7.4. МОДЕЛИ НАДЕЖНОСТИ ИЗОЛЯЦИИ И МОЛНИЕЗАЩИТЫ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ
7.4.1. ОБЩАЯ МОДЕЛЬ
На ВЛ 35 кВ и выше применяются подвесные тарельчатые изоляторы из стекла и фарфора. Тип изолятора определяется ожидаемыми условиями работы, и прежде всего механической нагрузкой. Количество изоляторов в гирляндах выбирается по нормированным эффективным длинам пути утечки (табл. 7.14 и 7.15), которые обеспечивают 2-3-кратные запасы электрической прочности и абсолютную надежность изоляции на рабочем напряжении.
Проблема надежности и ремонтов гирлянд связана с отказом изоляторов - разрушением тарелок и образованием трещин в остатках стеклянных изоляторов, образованием трещин в головках фарфоровых (’’нулевых”) изоляторов. Отказавшие изоляторы сохраняют механическую прочность не менее 80% нормируемой. Сопровождающий перекрытие гирлянды ток короткого замыкания проходит по трещинам и разрушает отказавшие изоляторы. Это квалифицируется как отказ-расцепление (обрыв) гирлянды.
Вероятность разрушения отказавшего изолятора связана с характером трещин и оценивается в размере 0,05 для стеклянных и 0,9 для фарфоровых изоляторов с номинальной разрушающей нагрузкой до 120 кН.
Таблица 7.14
Рис. 7.9. Три расчетных уровня интенсивности отказов подвесных изоляторов в гирляндах ВЛ 35—750 кВ
Рис. 7.10. Распределение гирлянд с числом неисправных изоляторов nд по годам эксплуатации ВЛ с 7-ю (а) и 19-ю (б) изоляторами в гирлянде
Статистические оценки интенсивности отказов изоляторов, приведенные на рис. 7.9, сведены к трем расчетным уровням. Расчетные зависимости на рис. 7.10 показывают динамику числа гирлянд (в процентах их числа на ВЛ) с пд — 0, 1, 2 и 3 неисправными изоляторами. Если не выполнять предупредительных замен, уже в шестом году после ввода на ВЛ 110 кВ может быть до 25% и на ВЛ 330 кВ до 50% гирлянд с одним и более неисправными изоляторами. Это предопределяет необходимость выявления и замены отказавших изоляторов для предупреждения отказов гирлянд.
Контролируемым параметром состояния гирлянды служит число исправных изоляторов к из общего их числа К, а нормой браковки kбр — число исправных изоляторов, при котором гирлянда (обычно для ВЛ 35—110 кВ) или только неисправные изоляторы (для ВЛ 220 кВ и выше) подлежат замене на новые в предупредительном порядке. После отказа гирлянды всегда заменяются на новые.
Примечания: 1. Влагоразрядные средние напряжения для середины интервалов градаций (см. табл. 7.14) районов С3А.
- Количество изоляторов в натяжных гирляндах ВЛ 100 кВ принимается на один больше, чем в подвесных. В двухцепных гирляндах ВЛ 330—750 кВ Колина ВЛ 35—220 кВ. Количество изоляторов в гирлянде на 5% больше, чем в одноцепных.
- Изолятор ПФ6-А(П-4,5) снят с производства, имел массовое применение различных типов изоляторов и районов С3А.
Отказу или только перекрытию гирлянды соответствуют потери потребителей от кратковременных (на время АВР, АПВ или РПВ) перерывов питания уА. Кроме того, возможны наложения аварийных ремонтов и потери у0 (на одну линию) из-за отказов гирлянд основной и резервирующих одноцепных линий в зоне опасного увлажнения или грозы на фронтах до 100 км. Вероятность наложения оценивается по выражениям
Общая модель для оценки показателей и исследования надежности изоляции и молниезащиты учитывает воздействия рабочих напряжений, грозовых и коммутационных перенапряжений на гирлянды с переменным числом исправных изоляторов [4]. В качестве единичного интервала исследования достаточно принять 1 год, внутри которого происходят следующие события: переходы гирлянд в новое состояние из-за отказа отдельных изоляторов; перекрытия на рабочем напряжении и отказы гирлянд в периоды опасных увлажнений; возможные плановые замены неисправных изоляторов; перекрытия и отказы гирлянд в грозовой период.
После перекрытий с успешным АПВ на гирлянды воздействуют коммутационные перенапряжения, которые могут приводить к повторным перекрытиям. Такая последовательность событий учитывает, что опасные увлажнения и грозы обычно бывают в разное время года, а плановые ремонты проводятся до грозового сезона.
Динамика состояний гирлянд в связи с отказами отдельных изоляторов может быть описана в рамках следующей модели.
запланирован ремонт с нормой браковки гирлянд kбр≥k, то число предупредительных замен будет
Состояние эксплуатируемых гирлянд на начало интервала, число предупредительных и аварийных замен в год t определится суммированием по всем к и v.
Динамика состояний гирлянд из 7 и 19 изоляторов иллюстрируется зависимостями на рис. 7.10 для ситуации, когда замены неисправных изоляторов не производятся.
ПЕРЕКРЫТИЯ ПРИ УВЛАЖНЕНИИ
Ожидаемое число перекрытий увлажненных загрязненных изоляторов ВЛ на металлических опорах в сети с заземленной нейтралью определяется [104, 108] с помощью вероятностей:
(7-15)
АПВ
(7-16)
Ожидаемое в год t общее число отказов ny(t) и АПВ ny.a(t) определится их суммой по всем сочетаниям [К, к].
При комбинированной изоляции "подвесные изоляторы - древесина” появление в гирлянде неисправных изоляторов приводит к росту токов утечки и опасности возгорания древесины. Опасным с точки зрения возгорания является ток более 30 мА, когда до повреждения древесины у шпилек гирлянд проходит не более 10 циклов увлажнений и оно не может быть предупреждено осмотрами ВЛ. Этой ситуации соответствует следующее состояние гирлянд типовых опор:
Опыт эксплуатации показал, что на ВЛ 35 кВ перекрывались увлажненные гирлянды только со всеми разбитыми изоляторами и на ВЛ 110 кВ в 40% случаев перекрывались гирлянды с двумя и 60% с тремя исправными изоляторами.
ПЕРЕКРЫТИЯ ПРИ ГРОЗАХ
Ожидаемое число отказов и АПВ при перекрытиях гирлянд грозовыми перенапряжениями оценивается по результатам вычислительного эксперимента на основе известных аналитических методов (например, [110, 111]) и имитационного моделирования [104, 106]. Такой подход позволяет получить правдоподобные оценки грозовых отключений линий (табл. 7.6). Особенности интерпретации аналитических методов для имитации грозовых поражений сводятся к следующим основным положениям.
Ожидаемое число разрядов молний в расчете на 100 км ВЛ и 100 грозовых часов в год в среднем составляет Nл=4hcp, если hcp<25 м. Вероятности (доли) поражений опоры, проводов ВЛ без троса и с тросом соответственно будут
Примечания: 1. Число грозовых отключений дано в расчете на 1000 км ВЛ при продолжительности гроз 50 ч в год.
2. Диапазон колебаний числа отключений определяется различиями конструкций опор и изоляции, длин пролетов и особенностями местности.
где hcp - средняя по длине пролета высота подвеса троса или верхнего провода ВЛ без троса, м; h - высота опоры, м; I - длина пролета, м; а - защитный угол подвеса троса, градус.
Импульсы молний аппроксимируются косоугольной волной с функциями распределения вероятности:
где I и Аср - средние значения амплитуды и крутизны волны, равные соответственно 25 кА и 16 кА/мкс на уровне моря. С увеличением высоты местности до 1000 м средние значения амплитуды и крутизны согласно данным [110] снижаются до 12,5 кА и 11,5 кА/мкс, что уменьшает число грозовых отключений линии.
В процессе моделирования учитываются случайные и независимые оценки амплитуды и крутизны, которые далее участвуют в расчетах напряжений на изоляторах по обычным формулам. В частности, при ударе молнии в провод ВЛ до 220 кВ амплитуда волны напряжения в точке поражения Uв≈100I.
Это напряжение может привести к импульсному перекрытию одной из гирлянд пораженной фазы, а обратное напряжение - гирлянд других фаз той же опоры. Время разряда определится пересечением вольт-секундной характеристики изоляции с полной волной напряжения при ударе в провод. При ударе молнии в опору перекрытие возможно только на фронте волны.
Импульсное перекрытие гирлянды ВЛ с металлическими опорами возможно при условии
где uв(τ) - импульсное напряжение на изоляции; τ - предразрядное время; и - случайное на [0,2л] мгновенное значение рабочего напряжения; и(к) - импульсная прочность гирлянды с к исправными изоляторами при полной волне для времени более 10 мкс [110] (табл. 7.17).
Таблица 7.17
Рис. 7.11. Структурная схема моделирования процессов грозовых перекрытий и отказов гирлянд ВЛ; Rx — случайное равномерно распределенное на [0,1] число
Логика моделирования грозовых АПВ и отказов гирлянд с к исправными изоляторами из общего их числа К приведена на рис. 7.11, где вероятности образования силовой дуги, где l0 - длина разрядного пути одного изолятора, м; U - амплитуда фазного напряжения, кВ.
Разрушение неисправного изолятора возможно при времени импульсного разряда менее 9 мкс, при котором силовая дуга прилипает или каскадирует по изоляторам.
Сопротивления заземлений (фундаменты с заземлителями при отсоединенных тросах) опор ВЛ 35-1150 кВ в среднем оцениваются значениями в пределах 2-8 Ом при вариации 0,1—0,8. Влияние сопротивлений заземлений на ожидаемое число грозовых перекрытий изоляции ВЛ 110 кВ видно из расчетных зависимостей рис. 7.12.
Рис. 7.12. Зависимости грозовых отказов и АПВ в год на 100 км ВЛ 110 кВ от сопротивлений заземлений железобетонных опор (изоляторы 8хПС70-Д; продолжительность гроз 70 ч в год):
-------------- ВЛ с тросом; ______________ВЛ без троса
Поражения молнией опор ВЛ 750-1150 кВ с сопротивлениями заземления до 50 Ом, как показало моделирование, не вызывают перекрытий гирлянд из 44-50 изоляторов ПС120А, ПС300 и ПС400. Грозовые перекрытия гирлянд возможны только при поражении фазного провода (прорыве ’’через тросовую защиту”).
ПЕРЕКРЫТИЯ ПОСЛЕ АПВ
После первичных ОАПВ на изоляцию одной фазы и ТАПВ на изоляцию трех фаз воздействуют коммутационные перенапряжения, которые могут вызывать повторные перекрытия при условии
ударных коэффициентов:
Влагоразрядные напряжения при коммутационной волне определяются по минимальному в моделируемом году числу исправных изоляторов в гирлянде и числу таких гирлянд.
Пути разряда зависят от длины гирлянды. Если lк<2 м, то возможны перекрытие по изоляторам и отказ гирлянды из-за разрушения остатка стеклянного и нулевого фарфорового изолятора. Если 2<lк<5 м, то перекрытия по изоляторам и по воздуху равновероятны. Если lк>5 м, то перекрытие происходит всегда по воздуху.
