Вентильные разрядники высокого напряжения - Токи в вентильных разрядниках

Регистрация токов в вентильных разрядниках производится как в нашей стране, так и за рубежом. В большинстве случаев амплитуды токов, протекающих через разрядники, составляют сотни ампер. Амплитуды токов молнии в разрядниках по различным исследованиям приведены на рис. 5-12 [53, 113, 169].

Токи молнии в отечественных разрядниках записывались ферромагнитными регистраторами в различных энергосистемах, в подавляющем большинстве случаев на подстанциях, подходы линий к которым были защищены от прямых ударов молнии тросами.

Рис. 5-12. Кривые вероятностей р токов молнии в разрядниках с амплитудой Iм не менее абсциссы, зарегистрированных в разных странах
1— СССР, 1059 записей; 2 — США, станционные разрядники, 1184 записи [113]; 3 — США, распределительные разрядники. 3907 записей [113]; 4— ФРГ, 84 записи [169]
Наибольшие зарегистрированные токи равнялись примерно 10 ка. Они были зарегистрированы на подстанциях, к которым присоединялись линии, не имевшие защиты подходов от прямых ударов молнии. В 95% случаев токи в разрядниках не превышали 2 ка.

Рис. 5-13. Вероятность р срабатывания разрядников в год с амплитудой тока молнии Iм не менее абсциссы, по данным (149).
1 — Швеция, сети 30 кВ с защитой подходов линий к подстанциям; 2 — то же, без защиты подходов линий к подстанциям; 3 — США, суммарные данные

Наиболее многочисленные данные о токах молнии в вентильных разрядниках получены в США. В разрядниках станционного типа, устанавливаемых на более ответственных подстанциях (в большинстве случаев, вероятно, с защитой подходов линий к подстанциям от прямых ударов), токи с амплитудой не менее 5 ка были измерены почти в 5% случаев, а токи с амплитудой не менее 10 ка -в 1% случаев. В разрядниках распределительного типа, устанавливаемых в большинстве случаев на подстанциях без защиты подходов, токи с амплитудой не менее 5 ка были измерены в 10% случаев, а токи с амплитудой не менее 10 ка—почти в 4% случаев. Максимальные зарегистрированные токи составили 14 и 35 ка соответственно для станционных и распределительных разрядников.
Близкие к американским данным вероятности токов молнии в вентильных разрядниках получены с помощью ферромагнитных регистраторов в ФРГ (см. рис. 5-12).

Значительно меньшую вероятность появления больших токов в разрядниках на подстанциях с защитой подходов линий указывают записи токов молнии в разрядниках, произведенные в Швеции (рис. 5-13).
Представляют определенный интерес имеющиеся в [169] указания, что в разрядниках, установленных в нейтралях трансформаторов, зарегистрированы токи лишь в пределах от 200 до 800 а.
Очевидно, что доля тех или иных токов, измеренных в разрядниках различными исследователями, зависит также от интенсивности грозовой деятельности в районах, где производилась регистрация токов в разрядниках, от применяемых схем защиты от перенапряжений, от густоты установки разрядников, а также от нижнего предела чувствительности регистраторов. В приведенных на рис. 5-12 и 5-13 данных нижний предел измерения регистраторов составлял 50—200 а.
При регистрации токов меньшей величины доля регистрируемых больших токов уменьшается. Так, в ФРГ были опубликованы данные о величинах токов молнии в разрядниках, полученные на основании обработки более чем 4000 следов разрядов в контрольных искровых промежутках, причем указывались величины токов, начиная с 10 а. При этом токи менее 200 а составили более 85% всех записей [102].
Из приведенных данных о величинах токов молнии, зарегистрированных в отечественных разрядниках, следует, что даже если считать указанное в § 5-3 среднее число срабатываний разрядников в год преуменьшенным вдвое из-за недостатков регистраторов, по можно ожидать ежегодно ток с амплитудой не менее 5 ка у одного из 200 разрядников, а ток с амплитудой не менее 10 ка у одного из 1000 разрядников (по американским данным, для подстанций с защитой подходов в 5 раз чаще).

Рис. 5-14. Кривые вероятностей р токов молнии в разрядниках длинной  фронта Tфр не менее абсциссы, по записям в США [113]
1— 71 запись; 2 — 17 записей, лишь токи не менее 5 ка

Для оценки воздействий, которым подвергаются разрядники при их срабатывании от грозовых перенапряжений, существенны данные не только об амплитудах токов в разрядниках, но и об их продолжительности. Таких данных значительно меньше, чем данных об амплитудах токов в разрядниках.
Результаты соответствующих измерений, проведенных в США с помощью фулхронографов, приведены на рис. 5-14—5-16 [113]. Токи с длиной фронта не более 1 мксек были зарегистрированы в 20% случаев, причем вероятность крутизны не менее 5000 а/мксек составила не более 1%. У 20% токов, зарегистрированных в разрядниках станционного типа, длина волны до полуспада была не менее 40 мксек, в 50% случаев она не превышала 26 мксек. Полная продолжительность всех составляющих тока в станционных разрядниках (оценка до 50 а) доходила до 10 мсек и более, в 5% случаев полная продолжительность тока в разрядниках была не менее 400 мксек. Электрические заряды, проходившие через разрядники, лежали в пределах от десятых кулона до 1 —1,5 к.

Рис. 5-15. Кривые вероятностей р тока молнии в разрядниках с длиной волны  не менее абсциссы, по записям в США [113]

1. — станционные разрядники, 223 записи;
2. —распределительные разрядники, 83 записи

Длины волн и полные продолжительности токов в распределительных разрядниках больше, чем в станционных разрядниках.

В большинстве случаев более продолжительные токи в разрядниках соответствовали меньшим амплитудам, однако данных о корреляции амплитуд и продолжительностей токов разрядников не имеется.

Рис. 5-16. Кривые вероятностей р импульсов тока в разрядниках с полной длительностью Т не менее абсциссы, по записям в США с помощью фулхронографов чувствительностью 50 а [113]
На рис. 5-17 приведены данные о вероятности токов с амплитудой и длиной волны до полуспада, не меньших, чем данные, полученные как произведение вероятностей амплитуды и длины волны, взятых раздельно [149].

Сопоставление указанных данных о вероятностях токов молнии различной амплитуды и длины волны с требованиями к пропускной способности разрядников, приведенными в § 3-5, показывает, что современные вентильные разрядники должны иметь высокую надежность работы при воздействии на них токов молнии. Это подтверждается опытом эксплуатации: случаи повреждения разрядников, когда можно предполагать превышение их пропускной способности при воздействии грозовых перенапряжений, редки.
1 -cтанционные разрядники, 268 записей; 2 —распределительные разрядники, 97 записей
В связи с расширяющимся применением вентильных разрядников для ограничения внутренних перенапряжений и с необходимостью вследствие этого установить рациональные требования к пропускной способности разрядников представляют интерес данные о нагрузках, которым подвергаются разрядники при срабатывании их от внутренних перенапряжений.

Рис. 5-17. Вероятность различных комбинаций амплитуды Iм и длины волны Тв тока молнии, по данным [ 149 ]. Сплошные линии—1 раз на 1000 разряднико-лет, пунктирные линии — 1 раз на 100 разряднико-лет
Обозначении те же, что на рис. 5-13.

Как показывают исследования, нагрузки на разрядники при отключении индуктивностей невелики и соизмеримы с нагрузками при воздействии на разрядники грозовых перенапряжений.
Значительно более тяжелым воздействиям подвергаются разрядники в случае их срабатывания от перенапряжений, возникающих при включениях ненагруженных линий или их отключениях при наличии повторных зажиганий дуги в выключателях, при отключениях коротких замыканий, при повторных включениях линий и разрывах дальних электропередач. В большинстве случаев эти перенапряжения и определяют пропускную способность разрядников, которые рассчитываются на ограничение внутренних перенапряжений.
При некоторых резонансных перенапряжениях, перенапряжениях, возникающих при перемежающихся дугах на землю, и других очень продолжительных перенапряжениях воздействия на вентильные разрядники при их срабатывании от таких перенапряжений оказываются столь тяжелыми, что разрядники не рассчитывают на ограничение таких перенапряжений, и должны быть приняты меры по исключению или уменьшению вероятности возникновения подобных перенапряжений в системе.
Нагрузка, воздействующая при внутренних перенапряжениях данного вида на разрядники, тем больше, чем выше номинальное напряжение системы, чем больше длина коммутируемой линии и чем ниже остающееся напряжение разрядника.
Исследования нагрузок на разрядники при внутренних перенапряжениях производятся путем осциллографирования токов в разрядниках при внутренних перенапряжениях непосредственно в сетях, путем моделирования, а также расчетным путем. Наибольший интерес представляют данные, полученные непосредственно в сетях. Однако таких данных сравнительно немного и получены они почти исключительно при специальных опытах по созданию в сетях внутренних перенапряжений. Данных регистрации токов в разрядниках при внутренних перенапряжениях, возникающих в сетях при нормальной эксплуатации, почти не имеется (за исключением данных, приведенных в п. 1 табл. 5-1).
Результаты соответствующих исследований, проведенных в сетях различного напряжения в разных странах, помещены в табл. 5-1.
В табл. 5-2 приведены данные о нагрузках на разрядники при внутренних перенапряжениях, полученные на основании исследований на моделях и из расчетов.
Для перенапряжений, возникающих при отключении трансформаторов напряжением 110—220 кВ, энергия, рассеиваемая вентильным разрядником, составляет несколько килоджоулей, что во много раз меньше энергии, рассеиваемой разрядниками при отключениях или других коммутациях линий передачи. Несколько большая энергия рассеивается разрядниками при отключении трансформаторов более высокого напряжения, но она по-прежнему значительно меньше, чем при коммутациях линий.

Рис. 5-18. Токи в разряднике при отключении ненагруженной линии 220 кВ (см. п. 6 табл. 5-2):
а — разрядник на шинах, б— разрядник на вводе линии
По исследованиям в США в системе 345 кВ [173] при коммутациях трансформаторов и автотрансформаторов, а также трансформаторов с реакторами на третичной обмотке масляными и воздушными выключателями, энергия рассеиваемая разрядниками, доходила до 24 кдж.
Срабатывания разрядника при коммутации трансформаторов разъединителями иногда вызывали срабатывание. Земляной защиты, и из-за повторных зажиганий в выключателях возникали перенапряжения, вызывавшие многократную работу разрядников. При этом ток в разряднике имел продолжительность до 2,8 мсек и амплитуду до 300 а. Рассеиваемая разрядником энергия доходила до 98 кдж. Однако даже такие нагрузки на разрядники были значительно меньше нагрузок при коммутациях линий передачи.
Для разрядников, установленных до линейного выключателя (назовем их «разрядники на шинах»), нагрузки от внутренних перенапряжений существенно меньше, чем для разрядников, установленных за линейным выключателем (назовем их «разрядники на вводе»). Перенапряжения на шинах имеют меньшие значения, чем перенапряжения на вводах линий. Продолжительности токов в разрядниках на шинах существенно меньше, чем в разрядниках на вводах.

Форма тока в разряднике на вводе при срабатывании его от перенапряжения, обусловленного отключением ненагруженной линии, близка к прямоугольной с продолжительностью порядка двойного времени пробега волны по линии данной длины, т. е. при отключении линии длиной 150 км — порядка 1 мсек, линии длиной 300 км — порядка 2 мсек.
Формы тока в разрядниках при отключении ненагруженной линии 220 кВ, полученные расчетом для разрядников на шинах и на вводе линии, даны на рис. 5-18.
Величина, форма и продолжительность тока в разряднике, срабатывающем от внутренних перенапряжений, будучи зависимыми от параметров системы, места его установки и условий возникновения перенапряжений, существенно зависят также от характеристик разрядника.
Ориентировочную оценку тока в разряднике на вводе линии при коммутационных перенапряжениях производят в соответствии с формулой, получаемой по методу наложения: где UK — амплитуда перенапряжения при отсутствии разрядника; Uост — остающееся напряжение на разряднике при токе Iк; z — волновое сопротивление линии.

Таблица 5-Т
Токи в вентильных разрядниках, зарегистрированные в разных странах при специальных опытах по созданию внутренних перенапряжении в сетях различного напряжения

Примечание. В скобках указывается длина волны тока до полуспада на хвосте волны.

Таблица 5-2
Токи в вентильных разрядниках при коммутационных перенапряжениях на основании расчетов и исследований на моделях, произведенных в разных странах

Примечание. В скобках даются пределы длин волн тока (до полуспада на хвосте волны).

Удобно графическое решение этого уравнения (рис. 5-19). При этом продолжительность тока (в миллисекундах) принимают равной удвоенному времени пробега полны перенапряжения по линии.
Ввиду того, что формы импульсов тока в разрядниках при внутренних перенапряжениях могут быть различными, нагрузки на разрядники при этом целесообразно оценивать по энергии соответствующего импульса тока в разряднике.
В [139] энергию, на рассеивание которой при внутренних перенапряжениях должна быть рассчитана пропускная способность разрядников, рекомендуют принимать равной энергии, запасенной в емкости линии при внутренних перенапряжениях, т. е. вычислять ее по формуле:

где С — емкость 1 км провода линии: для линий напряжением 115—345 кВ С = 9,3·10-3 мкф, для линий напряжением выше 345 кВ С = (11 -12,5) х X 10-3 мкф.
По этой формуле, принимая амплитуду внутреннего перенапряжения равной 2,7 максимального фазного напряжения, вычисляли энергию на 1 км линий для разрядников разного напряжения, (см. п. 3, 14, 18 и 26 табл. 5-2).
На основании данных, приведенных в табл. 5-1 и 5-2, можно считать, что предельные нагрузки, которым подвергаются установленные на шинах современные вентильные разрядники при их срабатывании от внутренних перенапряжений, соответствуют приведенным ниже данным:

Если разрядник установлен на вводе, соответствующие нагрузки могут быть в 2—4 раза большими (большие значения относятся к более высоким номинальным напряжениям).
Нагрузки на разрядники при внутренних перенапряжениях существенно уменьшаются, если к шинам подстанции наряду с коммутируемой линией присоединена еще другая линия.