Выбор, испытание и применение металлооксидных ОПН в сетях СН - Защитное расстояние

9.      Защитное расстояние
ограничителя перенапряжений
Основное электрическое оборудование защищено от грозовых перенапряжений в том случае, когда Основной Уровень Импульсной Прочности Изоляции (Basic Impulse Insulation Level (BIL)) превышает уровень ограничения перенапряжений Up ограничителя. Современные ограничители с ир =3.25xUc поддерживают Up <4 у. е. даже в системах с изолированной нейтралью. Для электрического оборудования, которое подвергается грозовым перенапряжениям, IEC [9] рекомендуют значения BIL, приведенные в Таблице 1. Кроме того, IEC рекомендуют для распредсетей 1-110 кВ BIL>1.4xUp. Как видно из Таблицы 1, современные ограничители выполняют это требование.

Таблица 1. Основной Уровень Импульсной Прочности Изоляции (BIL) согласно IEC [9] и уровень ограничения современных ограничителей при Up=4 у. е.
Коэффициент 1.4 принят с запасом, поскольку должно приниматься во внимание то, что перенапряжение в электрическом оборудовании может превысить Up. Причиной увеличения перенапряжения в электрическом оборудовании с увеличением расстояния от ограничителя является эффект отражения. На определенном удалении ограничителя от защищаемого оборудования последнее не попадает в его зону защиты. Под защитным расстоянием L понимают максимальное расстояние между ограничителем и электрическим оборудованием, обеспечивающее достаточную защиту. Чтобы эффективно разместить защиту от перенапряжений, необходимо знать эти защитные расстояния. Далее будет проведена их оценка для ограничителей в системах СН .

9.1      Теоретическое обоснование для защитного расстояния L
На Рис. 5 по линии электропередачи, к ее концу Е, продвигается бегущая волна перенапряжения U со скоростью v. В точке Е находится электрическое оборудование, которое нужно защитить. Когда набегающая волна достигает Е, она отражается и напряжение возрастает до 2U. Функция ограничителя А состоит в том, чтобы предотвратить это. Согласно упрощенному пред положению, что фронт с крутизной S набегающей волны перенапряжение постоянен во времени, для максимального значения UE имеет силу следующее выражение:

Рис. 5. Перенапряжение в конце линии Е.
Up:  уровень ограничения A            U:
v:     скорость распространения U   a,b:
S:    крутизна фронта волны U        Е :
А:    ограничитель                            UE:
Опыт показал, что между BIL электрического оборудования и грозо- перенапряжением UE в электрическом оборудовании достаточен запас прочности, равный 1.2.
BIL                   2xSx(a + b)
Если предельное значение определено как L=a+b, тогда требуемое у нение (1) для L выглядит так:

Если сумма проводников а+b меньше, чем защитное расстояние L, тогда электрическое оборудование в точке Е адекватно защищено. Чтобы определить L в уравнении (1), должна быть известна крутизна S.
Ожидаемое значение S оценено в следующем разделе.
9.2     Ожидаемая крутизна S грозовых перенапряжений на подстанциях СН
На Рис. 6 показан удар молнии в провод линии электропередачи. Ток молнии определен как функция от времени i(t). От точки, где молния поражает провод, ток молнии i/2 растекается в обоих направлениях. Если Z -волновое сопротивление провода относительно земли, тогда этот ток генерирует грозовое перенапряжение u(t) с крутизной подъема напряжения S(t) между проводом и землей. Как обозначено на Рис. 6, S(t) не постоянна во времени. Далее максимальная крутизна нарастания волны перенапряжения будет обозначена как S.

Рис. 6. Грозовое перенапряжение, возникшее от удара молнии в воздушную линию.
F:     воздушная линия;               Z:              волновое сопротивление линии;
t:      время;                                  di/dt:         максимальная крутизна i(t);
i(t): общий ток молнии как функция времени;
u(t): грозовое перенапряжение как функция времени;
S:     максимальная крутизна u(t).

У 10 % всех молний максимальная крутизна тока удара di/dt превышает 32 кА/iis. Если Z=450 Ом, каждый 10-й удар молнии будет вызывать максимальную крутизну S > 7200 кВ/jis. Крутизна такого порядка должна ожидаться только, если удары молнии происходят вблизи подстанции. Вероятность этого относительно невелика. Для примера, удар молнии со значением скорости нарастания тока более чем 32 кА/jis, в пределах 25 метровой зоны будет происходить в среднем один раз каждые 5000 лет.
Существенно меньшая скорость нарастания напряжения должна ожидаться на месте, когда удар молнии происходит далеко от подстанции. Благодаря наличию демпфирующего действия короны, фронт волны перенапряжения сглаживается от места удара молнии по всем направлениям. Если S0 -крутизна в точке удара молнии, крутизна вдоль длины линии d уменьшается до значения:

Постоянная К зависит от геометрических параметров воздушной линии. В [11] дано приближенное значение К=5х 10 6ц8/кВм для линий СН.
Предположим, что в точке удара, находящейся на расстоянии равном d=135 м от защищаемого оборудования, вследствие удара молнии возникает напряжение с бесконечно большой скоростью нарастания S0. Согласно вышеупомянутой формуле, крутизна S на подстанции будет меньше, чем 1500 kV/|is благодаря затухающему действию короны. Из этого следует, что только молнии, попадающие в провод на расстоянии не более d=135 м от защищаемого объекта, могут вызвать на защищаемом оборудовании S>1500 кВ/цз.
Как следует из [12], в среднем, ежегодно Sударов молний будут поражать каждые 100 км воздушных распределительных линий. Эти данные характерны для немецких сетей СН 10, 20 и 30 kV. В Германии средняя плотность ударов молнии - 3 удара в год на км2. Согласно [13], это составляет приблизительно 25 ударов молний в год на 100 км распределительных линий. Это превышение параметра в 3 раза по сравнению с величиной, которая была получена математически, определяет требования к линии СН на уровне местности. Различие должно объясняться тем, что линии СН часто экранируются. Иногда они экранируются от молний соседними линиями, строениями и лесами.
В дальнейшем при расчетах будет использоваться эмпирическое значение 8-ми ударов молний на 100 км длины воздушных линий в год. Однако при этом необходимо иметь в виду то, что в неблагоприятных метеоусловиях можно ожидать большее количество ударов молний. В областях с чрезвычайно высокой активностью молний не исключена возможность 100 ударов в год на 100 км длины воздушной линии.

Поэтому вероятность удара молнии в участок линии d=135 м от ПС составляет 0/01 в год, т. е. на подстанции СН грозовые перенапряжения, которые будут иметь крутизну 1500 кВ/us, могут ожидаться один раз каждые 100 лет.
Эти два произвольно выбранных примера свидетельствуют о том, что перенапряжения с большой крутизной возникают реже, чем с малой крутизной. Ожидаемое значение крутизны всегда связано с вероятностью удара молнии. Общепринято вместо вероятности указывать средний интервал времени ts между 2 событиями. В вышеупомянутом примере не все молнии, которые попадают в провод на расстоянии d=135 м, имеют крутизну перенапряжения более 1500 кВ/jis на подстанции. Для большого количества ударов молний крутизна увеличения тока молнии тоже низка. Большое количество ударов молний поражают чаще всего более одного из трех проводов, что ведет к сокращению скорости нарастания тока в отдельных линиях, и поэтому снижает скорость повышения напряжения.
Кроме того, имеет значение тот факт, что кривая тока удара вогнутая [13]. Именно поэтому наибольшая крутизна перенапряжения имеет место в диапазоне максимума напряжения, как показано на Рис. 6. При воздействии волн перенапряжений с высоким максимальным значением ударного тока перекрытие линии на землю произойдет прежде, чем будет достигнут максимум напряжения. Таким образом, остаток волны отсекается и наибольшая крутизна перенапряжения не оказывает своего воздействия.
Поэтому только часть молний, которые поражают участок линии d=135M, генерирует на подстанции S > 1500 kV/j-is. Следовательно, вероятность S > 1500 kV/jas значительно меньше, чем 0.01 в год. Это может быть оценено с помощью статистики по току молнии согласно Berger [14]. Принимая во внимание параболическую прогрессию увеличения тока, в результате получим значения, указанные в Таблице 2 для ожидаемой крутизны на подстанции СН. Более низкие значения S - для линий с заземленными траверсами, вызваны более низким напряжением перекрытия изоляторов в отличие от напряжения перекрытия вдоль деревянных опор. 

Таблица 2. Ожидаемая крутизна S грозового перенапряжения на подстанции СН.

Указанные значения S в среднем будут превышены хотя бы один раз в интервале времени ts:

1. - в случае однофазного грозового перекрытия;
2. - в случае трехфазного грозового перекрытия.

Значения ts в Таблице 2 были определены согласно предположению, что будут происходить 8 ударов молний в год на 100 км распределительной линии. Для значения ts имеет силу только та молния, которая поражает линию в пределах 300 м зоны. Если на этом протяжении линия свободна, то есть не экранирована от молний соседними линиями, строениями и лесами, тогда значение ts уменьшается в 3 раза. Если, кроме того, она проходит в зоне повышенной грозовой активности, тогда значение меньше в 12 раз.
В [15] интервал времени ts 400 лет рекомендуется для электрического оборудования открытых подстанций. Поэтому, для величины U и крутизны S набегающего на подстанцию перенапряжения, ожидаемые значения из Таблицы 2 будут такими:

Здесь принято, что происходят 8 ударов молний в год на 100 км воздушной распределительной линии, многофазные грозовые перекрытия происходят чаще, чем однофазные. В среднем, такая крутизна S будет ожидаться один раз каждые 400 лет. Временная функция нарастания перенапряжения - параболическая и имеет крутизну S, когда достигнуто значение U:

t2xS2
(2).
Уравнение (2) определено для интервала времени 0<t^2xU/S. Для линий с заземленными траверсами принят U = 660 кВ, что соответствует напряжению перекрытия линейного изолятора 20 кВ, при срезанных импульсах напряжения с крутизной 800 кВ/цз отрицательной полярности.
Если подставить значения U и S в уравнение (2), то становится ясно, что функция перенапряжения от времени u(t) выполняется одинаково для обоих типов линии. Несмотря на то, что ограничитель ограничивает напряжение значительно ниже U, большее значение S для линий с деревянными опорами не имеет никакого влияния на защитные расстояния ограничителя. Тем не менее, защитные расстояния для обоих типов линии различны. Причина кроется в различной высоте набегающей волны перенапряжения U. Когда ток молнии проходит через ограничитель, он достигает максимального значения i:

(3).

Поэтому, в случае линий с деревянными опорами (U=3000 kV), когда Z=450 Ом, через ограничитель может ожидаться ток 13 kA.
В отношении линий с заземленными траверсами (U=660 kV), ток ниже 3 kA. Это различие влияет на ограничивающее напряжение ограничителя. Оно выше в случае линий с деревянными опорами, и защитное расстояние ограничителя в этом случае короче.
9.3     Влияние электрического оборудования на защитное расстояние, типы и размещение ограничителей
Используя BIL из Таблицы 1 и приведенные выше значения S в уравнении (1), получим следующий результат для защитного расстояния:
L=2.3 м - в случае линий с деревянными опорами; L=4.5 м - случае линий с заземленными траверсами.
Эти значения имеют силу для упрощенных предположений согласно Рис. 5. Поэтому они должны быть исправлены, как изображено на Рис. 7. Строго говоря, электрическое оборудование, в данном случае трансформатор, имеет емкость С по отношению к земле.
Это является причиной колебаний напряжения в соединениях а и b, приводящих к тому, что напряжение UT увеличивается с ростом С, и как результат - сокращение защитного расстояния.

Однако параболическое нарастание грозового перенапряжения имеет противоположный эффект. ОПН ограничивает перенапряжение гораздо ниже его максимального значения. Поэтому максимальная крутизна, которая имеет место только в области максимума напряжения, не достигается. Перенапряжение на трансформаторе Т
U:       набегающая волна
перенапряжения;
v:        скорость распространения U;
S:       максимальная крутизна U;
А:       ограничитель;
UP:      уровень ограничения А;
а, b:      длина соединяющих линий;
Т:        трансформатор;
С:       емкость Т между фазой и землей;
UT:       перенапряжение на трансформаторе;
Рис. 7.
В определении L согласно уравнению (1) было принято, что ограничитель становится проводящим только тогда, когда напряжение в месте установки достигло значения Up. Так обстоит дело с вентильными разрядниками. МО ограничители без искровых промежутков становятся проводящими прежде,

чем напряжение в месте установки достигло Up. Поэтому защитные свойства начинают работать в более ранней точке. Следовательно, при определенных обстоятельствах, МО ограничители защищают отдаленное электрическое оборудование лучше, что является эквивалентным более длинному защитному расстоянию.
Для конфигурации, изображенной на Рис. 7, были рассчитаны защитные расстояния. Нарастание волны перенапряжения было принято параболическим и предполагалось, что ограничитель имеет значение Up=4 у. е. при 1п=5 А. При b^ 1м для сетей с напряжением до 7.2 кВ были получены следующие результаты:
L=20 м в случае линий с деревянными опорами, С=0;
L=6 м в случае линий с деревянными опорами, С=2 nF;
L=25 м в случае линий с заземленными траверсами;
С=0 L=15 м. в случае линий с заземленными траверсами, С=2 nF.
Эти значения применимы к обоим - металлоксидного ограничителя перенапряженийм и вентильным разрядникам. Ясно прослеживается влияние емкости С электрического оборудования на длину L.

Защитное расстояние ограничителя для рабочих уровней сети Um=17.5 кВ и 24 кВ представлено на Рис. 8.
8а)
,5=1550 kV/|JS
11=3000 kV               ц
b[m]                                                                     b[m]
Если a+b<L, тогда                                                               Up=4 у. е. при 1„=5 кА
С: емкость трансформатора Т между фазой и землей               8а): линия с деревянными опорами
--------------  : металлоксидный ограничитель перенапряжений   8Ь): линия с заземленными траверсам!
-------------- : вентильный разрядник
Рис. 8. Защитное расстояние ограничителя L в сети с линейным напряжением U =17.5 кВ и 24 кВ по отношению к длине провода b.

Большее защитное расстояние ограничителей в линиях с заземленными траверсами (Рис. 8Ь) объясняется меньшей величиной перенапряжения, набегающего на подстанцию (меньшее напряжение перекрытия на землю). Отсюда следуют более низкий ток через ограничитель и пониженное напряжение ограничения, что позволяет увеличить расстояние L. В сетях с Um=12 kV, защитное расстояние на 10 % больше, чем представленные на Рис. 8. С другой стороны, при Um=36 кВ, расстояние на 30 % короче. Для этого рабочего уровня сети необходимо особо отметить, что при 5=1550 кВ/цз (линии с деревянными опорами) значение L резко уменьшается при b > 0.6.
Здесь хорошо видно, как уменьшается L с увеличением емкости электрического оборудования, что имеет особое значение в отношении защиты для трансформаторов, поскольку они имеют такую емкость по отношению к земле, которую нельзя недооценивать. Дополнительно следует отметить заметное уменьшение L с длиной провода b. Поэтому присоединение от линии, подверженной опасности удара молнии, должно быть выполнено настолько близко к высоковольтному выводу ограничителя, насколько это возможно. На Рис. 9 схематически представлены и оценены три возможных способа присоединений.

Рис. 9. Порядок соединения ограничителей и электрического оборудования.
Защитные свойства ограничителей несколько уменьшаются при различной полярности грозовых перенапряжений и мгновенным значением фазного напряжения, что принимается во внимание при вычислении L. Дополнительно выполняют очень короткую гальваническую связь между заземляемым выводом ограничителя и баком трансформатора, что необходимо учитывать при ошиновке ограничителя. В противном случае, становится необходимым увеличивать длину провода b на Рис. 8, благодаря дополнительной связи с землей. Переход между ограничителем и электрическим оборудованием к остальному электрическому оборудованию создает дополнительные колебания напряжения, которые в большинстве случаев приводят к сокращению расстояния L.

9.4     Опасность повреждения электрического оборудования и его расстояние от ограничителя перенапряжений
Ограничитель, размещенный на расстоянии L от электрического оборудования, ограничит перенапряжения до значения BIL/1.2, пока крутизна перенапряжения S на подстанции не более чем:
1550 кВ/цз для линий с деревянными опорами;
800 кВ/цз для линий с заземленными траверсами.
Однако, волны большей крутизны ожидаются в среднем один раз каждые 400 лет. В этом случае перенапряжение на электрическом электрооборудовании может достичь значения выше его BIL, причиняя необратимые повреждения. Если предполагаемый срок службы оборудования, например трансформатора, составляет приблизительно 40 лет, тогда в интервале времени ts=400 лет существует 90% вероятности, что повреждения не будут иметт места. Однако, отсюда вытекает, что вероятность аварий, вызванных пере напряжениями в течение этих 40 лет, составляет 10 %, даже если ограничитель смонтирован на расстоянии L от трансформатора.
Чем короче сумма соединяющих проводов а+b по сравнению с L на Рис. £ тем меньше вероятность аварий. Другими словами, а+b должна быть на столько малой, насколько это возможно, и L должна быть настолько большой, насколько это возможно. Последнего достигают, выбирая надлежаще расположение линии. Как может быть замечено из Рис. 9, первым к лини должен подключаться ограничитель, а затем трансформатор. В этом случг b=0 и L становится максимальной. Соединяющую линию а необходимо выполнить короткой, размещая ограничитель настолько близко к трансформ тору, насколько это возможно. Оба условия вместе делают возможным bi полнить требование a+b«L и поэтому сохранить вероятность аварий значительно ниже 10 %. Если трансформатор присоединен к линии на деревянных опорах, и если нет возможности выдержать условия:
b < 1 м когда Um<24 кВ, В < 0.6 м когда Um>24 кВ,
тогда линия должна быть реконструирована таким образом, чтобы относительно перенапряжения на подстанции и защитного расстояния она вела себя так же благоприятно, как линия с заземленными траверсами. Необходимые меры для этого относительно просты: траверсы последних трех or перед подстанцией должны быть заземлены. Перенапряжение, приходят на подстанцию со стороны реконструированных линий, будет иметь ту форму, как будто оно пришло с линии с заземленными траверсами. Недостаток этого решения в том, что дополнительные грозовые перенапряжения будут вызывать перекрытия линейной изоляции вследствие снижения уровня изоляции ВЛ.

Более эффективный метод, чем заземление траверс, состоит в том, чтобы устанавливать еще один комплект ограничителей на первой опоре перед подстанцией. Результатом этого является очень сильное снижение амплитуды набегающего перенапряжения. Установка дополнительных ограничителей ведет к лучшему защитному поведению ограничителей возле оборудования, чем в случае с заземленными траверсами.