Оборудование и методика эксперимента. В табл. 1 приведены вольт-секундные характеристики используемых на практике искровых промежутков стержень - стержень.
Таблица 1. Характеристики искровых промежутков
Все испытания проведены с помощью импульсного генератора 4 МВ, 150 кДж при трех формах волны напряжения: 1,2/50, 120/1500, 250/2000 мкс. Измерения проводили по методике МЭК 60-2. Методика испытаний состояла в следующем:
- при каждом уровне напряжения прикладывали 10 импульсов обеих полярностей приблизительно с 30-секундным интервалом между ними; как правило, испытания проводили при повышении напряжения, например, от 1,0 до 2,8 МВ пикового для грозового импульса;
- при каждом уровне напряжения снимали осциллограммы для определения вольт-секундных характеристик;
- фотографировали перекрытия по воздуху вблизи изоляторов в искровом промежутке стержень - стержень;
- измеряли напряжение в момент падения Vb и время падения tс для каждой системы электродов.
Результаты испытаний.
На рис. 1, а-е приведены результаты испытаний при напряжениях положительной и отрицательной полярности для искровых промежутков 1,83; 2,08 и 2,54 м. Вольт- секундные характеристики, приведенные на рис. 2, дают возможность сравнить линейные искровые промежутки при лабораторных испытаниях с выдерживаемыми напряжениями грозового и коммутационного импульсов в КРУЭ и ZnO-разряднике напряжением 396 кВ (номинальное).
Рис. 1. Вольт-секундные характеристики для импульсов 1,2/50 мкс:
V - предполагаемое напряжение; t - время; сплошные кривые - экспериментальные, пунктирные — теоретические; а, в, д — при напряжении положительной полярности; б, г, е - при напряжении отрицательной полярности; д и е— экспериментальные данные для промежутка длиной 1,91 м
Рис. 2. Сравнение вольт-секундных характеристик систем I, II, III и VIII:
Vpk — пиковое напряжение; t - время; J - экспериментальные данные; 2 — теоретические данные; 3 — выдерживаемое напряжение при грозовом импульсе для КРУЭ 420 кВ; 4 — выдерживаемое напряжение при коммутационном импульсе для КРУЭ 420 кВ; 5 - типичные характеристики ΖηΟ-разрядника 396 кВ
Рис. 3. Вольт-секундные характеристики системы III при форме волны напряжения 1,2/50 мкс при напряжении положительной (а) и отрицательной (б) полярности
Вольт-секундные характеристики искрового промежутка длиной 0,71 м были использованы для исследования пробоев на фронте грозового импульса. Чтобы провести такое исследование на более длинных промежутках, потребовались бы импульсы напряжения порядка 10 МВ, которые не может обеспечить используемый импульсный генератор. В системе VIII была использована та же конструкция, что и в системах I, II и III. Хотя для искрового промежутка длиной 0,71 м времена до пробоя составляют менее 1 мкс при напряжениях выше 1,8 МВ, этот промежуток явно не будет иметь практического применения в системах 420 кВ из-за низкой способности выдерживать перенапряжения.
Вольт-секундные характеристики для искрового промежутка 1,83 м (система III) представлены для обеих полярностей на рис. 3. В этом случае строятся зависимости времен задержки до пробоя от предполагаемого пикового напряжения Vpr, фактически полученного пикового напряжения (Vpk), напряжения в момент пробоя (Vb); tb - время пробоя, tc - время падения напряжения. Характеристики форм волны напряжения приведены на рис. 4.
При исследовании искрового промежутка длиной 1,83 м было обнаружено интересное явление. Из рис. 4 можно видеть, что пиковое напряжение снижается, когда пробой происходит на хвосте импульса напряжения.
Рис. 4. Характеристика форм волны напряжения
Это дает возможность установить возрастание предразрядного тока (т. е. снижение действующего сопротивления искрового промежутка), когда формируется лидер, перед тем как происходит пробой.
Выходное сопротивление импульсного генератора 300 Ом, т. е. того же порядка, что и волновое сопротивление линии электропередачи. Действительно, непосредственно перед пробоем сопротивление искрового промежутка, действующее как омический делитель напряжения по отношению к выходному
сопротивлению импульсного генератора, приводит к снижению пикового импульсного напряжения. Таким образом, искровой промежуток обеспечивает некоторую степень защиты перед полным пробоем. На рис. 3 показано изменение вольт-секундных характеристик в этих условиях. Очевидно, что при пробое на хвосте импульса (tb>3 мкс) не наблюдается различий в вольт-секундных характеристиках, но при более быстрых временах до пробоя наклон вольт-секундных кривых становится меньше. Этот результат может представлять большую важность при определении воздушных промежутков для защиты КРУЭ.
Использование разработанных моделей разряда.
Были предприняты попытки исследовать имеющиеся модели разряда, чтобы оценить их значение в предсказании вольт-секундных характеристик линейных промежутков.
Разработан метод моделирования грозовых импульсов и некоторых нестандартных форм волны. Модель основана на уравнениях для скорости движения лидера V и предразрядного тока. Эти- параметры и длина лидера х рассчитываются для дискретного времени до того, как длина лидера достигнет длины искрового промежутка D и произойдет пробой. Скорость движения лидера описывается уравнением
предразрядный ток
Для напряжения положительной и отрицательной полярностей используются одинаковые значения к1 и к2, так как пробой данной системы электродов почти не зависит от полярности, в то время как промежуток стержень - стержень имеет явно выраженные различия в вольт-секундных характеристиках в зависимости от полярности напряжения в результате влияния земли.
Простая схема импульсного генератора, используемая в модели, создает условия, при которых напряжение в искровом промежутке зависит от предразрядных токов и полного сопротивления источника питания (рис. 3 и 4).
Как показано на рис. 1, а-г и 2 (кривая для искрового промежутка длиной 0,71 м), получено очень хорошее согласие между теоретически предсказанными и экспериментально полученными вольт-секундными характеристиками, что дает уверенность В возможности использования этого метода в дальнейших исследованиях.