Набегающие с воздушной линии волны напряжения преломляются в узловых точках подстанции. Перенапряжения в этих точках определяются числом подключенных к ним линий, фронтом и длительностью набегающей волны, входной емкостью аппаратов подстанции, расстоянием до соседних узловых точек, откуда могут набегать отраженные волны. Перенапряжение в узловой точке подстанции тем выше, чем меньше подключенных к ней линий. Волн а, отраженная от соседнего узла, в зависимости от ее полярности может как повысить, так и понизить перенапряжение в рассматриваемом узле. Влияние соседнего узла тем меньше, чем больше крутизна фронта волны и расстояние между узлами. В предельном случае тупиковой подстанции относительно малых размеров классов напряжения 35 и 110 кВ при набегании с линии полной волны напряжения перенапряжение на ней близко к удвоенному значению амплитуды набегающей волны. Чем больше линий подключено к под станции таких классов напряжения и чем короче импульсная волна, тем ниже перенапряжение, вызываемое набегающей с линии волной. Уже указывалось, что постоянная времени заряда емкости аппаратов подстанции составляет несколько микросекунд. Поэтому при набегании с линии на подстанцию полных импульсных волн напряжение на аппаратах подстанции практически успевает достичь максимальных расчетных величин, определяемых амплитудой набегающей волны и числом линий, подключенных к подстанции.
Пусть δ — отношение максимального напряжения на оборудовании подстанции к амплитуде набегающей волны. Для полных волн напряжения наибольшее возможное значение δ определится формулой:
δ = 2/r, (65)
в которой r — число линий, подключенных к подстанции.
Когда же на подстанцию набегают короткие или срезанные импульсные волны, то перенапряжение на оборудовании подстанции оказывается меньшим расчетного, определяемого величиной δ по формуле (65).
Зависимость коэффициента δ от электрической емкости подстанции при коротких волнах изучалась экспериментально на пространственной модели [28]. Исследования показали, что при набегании на тупиковую подстанцию волны 1,5/7,3 мкс и при эквивалентной емкости подстанции 1100 пФ δ= 1,58; при той же набегающей волне и эквивалентной емкости подстанции 3050 пФ δ = 1,36. Для подстанции с двумя отходящими линиями при эквивалентной емкости подстанции 2100 пФ δ = 0,86; при эквивалентной емкости подстанции 6700 пФ δ = 0,7. Меньшие значения емкости в тупиковом и проходном режиме представляли собой емкости шин подстанции. Большие значения емкости в том и другом режиме представляли собою емкости ошиновки вместе с входной емкостью трансформаторов. С учетом этих данных для волн напряжения, набегающих на подстанции классов напряжения 35 и 110 кВ, представляется возможным принять значения, приведенные в табл. 8.
Таблица 8
Число линий, подключенных к подстанции | Коэффициент б для волн | |
коротких и срезанных | полных | |
Одна | 1,4 | 2 |
Две | 0,7 | 1 |
Три | 0,5 (0,7) | 0,67 (1) |
Четыре | 0,4 (0,7) | 0,5(1) |
На многофидерных подстанциях классов напряжения 220 кВ и выше расстояние по ошиновке между линиями доходит до нескольких сот метров. При этом время двойного пробега волны по ошиновке подстанции может составить 2—4 мкс, что соизмеримо с фронтом полных и срезанных волн напряжения.
Поэтому на таких подстанциях необходимо рассматривать преломление волн в каждой узловой точке подстанции. В качестве первого приближения можно принять, что узловые точки, в которых линии подключены к подстанции, находятся достаточно далеко друг от друга. В этом случае по отношению к каждому разряднику многофидерную подстанцию можно рассматривать как проходную и характеризовать ее тем же коэффициентом δ, который принят для проходной подстанции. Допускаемая при этом погрешность не приведет к занижению амплитуд импульсных волн напряжения, воздействующих на оборудование подстанции. Такие значения δ для многофидерных подстанций классов напряжения 220 кВ и выше приведены в скобках в табл. 8.
Когда в месте установки вентильного разрядника перенапряжение достигнет значения его импульсного пробивного напряжения, разрядник пробьется, подключив к сети нелинейный резистор. Так как фронт грозовых волн напряжения, воздействующих на оборудование подстанции, имеет порядок единиц микросекунд, то за импульсное пробивное напряжение разрядника может быть принято пробивное напряжение в нормируемом для него диапазоне предразрядных времен от 2 до 20 мкс. Среднеарифметические значения импульсного пробивного напряжения в этом диапазоне Uпр для разрядников разных классов напряжения приведены в табл. 9.
Пусть Uр — наименьшая амплитуда набегающей волны напряжения, вызывающая срабатывание вентильных разрядников, установленных на подстанции. Очевидно, что величину Up следует определять с учетом схемы подстанции, места установки в ней разрядников и крутизны фронта набегающих волн напряжения. Такой расчет может быть выполнен с помощью анализатора грозозащиты подстанции (или ЦВМ). Методологический подход к учету функции распределения крутизны фронта набегающих волн напряжения приведен в [12]. При отсутствии результатов более точных расчетов с точностью, приемлемой для практического использования, величина Up может быть определена по формуле:
(66)
где δ в зависимости от числа линий, подключенных к подстанции, длительности импульсной волны и класса напряжения определяется данными табл. 8.
Через п (Up) обозначается математическое ожидание числа срабатываний в течение года одной фазы вентильного разрядника, установленного на подстанции. Очевидно, что η (Uр) будет определяться математическим ожиданием числа импульсных волн напряжения, набегающих на подстанцию с амплитудой, превышающей Uр, числом ВЛ, подключенных к подстанции, и числом установленных на ней вентильных разрядников.
Пусть r — число ВЛ, подключенных к подстанции, т — число комплектов разрядников, установленных на подстанции, и т2 — коэффициент, учитывающий одновременность работы параллельно включенных разрядников и изменяющийся в пределах от 1 до т. Коэффициент т2 равен единице, если от набегающей импульсной волны напряжения срабатывает только один разрядник на подстанции, и этот коэффициент достигает максимального значения т, если от набегающих импульсных волн срабатывают все т разрядников, параллельно включенных на подстанции. Следует отметить, что величина коэффициента т2 зависит от формы и длительности набегающей импульсной волны напряжения. Метод оценки этого коэффициента будет дан ниже, на стр. 56.
В случае линий, защищенных тросами по всей длине, η (Uρ) будет определяться по формуле:
(67)
Величину Up в формуле (67) необходимо принимать разной для волн различной длительности с учетом значений δ в табл. 8.
Для режима работы разрядников от близких ударов молнии представляется возможным дать оценку верхнему пределу математического ожидания числа срабатываний разрядников. Такая оценка исходит из предположения, что все удары молнии в первый или нулевой пролет линии длиной lп вызывают срабатывание всех установленных на подстанции разрядников.
Математическое ожидание п'(Up) числа срабатываний разрядников от близких ударов молнии для ВЛ без тросовой защиты
(68)
Соответственно для ВЛ с тросовой защитой
(69)
Следует иметь в виду, что натяжные гирлянды тарелочных изоляторов воздушных линий обычно выполняются усиленными (на 1—4 изолятора в зависимости от класса напряжения). При этом их строительная высота на 12—15% больше высоты поддерживающих гирлянд изоляторов. Но при таком увеличении строительной высоты уменьшается примерно на 40% математическое ожидание числа обратных перекрытий с опоры на провод Ν0Ώ (см. [35]). Когда на первых от подстанции опорах гирлянды изоляторов являются натяжными, указанное обстоятельство следует учесть при расчете п' (Uр) по (69).
С ростом числа линий, подключенных к подстанции, математическое ожидание числа срабатываний разрядников от грозовых волн, набегающих с линии, обычно уменьшается.
Полезно оценить критическое расстояние хк для напряжения Up, вызывающего срабатывание вентильных разрядников при волнах различной длительности на ВЛ разного исполнения и разных классов напряжения.
Данные об этом приведены в табл. 9. Из таблицы видно, что для коротких и срезанных импульсных волн напряжения с изменением номинального напряжения сети критическое расстояние хк изменяется несущественно и находится в пределах от 12 до 30 км для тупиковых подстанций и от 6 до 14 км — для проходных.
Иначе дело обстоит при полных волнах напряжения. В этом случае критическая длина линии хк достигает больших значений. Для ВЛ на деревянных опорах 35—110 кВ хк намного превышает наибольшую длину линий lнб. Для ВЛ на металлических опорах 220 кВ и выше в зависимости от числа линий, подключенных к подстанции, хк может быть как больше, так и меньше общей длины линии. Значение хк для этих классов напряжения при двух линиях, подключенных к подстанции, практически не зависит от класса напряжения и составляет 110—140 км. Естественно, что с уменьшением пробивного напряжения разрядников хк возрастает.
