И. М. Зархи, Е. В. Зотов, Ю. М. Невретдинов, Ф. X. Халилов, И. А. Шилина
Схемы защиты подстанций от набегающих грозовых волн включают в себя грозозащитные тросы на подходах ЛЭП и подстанционные вентильные разрядники. Эффективность таких схем для подстанций 154 и 330 кВ в районах с высоким удельным сопротивлением грунтов заметно снижается, что главным образом связано с трудностями сооружения заземлений опор ЛЭП на подходах к подстанциям. Требования [1] допускают для этих районов при слабой интенсивности грозовой деятельности увеличение сопротивления заземления опор Rз и до (30...60) Ом, но выполнить такие заземляющие устройства трудно, дорого, а на скалистых грунтах с удельным сопротивлением ргр = (5-10+3... 10+4) Ом-м зачастую невозможно. В этих условиях увеличивается вероятность обратных перекрытий линейной изоляции и надежность традиционных схем грозозащиты подстанций становится неудовлетворительной. Применение сплошных протяженных заземлителей-противовесов уменьшает сопротивление заземления опор не более чем на (30... 35)% и не решает проблемы (2].
Как известно, построение традиционных схем грозозащиты основано на обеспечении нормированных минимальных расстояний от вентильных разрядников до защищаемого объекта. При этом длина тросового подхода подстанций 330 кВ получается в пределах (2... 4) км, а подстанций 154 кВ—(2...3) км. Низкая надежность, большие капитальные затраты и эксплуатационные издержки традиционных схем грозозащиты для районов с высоким ргр вынуждают искать другое решение.
Схема грозозащиты подстанции с выносом разрядников на линию
В качестве меры, позволяющей добиться приемлемых технических и экономических показателей грозозащиты подстанций 154 и 330 кВ в районах с высоким ргр, была попользована схема с выносом разрядников на линию. Возможность использования такой схемы грозозащиты в указанных районах была рассмотрена в [3],
Принципиальная схема грозозащиты с выносом вентильного разрядника (РВ) на линию (см. рисунок) основана на том, что падающая на подстанцию волна встречает на своем пути сначала РВ1, а затем подстанционный комплекс РВ2. При малых значениях расстояния lр от РВ2 до РВ1 оба разрядника ведут себя как некоторый «единый разрядник». В этом случае защитные свойства схемы с двумя разрядниками мало отличаются от таковых для схемы с одним разрядником. По мере увеличения lр картина явления меняется. Сначала, пока амплитуда набегающих грозовых волн мала, срабатывает только РВ2 на отраженной от точки 3 волне. В момент, когда напряжение прямой волны превысит уровень пробивного напряжения PB1, вступает в действие и этот разрядник. При этом скачком повышаются защитные свойства схемы, открывая возможность успешной защиты изоляции подстанционного оборудования при весьма больших амплитудах грозовых волн.
Значительное повышение защитных свойств указанной схемы можно объяснить и с другой точки зрения. Доля электромагнитной энергии, достигающей защищаемого объекта при срабатывании обоих разрядников, уменьшается. Когда приходят в действие оба разрядника, вследствие их малых динамических сопротивлений создаются благоприятные условия для отражения электромагнитных волн по концам участка lР. При достаточной длине lР значительная часть электромагнитной энергии оказывается связанной в этой зоне. Кроме того, часть энергии рассеивается в рабочем сопротивлении PB1. Таким образом, волна перенапряжения, достигающая защищаемого оборудования, оказывается энергетически ослабленной и потерявшей опасность.
Исследование грозозащиты подстанций для типовых схем в основном проводилось на анализаторе грозозащиты подстанций (АГП) по известной методике «кривой опасных волн» [4].. Предлагаемые новые принципы построения грозозащиты подстанций в районах с высоким значением ргр прошли качественную проверку в полевых условиях на реальных объектах с помощью анализатора переходных процессов в протяженных цепях [5]. Расчеты надежности выполнялись на ЭВМ малой мощности «Проминь» по программе [4]. Сопоставление различных режимов выявило наиболее опасный и наиболее надежный с точки зрения грозозащиты варианты. В последнем случае надежность рассчитывалась на ЭВМ «Минск-32» по уточненной методике ЛПИ [6].
В таблице приведены результаты сравнительных расчетов надежности традиционных схем и схем с выносом разрядников на линию. Традиционные схемы грозозащиты подстанций 154 и 330 кВ в районах с высокими ρгр имеют невысокую надежность (М). С увеличением Rз и от 10 Ом до 100 Ом надежность грозозащиты снижается приблизительно на порядок, а при обычно имеющем место в этих районах сопротивлении заземления опор 100 Ом показатель надежности составляет величину порядка 10 лет.
Более высокими показателями надежности обладают схемы с выносом защитных аппаратов на линию. Весьма ценным свойством этих схем, особенно в условиях высоких ргр, является возможность существенного увеличения надежности грозозащиты путем снижения сопротивления заземления лишь той опоры, где установлен вынесенный на линию защитный аппарат. Защитные свойства схем грозозащиты с выносом разрядников на линию максимально проявляются на определенном оптимальном расстоянии lр, которое для подстанций 154 кВ составляет (100... 300) м, для подстанций 330 кВ — (200... 300) м. Результаты сопоставления (см. таблицу) показали, что вынос защитных аппаратов на линию позволяет увеличить надежность грозозащиты в десятки раз (особенно для проходных и многофидерных подстанций). Причем, несмотря на необходимость установки дополнительных комплектов защитных аппаратов, предложенные схемы являются более экономичными.
* В числителе приведены данные для подстанции 330 кВ, в знаменателе — для 154 кВ.
Экономия достигается за счет значительного сокращения длин тросовых подходов и уменьшения затрат на сооружение заземляющих устройств. Например, для многофидерной подстанции 154 кВ годовая экономия от внедрения предлагаемой схемы составляет примерно 6000 рублей.
В настоящее время широко применяются новые защитные аппараты на базе окиси цинка — нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН). Полевые измерения с помощью анализатора переходных процессов и анализатора грозозащиты подстанций показали, что использование ОПН в качестве защитного аппарата улучшает показатель надежности грозозащиты в районах с высоким значением ргр на (30... ...40)%. Таким образом, применение нелинейных ограничителей перенапряжения может стать дополнительным эффективным средством для повышения надежности грозозащиты подстанций 154 и 330 кВ в этих районах.
ВЫВОДЫ
- Традиционные схемы грозозащиты подстанций 154 и 330 кВ в районах с высоким значением удельного сопротивления грунта имеют низкий показатель надежности.
- Наиболее выгодной для упомянутых районов является схема с выносом защитных аппаратов на линию. При этом линейные комплекты защитных аппаратов должны быть удалены от подстанций на оптимальное расстояние.
- Использование предлагаемых схем обеспечивает практически такие же показатели грозозащиты, как и по традиционной схеме, в районах с умеренным значением ргр. Эти схемы более экономичны, в них значительно снижаются требования к величинам сопротивления заземления опор на тросовых подходах.