2 Блискавкозахист підстанцій

2.3 Захист підстанцій від хвиль, що набігають із лінії електропередачі

За великої крутизни набіжної хвилі на підстанцію, миттєві значення і амплітуди напруги в різних точках її схеми виявляються різними. Наприклад, якщо захищений об’єкт (1) виявився першим по ходу хвилі відносно захисного ОПН або розрядника (4) (рис. 2.3), а відстань між ними по ошинуванню дорівнює l₁₂, то початок хвилі прийде до розрядника пізніше, ніж до об'єкта, на час t₁₂=l₁₂/с, де с – швидкість руху хвилі. Коли хвиля ще тільки почне підйом напруги на розряднику, на об’єкті (1) напруга вже досягне значення U₁=U'_в·t₁₂, де U'_в – крутизна набіжної хвилі.

Рисунок 2.3 – Еквівалентна розрахункова схема підстанції

У той момент, коли напруга на розряднику досягне пробивної (punch-through voltage; disruption voltage) U_np і він спрацює, на об’єкті (1) напруга вже перевищить це значення на величину U'_в·t₁₂, а амплітуда напруги на об’єкті, яка спостерігається в момент приходу відбитої від спрацювавшого розрядника хвилі, перевищить напругу на розряднику на величину ∆U=2t₁₂U'_в. Таким чином, для успішного захисту об’єкта розрядник повинен мати пробивну і залишкову напруги нижче допустимої на захищеному об’єкті на величину не менше ∆U. Ця величина називається інтервалом координації. Бажано мати інтервал координації не менше 15-30% від рівня допустимої напруги на об'єкті.

У звичайних схемах підстанції, де вжиті заходи для обмеження крутизни набіжних хвиль і віддалення розрядників від захищеного устаткування не перевищує 150...200 м, амплітуда перенапруг викликаних надходженням грозових хвиль по лініях, у будь-якій точці ошинування підстанції не перевищує 1,3U_зал, де U_зал – залишкова напруга вентильного розрядника або ОПН.

На форму імпульсів перенапруг у різних точках підстанції впливають вхідні ємності силових трансформаторів та інших елементів схеми, а також лінії електропередачі, які відходять від підстанції. Типові криві імпульсів грозових перенапруг, розраховані для еквівалентної схеми тупикової підстанції 110 кВ (див. рис. 2.3), показують, що для трансформаторів характерна наявність у кривій напруги двох складових: аперіодичної хвилі й накладених коливань, що згасають (рис. 2.4). У розрахунку приймалися l₁₂=45 м, l₂₃=30 м, l₂₄=15 м, C₁=730 пФ, C₂=900 пФ, C₃=1000 пФ, як розрядник використовувався РВС-110.

Рисунок 2.4 – Криві напруги у вузлових точках схеми рис. 2.3

Особливістю перенапруг на підстанції є їхня значна залежність від крутизни фронту й від амплітуди набіжної хвилі. Залишкова напруга на захисному апараті залежить тільки від амплітуди впливу, слабко міняючись завдяки пологій кривій вольт-амперної характеристики його нелінійних опорів.

Для забезпечення блискавкозахисту підстанцій від набіжних по лініях хвиль грозових перенапруг необхідні такі заходи:

1) вибір одного або декількох трифазних комплектів вентильних розрядників (або ОПН), у яких пробивна й залишкова напруга нижче припустимого рівня перенапруг на певну величину, названу інтервалом координації ∆U_K;

2) захист підходів ліній від прямих ударів блискавки на певній довжині l_п, при якій забезпечується достатнє згладжування фронту набіжних хвиль і зниження струму в розрядниках;

3) визначення такої кількості ОПН або розрядників і місць їхнього встановлення, за якої відстань між кожним з об’єктів, що захищається, і найближчим до нього захисним апаратом l_р не перевищує безпечної величини, яка залежить від схеми підстанції, довжини захищеного підходу лінії та інтервалу координації.

Вибір схеми блискавкозахисту підстанції зводиться до знаходження оптимального, з погляду критеріїв блискавкозахисту, співвідношення між зазначеними параметрами.

Під час встановлення інтервалу координації варто враховувати, що рівень допустимих впливів на ізоляцію U_доп пов’язаний з величиною випробувальної напруги за ГОСТ 1516.3-96. Для силових трансформаторів, зокрема, прийнято, що за типової форми імпульсного впливу рівень припустимих перенапруг визначається згідно з табл. 2.1.

Таблиця 2.1 – Допустимі рівні грозових перенапруг для силових трансформаторів і шунтувальних реакторів

* Примітка: числа без дужок відповідають силовим трансформаторам, числа в дужках – шунтувальним реакторам.

Допустимі грозові перенапруги для зовнішньої ізоляції (високовольтних вводів, роз’єднувачів, вимикачів, конденсаторів зв’язку) виявляються різними за різних тривалостей фронту імпульсу і визначаються за нижньою границею області розкиду їхніх вольт-секундних характеристик. За відсутності експериментальних вольт-секундних характеристик використовується формула Горєва-Машкілейсона:

,                                  (2.2)

де , причому ;

U(τ₁)  і U(τ₂) – відомі імпульсні розрядні напруги для передрозрядного часу τ₁ і τ₂, наприклад, розрядна напруга за зрізаної хвилі 2 мкс і розрядна напруга під час впливу повного імпульсу (τ₂=20 мкс).

Кількість і розташування розрядників на підстанції спочатку приймається, виходячи з досвіду створення аналогічних схем підстанцій і з умови зручності їхнього розміщення на території ВРУ. Згодом виконується порівняння різних варіантів розміщення розрядників і вибір оптимального варіанта. Досвід розрахунків блискавкозахисту підстанцій показує, що в типових схемах розрядник здатний забезпечити блискавкозахист устаткування підстанції розташоване на віддалі від нього не більше, ніж 30-150 м, причому менші значення відповідають тупиковим підстанціям і розрядникам старих типів, а більші – прохідним підстанціям і ОПН.

Необхідні обмеження крутизни фронту набіжної хвилі досягаються завдяки наявності захищеного підходу лінії електропередачі. Хвиля під час руху по лінії деформується за рахунок імпульсної корони і втрат у проводах та на землю таким чином, що тривалість фронту збільшується приблизно пропорційно довжині пробігу. У розрахунках блискавкозахисту використовується така емпірична формула для оцінки збільшення тривалості фронту хвилі ∆τ_ф (у мікросекундах) під час пробігу по ділянці лінії довжиною l_п (у кілометрах)

,                                           (2.3)

де η^(-) – коефіцієнт деформації фронту хвилі внаслідок імпульсної корони, що показує, на скільки мікросекунд подовжується фронт хвилі під час пробігу одного кілометра лінії.

Для хвиль від’ємної полярності з напругою, що перевищує напругу початку корони, коефіцієнт деформації фронту можна знайти за емпіричною формулою:

,                          (2.4)

де U_K — напруга початку коронування проводів лінії.

Необхідно відзначити, що в районах з високим питомим опором ґрунтів (ρ_з≥1000 Ом∙м) деформація хвилі істотно залежить також від втрат у землі. Врахування цих втрат значно ускладнює розрахунок коефіцієнта деформації фронту, тому він повинен проводитися за допомогою ЕОМ.

Захист підходу лінії полягає в таких заходах:

1) підвішуванні блискавкозахисних тросів навіть у випадку їхньої відсутності на інших ділянках лінії;

2) зниженні кута тросового захисту а ≤20° шляхом підвішування другого троса або зміни конструкції опори на підходах;

3) заземленні тросів на кожній опорі підходу;

4) зниженні опору заземлення опор на підході до значень R≤10...20 Ом.

Крім того, за розташування проводів на лінії на різних висотах рекомендовано перейти на підходи до опор з горизонтальним розташуванням проводів, що мають меншу індуктивність.

На початку підходу ліній на дерев’яних опорах бажано встановити розрядник РВ1 (рис. 2.5) з малим опором заземлення для захисту точки з ослабленою ізоляцією. Цей розрядник також сприяє обмеженню амплітуди хвиль на початку захищеного підходу, завдяки чому знижується амплітуда струму в підстанційному розряднику. Наприкінці захищеного підходу, перед лінійним вимикачем, рекомендується також установити розрядник РВ2. Він призначений для захисту ізоляції кінця лінії і вимикача від хвиль під час повторних розрядів блискавки. Вони можуть пройти, коли відключена вимикачем лінія не заземлена (наприклад, під час безструмової паузи АПВ, викликаної попереднім розрядом блискавки). Розрядник РВ2 приєднується до загального контуру заземлення підстанції.

Рисунок 2.5 – Схема захищеного підходу лінії електропередачі

Довжина захищеного підходу l_п для кожного варіанта схеми визначається з урахуванням особливостей розвитку перенапруг у такій схемі під час набігання хвиль. Для цього спочатку будується так звана крива небезпечних хвиль (КНХ), що показує, для яких поєднань амплітуди і тривалості фронту набіжна хвиля буде в змозі викликати небезпечні перенапруги (рис. 2.6). Побудова кривої небезпечних хвиль вимагає проведення серії розрахунків перехідних процесів (transient process) у схемі за набігання хвиль із різними амплітудами і тривалостями фронту та відбору тих із них, під час яких перенапруги на трансформаторі або на іншому захищеному обладнанні досягають граничної припустимої величини U_доп.

Рисунок 2.6 – Визначення критичної тривалості фронту хвилі для розрахунку довжини безпечного захищеного підходу лінії

Не всі із знайдених небезпечних поєднань амплітуди і крутизни (або тривалості фронту) набіжних хвиль можуть у дійсності спостерігатися на вході підстанції. Амплітуда набіжних з лінії хвиль не може перевищити значень імпульсного рівня лінійної ізоляції або пробивної напруги розрядника РВ1. Під час виникнення хвиль із амплітудою, що перевищує вказані значення, відбувається перекриття гірлянд лінійних ізоляторів або спрацьовування розрядника, що приводить до зниження амплітуди набіжної на підстанцію хвилі. Рівень обмеження амплітуди хвилі, відповідно до вольт-секундної характеристики розрядного проміжку, залежить від крутості хвилі (або тривалості фронту хвилі τ_ф). Поєднавши на одному графіку вольт-секундну характеристику (ВСХ (voltage-second characteristic)) гірлянди ізоляторів (або розрядника на лінійному підході) і криву небезпечних хвиль підстанції, одержимо чотири області поєднання амплітуди U_в і тривалості фронту τ_ф набіжних із лінії хвиль.

Вище КНХ знаходиться область небезпечних хвиль, однак хвилі, які розташовані вище вольт-секундної характеристики, приходять на підстанцію з амплітудами й довжинами фронтів, обмеженими дією ВСХ. Всі хвилі, розташовані нижче КНХ, утворять область безпечних хвиль. Як і в попередньому випадку, хвилі, що знаходяться вище ВСХ, будуть обмежені. Реальною небезпекою для підстанції є лише хвилі, розташовані вище КНХ, причому виконувати розрахунки перенапруг для обмежених дією ВСХ хвиль немає необхідності, але вони повинні бути враховані в оцінках статистики небезпечних впливів.

Загальною особливістю впливів є те, що тривалість фронту небезпечних хвиль τ_ф не перевищує значення абсциси точки перетину кривої небезпечних хвиль і вольт-секундної характеристики ізоляції на підході τ_кр (див. рис. 2.6). Якщо вибрати таку довжину захищеного підходу лінії, за якої подовження фронту хвилі буде не менше ніж τ_кр, то будь-яка хвиля, що виникла поза зоною захищеного підходу, після пробігу по підходу стане безпечною для підстанції. Критична (мінімальна) довжина l_п, яка задовольняє цю умову, може бути розрахована за формулою:

.

Захист підходу, навіть за використання всіх перерахованих заходів, не вдається зробити абсолютно надійним. Зберігається деяка імовірність прориву блискавки на проводи лінії та зворотних перекриттів у зоні захищеного підходу. Частина виникших при цьому хвиль не встигає за час пробігу від місця удару блискавки до підстанції подовжити фронт до безпечної величини і викликає небезпечні перенапруги. Число таких хвиль буде залежати від надійності блискавкозахисту підходу лінії та від його довжини.

У тому варіанті схеми блискавкозахисту підстанції, де критична довжина захищеного підходу l_кр виявляється найбільшою, буде найбільшим і число небезпечних хвиль, що виникають внаслідок ураження лінії в зоні захищеного підходу, тому під час проектування схем блискавкозахисту прагнуть до того, щоб довжина підходу l_кр не перевищувала деякого граничного значення, а саме:

Якщо величина l_кр перевищує вказане значення, доцільно змінити тип, число або розташування розрядників на підстанції й спробувати знайти більш вдалий варіант схеми блискавкозахисту.

Як вже зазначено, небезпечні хвилі можуть прийти на підстанцію лише з ділянки підходу лінії довжиною l_кр. Удари блискавки в лінію поза цією ділянкою є безпечними для підстанції, тому для оцінювання середньорічного числа набігання небезпечних хвиль досить розрахувати лише очікуване число виникнення небезпечних хвиль під час ударів блискавки в ділянку лінії довжиною l_кр, що примикає до підстанції.

Для оцінювання надійності захисту від набіжних хвиль довжину критичного підходу l_кр ділять на велику кількість ділянок так, щоб у межах кожної ділянки ∆l імовірність виникнення небезпечної хвилі під час прориву блискавки можна було б вважати незмінною. Потім для всіх точок підходу, що відповідають кінцям ділянок, будують криві небезпечних хвиль, які враховують деформацію хвиль під час пробігу від кінця ділянки до підстанції за рахунок імпульсної корони, втрат у землі, а також можливого імпульсного перекриття ізоляції лінії по ходу хвилі. За формулами, наведеними у розділі 1, визначають середньорічне число проривів блискавки N_np по всій довжині критичного підходу l_кр. Якщо припустити, що прорив блискавки має однакову ймовірність виникнення на будь-якій ділянці ∆l довжини критичного підходу, то можна вважати, що відношення ∆l/l_кр дорівнює частці проривів у загальному числі N_np, що припадає на одну ділянку.

Знаючи число проривів блискавки на ділянці ∆N_np=N_np·∆l/l_кр і криву небезпечних хвиль для цієї ділянки, можна розрахувати середньорічне число набігання небезпечних хвиль із цієї ділянки.

Визначивши число небезпечних хвиль із кожної ділянки, розраховують середньорічне число небезпечних хвиль шляхом підсумовування всіх знайдених значень ∆п_к. Оскільки ця методика вимагає багаторазової побудови кривої небезпечних хвиль із урахуванням деформації хвилі під час пробігу певних відстаней до підстанції й багаторазового інтегрування ймовірності по області, що знаходиться вище кривих небезпечних хвиль, розрахунки можуть бути виконані лише з використанням обчислювальної техніки.

Можна, з деяким наближенням, розрахувати кількість небезпечних хвиль п_нх, побудувавши єдину криву небезпечних хвиль для підстанції (рис. 2.7) і зробивши лише двовимірне інтегрування, що істотно спрощує розрахунки. Відповідно до цього методу для кожного варіанта поєднання параметрів хвилі U_хв і τ_ф потрібно визначити критичну довжину пробігу, після якого хвиля з даними параметрами деформується настільки, що стає безпечною. Розрахунки будуються, виходячи з таких міркувань. Хвилі з параметрами, що розташовуються вище кривої небезпечних хвиль, але з амплітудою нижче рівня U_кр (область 1 на рис. 2.7), у міру їхнього просування до підстанції будуть відчувати деформацію фронту.

Рисунок 2.7 – Визначення необхідної деформації хвилі ∆τ₁ для області 1

Після пробігу деякої відстані l₀₁ фронт подовжиться настільки, що хвиля стане безпечною. Для цього необхідно, щоб точка А, розташована наприкінці фронту хвилі, перемістилася по горизонталі в точку А´, розташовану на кривій небезпечних хвиль. Величину необхідного для цього пробігу можна розрахувати, використовуючи формулу:

,                                     (2.5)

де ∆τ₁ – необхідне подовження фронту (рис. 2.7).

Таким чином, кожному поєднанню амплітуди при U_хв≤U_кр і тривалості фронту τ_ф хвилі відповідає певна довжина пробігу l₀, після якого хвиля стає безпечною. За заданого поєднання U_хв і τ_ф небезпечними для підстанції виявляються лише ті хвилі, які виникнуть на відстані від підстанції, що не перевищує l_0. Якщо вважати однаковою ймовірність влучення блискавки в будь-яку точку підходу довжиною l_кр, то можна визначити, яка частка від загального числа ударів блискавки в підхід, що приводять до появи хвиль із заданим поєднанням U_хв і τ_ф, буде небезпечна для підстанції.

.                                 (2.6)

Розглянемо далі область 2 параметрів хвиль, розташовану нижче вольт-секундної характеристики, але вище рівня U_кр (рис. 2.8). Ці хвилі будуть викликати перекриття гірлянд на опорах лінії, найближчих до точки удару блискавки, причому момент перекриття визначиться точкою перетину вольт-секундної характеристики з лінією спаду хвилі; після перекриття напруга хвилі швидко спадає до значень, обумовлених напругою на заземлювачі опори, що, звичайно, не є небезпечними для ізоляції.

Рисунок 2.8 – Метод визначення ∆τ₂ для області 2

Для того, щоб зробити безпечною таку зрізану на спаді хвилю, буде потрібна довжина пробігу, при якій точка В фронту хвилі на рівні напруги U_B, обумовлена точкою перетинання лінії спаду хвилі і кривою небезпечних хвиль, переміститься з початкового положення В у положення В´ на кривій небезпечних хвиль (рис. 2.8). Необхідну довжину пробігу l₀₂ у цьому випадку можна знайти з виразу:

,                                      (2.7)

де ∆τ₂ визначається відповідно до рис. 2.8.

Для області 2 можна також знайти в кожному поєднанні частку хвиль, небезпечних для підстанції, за формулою, аналогічною (2.6):

.                                 (2.8)

Нарешті, розглянемо область 3 поєднань амплітуд і тривалості фронту хвиль, розташовану вище вольт-секундної характеристики (рис. 2.9). Такі хвилі будуть зрізані на найближчих опорах ще на фронті, у точці перетину лінії початкового фронту хвилі з вольт-секундною характеристикою. У цьому випадку, згідно з рис. 2.9, необхідна довжина пробігу визначиться вимогою перемістити точку С фронту на рівні U_С, що встановлюється точкою перетину лінії зрізу хвилі та кривою небезпечних хвиль, у положення С´:

.                                    (2.9)

Рисунок 2.9 – Метод визначення ∆τ₃ в області 3

За знайденим значенням l₀₃ можна, як і в попередніх випадках, визначити умовну ймовірність ураження підстанції Р_нх3.

Загальну ймовірність перевищення припустимого рівня перенапруг на підстанції під час прориву блискавки в зоні захищеного підходу можна знайти шляхом підсумовування P_нх1, Р_нх2, Р_нх3.

Аналогічним чином можна розрахувати й очікуване число появи небезпечних хвиль, викликаних зворотними перекриттями під час ударів блискавки в опори в зоні захищеного підходу, тільки при цьому потрібно враховувати особливості формування і деформації імпульсу хвилі під час зворотного перекриття.

Заходи захисту підстанції від грозових хвиль, що набігають із ліній електропередачі, забезпечують високу надійність її роботи. Так, наприклад, для типової схеми підстанції 220 кВ, що працює в тупиковому режимі, з відстанню між розрядником і трансформатором 90–120 м, розрахункове число відключень підстанції під час підходу небезпечних хвиль грозових перенапруг внаслідок проривів блискавки на проводи на підході лінії до підстанції становить:

.