Содержание к диссертации
Введение
1 Грозоупорность воздушных линий электропередачи 10 кВ
1.1 Объект исследований 11
1.2 Общая характеристика грозовых воздействий 22
1.3 Индуктированные перенапряжения 25
1.4 Обзор исследований коэффициента перехода импульсного перекрытая в силовую дугу - 32
1.5 Влияние коэффициента перехода импульсного перекрытия в дуговое замыкание на показатель грозоупорности ВЛ средних и высших классов напряжения (по материалам РУ НИИПТ) - 37
1.6 Постановка задач исследования 43
2 Экспериментальные исследования перехода импульсного пере крытия в силовую дугу для ВЛ от 6 до 10 кВ
2.1 Описание экспериментальной установки 45
2.2 Методика испытаний и измерений 48
2.3 Результаты экспериментальных исследований 52
2.4 Обсуждение результатов эксперимента 65
2.5 Выводы 78
3 Численное моделирование прямых ударов молнии в ВЛ 10 кВ, в том числе с лесными участками
3.1 Характеристика грозопоражаемости ВЛ, проходящих по лесным массивам 79
3.2 Методика численного расчета грозопоражаемости В Л, основанная на модели ориентировки лидера молнии - 84
3.3 Проведение численных экспериментов на ЭВМ 87
3.4 Результаты численных экспериментов и их обсуждение 89
3.5 Выводы 94
4 Экспериментальное исследование индуктированных перена пряжений и электрической прочности изоляции
4.1 Регистрация индуктированных перенапряжений 95
4.2 Экспериментальное исследование прочности штыревых изоляторов при воздействии напряжения нестандартной формы - 116
4.3 Выводы 120
5 Рекомендации по повышению грозоупорности распределитель- 121
пых сетей
Заключение 134
Список использованных источников
- Общая характеристика грозовых воздействий
- Описание экспериментальной установки
- Характеристика грозопоражаемости ВЛ, проходящих по лесным массивам
- Экспериментальное исследование прочности штыревых изоляторов при воздействии напряжения нестандартной формы
Введение к работе
Перерывы электроснабжения потребителей происходят, в основном, при отказах распределительных сетей до 76 - 88 %. Из общего числа отключений и повреждений воздушных линий (ВЛ) около половины связаны с атмосферными перенапряжениями. Поэтому повышение грозоупорности распределительных сетей является актуальной задачей. Ее решением занимались многие научные коллективы и специалисты: Д. В. Разевиг, А. С. Майкопар, Э.М. Базелян, Н.Н. Тиходеев, А.Н. Новикова, Г.В. Подпоркин, Ф.Х. Халилов, А.А. Дульзон, Ф.А. Гиндуллин, М.В. Костенко, К.П. Кадомская, И.А. Ефремов и др. Некоторыми итогами проведенных ими исследований можно считать выпуск руководящих документов по молниезащите ВЛ, зданий и сооружений.
Грозоупорность ВЛ, под которой понимается удельное число отключений на 100 км длины и 100 грозовых часов, определяется двумя группами перенапряжений, связанными с прямыми ударами молнии (ПУМ) в ВЛ и индуктированными перенапряжениями (ИПН). Переход к дуговой форме разряда одновременно на двух, трех изоляторах приводит к межфазному короткому замыканию и отключению ВЛ, что непосредственно влияет на грозоупорность ВЛ. С другой стороны, повреждения изоляторов, траверс, опор и проводов также в большинстве случаев определяется фактом горения силовой дуги при межфазных замыканиях или длительном воздействием перемежающейся дуги емкостного тока при однофазном замыкании.
Повреждения элементов ВЛ требуют их выявления и замены или ремонта, что резко увеличивает длительность перерывов в энергоснабжении. Таким образом, для корректной оценки грозоупорности ВЛ 10 кВ требуется, возможно, более полная информация о процессе перекрытия и последующего перехода импульсного перекрытия в дугу.
Следует отметить, что за исключением отдельных косвенно-оценочного характера работ (работы А. С. Майкопара и М. Darveniza 60- х годов прошлого века) проблема установления силовой дуги практически не исследовалась. Это связано со сложностью экспериментальных исследований и испытаний. В них необходимо согласовывать воздействие импульсного напряжения с амплитудой более 100 кВ с сопровождающим импульсным током до 0,5 - 2 кА при имитации индуктированных и порядка 30 кА - для прямых ударов молнии и переменного напряжения от 6 до 20 кВ и тока (до сотен ампер). При этом требуется вариация сочетаний величин напряжений и токов, фазовых моментов перекрытия, типов наиболее распространенных в настоящее время линейных изоляторов, а также конструктивных особенностей опор (деревянные, железобетонные), приводящих к изменению дугогасящих свойств.
Следовательно, имеющиеся данные позволяют лишь приближенно оценить величину коэффициента перехода импульсного перекрытия в дугу. Кроме того, остаются неясными перспективы снижения этого коэффициента, а, следовательно, и повышения грозоупорности и надежности работы ВЛ в целом.
В связи с изложенным тема диссертации является актуальной.
Работа выполнялась в соответствии с научными направлениями исследовательского комитета В2 (22) СИГРЭ «Воздушные линии электропередачи», с отраслевой научно-технической программой 04 "Электротехническое оборудование подстанций и электрических сетей" РАО «ЕЭС России» и сводной программой НИОКР ОЭС «Сибирьэнерго», раздел 5 «Электроэнергетика».
Цель работы состояла в разработке мероприятий, направленных на повышение грозоупорности В Л от 6 до 10 кВ, как наиболее распространенных в распределительных сетях и узлах нагрузки.
Идея работы. Для достижения поставленной цели автор использовал две возможности. Для снижения числа отключений, связанных с ПУМ практически единственной возможностью является использование экранирующего эффекта леса (лесополос). Для исключения перекрытий изоляции при воздействии индуктированных перенапряжений наиболее кардинальной мерой является усиление изоляции. При этом достигается двойной эффект: при усилении изоляции снижается вероятность перекрытия и снижается вероятность перехода импульсного перекрытия линейных изоляторов при грозовых воздействиях в силовую дугу промышленной частоты.
Методы исследования заключаются в анализе опыта эксплуатации ВЛ от 6 до 10 кВ, физическом и математическом моделировании процессов грозового отключения ВЛ, проведении лабораторных испытаний и полевых регистрации, обработки результатов с применением методов математической статистики и теории вероятностей, интегрального исчисления, теоретических основ электротехники и физики газоразрядных процессов. Использованы методы компьютерного моделирования с применением программы «LIGHTNING».
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: корректным выбором исходных посылок, вытекающих из опыта эксплуатации и физической картины явлений; удовлетворительным совпадением результатов теоретических исследований с результатами экспериментов. Испытания и измерения проводились на аттестованном оборудовании высоковольтного испытательного комплекса СибНИИЭ в соответствии с требованиями ГОСТ 1516.2 -97, стандартов МЭК и других нормативных документов. Оценки чувствительности и погрешностей измерений были выполнены с запасом по отношению к возможным ошибкам.
Научная новизна работы характеризуется следующими новыми научными положениями: о Численными экспериментами с применением модели, учитывающей индуктированные перенапряжения, установлено, что в общем числе грозовых отключений типовых В Л от 6 до 10 кВ с железобетонными и металлическими опорами до 70 % составляют отключения, связанные с воздействиями индуктированных перенапряжений, о Показано, что вероятность перехода импульсного перекрытия межфазной изоляции больше в случае, когда межфазное замыкание происходит на соседних опорах по сравнению с замыканием на одной опоре. о В экспериментах при напряжении 6,3 кВ с изоляторами ШС-10А, ШФ-10В,
ШФ-20В, ШК-10, получено, что коэффициент перехода импульсного перекрытия в дугу не зависит от материала изоляторов (фарфор, стекло и кремнийорганическая резина) и материала проводов (медь, сталь и алюминий). о Впервые зарегистрирован импульс индуктированного перенапряжения в контактной сети железной дороги при ударе молнии на расстоянии 1 км от линии. Форма импульса строго симметрична в виде «колокола» с длительностью фронта около 10 мкс и длительностью на полувысоте около
25 мкс. Для прямых ударов молнии была зарегистрирована форма биэкспоненциального импульса с фронтом не более 12,5 мкс и длительностью на полувысоте около 65 мкс.
Практическая ценность работы. Предложенные в работе мероприятия позволяют практически исключить перекрытия изоляции от индуктированных перенапряжений и, тем самым, повысить грозоупорность В Л от 6 до 10 кВ почти вдвое.
Реализация работы. Разработанные в диссертации научные положения (численные расчеты грозоупорности ВЛ 10 кВ, рекомендации по усилению изоляции, рекомендации по использованию коэффициентов перехода # импульсного перекрытия в дугу) используются в Горно-Алтайском предприятии электрических сетей ОАО «Алтайэнерго», в службе электроснабжения и электрификации Западно-Сибирской железной дороги и
ЗАО ВНПО «РОСЛЭП». Годовой экономический эффект составляет 238 тыс.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены: на международной конференции «ИЗОЛЯЦИЯ- 99» (15-18 июня, 1999,
Санкт-петербургский государственный технический университет); * на пятой Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (19-21 декабря, 1999, Томск, ТПУ); на шестой международной конференции «Современные техника и технология» (февраль 2000, Томск, ТПУ); на научных семинарах СибНИИЭ и конференциях молодых ученых НГТУ.
На защиту выносятся:
Математическая модель нисходящего лидера молнии и встречных разрядов с введенным блоком моделирования лесной просеки.
Результаты численных экспериментов по указанной модели: о удельное число грозовых отключений увеличивается при увеличении ширины просеки от 0 до 30 м примерно в 8 - 10, а в открытой зоне - в 20 раз; о законы распределения амплитуд токов молнии для ударов в линию и ударов в землю незначительно отличаются от исходного логарифмически - нормального распределения, но средний ток для ударов в землю (~ 27 кА) несколько меньше, а для ударов в линию (~ 35 кА) несколько больше, чем для исходного распределения; о в общем числе грозовых отключений типовых В Л от 6 до 10 кВ с железобетонными и металлическими опорами до 70 % составляют отключения, связанные с воздействиями индуктированных перенапряжений.
Различие коэффициента перехода импульсного перекрытия в силовую дугу в зависимости от характера тока межфазного замыкания для случаев перекрытия изоляции двух фаз на одной и разных опорах.
Новые опытные данные по коэффициентам перехода импульсного перекрытия в дугу, по форме реальных грозовых перенапряжений и прочности типовых изоляторов В Л от 6 до 10 кВ при форме волны, приближенной к индуктированным перенапряжениям.
Публикации. По основным результатам выполненных научных исследований опубликовано 7 научных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и трех приложений. Изложена на 163 страницах машинописного текста, содержащего 76 рисунков и 10 таблиц, а также список использованных литературы из 50 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель и идея исследований. Представлена научная новизна и практическая значимость полученных результатов. Сформулированы научные положения, выносимые на защиту. Отражен уровень апробации и объем публикаций по теме диссертации.
В первой главе проводится ретроспективный обзор методов и средств регистрации индуктированных перенапряжений, обсуждены нерешенные вопросы в создании новых методов, определено влияние коэффициента перехода импульсного перекрытия в силовую дугу на показатель грозоупорности ВЛ средних и высших классов напряжения, поставлены цели и задачи работы.
Во второй главе приводятся и обсуждаются результаты экспериментальных исследований перехода импульсного перекрытия в силовую дугу для В Л от 6 до 10 кВ.
В третьей главе представлена методика расчета грозопоражаемости ВЛ, основанная на модели ориентировки лидера молнии и приведены результаты численных экспериментов. Обсуждены проблемы интерпретации результатов расчета индуктированных перенапряжений.
В четвертой главе приведены результаты полевых регистрации индуктированных перенапряжений и экспериментальных исследований прочности изоляторов при воздействии напряжения нестандартной формы максимально приближенной к индуктированным перенапряжениям.
В пятой главе сформулированы рекомендации по повышению грозоупорности ВЛ от 6 до 10 кВ и проведены ее расчеты для предлагаемых вариантов.
В приложениях приведены иллюстративные материалы, примеры расчета волновых процессов в линиях, а также акты внедрения результатов работы в энергетических предприятиях.
Общая характеристика грозовых воздействий
Источниками молнии являются электрические разряды, образующиеся в грозовых облаках, поэтому прежде чем приступить к характеристике грозовых воздействий рассмотрим процессы образования грозовых облаков. Согласно [13, 14] грозовые облака образуются в атмосфере, содержащей холодный и плотный воздух в верхних слоях и теплый влажный воздух в нижних. Мощные восходящие потоки теплого воздуха, поднимающиеся вверх, образуют облака, холодный воздух при этом опускается. Атмосфера находится в таком состоянии, когда массы холодного воздуха заполняют области с теплым воздухом или когда земля сильно прогревается солнцем и отдает свое тепло нижним слоям атмосферы.
В типичном грозовом облаке беспорядочно дующий ветер, вода и лед находятся в гравитационном поле и поле температурного градиента. Из-за взаимодействия этих элементов возникают заряженные области грозового облака. Обычно верхняя часть облака заряжена положительно, а нижняя часть - отрицательно. Таким образом, грозовое облако по структуре основного заряда представляет собой электрический диполь.
Каждый разряд молнии начинается со слабосветящегося ступенчатого лидера, который направлен от облака к земле и за которым немедленно следует очень яркий возвратный удар. Возвратный удар распространяется от земли к облаку.
Ступенчатый лидер начинается с локализованного электрического пробоя между положительно и отрицательно заряженными зарядами областями грозо вого облака. Этот пробой вызывает перемещение электрических зарядов, которые ранее были связаны с частицами льда или воды. Высокая концентрация отрицательного заряда в основании облака может создавать электрические поля, которые в свою очередь приводят к возникновению ступенчатого лидера, распространяющегося по направлению к земле.
Когда заряженный до высокого отрицательного потенциала столб зарядов благодаря ступенчатому лидеру приближается к земле, результирующее электрическое поле у земли имеет достаточно большую напряженность, чтобы вызвать движущиеся от земли к вершине лидера встречные разряды. Если один из этих разрядов придет в контакт с лидером, нижняя часть последнего будет эффективно связана с потенциалом земли, в то время как его остальная часть будет иметь отрицательный потенциал и отрицательный заряд. Избыток отрицательного заряда, сосредоточенный в канале лидера, стекает в землю через канал, имеющий высокую проводимость ниже волнового фронта возвратного удара. Токи, измеренные у земли, лежат в интервале от единиц до десятков тысяч ампер в течение нескольких микросекунд.
После прекращения тока в импульсе вспышка может завершиться. С другой стороны, если существует возможность подвода дополнительных зарядов к вершине канала, во вспышке возможны дополнительные импульсы тока.
Под действием образующегося при разряде молнии электрического и магнитного поля в линиях электропередачи возникают перенапряжения, принятые называть атмосферными. Перенапряжения могут привести к перекрытию изоляции. Если перекрытие возникает на двух фазах, то возможно прогревание канала перекрытия действующим на ВЛ напряжением и переход канала перекрытия в дуговую стадию. При этом на ВЛ возникает межфазное короткое замыкание, и устройства релейной защиты отключают ВЛ.
Применительно к атмосферным перенапряжениям и связанными с ними отключениями В Л целесообразно разделить все такие события на две группы: прямые удары молнии в линию (ПУМ) и индуктированные перенапряжения (ИЛИ) [15, 16].
В случае прямого удара молнии в линию вероятность трансформации каналов импульсного перекрытия в силовую дугу практически равна единице. Действительно, простые расчеты показывают, что потенциалы проводов при прямых ударах молнии в линию намного выше напряжения перекрытия (импульсной прочности) изоляторов. Более того, перекрытие изоляции на одной опоре за счет относительно высокого сопротивления заземления опор не снижает напряжения на проводах настолько, чтобы исключить перекрытия изоляторов на соседних опорах.
Кроме того, существование нескольких импульсных компонентов тока молнии неизбежно увеличивают вероятность перехода хорошо разогретого ими канала первичного перекрытия в дугу. Наконец, длительно протекающий непрерывный ток молнии (десятки ампер) между импульсными компонентами уже сам по себе, без влияния напряжения сети, приведет канал перекрытия в дуговое состояние, которое потом будет поддерживаться источником питания ВЛ вплоть до ее отключения устройствами защиты. Итак, примем для прямых ударов молнии в линию коэффициент перехода импульсного перекрытия в силовую дугу: Т = 1.
Случаи перекрытия изоляции воздушной линии вследствие индуктированных перенапряжений представляют больший интерес и требуют изучения. При этом по степени важности следует выделить случай межфазного перекрытия, так как только в этом случае может возникнуть мощный дуговой канал и ток короткого замыкания приведет к отключению ВЛ. Режим однофазного перекрытия и образования слаботочной дуги емкостного тока на землю не приводит к отключению ВЛ, хотя тоже достаточно интересен с точки зрения физики разрядных процессов.
Описание экспериментальной установки
Функциональная электрическая схема экспериментальной установки приведена на рисунке 2.1. КРУ КРУ - ячейка КРУ-6 кВ; ТТ - трансформатор тока; ОПН-10 - нелинейные ограничители перенапряжений; Lp, Rp - индуктивное и активное сопротивление реакторов; RH - интегрирующие резисторы; Св, Сн- верхнее и нижнее плечи емкостного делителя напряжения; ОИ - испытуемые изоляторы; Сф - фронтовая емкость ГИН; Суд. - ударная емкость ГИН; RB, RH - активный делитель напряжения ГИН; БП - блок поджигающих импульсов ГИН; ГЗИ - генератор запускающих импульсов типа ГЗИ-6. Рисунок 2.1 - Электрическая схема испытательной установки
Схема состояла из трех основных частей: силовой, ограничительно - защитной и импульсной. Переменное напряжение 6,3 кВ подавалось на схему с помощью типовой ячейки комплектного распределительного устройства КРУ-К-ХП с номинальным током отключения 800 А, оснащенной устройствами контроля тока, напряжения и защиты от токов короткого замыкания. Ячейка располагалась в закрытом распределительном устройстве (ЗРУ) в непосредственной близости от импульсной части схемы (длина кабелей менее 10 м) и питалась от силового трансформатора ТМ 1600/10/6,3 кВ через кабель длиной около 121м. Задержка отключения токов короткого замыкания (к.з.) в 0,2 секунды позволяла провести необходимые измерения и установить факт горения дуги перекрытия изоляторов.
Данная схема испытаний применялась в первой серии экспериментов. В них моделировалась силовая дуга межфазного перекрытия, возникающего на разных опорах. В этом случае преобладает активная составляющая тока, обусловленная сопротивлением заземления опор. Активное сопротивление цепи межфазного замыкания моделировалось реакторами. Внешний вид реакторов приведен на рисунке 2.2.
Реакторы были изготовлены в виде цилиндрических катушек диаметром 0,8 и высотой 1 м, намотанных из нихромовой проволоки диаметром 2 мм. Общее количество витков в каждой фазе - 100. Последовательно-параллельным включением частей обмоток можно было задавать следующие дискретные значения силового тока: 100, 133, 160, 200, 267 и 400 А. Минимальное значение тока соответствовало параметрам Rp = 82 Ом, Lp & 1,5 мГн. При максимальном значении тока Rp = 8 Ом, Lp = 0,4 мГн. Максимальный расчетный нагрев провода реактора при действии времени зашиты 0,6 с составлял 1000 С.
Импульсное напряжение, необходимое для начального перекрытия изоляторов, вырабатывалось с помощью 10 - ступенчатого генератора импульсных напряжений (ГИН) с емкостью в ударе СУЛ = 26,5 нФ и зарядным напряжением до 800 кВ. ГИН настраивался на стандартную грозовую волну 1,2/50 мкс. Управление блоком поджига (БП) генератора и синхронизация переменного напряжения работы частей установки осуществлялось с помощью генератора задержанных импульсов ГЗИ - 6.
Рисунок 2.3 - Внешний вид нелинейных ограничителей перенапряжений Для защиты силовых кабелей, ячейки и трансформатора от импульсных напряжений при перекрытии изоляторов на каждой фазе устанавливались нелинейные ограничители перенапряжений ОПН -10 кВ (рисунок 2.3), собранные последовательно из 10 оксидно-цинковых варисторов.
При импульсном токе около 1 кА величина импульсного напряжения на ограничителях не превышала 16 кВ, что было достаточно для защиты изоляции силовой части схемы от пробоя.
Контроль формы и величины тока дуги проводился с помощью трансформатора тока (ТТ) типа ТПЛ-10, резисторного шунта Rm = 5 Ом и осциллографа.
Характеристика грозопоражаемости ВЛ, проходящих по лесным массивам
По данным РАО «ЕЭС Росии», энергосистемы России в настоящее время эксплуатируют 2 млн. 400 тыс. км воздушных линий (ВЛ) электропередачи от 0,4 до 1150 кВ, из них более 250 тыс. км (10,4 %) проходят по лесным массивам и зеленым насаждениям. Сооружение ВЛ в этих районах привело к потере миллионов гектаров леса. Несмотря на выполнение требований «Правил устройства электроустановок» (ПУЭ) [38], как показывает аварийная статистика ОРГРЭС, аварии, вызванные падением деревьев на провода ВЛ при шквалах ветра, наблюдались во многих регионах. С учетом изложенного, целесообразно уточнить подходы к проектированию ВЛ в лесных массивах, прежде всего, с позиций надежности ВЛ.
Для сохранения леса при сооружении ВЛ высокого напряжения в ряде зарубежных стран, кроме обхода лесов и вырубки широких просек, применяются опоры увеличенной высоты (в том числе, и для прохождения ВЛ над лесом), а также опоры специальных типов, которые обеспечивают значительное сокращение ширины просеки и вырубки леса. До отпуска цен в СССР и России не было экономических стимулов для сокращения вырубки лесов под ВЛ, так как ущерб от свода леса в просеке был пренебрежимо мал по сравнению со стоимостью ВЛ. При постепенном выравнивании российских и мировых цен на древесину, электроэнергию, сталь, бетон и т.д., как показали оценки, вырубка 1 га (т.е. каждые 5 м просеки по обеим сторонам от ВЛ) могут достигать одного порядка со стоимостью 1 км В Л 110 кВ.
Все изложенное выше послужило стимулом для: разработки новых методов электрического и механического расчета лесных В Л от 10 до 750 кВ поиска и проектирования новых вариантов опор для таких ВЛ; рыночных оценок ущерба от вырубки леса и разработки методики технико-экономического сравнения нескольких вариантов ВЛ с учетом ее удорожания (например, за счет увеличения высоты опор), с одной стороны, и сокращения ущерба от вырубки леса для просеки, с другой для выбора оптимального сооружения [39]. В ряде стран построены и успешно эксплуатируются ВЛ на опорах с высотой от 50 до 100 метров и высотой подвеса нижних проводов, значительно превышающей высоту растительности.
Понятно, что увеличенная высота подвеса проводов требует особо внимательной оценки грозоупорности подобных ВЛ. Расчеты показывают, что при правильном выборе средств грозозащиты, проблема решается успешно. Одним из элементов этого расчета является учет высоты леса. Если трассу ВЛ окружает лес, то в расчетах числа прямых ударов в ВЛ высоту ее опор, проводов и тросов можно принимать равными соответствующим относительным превышениям их на уровнем леса [40,41].
Применительно к уже построенным и эксплуатируемым распределительным сетям влияние леса на показатели грозоупорности также необходимо учитывать, но в обратной постановке задачи. В данном разделе расчетами на математической модели нисходящего лидера молнии показано «защитное» влияние леса на примерах ВЛ от 6 до 10 кВ. Параллельно проводятся и расчеты показателей грозоупорности в безлесных участках ВЛ
Так как до настоящего времени неизвестно, каким образом моделировать лес, то при проведении численных экспериментов принималось, что дерево является идеальным проводником, встречные разряды с деревьев развиваются аналогично встречным разрядам с проводов и тросов ВЛ. Как некоторое доказательство этого факта можно рассматривать многие разбитые молниями деревья, часть фотографий которых приведена в приложении 1.
В этом варианте лесной массив моделировался четырьмя тросами с нулевыми потенциалами, которые размещались на высоте крон деревьев на расстоянии ширины просеки С/ПР + Ю м по обе стороны от оси линии.
Рассматривались три варианта прохождения ВЛ по лесному массиву при различной ширине просеки и соответствующей высоте опор В Л [1]: 1) dnp = ЗО м, АПР = 10 м; 2) dnp= 15 м, Лпр =10 м; 3) = 0, /іпр= Юм. С целью определения общего числа ударов молнии в линию каждый из этих вариантов просчитывался, когда трос ВЛ задавался как провод с нулевым потенциалом. В результате расчетов по программе определились следующие характеристики: - общее число прямых ударов молнии в линию (Л лин) и значения амплитуд токов молнии при ударах в линию 1Ш; - удельное число прямых ударов молнии в линию (iVmnvb 1/ЮОкм/ЮОг.ч.); - случайные значения координат точек ударов молнии в землю при соответствующих амплитудах тока молнии (X3i, Y3, Іші, /=1, Np NmH). На основании полученных результатов путем статистической обработки определялись следующие характеристики грозопоражаемости: - плотность ударов молнии в землю вблизи линии в зависимости от расстояния от оси линии Щ(); - законы распределения амплитуд токов молнии для ударов в провод линии и в землю (Я/мл) и Щш)); - законы распределения индуктированных напряжений F(/HIW); - удельное число индуктированных напряжений с амплитудой, превышающих заданный уровень (ІУИНд(иивд), 1/100 км/100 т.ч.).
В итоге определялись показатели по удельному числу отключений линии от прямых ударов молнии в линию и индуктированных напряжений при ударах в землю.
Экспериментальное исследование прочности штыревых изоляторов при воздействии напряжения нестандартной формы
Испытывались изоляторы трех типов: ШС -10Д, ШФ -ЮГ, ШФ -20В и изолирующая траверса. Изоляторы крепились на макете траверсы с проводом, как это показано на рисунке 4.11. Макет подвешивался на высоте 8 м.
Испытательное оборудование, средства измерений, методика испытаний Испытания напряжениями нестандартной формы импульса, максимально приближенной к форме индуктированных перенапряжений проводились на установке SP 4800/414 (генератор импульсных напряжений; изготовитель -фирма TUR, аттестат № 2-09-94). Основные технические характеристики: ? максимальное зарядное напряжение, кВ 4800; ? предельная запасаемая энергия, кДж 414; ? форма импульса, мкс 1.2/50; 150/2000; 250/2500.
Измерение временных параметров и амплитудных значений импульса проводилось делителем напряжения SMR 10/2200 (№ 865365), амплитудным вольтметром MUT-9 (зав. № 878565, протокол метрологической аттестации № 206-10/1-93), запоминающим осциллографом С8-13 (зав. № 1770) и цифровым осциллографом «Velleman». Коэффициент деления составлял: Кд = 2500.
Измерение давления и температуры воздуха проводилось: термографом М-16 (зав. № 07618), барографом М-22 (зав. № 03422). Условия окружающей среды: Р = 735 мм. рт. ст, Т = 21 ОС.
ГИН настраивался на форму волны: фронт - 3,5 ± 1 мкс, длительность на полувысоте 25 + 5мкс (данные формы волны индуктированных перенапряжений взяты из [27]). Испытания проводились на обеих полярностях напряжения. Типичная осциллограмма полного импульса напряжения приведена на рисунке 4.12. Из нее видно, что реальная длительность фронта составляла 2,3 мкс, а длительность на полувысоте - 23 мкс. Полученные параметры настройки ГИН были признаны удовлетворяющими требованиям эксперимента.
Методом «вверх-вниз» определялось напряжение, соответствующее 50 % -ной вероятности перекрытия изолятора, и коэффициент вариации разрядного напряжения. При этой величине напряжения измерялось время до перекрытия по 30 точкам и вычислялось его среднее значение. Полученные величины напряжения перекрытия приводились к нормальным атмосферным условиям по стандартной процедуре [46].
Никаких особенностей в форме напряжения не наблюдалось. Несколько больший разброс частных значений напряжения перекрытия наблюдался для всех изоляторов при отрицательной полярности напряжения, но особенно велик он был для изоляторов типа ШФ -20В.
После испытаний на поверхности изоляторов оставались слабо заметные, но нестирающиеся следы множественных перекрытий (рисунок 4.14).
В результате полевых регистрации получены уникальные данные по характеристикам грозовых перенапряжений в контактной сети переменного тока электрифицированной железной дороги. Полученные данные согласуются как с известными литературными данными, так и с результатами, полученными в данной работе опытным и расчетным способами. Из результатов испытаний штыревых изоляторов видно достаточно заметное различие между величинами прочности, характерными для формы индуктированных перенапряжений и прочности, полученной при стандартной грозовой волне. Импульсная прочность изолятора при положительной полярности (напомним, что для индуктированных перенапряжений при ближних ударах молнии в землю характерна именно положительная полярность) увеличилась в 1,30; 1,09 и 1,07 раза для изоляторов типа ШС -10Д, ШФ -ЮГ и ШФ -20В, соответственно. Вероятность перекрытия изоляторов от индуктированных перенапряжений будет пренебрежимо малой при условии: U0 f - За и f U0,5 І + За,.
Прежде чем дать окончательные рекомендации, оценим эффективность всех возможных технических решений, которые могут быть направлены на повышение грозоупорности воздушных линий электропередачи распределительных сетей от 6 до 10 кВ.
Выбор трассы ВЛ Это мероприятие осуществимо в основном на стадии проектирования будущих участков распределительной сети. При прочих равных условиях прокладка трассы ВЛ между складками местности или долинам, равно как и по лесным просекам или вблизи лесополос, между зданиями и сооружениями, значительно сократит число прямых ударов молнии в будущие участки ВЛ.
Усиление изоляции ВЛ
Для снижения числа отключений, связанных с прямыми ударами молнии в провода ВЛ, усиление изоляции, т.е. увеличение ее напряжения перекрытия при атмосферных перенапряжениях, имеет смысл, в основном, для снижения вероятности одновременного перекрытия изоляции на двух фазах ВЛ. Согласно расчетным данным при сопротивлении заземления опор порядка 20 Ом лишь каждый третий удар молнии приводит к этому исходу, т.е. подготавливает ситуацию к возникновению силовой дуги межфазного короткого замыкания и отключению ВЛ.
Коэффициент перехода импульсного перекрытия в силовую дугу для прямых ударов молнии мы ранее принимали равным т = 1. Это делалось в предположении, что весь заряд молнии стекает по каналу в точку удара и ток молнии в этой стадии имеет величину около 50 - 100 А и длится десятые доли секунды. В реальности молнии имеют многокомпонентный характер и во многих случаях повторные разряды молнии попадают в другую точку.
