Введение к работе
Актуальность проблемы. Изоляция электрических сетей и электрооборудования должна в течение десятков лет выдерживать приложенное к ней рабочее напряжение с учетом загрязнения, увлажнения и других воздействий окружающей среды, а также старения вследствие частичных разрядов, электродинамических усилий, коррозии и других электрофизических, электрохимических и электромеханических воздействий в процессе эксплуатации. Кроме того, изоляция должна надежно выдерживать многократные грозовые и коммутационные перенапряжения, длительные повышения напряжения. Вместе с тем необходимо обеспечить эффективную ликвидацию аварийных последствий в случае перекрытия изоляции. Последнее условие выполнимо лишь с учетом действия защитных устройств - разрядников, нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН) и др., оптимизации действия релейной зашиты, автоматического повторного включения (АПВ) и других мер ограничения перенапряжений и защиты сети от нарушений ее нормальной работы.
Применение все более высоких классов напряжения, развитие электрических сетей, увеличение протяженнности линий электропередачи с одной стороны, и тенденция снижения допустимой кратности перенапряжений на изоляции с ростом номинального напряжения оборудования - с другой, обусловливают актуальность задачи глубокого ограничения перенапряжений.
Научно-технический прогресс в области мер защиты (ОПН, АПВ и др.) дает возможность поставить проблему "приведения изоляции к норме" (по терминологии Н.Н. Щедрина), то есть создания комплекса мер ограничения и защиты от перенапряжений, при котором изоляция линий и подстанций определялась бы в основном длительным приложением рабочего напряжения.
Приведение изоляции к норме предполагает снижение перенапряжений до уровня, при котором дальнейшее их ограничение уже не целесообразно. Очевидно, что достаточный уровень ограничения перенапряжений (по отношению к наибольшему рабочему напряжению) различен для оборудования разных классов напряжения. Столь же очевидно и различие требований к защите от перенапржений различных элементов электропередачи.
С ростом номинального напряжения приведение изоляции к нор-
ме требует все более сложных технических решений. В проектной и исследовательской практике возникает необходимость повышения точности и достоверности расчетных оценок перенапряжений, воздействующих на изоляцию оборудования электропередач.
Задача ограничения перенапряжений в современной практике решается, главным образом, путем использования аппаратных средств (вентильных разрядников, нелинейных ограничителей перенапряжений, реакторов с искровым присоединением, выключателей с предвключаемыми и шунтирующими сопротивлениями) и в меньшей степени - использованием средств противоаварийной автоматики (ПА). В то же время, рациональное осуществление плановых и аварийных коммутаций может в значительной степени облегчить решение задачи ограничения перенапряжений, снизить требования, предъявляемые к защитным устройствам, облегчить условия их работы.
В соответствии с характером воздействия на процессы в сети, принципами осуществления и способами реализации, управление плановыми и аварийными коммутациями, имеющее целью ограничение внутренних перенапряжений, следует отнести к числу схемно-режимных мер.
Рассматривая перенапряжения, воздействующие на изоляционные элементы многопроводной системы воздушной линии, следует обратить внимание и на условия работы изоляции грозозащитных тросов, которые до сих пор остаются малоизученными. Необходимость детального анализа режимов работы тросов и переходных процессов в них продиктована серьезными проблемами, возникающими в практике эксплуатации и связанными с повреждениями тросов, их изолирующей подвески, нарушениями работы ВЧ каналов связи по ВЛ.
Результаты, полученные в настоящей работе, базируются на общих достижениях теории перенапряжений и стали возможными во многом благодаря плодотворной деятельности ряда отечественных и зарубежных исследователей. Развитие теории перенапряжений, являющейся неотъемлемой частью межотраслевой научной дисциплины "Техника высоких напряжений", неразрывно связано с именами А.А. Горева, Л.И. Сиротинского, А.И. Долгинова, Д.В. Разевига, М.В. Костенко, В.В. Еургсдорфа, Н.Н. Тиходеева, К.П. Кадомской, М.Л. Левинштейна, Д.Е. Артемьева, С.С. Шура, Ч.М. Джуварлы, Л.Ф. Дмоховской, В.В. Базуткина, Н.Н. Белякова, Г.А. Евдокунина, И.Ф. Полового, ю.А. Михайлова, Ф,Х. Халилова, Ю.И. Лыскова, А.К. Лоханина и многих других ученых-электроэнергетиков.
Цель и задачи работы. Целью работы является совершенствование научно-методической базы исследования перенапряжений и определения показателей надежности эксплуатации изоляции для разработки высокоэффективных систем защиты от перенапряжений на основе комплексного подхода к решению проблемы обеспечения надежности линий электропередачи высших классов напряжения.
В соответствии с поставленной целью основными задачами исследования являются:
обоснование расчетных моделей электрической сети сложной структуры и отдельных ее элементов;
разработка методов анализа электромагнитных переходных процессов и коммутационных перенапряжений в электропередачах высокого и сверхвысокого напряжения;
установление наиболее значимых факторов, определяющих уровень коммутационных перенапряжений;
определение эффективности схемно-режимных мер защиты от перенапряжений;
разработка принципов управления плановыми и аварийными коммутациями для ограничения возникающих перенапряжений;
анализ условий работы грозозащитных тросов ВЛ в различных эксплуатационных режимах.
Методы исследования. Методической основой моделирования многопроводных ЛЭП, исследования установившихся режимов и электромагнитных переходных процессов в электропередачах большой протяженности служат теория электрических цепей, волновых (модальных) каналов, аппарат вычислитель ней математики и алгебры матриц.
Разработанные методики расчетного определения статистических характеристик перенапряжений, показателей надежности работы изоляции, эксплуатационных воздействий на защитные устройства базируются на разделах теории вероятностей и математической статистики.
В диссертационный работе широко используются результаты вычислительных экспериментов, проводимых путем расчетов на ЭВМ с помощью программ; реализующих высокоточные алгоритмы расчета. Основные выводы и заключения об условиях работы грозозащитных тросов, получены с помощью теоретических исследований в сочетании с анализом опыта эксплуатации и результатов натурных испытаний действующих ВЛ СВН.
Научная новизна основных положений и результатов работы. К основным новым методическим результатам могут быть отнесены следующие:
разработанные в диссертации методические основы исследования электромагнитных переходных процессов и коммутационных перенапряжений в сетях сложной разветвленной структуры;
анализ зависимости статистических характеристик перенапряжений от вида и параметров схемы сети, выявивший наиболее значимые определяющие факторы;
методика построения частотных характеристик схем произвольного вида, с помощью которых могут быть определены параметры расчетной схемы, качественные и количественные характеристики переходных процессов;
методические рекомендации по составлению расчетной схемы, моделированию переходных процессов в системе многопроводной линии, включающей грозозащитные тросы.
Научная новизна результатов исследования перенапряжений, произведенного по разработанным математическим моделям, заключается, в основном, в следующем:
показано, что целенаправленное осуществление коммутаций по определенному алгоритму является эффективным способом управления электромагнитными переходными процессами;
на основе анализа зависимости перенапряжений от схемы и параметров сети, режима ее работы, условий коммутации ВЛ сформулированы общие принципы управления коммутациями, имеющего целью ограничение перенапряжений;
выполнен всесторонний анализ процессов в системе грозозащитных тросов в различных эксплуатационных режимах работы ВЛ, определены условия перекрытия изолирующей подвески тросов и горения дуги сопровождающего тока.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
Разработанные способы управления плановыми и аварийными коммутациями ВЛ, которые следует рассматривать как элемент комплексной системы защиты от перенапряжений, позволяют эффективно ограничивать уровень коммутационных перенапряжений и в значительной степени снизить токовые нагрузки на защитные аппараты.
Использование предлагаемой методики расчетного моделирования переходных процессов в электрических сетях повышает обоснованность выбора мер защиты электропередачи от перенапряжений.
Методические разработки, предназначенные для анализа электромагнитных переходных процессов в системе грозозащитных тросов и условий гашения дуги в искровых промежутках тросовых гирлянд, могут быть использованы в проектной и эксплуатационной практике для выбора схемы выполнения тросов, оптимизации конструкции их изолирующей подвески.
Методика расчетного моделирования переходных процессов в сетях сложной структуры использовалась в проектных разработках института "Сибэнергосетьпроект" для анализа перенапряжений и выбора средств защиты от них в системообразующих электропередачах 500 кВ ОЭС Сибири.
Результаты работы в части способов управления коммутациями внедрены в электропередачах класса 750 кВ, связывающих энергосистемы Украины и стран Восточной Европы, в электропередаче 1150 кВ Сибирь - Казахстан - Урал.
Результаты анализа условий работы грозозащитных тросов ВЛ СВН, рекомендации по схемным решениям и конструктивному выполнению тросов используются Департаментом электрических сетей РАО "ЕЭС России" в разработках мероприятий по реконструкции и техническому перевооружению тросовых систем ВЛ, а также в проектной практике "Сибэнергосетьпроекта".
Основные методические положения диссертации нашли применение в исследовательской практике Сибирского НИИ энергетики.
Апробация работы. Исследовательская работа по теме диссертации выполнялась автором на протяжении многих лет. Первые результаты были опубликованы в 1977-79 гг. Публикации, отражающие основные результаты диссертационной работы, датируются восьмидесятыми - девяностыми годами. Основные материалы работы и отдельные ее положения докладывались и обсуждались на международных, республиканских и региональных научных конференциях и совещаниях, в том числе на Всесоюзной конференции "Современные проблемы электроэнергетики" (Киев, 1980); на Всесоюзном совещании "Глубокое ограничение перенапряжений в электропередачах высокого и сверхвысокого напряжения" (Новосибирск, 1980); на научной конференции по вопросам повышения надежности работы энергосистем (Новосибирск, 1982); на Всесоюзном научном семинаре "Глубокое ограничение перенапряжений в электропередачах высокого и сверхвысокого классов напряжения" (Новосибирск, 1983); на Международном симпозиуме по электрическим системам (Вроцлав, 1935); на Всесо-
юзном совещании "Оптимизация схемно-режимных характеристик электропередач повышенной пропускной способности и меры повышения их надежностных показателей" (Новосибирск, 1987).
Результаты работы также докладывались на заседании научно-технического Совета и объединенном семинаре кафедр факультета энергетики Новосибирского государственного технического университета (1995,1996,1997), на научных совещаниях Сибирского НИИ энергетики.
Основные результаты работы, выносимые на защиту:
-
Методические положения моделирования электромагнитных переходных процессов в схемах электрических сетей сложной структуры, позволяющие произвести комплексный анализ коммутационных перенапряжений и выбор мер защиты от них.
-
Обоснование эффективности управления коммутациями для ограничения уровня перенапряжений. Способы и алгоритмы управления плановыми и аварийными коммутациями ЕЛ.
-
Обоснованное проведенными исследованиями заключение о том, что грозозащитные тросы ВЛ класса 220 кВ и выше в режиме к. з. следует считать заземленными и образующими контур для протекания тока.
-
Методика и результаты анализа процессов в грозозащитных тросах при коммутационных воздействиях, позволившие установить одну из основных причин нарушения работы ВЧ каналов связи по ВЛ с проводящими тросами.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех основных разделов, заключения, списка литературы из 222 наименований и 3-х приложений. Общий объем работы составляет 38с страниц, включая 79 рисунков и 20 таблиц.
