Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Молниевые отключения ВЛ и способы защиты 8
1.1 Физические основы процесса 8
1.2 Обзор существующих систем молниезащиты ВЛ6-35кВ 13
1.3 Обзор существующих систем молниезащиты ВЛ 110-220 кВ 23
1.4 Выводы по главе 1 и постановка задачи диссертации 32
Глава 2. Разработка разрядника длинно-искрового антенного типа 33
2.1 Расчёт вероятного числа отключений и пережогов проводов при различных способах молниезащиты ВЛ 35 кВ 33
2.2 Принцип работы РДИ антенного типа 39
2.3 Принцип работы РДИА на основе трехслойных защищенных проводов для ВЛ 35 кВ ПЗВГ 42
2.4 Реализация молниезащиты ВЛЗ 35 кВ при помощи РДИА 54
2.5 Выводы по главе 2 60
Глава 3. Разработка разрядников с мультиэлектродной системой 62
3.1 Применение промежуточных электродов на РДИ 62
3.2 Мультиэлектродная система и ее испытания 63
3.3 Разработка РДИ с МЭС для ВЛ 20-35 кВ 78
3.4 Выводы по главе 3 88
Глава 4. Разработка разрядников с мультикамерной системой 89
4.1 Разработка мультикамерной системы и ее испытания 89
4.2 Разработка разрядника мультикамерного РМК-20 93
4.3 Разработка разрядников и изоляторов-разрядников с мультикамерной системой для ВЛ 3-35 кВ 122
4.4 Выводы по главе 4 134
Глава 5. Разработка изоляторов-разрядников с мультикамерной системой 135
5.1 Расчет вероятного числа молниевых отключений для В Л 110 кВ. 135
5.2 Разработка гирлянды изоляторов-разрядников мультикамерных для ВЛ 220 кВ и ее испытания 141
5.3 Реализация молниезащиты В Л 220 кВ при помощи гирлянд изоляторов-разрядников мультикамерных 155
5.4 Выводы по главе 5 163
Глава 6. Технико-экономическое обоснование 165
Заключение 172
Список использованной литературы 174
Приложение 1. Расчет наведенного потенциала на антенне тороидального вида 178
1.1 Расчет частичных емкостей 178
1.2 Расчет наведенного на антенне потенциала 186
Приложение 2. Поопорная схема расстановки ГИРМК для В Л Сова-Сарымская 189
Приложение 3. Расчеты к технико-экономическому обоснованию 191
Приложение 4. Список публикаций результатов работы 196
- Обзор существующих систем молниезащиты ВЛ6-35кВ
- Расчёт вероятного числа отключений и пережогов проводов при различных способах молниезащиты ВЛ 35 кВ
- Мультиэлектродная система и ее испытания
- Разработка разрядника мультикамерного РМК-20
Введение к работе
Актуальность. Качество электроснабжения большинства потребителей напрямую зависит от надежности работы воздушных линий электропередачи (ВЛ). Одной из основных причин большого числа повреждений ВЛ является грозовая активность. Попадания молнии в провода, опоры и тросы ВЛ, а также в рядом стоящие объекты могут приводить к возникновению перенапряжений, достаточных для перекрытия линейной изоляции, а следовательно к дуговым замыканиям и отключениям ВЛ. Годовой ущерб электроэнергетики в России от отключений и повреждений, вызванных опасными погодными факторами составляет около 30 млрд. руб. в год, из них не менее 15 % приходится на грозовые причины.
Поэтому проблема повышения эффективности грозозащиты и сокращения числа отключений потребителей от источников электрической энергии очень актуальна, и ей уделяется повышенное внимание в энергосистемах.
В силу ряда объективных и субъективных причин надежность работы распределительных сетей 6-35 кВ является относительно низкой. К объективным причинам низкой надежности В Л 6-35 кВ относится, в частности, весьма низкий уровень импульсной прочности линейной изоляции. Поэтому на линиях традиционной конструкции практически каждый удар молнии в линию или вблизи нее вызывает перекрытие изоляторов.
Для В Л 110-220 кВ несмотря на более высокий уровень изоляции грозовые перенапряжения также представляют опасность. Особенно большое число грозовых отключений наблюдается в районах с малой удельной проводимостью грунтов, где невозможно добиться необходимого низкого сопротивления заземляющих устройств. На таких ВЛ тросовая защита оказывается неэффективной.
Увеличить надёжность электроснабжения по В Л 6-35 кВ можно путём применения защищенных проводов, но тогда возникает новая проблема- пережог провода при дуговых замыканиях. Грозозащита ВЛ 6-35 кВ и одновременно защита проводов от пережога может быть выполнена с использованием длинно -искровых разрядников (РДИ).
Снизить число отключений на ВЛ более высоких классов напряжения можно также с помощью разрядников, устанавливаемых на линии. Но применение технологии РДИ для ВЛ 110-220 кВ не представляется возможным, так как габариты устройств чрезмерно увеличиваются (увеличивается длина кабеля-основы), а при этом ужесточаются и условия работы изоляции кабеля-основы, увеличивается вероятность ее пробоя.
Цель работы. Основной целью работы явилась разработка новых типов разрядников на классы напряжения 6-220 кВ, основанных как на принципе удлинения импульсного скользящего разряда (РДИ), так и имеющих в основе мульти-электродную (МЭС) или мультикамерную системы (МКС).
Для практического достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:
разработать концепцию разрядника нового, антенного типа (РДИА);
для создания РДИА на класс 35 кВ провести расчеты и экспериментальные исследования для определения конструкции, выбора необходимого типа провода и способа его подвески;
для создания нового типа устройств разработать, изготовить и провести лабораторные испытания образцов МЭС, а затем и МКС;
разработать конструкции разрядников с МЭС и МКС, провести комплекс испытаний: на гашение сопровождающего тока, при воздействии переменного напряжения, импульсных воздействиях, протекании большого импульсного тока;
- провести технико-экономический анализ эффективности применения
разработанных устройств.
Научная новизна и практическая ценность. В настоящей работе предложена новая конструкция РДИ на класс напряжения 35 кВ, основным рабочим элементом которого является сам провод ВЛ (защищенный провод ПЗВГ), и использующая новый принцип работы, при котором перекрытие (срабатывание) разрядника происходит до попадания молнии в ВЛ, засчет наведения приближающимся каналом молнии, на установленной на рабочем элементе разрядника антенне, высокого потенциала. А также предложено использовать изоляционные свойства провода ПЗВГ для увеличения общей импульсной прочности изоляции ВЛ. Разработанная система молниезащиты была смонтирована в 2007 г. на ВЛЗ 35 кВ (Респ. Коми).
Разработана и применена система разбиения канала разряда на части промежуточными электродами, что существенно увеличило эффективность серийно выпускаемых РДИ на 6-10 кВ.
Предложены новые конструкции разрядников, использующие принцип разбиения дуги на большое (сотни) число малых дуг электродами, а также с покрытием электродов изоляцией из кремнийорганической резины, с отверстиями напротив межэлектродных промежутков для выхода наружу газоразрядных продуктов, т.е. с образованием миниатюрных дугогасящих камер. Обнаружен эффект гашения «в импульсе», т.е. без протекания сопровождающего тока по разряднику. Разработаны и испытаны новые конструкции разрядников, использующие данный принцип работы, в том числе разработан изолятор-разрядник (ИРМК). Разработанные устройства (разрядник для ВЛ 6-20 кВ- РМК-20 и изолятор-разрядник ИРМК) применяются на действующих ВЛ с 2009 г. В том числе и на В Л 220 кВ (с 2011 г., Ростовэнерго).
Разработанные способы молниезащиты воздушных линий с использованием устройств основанных на предложенных новых принципах работы уже при-
меняются на действующих воздушных линиях 6 -220 кВ, как традиционного исполнения, так и с изолированными проводами.
На защиту выносятся: принцип применения изоляции провода в качестве рабочего тела длинно-искрового разрядника, а также способ организации перекрытия (срабатывания) разрядника до непосредственного попадания молнии в ВЛ, засчет установки специального экрана, на котором происходит наведение высокого потенциала при приближении лидера молнии. Принцип использования изоляции провода для повышения импульсной прочности изоляции ВЛЗ 35 кВ. Принцип увеличения дугогасящей способности искровых разрядников засчет разбиения дуги на большое (сотни) число малых отрезков электродами, а также изоляции электродов и мест разряда с образованием миниатюрных газоразрядных камер. Способ молниезащиты ВЛ разрядниками, использующими данный принцип работы. А также результаты экспериментальных исследований, в частности эффект гашения «в импульсе».
Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались:
- на 2-ой и 3-ей «Российской конференции по молниезащите», Москва,
2010 г., С.Петербург, 2012 г.;
-на 3-ей и 4-ой научно-практической конференции «ЛЭП-2008», «ЛЭП-
2010», Новосибирск, 2008, 2010 г.г.;
-на 5-ом и 6-ом международном симпозиуме «Элтранс-2009», «Элтранс-
2011», С.Петербург, 2009, 2011 г.г.;
-на 29-ой международной конференции по молниезащите «ICLP 2008»,
Упсала (Швеция), 2008 г.;
-на 10-ой и 11-й конференции по молниезащите «SIPDA 2009», «SIPDA
2011», Форталенца (Бразилия), 2009, 2011 г.г.;
-на международной конференции CIGRE, Цавтат, Хорватия, 2008 г..
По теме диссертации в соавторстве опубликовано 15 печатных работ.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения. Диссертационная работа изложена на 197 страницах машинописного текста, включает 108 рисунков, 33 таблицы, четыре приложения на 20 страницах и содержит список литературы из 46 наименований.
Обзор существующих систем молниезащиты ВЛ6-35кВ
Наибольшую опасность для В Л 6-35 кВ представляет прямой удар молнии в фазный провод, с последующим перекрытием линейной изоляции и переходом перекрытия в электрическую дугу. Вообще говоря, наиболее эффективным решением этой задачи является подвешивание молниезащитных тросов с малыми углами защиты. Но применение молниезащитных тросов оказывается целесообразно лишь для В Л 110 кВ и выше, поскольку на В Л 6-35 кВ вследствие малой электрической прочности изоляции линии практически любой удар молнии в трос приводит к обратному перекрытию с троса (опоры) на провод. Кроме того, применение троса обуславливает необходимость установки дополнительной тросостойки для его подвеса, то есть приводит к увеличению общей высоты опоры. При этом следовательно увеличивается и число ударов молнии в ВЛ. Также подвешивание троса может потребовать сокращения длины пролета и увеличения числа опор на ВЛ. Поэтому до последнего времени наиболее эффективными мерами, обеспечивающими грозоупорность В Л 6-35 кВ, считались применение автоматического повторного включения линии (что естественно приводит и к перерывам в электроснабжении потребителей) и дугогасящего реактора, уменьшающего ток дуги однофазного замыкания на землю и увеличивающей вероятность самопроизвольного погасания дуги. Но эти способы является полумерами так как, либо допускают отключение ВЛ, либо защищают лишь от определенного вида отключений.
Итак долгое время энергосистемы принимали как должное ненадежность В Л 6-35 кВ. Изменить это положение призваны разработки ОАО «НПО Стример». Разработанный способ молниезащиты основан на применении длинно-искровых разрядников (РДИ), принцип работы такой молниезащиты основан на увеличении длины перекрытия до значений, полностью исключающих возникновение электрической дуги [11, 12, 13, 14]. Конструкция таких устройств проста, вследствие чего они надежны и дешевы. Перекрытие происходит по поверхности, а потому РДИ способны выдержать токи молниевого перенапряжения до 100 кА (4/10 мкс) и до четырех импульсов подряд 35 кА (25/50 мкс), что соответствует однократному импульсу 90/200 мкс заданному в МЭК 60099-8 для разрядников, устанавливаемых на линиях. Этот импульс моделирует прямой удар молнии (ПУМ) в ВЛ, с учетом многокомпонентности молнии. Обычные нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН) обладают вполне определенной энергоемкостью и не способны выдержать такие воздействия, и способны эффективно ограничивать лишь индуктированные перенапряжения, а также уже сглаженные набегающие волны перенапряжения. В случае превышения тока молниевого перенапряжения сверх расчетного уровня они повреждаются (вплоть до взрыва). Так при проведении испытаний стандартный ОПН-10 кВ взорвался на 4-ом импульсе тока 20 кА (25/50 мкс) [15]. Таким образом, для предотвращения повреждения ОПН при ПУМ необходимо подвешивать молниезащитный трос. Молниезащита В Л с применением ОПН получила наибольшее распространение в Японии, где в одной только энергосистеме установлено более 6 млн. штук [16,17].
Наибольшую опасность молниевые перенапряжения несут для ВЛ с защищенными проводами, так как велика вероятность их пережога. В связи с этим в разных странах стали использоваться различные способы защиты проводов от пережога, следует отметить, что они ни в коей мере не уменьшают число молниевых отключений линий, а призваны защитить лишь сам провод.
В США была предложена система, в которой с провода в месте крепления на изоляторе снималась изоляция и по краям устанавливались массивные зажимы (см. рис. 1.4). Образующаяся дуга под действием электродинамических сил перемещается по проводу до зажимов и горит там до отключения ВЛ. Такая система не уменьшает число отключений ВЛ, и требует обслуживания- замены обгоревших зажимов.
Первоначальный опыт строительства ВЛЗ в России был основан на использовании того типа защищенных проводов, которые до этого долгие годы применялись в Финляндии, поэтому сопутствующие технологии, обеспечивавшие их внедрение, были оттуда же автоматически заимствованы, в частности - система дугозащиты, предназначенная для предотвращения пережога проводов при молниевых перенапряжениях (см. рис. 1.5).
Смысл действия данной системы при идеальной реализации должен заключаться в следующем:
Устанавливаемые на все три провода вблизи изоляторов дугозащит-ные «рога» вместе со спиральной арматурой должны обеспечивать отвод от каждого из проводов горящей после молниевого перекрытия изолятора дуги и способствовать переходу возможных однофазных дуговых замыканий, по меньшей мере, в двухфазные. Тем самым, провода должны защищаться от пережога за счет обгорання «рогов» и за счет гарантированного гашения дуги при отключении линии.
Эта, условно называемая «финской», система дугозащиты имеет существенные недостатки (см. рис. 1.5).
Препятствуя перегоранию проводов, она не защищает изоляцию от перенапряжений и не предотвращает короткие замыкания и отключения линии вследствие молниевых воздействий. Более того, она рассчитана на то, чтобы за счет специального расположения дугозащитных «рогов» однофазные замыкания переводить в многофазные только для того, чтобы добиться отключения линии. Такой принцип ее действия никак не согласуется с основной идеей функционирования электрических сетей с изолированной нейтралью, для которых однофазное замыкание не является аварийным режимом, требующим обязательного отключения. В данном случае, одна проблема, связанная с защитой от пережога проводов, решается за счет усугубления других проблем.
В процессе дугоотвода происходит интенсивное обгорание «рогов», требующее их периодической замены.
Установка «рогов» на ВЛЗ неизбежно приводит к утрате изоляционных свойств проводов в зоне их крепления на опоре, т.к. оголенные «рога» и спиральная проволока находятся под напряжением. Это создает опасность электрических замыканий при случайных их касаниях ветками деревьев.
Но, кроме заведомо очевидных, имеется одно техническое обстоятельство, которое ставит под сомнение работоспособность данной системы даже в изначально задуманном виде.
Дуговые замыкания могут сопровождаться токами различной величины, а возможность выхода дуги на «рога», в силу электродинамических закономерностей и конструктивных параметров системы, как отмечают сами разработчики системы дугозащитных рогов [18], появляется лишь при токах, превосходящих 1-2 кА. Такие токи могут возникать лишь при междуфазных коротких замыканиях, не очень удаленных от питающей подстанции. Соответственно, при меньших токах, дуга не выходит на «рога», и это влечет опасность пережога провода, например, даже при к.з., вызванным прямым ударом молнии в линию, на удалении нескольких километров от питающей подстанции.
При индуктированных перенапряжениях возникновение к.з. вообще маловероятно, так как в этом случае значительно чаще происходят перекрытия разноименных фаз не на одной, а на разных опорах. Объясняется это следующим образом.
Расчёт вероятного числа отключений и пережогов проводов при различных способах молниезащиты ВЛ 35 кВ
Во всех случаях для определения оптимального решения по молниезащите необходимо производить расчеты вероятного числа отключений ВЛ. Для того чтобы результаты расчетов были максимально близки к реальной ситуации необходима точная информации по: грозовой активности в данном районе, протяженности ВЛ и длине пролетов, конструкции и габаритам опор, расположению проводов и молниезащитных тросов (в случае их наличия), типе изоляции, сопротивлению заземляющих устройств опор. Таким образом, к каждой ВЛ требуется подходить индивидуально, а рекомендации носят лишь общий характер, и могут использоваться лишь для предварительной оценки необходимого количества устройств молниезащиты. Необходимо отметить, что в целом расчеты и схема расстановки устройств молниезащиты не зависит от их типа, будь то ОПН-Л (И), РДИ или иные устройства. Хотя для ОПН-Л без искровых промежутков и существует понятие зоны защиты, но величина ее близка к длине пролета и зачастую при оснащении всей ВЛ схема расстановки на всех опорах идентична.
В ходе выполнения настоящей диссертационной работы было проведено немало расчетов. Ниже приводятся лишь два из них (второй см. глава 5). Первый был проведен в 2005 г. для строящейся ВЛ 35 кВ ПС Усть -Цильма 2- ПС Низевая- ПС Макарьельская (Респ. Коми) протяженностью 60 км. Второй был проведен в 2011 г. для реконструируемой В Л ПО кВ Сова-Сарымская 1,2 («Тюменьэнерго») протяженностью 47 км. Все расчеты были проведены по методике [9]. Расчет для ВЛ 35 кВ [32-33].
Итак для В Л 35 кВ были рассмотрены следующие варианты исполнения (таблица 2.1):
Вариант № 1: традиционное исполнение ВЛ без молниезащитного троса и без использования изоляционных свойств защищенного провода ПЗВГ, т.е. с применением поддерживающих провод лодочек с прокусывающими зажимами (либо применением голого провода и обычных поддерживающих зажимов). В этом случае импульсное 50% - ное разрядное напряжение линейного полимерного изолятора (заложенного в проект) составляет U5o%=250 кВ; Кратко этот вариант можно характеризовать как вариант без молниезащиты.
Вариант № 2: то же, что вариант № 1, но с молниезащитным тросом;
Вариант № 3: В Л с молниезащитным тросом и с усилением линейной изоляции за счёт использования изоляционных свойств защищенного провода до уровня U5o%=400 кВ путём применения протекторной подвески с использованием прокладки из проводящего полимерного материала без прокусывающих зажимов и с установкой одного разрядника на наименее защищенную тросом фазу В, т. е. кратко: трос, усиление изоляции, один разрядник;
Вариант № 4: ВЛ без молниезащитного троса с усилением линейной изоляции за счёт использования изоляционных свойств защищенного провода до уровня U5o%=400 кВ (то же, что в варианте 3) и с установкой одного разрядника на верхнюю фазу А, т. е. кратко: усиление изоляции, один разрядник;
Вариант № 5: то же, что вариант 4, но с дополнительной установкой ОПН на фазу С, т. е. кратко: усиление изоляции, один разрядник и один ОПН;
Вариант № 6: то же, что вариант 5, но с дополнительной установкой ОПН на фазу В т. е. кратко: усиление изоляции, один разрядник и два ОПН.
Прокомментируем данные таблицы 2.1 по вариантам. Отключение ВЛ возможно в следующих случаях: 1) при ударе молнии в провод; 2) при ударе - в опору (или трос); 3) при ударе - вблизи линии (от индуктированных перенапряжений).
Вариант 1: без молниезащиты.
Значительное число отключений линии п0Ткп — 6,6 откл./год происходит во всех трёх случаях удара молнии, причём больше всего отключений В Л происходит вследствие индуктированных перенапряжений птд = 3,4 откл./год, что объясняется отсутствием мер по молниезащите и относительно невысоким уровнем линейной изоляции /5о%=250 кВ. Возможное число пережогов проводов составляет 0,5 1/год, а время между пережогами - 2 года.
Этот вариант самый дешёвый по уровню капитальных вложений на молниезащиту ВЛ (они равны нулю), но числа отключений линии и возможных пережогов проводов в год самые большие.
Вариант 2: с молниезащитным тросом.
В целом число отключений несколько уменьшилось до п0ТКЛ = 5,8 откл./год. Число отключений вследствие удара молнии в провода практически уменьшилось до нуля, однако число отключений при ударе молнии в опору и трос значительно возросло вследствие того, что все удары молнии в линию теперь попадают в опору и трос, а также вследствие того, что увеличилась высота линии на высоту тросостойки и соответственно увеличилось общее число ударов молнии в ВЛ. Возможное число пережогов проводов составляет 0,5 1/год, а время между пережогами - 2 года.
Этот вариант требует значительных капитальных вложений в молниезащиту, но практически не улучшает надёжность работы линии.
Вариант 3: трос, усиление изоляции, один разрядник.
В целом число отключений резко снизилось до п0ТКЛ =1,3 откл./год. Число отключений вследствие удара молнии в провода практически равно нулю. Число отключений при ударе молнии в опору и трос значительно сократилось благодаря тому, что существенно возрос уровень линейной изоляции с /5о%=250 кВ до /5о%=400 кВ. Благодаря установке РДИ на фазу В исключены отключения при обратных перекрытиях её изоляции. Существенно снижены обратные перекрытия на незащищённой фазе С из за увеличения коэффициента связи между системой: «трос - фаза В» и фазой С. Благодаря увеличению уровня линейной изоляции до 400 кВ исключены отключения при индуктированных перенапряжениях.
Этот вариант, также как вариант № 2 требует значительных капитальных вложений на подвеску молнизащитного троса и относительно небольших вложений на установку разрядников, но он обеспечивает достаточно надёжную молниезащиту ВЛ.
Вариант 4: усиление изоляции, один разрядник.
В целом число отключений практически такое же (и даже несколько меньше), чем в варианте 3, п0ТКЛ = 1,2 откл./год. За счёт отказа от троса снизилось общее число ударов молнии в линию. Благодаря тому, что разрядник устанавливается на верхнюю фазу А, которая для нижних фаз В и С играет роль молниезащитного троса, число отключений при прорыве молнии на незащищённую фазу С незначительно и составляет ипр=0,06 откл./год. Число отключений ВЛ при ударе молнии в защищенную разрядником фазу А или в опору также невелико благодаря высокому уровню линейной изоляции /5о%=400 кВ и большим коэффициентам связи между фазой А и В, а также между фазой А и С, что затрудняет обратные перекрытия изоляции фаз В и С. Благодаря увеличению уровня линейной изоляции до 400 кВ исключены отключения при индуктированных перенапряжениях. Возможное число пережога проводов составляет 0,1 1/год, а время между пережогами — 10 лет.
Этот вариант, также как вариант № 3, обеспечивает достаточно надёжную молниезащиту ВЛ, но не требует значительных капитальных вложений на подвеску молниезащитного троса. Так как конструкция разрядника, а точнее системы молниезащиты на основе провода ПЗВГ весьма проста (см. раздел 2.3), капитальные вложения в молниезащиту ВЛ минимальны. Система проста, надёжна и не требует обслуживания. По мнению разработчиков, этот вариант молниезащиты является оптимальным.
Вариант 5: усиление изоляции, один разрядник и один ОПН.
В дополнение к мероприятиям варианта 4 для предотвращения обратных перекрытий фазы С параллельно изолятору устанавливается ОПН. При этом число отключений снижается до п0ТКП = 0,33 откл./год. Возможное число пережогов проводов составляет 0,03 1/год, а время между пережогами - 33 года.
В отношении молниезащиты этот вариант лучше, чем вариант 4, но требует больших капитальных вложений, т. к. стоимость одного ОПН на 35 кВ составляет примерно 15 тыс. руб. Отметим, что в случае необходимости вариант 5 может быть реализован из варианта 4 путём дополнительной установки ОПН.
Мультиэлектродная система и ее испытания
На рис. 3.5 показан эскиз ленты из силиконовой резины, на которой укреплялись электроды в виде шайб диаметром 9 мм, образуя так называемую мульти - электродную систему (МЭС). Шайбы крепились к ленте при помощи винтов МЗ с гайками или заклёпками. Шайбы выполнялись из стали, латуни и меди. Расстояние между краями шайб, т. е. искровые промежутки, составляли, примерно, S=2 мм. Число промежуточных электродов составляло от 100 до 500. Лента наматывалась на отрезок кабеля по спирали с шагом 20-30 мм, а сам отрезок кабеля сгибался в виде петли (см. рис. 3.6). Предварительно проводились исследования по выбору оптимального шага спирали, при котором разряд не будет перескакивать между витками. Для этого изготавливался образец с электродами из фольги. Н образце были выделены участки с различным шагом спирали (см. рис. 3.7)
Для определения эффективности РДИ по гашению сопровождающего тока использовались схема формирования напряжения промышленной частоты (50 Гц) и генератор импульсов высокого напряжения для обеспечения срабатывания разрядника.
Электрическая схема стенда испытаний представлена на рис. 3.10. Для срабатывания (перекрытия) испытуемого разрядника РДИ использовался генератор импульсов напряжения (Сгин) с выходным напряжением до 250 кВ, который подключался к РДИ через сопротивление Rr. Для формирования переменного напряжения применялся колебательный контур емкость - индуктивность (L0, С0) с частотой колебаний, близкой к 50 Гц. Uc
Первоначально энергия запасалась в батареи конденсаторов С0 = 700 мкФ на номинальное напряжение 20 кВ. Формирование напряжения промышленной частоты от колебательного контура - С0, Lo. начиналось после срабатывания разрядника Р0 под воздействием импульса перенапряжения от ГИНа. Испытуемый разрядник (РДИ) соединялся с источником 50 Гц через сопротивление Яд и реактор Lp.
Реактор Lp использовался для отсечки конденсатора С0 от РДИ в момент гашения дуги на частотах восстановления напряжения. Сопротивление Яд моделировало активное сопротивление в цепи разрядника на линии, например, сопротивление заземления опоры.
Частота восстанавливающегося напряжения задавалась индуктивностью Ьф и конденсатором Сф. Расчетное значение частоты восстанавливающегося напряжения составляло 50 кГц при волновом сопротивлении контура Сф, Ьф РДИ - 60 Ом. Измерение и запись кривых тока и напряжения на РДИ выполнялись с помощью емкостного делителя напряжения (Сь Сг), шунта тока (Rm), соединительных кабелей и цифрового запоминающего осциллографа.
При исследованиях применялся следующий порядок работы схемы. Вначале заряжалась батарея конденсаторов С0, затем емкость ГИНа. После срабатывания ГИНа пробивался испытуемый разрядник РДИ и вспомогательный разрядник Р0. Таким образом, к испытуемому разряднику одновременно прикладывалось молниевое перенапряжение и напряжение промышленной частоты.
Основной целью работы являлось повышение дугогасящих свойств длинно -искровых разрядников (РДИ), предназначенных для защиты В Л 10 кВ. РДИП устанавливаются по одному на опору с чередованием фаз, например, на первой опоре разрядник устанавливается на фазу А, на второй — на фазу В, на третьей - на фазу С и т. д. Индуктированное на линии молниевое перенапряжение приводит к перекрытию разрядников на разных фазах соседних опор и образованию контура междуфазного замыкания сопровождающего тока на напряжение промышленной частоты. В этот контур включены два разрядника и два сопротивления заземления опор R3, которые ограничивают токи замыкания, способствуя их гашению и предотвращению отключения ВЛ. Два разрядника, включаемые в указанный выше контур последовательно, подвергаются воздействию линейного напряжения. Таким образом, при наибольшем допустимом действующем значении напряжения 12 кВ на один разрядник приходится 6 кВ, причём он находится в контуре последовательно с сопротивлением заземления опоры. Сопротивление заземления опоры, как правило, Кц 10 Ом, поэтому в работе, в основном, применялось дополнительное сопротивление Рд=10 Ом (см. рис. 3.8); для ужесточения режима испытаний использовалось также Кд=5 Ом, а для облегчения - Кд=20 и 40 Ом.
Для защиты В Л 10 кВ от перенапряжений прямого удара молнии целесообразно применение РДИ модульного типа (РДИМ) с длиной перекрытия по поверхности разрядника 1,5 м [34]. Их необходимо устанавливать параллельно каждому изолятору на опоре, например в случае одноцепной ВЛ, по три штуки на опору. При ударе молнии в опору происходит перекрытие всех трёх разрядников. Вследствие того, что на одной из фаз ВЛ в момент удара молнии в линию напряжение близко к нулю, дуга на разряднике этой фазы не образуется. На двух других фазах дуга образуется и горит до первого перехода тока через ноль. После чего она должна погаснуть. Как видно из приведённого краткого описания молниезащиты ВЛ от прямых ударов молнии, в этом случае образуется контур из двух разрядников РДИМ соединённых последовательно и включённых под линейное напряжение, причём в образованном контуре нет сопротивлений заземлений опор, поскольку перекрытие разрядников происходит на одной опоре. Поэтому применительно к этому случаю, в основном, использовались образцы с G=l,5 м, а добавочное сопротивление равнялось нулю Яд—0, что соответствовало наиболее тяжёлому случаю молниевого перекрытия на ВЛ вблизи подстанции.
Результаты испытаний для образцов при добавочных сопротивлениях Руд=5-40 Ом приведены в табл. 3.2, а при R-д-О - в табл. 3.3.
Об эффективности работы опытного образца разрядника можно судить по величине действующего значения напряжения сети Uc, при котором обеспечивается гашение сопровождающего тока. Чем больше Uc, тем эффективней РДИ. Результаты испытаний в табл. 3.2, 3.3 приведены в порядке возрастания значений Uc , т. е. -, в порядке увеличения эффективности разрядника. В частности, для защиты В Л 10 кВ разрядник должен обеспечивать гашение при Uc 12/2=6 кВ.
Как видно из табл. 3.2 (см. строки 1 и 2), РДИП без дополнительных электродов с G =0,8 м при Яд = 5 и 10 Ом обеспечивает гашение сопровождающих токов при напряжении сети Uc=2,3 кВ и Uc=2,6 кВ. Для стопроцентного гашения сопровождающих токов на В Л 10 кВ разрядник должен обеспечивать гашение при Uc 6кВ. Таким образом, при Яд = 5 и 10 Ом дугогасящая способность указанного разрядника недостаточна. Однако, как видно из строки 4 табл. 3.2, при Яд = 40 Ом Uc = 6 кВ, и разрядник обеспечивает надёжное гашение сопровождающих токов.
Применение колец с выступами приводит к существенному увеличению дуго-гасящей способности; при Кд = 10 Ом Uc =6,7 6 кВ (см. табл. 3.2, строка 6). Эти экспериментальные результаты могут быть объяснены тем, что в случае применения промежуточных электродов в виде колец с выступами искровой и соответственно дуговой каналы разбиваются на 16 отдельных каналов, и их гашение облегчено, видимо, вследствие лучшего охлаждения дуги на промежуточных электродах и вследствие катодного эффекта (см., например, [43]).
Полученные экспериментальные результаты показывают, что РДИП с G = 0,8 м, оснащённый кольцами с выступами, можно применять для надёжной защиты ВЛ от индуктированных перенапряжений на опорах с сопротивлением заземления R3 = 10 Ом и более, т. е. практически во всех реальных случаях эксплуатации.
Из табл. 3.2 видно, что наиболее эффективными оказались образцы РДИ с мульти - электродной системой (МЭС) из металлических шайб (см. рис. 3.5). Значение напряжения Uc =6,7 кВ у образцов с кольцами с выступами достигается при габарите G =0,8 м (см. табл. 3.2, строку 5), для образцов с шайбами то же значение Uc =6,7 кВ достигается при габарите G=0,6 м (см. табл. 3.2, строку 10).
Из табл. 3.2 видно также, что для всех типов образцов с уменьшением Кд, т. е. с увеличением сопровождающего тока, снижается Uc, однако, для образцов с шайбами это снижение меньше, чем для других типов образцов (см., например, строки 5,6 и 9,10). Следует отметить, что для образцов с множественными промежуточными электродами гашение сопровождающего тока происходит до перехода тока сети через ноль в отличие от всех остальных образцов, у которых гашение происходит при переходе тока через ноль
Разработка разрядника мультикамерного РМК-20
Класс напряжения 20 кВ является очень перспективным, сейчас в ряде энергосистем РФ разрабатываются планы по переводу В Л 10 кВ на 20 кВ. Кроме того, существуют и много лет эксплуатируются ВЛ 15 кВ в Карелии и Калининградской области. Также разработка устройства для ВЛ 20 кВ (24 кВ по «западной» классификации) позволяет выйти на междунароный рынок, где такие сети получили большое распространение. Создание разрядника на класс 20 кВ на основе технологии РДИ было бесперспективным ввиду громоздкости такого устройства и ряда технологических сложностей.
В разделе подробно описан процесс создания и испытания образцов разрядников с МКС, рассказано о создании новой схемы испытаний, расположенной на территории СПбГПУ. Работы проводились в рамках НИОКР по теме: «Разработка разрядника для молниезащиты высоковольтных линий электропередачи 20кВ (РМК-20).» (государственный контракт № 7205/9835 от 30.07.09 г.).
Схема и методика испытаний. Для оценки работоспособности образцов необходимо использование синтетической схемы, обеспечивающей одновременное приложение к РМК — 20 (образцов МКС) напряжения промышленной частоты и молниевого импульса. Испытательная установка ВИТУ (см. Раздел 3.1) уже не удовлетворяла всем требованиям, также задерживало работу неудобное территориальное размещение лаборатории (Ленинградская обл., пос. Приветнинское). Поэтому была разработана новая схема и создана установка на территории СПБГПУ.
Схема состоит из двух блоков. Один блок генерирует напряжение промышленной частоты 50 Гц, а другой - импульсы молниевого перенапряжения. Блок напряжения промышленной частоты создан на основе мощного колебательного L-C контура и позволяет обеспечивать два периода синусоидального напряжения с амплитудой до 30 кВ и током короткого замыкания с амплитудой 5 кА. Второй блок -это генератор импульсных напряжений (ГИН), способный выдавать импульсы напряжения 1.2/50 мкс с максимальным значением 300 кВ. Разработанная схема позволяет провести испытания, как образцов МКС, так и РМК 20 на гашение сопровождающего тока при его срабатывании от индуктированных молниевых перенапряжений.
Цель испытаний- определение дугогасящих характеристик разрядника. Как известно, разрядник, защищающий линию электропередачи (ЛЭП) от молниевых перенапряжений, должен срабатывать при возникновении импульсов перенапряжений, не допуская перекрытие изолятора. Импульсный ток молнии должен уходить через опору в землю, а сопровождающий ток промышленной частоты не должен превышать длительность одного - двух полу периодов.
Поэтому до начала испытаний МКС было необходимо сделать следующее:
- выбрать энергоэкономичную и реализуемую схему испытаний разрядников на гашение сопровождающего тока;
- подбрать параметры схемы;
- смонтировать и наладить схему;
- произвести экспериментальное опробование и определение фактических параметров синтетической схемы испытаний.
При выборе схемы испытаний учитывалась необходимость уменьшения энергопотребления при эксплуатации и ограниченность расходов на сооружение установки. Выбранная схема представлена на рис.4.5 (упрощенно).
Установку условно можно разделить на два отдельно работающих блока: а) генератор импульсов напряжения (ГИН); б) колебательный контур промышленной частоты (Сеть).
Далее было необходимо выбрать и измерить фактические параметры схемы. Генератор импульсов напряжения должен создавать напряжение и ток молниевого перенапряжения. Для испытания разрядников выходное напряжение ГИНа должно было варьироваться в диапазоне 80 300 кВ. ГИН был скомплектован двумя наборами конденсаторов Сгин: 0,15 мкФ и 12 мкФ. Для регулирования наибольшего значения тока использовались сопротивления 7?гин величиной 5, 10, 50 и 100 Ом. Как показали измерения, на данной установке можно получить импульсный ток с наибольшим значением до 60 кА при длительности до 20 мкс.
Емкости батареи колебательного контура Сок = 350 мкФ на напряжение 30 кВ. Наибольшую запасаемую энергию можно рассчитать по формуле W=CU2/2. При напряжении 30 кВ в батарее запасается 158 кДж. Реактор L0K необходим для формирования в контуре напряжения промышленной частоты. Для формирования амплитуды и длительности тока первого полупериода использовался реактор Ьразр. Элементы LB, RB и Св позволяли сформировать нужную форму восстановленного напряжения. Как показали измерения, на данной установке можно получить переменное напряжение частотой до 75 Гц при амплитуде тока короткого замыкания до 5 кА.
При исследованиях применялся следующий порядок работы схемы. Вначале заряжалась батарея конденсаторов Сок, затем емкость ГИНа. После срабатывания ГИНа пробивался испытуемый разрядник РМК и вспомогательный разрядник в колебательном контуре промышленной частоты. Таким образом, к испытуемому разряднику одновременно прикладывалось молниевое перенапряжение и напряжение промышленной частоты.
На рис.4.6 приведены фотографии испытаний на гашения одного из вариантов мультикамерной системы (МКС) разрядника РМК - 20. Для удобства исследований различные варианты исполнения МКС наклеивались по периметру стеклянного тарелочного изолятора U120AD.
Разработанный стенд позволил вести эффективную научно - исследовательскую и опытно конструкторскую работу по разработке новых типов разрядников, не только РМК-20. В дальнейшем схема модернизировалась для увеличения выходных параметров, что потребовалось при разработке устройств для ВЛ 220 кВ (см. Главу 5).
Похожие диссертации на Разработка и исследование длинно-искровых и мультикамерных разрядников для молниезащиты воздушных линий электропередачи 6-220 кВ
