Как известно, подстанции классов напряжения 220—750 кВ могут быть тупиковыми, проходными и многофидерными. Обычно на подстанции устанавливается не менее двух комплектов разрядников, на подстанции 750 кВ — три комплекта. На отдельных многофидерных подстанциях число комплектов разрядников доходит до 6—8. По правилам эксплуатации автотрансформаторов классов напряжения 220 кВ и выше непосредственно у каждого автотрансформатора должен быть установлен магнитно-вентильный разрядник типа РВМГ для классов напряжения 220—500 кВ и типа РВМК-750М для класса напряжения 750 кВ. На линейной стороне выключателей подстанций 330 кВ и выше устанавливаются комбинированные разрядники. На подстанциях класса 220 кВ, на которых эксплуатируются силовые трансформаторы, устанавливаются разрядники типа РВС-220.
Особенностью работы комбинированных разрядников в грозовом режиме является шунтирование части их сопротивления при токе 1,5—2 кА с переходом на вольт-амперную характеристику грозового режима. При импульсных токах, меньших тока переключения, их функция распределения обусловливается ВАХ разрядника в коммутационном режиме.
Защитные характеристики разрядников РВМГ и РВМК на классы напряжения 330 и 500 кВ в грозовом режиме несущественно различаются между собой (см. приложение § П1). При импульсном токе 5 кА их остающиеся напряжения совпадают. Но так как разрядники РВМГ — вилитовые, а разрядники РВМК — тервитовые, то при других токах их ВАХ расходятся. Однако это расхождение имеет второстепенное значение. При токе 10 кА оно не превышает 5—7%. Поэтому для простоты изложения анализ работы разрядников классов напряжения до 500 кВ выполняется для разрядников типа РВМГ.
В соответствии с табл. 12 для линий классов напряжения 220—500 кВ следует учитывать три вида импульсных волн напряжения: полные, срезанные и короткие с крутым фронтом, для линий класса напряжения 750 кВ — только первые два вида импульсных волн.
Для анализа работы разрядников разных классов напряжения приняты линии следующего исполнения: двухцепная линия электропередачи на унифицированных опорах с одним тросом для класса напряжения 220 кВ, одноцепная линия с двумя тросами для классов напряжения 330, 500 и 750 кВ.
Для этих линий математические ожидания числа прорывов молнии мимо тросовой защиты Νпр и числа обратных перекрытий с опоры на провод Νоп приведены в табл. 18. Сюда же помещены значения напряжений Ua для полных импульсных волн напряжения, рассчитанные по формуле (24) при средней и максимальной длине линий (см. табл. 13), а также значения Up для одной и двух линий, определенные по формуле (66).
Как видно из табл. 18, для полных волн напряжения чаще всего Up < Uа, а для срезанных и коротких волн напряжения, наоборот, Uр>Uа.
Поэтому при определении математического ожидания числа Полных волн, набегающих на подстанцию, в зависимости от соотношения между Uр и Uа необходимо пользоваться формулой (34) либо (35), а при определении -математического ожидания числа срезанных и коротких волн, набегающих на подстанцию,— соответственно формулами (58) либо (60) и (59) либо (61).
Зависимости n1 (U), n2 (U), п3 (U), п (U) и М (U) для разрядников разных классов напряжения при средней и максимальной длине линий приведены на рис. 32, 33, 34 и 35. Величина n (U) для разрядников РВМГ-220, как видно из рис. 32, при напряжениях выше 600 кВ от длины линии не зависит.
При меньших напряжениях n1(U) тем больше, чем больше длина линии. Из всех трех видов волн наибольшую долю составляют короткие импульсные волны. Только при напряжениях, превышающих примерно 1350 кВ, математическое ожидание амплитуд срезанных волн напряжения n2(U) становится больше математического ожидания амплитуд коротких волн напряжения п3(U). С переходом к более высоким классам напряжения доля полных импульсных волн растет.
Для разрядника РВМГ-330, как видно из рис. 33, при напряжениях, превышающих примерно 500 кВ, преобладающими являются срезанные волны. При более низких напряжениях преобладают полные импульсные волны.
Для разрядника РВМГ-500 (см. рис. 34) полные волны преобладают при напряжениях до 1200 кВ, а при более высоких напряжениях преобладают срезанные волны напряжения. Для разрядника РВМК-750М (см. рис. 35) полные волны являются преобладающими вплоть до напряжения 2100 кВ.
Естественно, что с изменением величин Νпр и Νоп соотношения между математическими ожиданиями п1 (U), п2 (U) и п3 (U) могут быть иными. В качестве примера на рис. 32 проведена штриховая кривая 6, представляющая собой кривую математического ожидания п (U) для расчетного случая, когда К1 и К2 соответственно составляют 0,2 и 0,8. Как видно из рисунка, увеличение в два раза доли полных волн напряжения и уменьшения с 0,9 до 0,8 доли срезанных волн существенно не изменили значения математического ожидания п (U).
Математические ожидания числа срабатываний разрядников при разном числе линий, рассчитанные по формуле (67), приведены в табл. 18, где указаны и значения т2, для разных классов напряжения, принятые при расчете п (Up). Из таблицы видно, что математическое ожидание числа срабатываний разрядников снижается по мере повышения номинального напряжения разрядника и увеличения числа линий, подключенных к подстанции. В то время как для разрядника РВМГ-220 на тупиковой подстанции характерно в среднем 0,15 срабатываний в год на одну фазу разрядника, среднее число срабатываний в год разрядника РВМГ-500 на такой же подстанции составляет 0,03. На проходной подстанции 500 кВ ожидаемое число срабатываний разрядника РВМГ-500 меньше на 40%. В табл. 18 приведены значения п'(Up) математического ожидания числа срабатываний разрядников от близких ударов молнии, рассчитанные по формуле (69) при lп = 0,4-:-0,5 км. Как видно из таблицы, n' (Uρ) составляет малую долю математического ожидания п (Up) (1—3% на тупиковых подстанциях и 3—5% на проходных).
С учетом данных табл. 10 построены функции распределения Ф (U): на рис. 36— для разрядника РВС-220, установленного на тупиковой и проходной подстанциях, при коротких и срезанных волнах; на рис. 37 — для разрядника РВМГ-330 на таких же подстанциях при всех видах импульсных волн; на рис. 38 — для
Рис. 36. Функции распределения Ф (U) для разрядника РВС-220
разрядника РВМГ-500 на тупиковой подстанции при полных, срезанных и коротких волнах и для разрядника РВМК-750М на тупиковой подстанции при полных волнах.
Рис. 38. Функции распределения Ф (U) для разрядников РВМГ-500 и РВМК-750
1 — РВМГ-500, полные волны, 2 — РВМК-750М, 3 — РВМГ-500, короткие и срезанные волны
Рис. 37. Функции распределения Ф (U) для разрядника РВМГ-330
1 — полные волны, r = 1; 2 —короткие и срезанные, r — 1; 3 — то же, r = 2
Номера таблиц и рисунков для разрядников разных классов напряжения приведены ниже:
По формуле (72) с учетом ВАХ разрядников, изображенных на рис. 27, и функций распределения Ф (U), данных на рис. 36—38, для ряда значений Iр выполнены расчеты вероятностей Р (Iр) и среднего периода повторяемости Т (Iр). По результатам этих расчетов, приведенных в табл. 19—22, на рис. 39—42 построены графики функций распределения Р (IР).
На рисунках показан стрелкой переход от ВАХ при одном разряднике к аналогичной характеристике при двух параллельно включенных разрядниках. При этом определены вероятности Q(Ip)включения в работу второго разрядника, по которым с использованием формулы (73) рассчитаны значения т2, помещенные в табл. 18.
Из рис. 39 видно, что когда на подстанции установлен один комплект разрядников РВС-220, то при одной и двух линиях, подключенных к подстанции, ток Iр, соответствующий 50%-ной вероятности, находится в пределах 900—950 А, а вероятность включения в работу второго разрядника близка к 0,5.
Таблица 21
Таблица 22
Соответствующие 50% — вероятности импульсные токи в магнитно-вентильных разрядниках разных классов напряжения, установленных на тупиковой подстанции, имеют следующие значения:
По мере увеличения класса напряжения медиана импульсного тока возрастает.
Для ряда значений импульсного тока в табл. 19—22 помещены периоды повторяемости также и для нелинейных ограничителей перенапряжений.
Рис. 39. Функции распределения импульсных токов в разряднике РВС-220
Рис. 40. Функции распределения импульсных токов в разряднике РВМГ-330
Влияние уровня ограничения перенапряжений на средний период повторяемости импульсного тока Т (Iр) можно проиллюстрировать на примере разрядников класса напряжения 220 кВ.
Как видно из табл. 19, при r = m = l импульсному току 4 кА при ВАХ разрядника РВС-220 соответствует период повторяемости более 2000 лет; при ВАХ разрядника РВМГ-220 Т (Iр) составляет 1300 лет, а при ВАХ ограничителя перенапряжений период повторяемости импульсного Т (Iр) равен 1000 лет. Однако достаточно увеличить ток, протекающий через ограничитель перенапряжений, до 4,5 кА, чтобы период повторяемости импульсного тока повысился до 2000 лет.
Из табл. 20 видно, что при токе 3,5 кА (вариант r=1, m=2) снижение защитного уровня разрядника 330 кВ на 30%, до уровня 1,6 U, (переход от РВМГ—330 к ОПН—330) приводит к снижению показателя надежности с 1300 до 550 лет. Однако и в этом случае повышение импульсного тока до 4 кА увеличивает период его повторяемости в ограничителе перенапряжений до 2000 лет. Точно так же достаточно повысить расчетный ток разрядников классов напряжения 500 кВ (см. табл. 21) и 750 кВ (см. табл. 22) на 1 кА,
чтобы при пониженном защитном уровне (1,6—1,8) Uф (ОПН—500 и ОПН—750) обеспечить такой же период повторяемости, какой достигнут у серийно выпускаемых магнитно-вентильных разрядников типов РВМГ-500 и РВМК-750М.
Рис. 41. Функции распределения импульсных токов в разряднике РВМГ-500
1 — длинные волны, r = 1, т = 2; 2 длинные волны, r = 1, т = 1; 3 — короткие и срезанные волны, r = 1, т = 1
Рис. 42. Функции распределения импульсных токов в разряднике 750 кВ
Зависимости Т (Iр) для магнитно-вентильных разрядников разных классов напряжения приведены на рис. 30. Для разрядника РВМГ-330 зависимости построены при одном и двух комплектах разрядников на тупиковой подстанции, для разрядников остальных классов напряжения — при одном комплекте разрядников на тупиковой подстанции. Как видно из рисунка, при изменении периода повторяемости тока на порядок, с 250 до 2500 лет импульсный ток для разрядников разных классов напряжения увеличивается на 1—4 кА.
При двух комплектах разрядников на подстанции тем же значениям Т (Iр) соответствуют импульсные токи, примерно вдвое меньшие (см. табл. 19—22 и рис. 30). Так, значению периода повторяемости 250 лет соответствует импульсный ток 5 кА при одном комплекте разрядников РВМГ-330 на подстанции и импульсный ток 2,7 кА при двух комплектах. Но с учетом неравномерности распределения импульсного тока между параллельными разрядниками максимальные токи, протекающие через отдельные разрядники, могут превысить расчетные значения в 1,8—2 раза. При этом токи не будут существенно отличаться от импульсных токов, характерных для одного комплекта разрядников на подстанции.
Следует отметить, что поскольку для класса напряжения 750 кВ расчетными являются грозовые волны напряжения, вызванные прорывами молнии мимо тросовой защиты, эффективным средством снижения расчетного импульсного тока через разрядники и соответственно перенапряжения на подстанции является усиление тросовой защиты на подходе к подстанции. Расчет, приведенный в табл. 22, выполнен при значении Nпр = 2,6-10 км -год.
Если путем усиления тросовой защиты уменьшить Νпр в два раза, во столько же раз вырастет период повторяемости импульсного тока Т (Iр). Если при снижении в два раза Νпр не увеличивать Т (Iр), а сохранить его на прежнем уровне, то значение расчетного тока можно снизить примерно на 20%.
