Режимы работы вентильных разрядников при грозовых перенапряжениях - Регистрация числа срабатываний и измерение параметров импульсных волн тока

Регистрация числа срабатываний и измерение параметров импульсных волн тока в вентильных разрядниках
В энергосистемах Советского Союза учет срабатываний вентильных разрядников осуществляется с помощью регистраторов срабатывания типов РВР и РР [11].
За рубежом подобный учет производится с помощью ферромагнитных регистраторов [11, 38] либо специальных контрольных искровых промежутков [11, 47, 56]. Кроме факта срабатывания контрольные промежутки определяют амплитуду и длительность волны тока.
Регистраторы срабатывания типа РВР выпускаются с начала пятидесятых годов. Оснащенность ими разрядников составила примерно 50% в 1955 г. и 80% — в 1960 г. С тех пор в соответствии с действующим стандартом все разрядники классов напряжения 110 кВ и выше поставляются в комплекте с регистраторами срабатывания. Регистраторы срабатывания типа РР приняты в эксплуатацию в начале шестидесятых годов. Все магнитно-вентильные разрядники поставляются комплектно с регистраторами срабатывания типа РР.
Обе конструкции регистраторов иногда пропускают импульсы тока без регистрации, срабатывают от механических ударов или от вибрации соседнего оборудования и т. п. Тем не менее ввиду большого числа регистраторов, установленных для эксплуатации, по их показаниям можно делать определенные выводы о частости срабатывания разрядников.
Анализ опыта эксплуатации вентильных разрядников в энергосистемах СССР, начиная с 1953 г., ведет НПО «Электрокерамика» [32 , 33]. Итоги анализа, выполненного кандидатом техн. наук Д. В. Шишманом, свидетельствуют о том, что среднее значение числа срабатываний разрядников данного типа из года в год колеблется незначительно.
Регистраторы фиксируют все срабатывания вентильных разрядников от грозовых и от коммутационных перенапряжений. Однако причину срабатывания не всегда удается установить.
Сводные данные регистрации в энергосистемах СССР числа срабатываний разрядников типов РВС за период с 1953 по 1959 г. и типов РВМГ за период с 1960 по 1970 г. приведены в табл. 23 и 24.
В табл. 23 помещены также данные регистрации числа срабатываний разрядников типов РВС в двух отдельных энергосистемах страны (обозначенных в таблице номерами 1 и 2). Анализ результатов регистрации числа срабатываний в первой энергосистеме выполнен инженером А. П. Карамзиным. Результаты регистрации во второй энергосистеме соответствуют данным [22]. Значения средних чисел срабатывания разрядников по энергосистемам 1 и 2 приведены к 40 грозовым часам.
В табл. 23 и 24 приводятся математические ожидания чисел срабатывания разрядников каждого типа, полученные расчетным путем. В табл. 24 указаны также верхние доверительные пределы математического ожидания, расчет которых приведен в § П3 приложения. Из таблиц видно, что эти математические ожидания — одного порядка с данными регистрации как по отдельным энергосистемам, так и по всем энергосистемам в целом.
С учетом замечания, что не во всех случаях удается установить причину срабатывания разрядников и выбор исходных данных в расчетах достаточно условен, такое совпадение результатов расчетов с данными регистрации следует признать удовлетворительным.
В США с помощью ферромагнитных регистраторов отмечено среднее число срабатывания разрядников 0,4 и 0,5 в год — соответственно для распределительных и станционных разрядников [38]. Это объясняется меньшей плотностью подстанций со станционными разрядниками по сравнению с распределительными трансформаторами, у которых устанавливаются распределительные разрядники. Вторая причина в более низком пробивном напряжении станционных разрядников (результаты регистрации получены на ВЛ средних классов напряжения, выполненных на деревянных опорах без тросовой защиты).
На отдельных подстанциях, расположенных в районах с интенсивной грозовой деятельностью, к которым подключены ВЛ без защиты от прямых ударов молнии, зарегистрировано от 3 до 20 срабатываний разрядников в год [37].
В ФРГ в одной из сетей 110 кВ с помощью контрольных искровых промежутков зарегистрировано на различных подстанциях в среднем от 0,15 до 2,7 (в среднем по сети 1,14) срабатываний разрядников в год [56]. По другим опубликованным в ФРГ данным [45, 47], контрольные промежутки разрядников на напряжения 110 и 220 кВ отметили в среднем около 0,4 срабатываний в год. В последнем случае доля срабатываний разрядников от грозовых перенапряжений составляла от 30 до 50%.
Наиболее полные данные регистрации амплитуд импульсных токов в вентильных разрядниках, установленных в энергосистемах Советского Союза, приведены в [25]. С помощью ферромагнитных регистраторов автор обобщил результаты 380 измерений в разрядниках РВС-110 и 679 измерений в разрядниках РВС-35.

Таблица 23

Таблица 24

Как правило, линии 35 кВ имели тросовую защиту на подходе к подстанции, линии 110 кВ — на всем своем протяжении. Те и другие линии были оборудованы трубчатыми разрядниками на подходе к подстанции. Кривые вероятностей импульсных токов представлены на рис. 43. Как видно из рисунка, значения тока в разрядниках 35 и 110 кВ, соответствующие 50%-ной вероятности, составили соответственно 400 и 700 А. Вероятность превышения тока 3 кА не более 2% для разрядников РВС-35 и 3% для разрядников РВС-110. Сопоставление расчетных данных с экспериментальными для разрядников РВС-35 и РВС-110 показано на рис. 25 и 26. Как видно из этих рисунков, совпадение кривых вероятностей достаточно удовлетворительно.

Рис. 43. Кривые вероятностей импульсных токов в вентильных разрядниках по результатам регистрации
1 — СССР, сеть 35 кВ, 679 записей [25], 2 — Швеция, сеть 30 кВ с защитой подходов линий к подстанции [43], 3 —США, сеть 132 кВ, 123 записи [25], 4 — СССР, сеть 110 кВ, 380 записей [25], 5 — Швеция, сеть 30 кВ без защиты подходов линий к подстанции [43], 6 — ФРГ, сеть 110 кВ [49]; 7 — США, станционные разрядники средних классов напряжения, 1184 записи,               8 — США, распределительные разрядники, 3907 записей [38]
Близки к данным советских авторов результаты регистрации импульсных токов в вентильных разрядниках, полученные в Швеции [43]. Меньшие токи отмечены в сетях с защитой подходов линий к подстанциям (кривая 2), большие токи — в сетях без защиты подходов (кривая 5). Американские данные разных лет и различных авторов расходятся между собой. На рис. 43 показана кривая 3, заимствованная из [25]. В то же время в [38] приводятся результаты регистрации токов в вентильных разрядниках, которые заметно отличаются от всех приведенных выше (кривые 7 и 8 на рис. 43). Большие токи, соответствующие кривой 8, объясняются, по-видимому, отсутствием трубчатых разрядников на подходах к распределительным трансформаторам, у которых обычно устанавливаются распределительные разрядники.
Результаты регистрации импульсных токов в сетях по данным [49] иллюстрируются кривой 6 рис. 43.
В более поздней работе [47], выполненной в ФРГ, приводятся результаты регистрации импульсных токов с помощью контрольных искровых промежутков в сетях 110 и 220 кВ. Объем наблюдений в первой сети составит 1288 разрядников-лет, во второй сети — 204 разрядников-лет. Было установлено, что в сети 110 кВ от явно грозовых перенапряжений разрядники срабатывают в 30—50% случаев, в сети 220 кВ — несколько реже (но не менее 25%). При этом с вероятностью 90% импульсный ток в сети 110 не превысил 700 А, а в сети 220 кВ — 300 А. Вероятность импульсного тока, превышающего 2 кА, составила для разрядников на 110 кВ примерно 3% при учете срабатываний только от грозовых перенапряжений и примерно 1,5% при учете всех срабатываний разрядников. Ток с амплитудой выше 2 кА возможен в разрядниках указанного класса напряжения не чаще одного раза в 160 лет. В то же время за весь период наблюдения разрядников на 220 кВ импульсный ток в них не превысил 1000 А.
Сравнение среднего числа срабатываний разрядников на 110 кВ, установленных у трансформаторов и на шинах подстанции вблизи ввода ВЛ, показало, что в первом случае разрядники срабатывают примерно в 4 раза чаще, чем во втором: соответственно 0,26 и 0,07 срабатываний в год. Это понятно, ибо разрядники, установленные -у трансформаторов в точке отражения импульсной волны, подвергаются большим перенапряжениям, чем разрядники, установленные на вводе линии. Частость работы разрядников, установленных на шинах подстанции, по сравнению с частостью работы разрядников, установленных у трансформаторов, совпадает с расчетной вероятностью параллельной работы разрядников в сети 110 кВ, составляющей примерно 25% (см. § 9). Таким образом, результаты регистрации, полученные в [47] в отношении как удельного числа срабатываний, так и вероятности импульсных токов в разрядниках, удовлетворительно согласовываются с расчетными данными, помещенными в настоящей книге.
По другим параметрам импульсных токов в вентильных разрядниках имеются ограниченные экспериментальные данные. В [38] указывается, что средняя длительность волны тока до полуспада составляет 25 мкс для подстанционных разрядников и 40 мкс для распределительных, средняя длина фронта волны около 2 мкс для станционных разрядников и 3 мкс для распределительных, число компонентов импульсного тока в разрядниках при одном разряде молнии в среднем 1,1—1,2*.

* Большее, чем единица, число компонентов импульсного тока учтено в принятой методике расчета тем, что в формуле (4) за коэффициент К взят верхний уровень возможных для него значений.

Сопоставляя параметры импульсных токов в вентильных разрядниках с параметрами токов молнии, автор работы отмечает:
а) амплитуда импульсных токов меньше в вентильных разрядниках примерно на порядок,
б)   длина фронта волны примерно одна и та же,
в) длина волны до полуспада несколько меньше в вентильных разрядниках,
г) число компонентов импульсного тока меньше в вентильных разрядниках примерно в два раза.
Таким образом, результаты приведенных выше расчетов удовлетворительно согласовываются также и с экспериментальными данными, приведенными в [38].

1. Выбор номинального импульсного тока вентильных разрядников

При импульсных токах с относительно малыми амплитудами, протекающих через вентильные разрядники, грозовые перенапряжения не достигают значений, опасных для нормальной работы подстанционных аппаратов и трансформаторов.
Известно, что с уменьшением амплитуды импульсного тока число воздействий, выдерживаемых разрядником, существенно возрастает [11]. Поэтому малые импульсные токи практически не снижают срока службы разрядников и к выбору их характеристик особых требований в этом отношении не предъявляется.
Решающими для выбора характеристик разрядника являются импульсные токи, протекающие через него при набегании на подстанцию грозовых волн с амплитудами, вызывающими на оборудовании подстанции предельные допустимые перенапряжения или близкие к предельным допустимым.
Импульсный ток, при котором остающееся на разряднике напряжение достигает нормируемой для него величины,— его импульсный защитный уровень — представляет собой номинальный импульсный ток разрядника. С остающимся напряжением при этом токе должны быть скоординированы испытательные напряжения аппаратов и трансформаторов подстанции. Этот импульсный ток разрядник должен многократно выдерживать, не изменяя существенно своих технических характеристик.
Как было показано выше, импульсные токи, протекающие через разрядники,— величины случайные, подчиняющиеся соответствующим статистическим распределениям. Поэтому при выборе номинального импульсного тока разрядника является обоснованной постановка вопроса о нормировании импульсного тока на заданном уровне надежности работы разрядников и подстанции в целом.

В обоснование показателей надежности разрядников, как и показателей надежности работы подстанций, следовало бы, кроме рассмотренных уже технических соображений, принимать во внимание и некоторые экономические факторы. К ним относятся: размер капиталовложений, требующихся для оснащения грозозащиты подстанции, эксплуатационные затраты на поддержание устройств грозозащиты в надлежащем техническом состоянии, возможный ущерб от грозовых повреждений и др.
Экономические проблемы, связанные с обоснованием требований к показателям надежности, находятся в настоящее время на стадии изучения в ряде организаций (ЛПИ имени М. И. Калинина, СибНИИЭ и др.). Методологически учет экономических факторов основывается на приведении к минимуму суммы удельных затрат [2]. Однако практическое использование результатов этих научно- исследовательских работ применительно к выбору параметров вентильных разрядников — вопрос времени. Между тем, рассматривая технические аспекты проблемы, можно сформулировать требования к нормированию импульсных токов в разрядниках, которые, если и не будут полностью отвечать условиям оптимальности, тем не менее, благодаря использованию статистической методики, не приведут к чрезмерному завышению нормируемых величин. Убеждают в этом следующие соображения. Срок службы трансформаторов и аппаратов, высокого напряжения, установленных на подстанции, составляет 30—50 лет. Для обеспечения высокой надежности работы подстанции необходимо, чтобы вероятность грозового повреждения оборудования подстанции, включая разрядники, была за этот период весьма малой. Для этого следует предусмотреть, чтобы математическое ожидание Т (Iр) числа лет между отдельными срабатываниями разрядников, при которых через разрядник протекает импульсный ток, превышающий заданный уровень, было на порядок больше срока службы подстанционного оборудования:

Следует отметить, что между средним периодом повторяемости заданного импульсного тока, протекающего через разрядник, и показателем надежности грозозащиты подстанции, который характеризуется средним периодом повторяемости опасного перенапряжения, воздействующего на оборудование подстанции, нет прямой зависимости. Допустим, что для заданного импульсного тока Iр период повторяемости составляет Т лет (например, 1000 лет) и этот ток принят в качестве номинального для разрядника. В зависимости от остающегося напряжения при этом токе, от схемы подстанции, импульсной прочности изоляции оборудования и расстояния от разрядника до оборудования показатель надежности грозозащиты подстанции может быть как больше, так и меньше Т. При данной схеме подстанции показатель надежности грозозащиты может быть увеличен (например, до величины Т) либо путем приближения разрядников к защищаемому оборудованию, либо путем снижения защитного уровня разрядника, но не путем увеличения нормируемого импульсного тока разрядника. Действительно, заменив в разряднике нелинейные резисторы меньшей пропускной способности на резисторы большей пропускной способности, можно повысить нормируемый импульсный ток разрядника и соответственно увеличить период его повторяемости. Однако, если при этом не была изменена вольт-амперная характеристика разрядника, то неизменным останется и показатель надежности грозозащиты подстанции.
Приняв в качестве нормированного импульсный ток разрядника с достаточно большим периодом повторяемости, мы создаем условия, необходимые для обеспечения высокого показателя надежности грозозащиты подстанции.
Из рассмотрения рис. 30 видно, что кривые зависимостей Т (Iр) в интервале 250—2000 лет загибаются резко вверх. Значения импульсных токов правее каждой из кривых на рис. 30 практически недостижимы: они превышают максимально возможные импульсные токи в разрядниках в условиях эксплуатации. Кривые, изображенные на рис. 30, определяют второе достаточное требование к выбору нормируемого импульсного тока вентильного разрядника: его значение должно располагаться правее каждой из кривых Т (Iр) Принятием второго требования предусматривается некоторое завышение нормируемых импульсных токов. Для выявления размеров этого завышения в табл. 25 приведены импульсные токи, соответствующие различным периодам их повторяемости в разрядниках классов напряжения 110—750 кВ. Таблица построена по данным, полученным при анализе работы разрядников указанных классов напряжения.
Таблица 25

В табл. 25 периоды повторяемости импульсного тока даны при разном числе комплектов разрядников на подстанции: при одном, двух, а для подстанции 750 кВ — при трех комплектах. Для вариантов подстанции с двумя и тремя комплектами разрядников введены поправки, учитывающие неравномерность распределения тока между параллельно включенными аппаратами (см. § 8).
Из таблицы видно, что при изменении периода повторяемости с 500 до 2500 лет импульсный ток увеличивается для разрядников 110—220 кВ не более чем на 1 кА, а для разрядников высших классов напряжения — не более чем на 3 кА. В этих, с практической точки зрения приемлемых, пределах и находится вышеупомянутое завышение нормируемых импульсных токов.
Данные табл. 25 показывают, что при использовании на подстанции двух комплектов разрядников максимальные токи близки к токам, характерным для варианта установки на подстанции одного комплекта разрядника. При установке же на подстанции трех комплектов максимальные токи значительно меньше.
На основе изложенного рекомендуются следующие значения номинального импульсного тока для разрядников различных классов напряжения:

По практическим соображениям значения номинального импульсного тока округлены в большую сторону. С учетом этого запаса нормируемые значения тока справедливы и для защитных аппаратов с глубоким ограничением грозовых перенапряжений, до уровня 1,6 U.
Для условий применения вентильных разрядников, не рассмотренных в настоящей книге (например, защита разрядниками высоких переходных пролетов воздушных линий электропередачи), выбор номинального импульсного тока требует дополнительного рассмотрения.
По действующему ГОСТ 16357—70 для разрядников классов напряжения 110—500 кВ установлен единый номинальный импульсный ток 10 кА. В данном параграфе для разрядников рекомендуются токи меньших значений в зависимости от класса напряжения. В то же время для разрядника РВМК-750М по техническим условиям нормируется импульсный ток 7 кА— меньше указанного. Как видно из табл. 25, при трех комплектах разрядников на подстанции период повторяемости тока 7 кА составляет 500 лет. При двух комплектах разрядников на подстанции период повторяемости будет существенно меньше. Однако и при импульсном токе 7 кА его период повторяемости в разрядниках на 750 кВ, как уже отмечалось, может быть повышен путем усиления тросовой защиты линии на подходе к подстанции (см. § 11).
Значения критического расстояния для грозовых волн напряжения разной длительности, соответствующих периоду повторяемости 1000—2000 лет, приведены в табл. 26. В этой таблице также указаны значения амплитуд набегающих волн напряжения, при которых определены эти критические расстояния.
Таблица 26.

Из таблицы видно, что для разрядников класса напряжения до 330 кВ критическое расстояние не превышает 4 км, для разрядников классов напряжения 500 кВ и выше, для которых значительную долю составляют набегающие с линии полные волны напряжения, это расстояние составляет 12—15 км. Относительно небольшие значения критических расстояний, приведенных в табл. 26 подтверждают практическую возможность повышения в необходимых случаях надежности работы разрядников и подстанций в целом путем усиления грозозащиты линий на подходе к подстанции.