ГЛАВА
ДЕВЯТАЯ
Защита изоляции подстанций разрядниками и ограничителями перенапряжений
1. Современное состояние вопроса
Главными защищаемыми объектами на подстанциях являются трансформаторное оборудование и аппараты, имеющие характеристики изоляции или, точнее, испытательные напряжения, регламентируемые действующими стандартами. В соответствии с ГОСТ 1516—73* и 20690—75, а также [85] на подстанциях 110—220 кВ все оборудование должно быть защищено от грозовых перенапряжений грозовыми разрядниками, а на подстанциях 330 и более киловольт комбинированными или другими разрядниками, обеспечивающими защиту и от коммутационных, и от грозовых перенапряжений. По традиции испытательные напряжения оборудования определяются на основе расчетной кратности коммутационных перенапряжений, а для грозовых перенапряжений — на базе остающегося на разряднике напряжения при расчетном импульсном токе [85].
Наибольшее по амплитуде электрическое воздействие на изоляцию подстанционного оборудования может появиться при грозовом поражении воздушной линии, приводящем к срабатыванию грозового или комбинированного разрядника. Кратность этого импульсного воздействия определяется остающимся (Uост) на разряднике напряжением в расчетном грозовом режиме (kост=Uост/Uфт, а длительность этого воздействия—длительностью протекания тока молнии через разрядник (10-5—10-4 с). Для подстанций 110— 750 кВ расчетные кратности коммутационных перенапряжений (kр) указаны в табл. 9-1.
Таблица 9-1
Расчетные кратности внутренних перенапряжений для изоляции аппаратов 110—750 кВ
Номинальное напряжение, кВ | 110 | 150, 220 и 330 | 500 | 750 |
Расчетная кратность перенапряжений | 3,1 * | 2,7 | 2,5 | 2,1 |
* Для внешней изоляции, испытываемой в сухом состоянии, расчетная кратность составляет 3,2; для внутренней изоляции, а также внешней изоляции, испытываемой под дождем, расчетная кратность 3,0. | ||||
Для подстанций 330 и более киловольт, для которых защита от коммутационных перенапряжений разрядниками обязательна, расчетная кратность перенапряжений соответствует верхнему значению пробивных напряжений комбинированного разрядника (kp=k0m), которое на несколько процентов превосходит k0. Длительность коммутационных перенапряжений, ограниченных разрядником, составляет примерно 10-2 с.
Рис. 9-1. Вольт-секундная характеристика электрических воздействий на изоляцию для оборудования 500 кВ
На подстанционную изоляцию воздействуют коммутационные перенапряжения, возникающие как на разомкнутом, так и на питающем конце линии электропередачи. Прямые испытания в энергосистемах, опубликованные кафедрой ТВН ЛПИ имени М. И. Калинина данные автоматической регистрации перенапряжений на действующих линиях, расчеты, выполненные по изложенному в пятой и шестой главах настоящей книги, приводят нас к выводу, что в сетях 110—220 кВ средние значения кратностей перенапряжений, возникающих на питающем конце, примерно на 10—20%, а среднеквадратичные отклонения на 20—40% меньше, чем те же параметры распределения перенапряжений, возникающих одновременно на разомкнутом конце.
Для линий электропередачи 330—750 кВ средние значения и среднеквадратичные отклонения перенапряжений на питающем конце могут еще более отличаться от соответствующих величин на разомкнутом конце. Отсюда следует, что для основной группы коммутационных перенапряжений, которые возникают одновременно как на линии, так и на подстанции, воздействующие на подстанционную изоляцию перенапряжения заметно меньше воздействий на изоляцию воздушной линии вблизи ее разомкнутого конца.
В пределах подстанции могут возникать еще такие виды перенапряжений, как при отключении реакторов и ненагруженных трансформаторов (эти перенапряжения с небольшой запасенной энергией легко ограничиваются разрядниками). При таком изобилии коммутационных перенапряжений, высоких требованиях к надежности основного оборудования подстанций и детерминистском подходе к проблеме выбора и координации изоляции оборудования 330 и более киловольт ориентация на максимальные возможные коммутационные перенапряжения, определяемые верхним пределом пробивных напряжений разрядников, была неизбежной.
Наряду с коммутационными перенапряжениями необходимо учитывать и более длительные — резонансные — перенапряжения, характеризуемые их вынужденной составляющей. Снижение вынужденного напряжения при плановых включениях линии и синхронизации достигается обычно подготовкой схемы (включение со стороны более мощной системы, снижение коэффициента трансформации трансформатора, снижение возбуждения генераторов, включение дальних передач по участкам с набором нагрузок на промежуточных подстанциях, подключение имеющихся реакторов поперечной компенсации). Для исключения нагрева магнитной системы силовых трансформаторов, автотрансформаторов и реакторов поперечной компенсации за время обычной синхронизации (до 20 мин) требуется ограничить вынужденное напряжение в этом режиме до 1,1—1,15. На вновь проектируемых линиях СВН и УВН ориентируются на автоматическую или полуавтоматическую синхронизацию, что сокращает время синхронизации до 1—10 с. Время воздействия на изоляцию оборудования вынужденной составляющей перенапряжения в режиме одностороннего питания линии после аварийных коммутаций, когда эта составляющая достигает наибольшего значения v, определяется многими факторами (например, типом релейных защит, разбросом времени их действия и надежностью, неодновременностью работы выключателей), но редко превосходит 0,4 с.
В итоге для выбора изоляции оборудования известны 5 опорных точек вольт-секундной характеристики воздействий: (kост, 10-5— 10-4 с), (k0m, 10-2 с), (гл. 0,4 с), (1,15, 103 с) и (1, ∞) — см. рис. 9-1, который относится к оборудованию 500 кВ. При традиционном подходе из этих 5 точек лишь две первые, наибольшие по кратности и характеризующие грозовые и коммутационные перенапряжения, используются для формирования испытательных напряжений оборудования. Две следующие точки, относящиеся к резонансным перенапряжениям (ν2 и 1,15), учитываются в процессе эксплуатации для исключения режимов, опасных для оборудования.
Все изоляционные воздушные промежутки до заземленных объектов на подстанции выбираются также по величинам koст и k0т.
