2 Блискавкозахист підстанцій

2.4 Блискавкозахист підстанцій різних класів напруги

Лінії електропередачі напругою 330 кВ і вище захищаються тросами по всій довжині. Для обмеження внутрішніх перенапруг на кінцях ліній 330 кВ і вище встановлюють шунтувальні реактори. За розімкнутого лінійного вимикача на них відбувається подвоєння напруги набіжних хвиль, тому для захисту реакторів на лінії поруч із ними встановлюються вентильні розрядники. Габарити відкритого розподільного пристрою на таких підстанціях не дозволяють забезпечити захист одним розрядником одночасно декількох силових трансформаторів, тому розрядники встановлюють біля кожного трансформатора або реактора. Часто розрядники встановлюють безпосередньо біля виводів трансформатора (до вимикача), оскільки за відключених обмоток ВН зберігається небезпека виникнення на них атмосферних перенапруг шляхом переходу з обмотки СН. Ця небезпека особливо підвищена для автотрансформаторів.

Регулювальні частини обмоток трансформаторів і автотрансформаторів, а також обмотки НН захищають спеціальними розрядниками.

У мережах 110–220 кВ реактори на лініях, як правило, відсутні, тому відпадає необхідність установлення розрядників біля лінійного вимикача. Устаткування підстанцій цих класів напруги розташовується більш компактно, що дозволяє обмежитися встановленням одного комплекту розрядників на кожну систему шин. Однак на віддалених від шин трансформаторах (наприклад, на ГЕС) необхідно ставити додаткові розрядники. Крім того, у цих мережах підходи ліній повинні бути захищені блискавкозахисними тросами.

Деякі особливості має блискавкозахист підстанцій 3–20 кВ без електричних машин. Введення напруги на такі підстанції звичайно здійснюється за допомогою кабельних вставок, оскільки велику кількість повітряних ліній 3–20 кВ до підстанції підвести досить складно. Схема блискавкозахисту такої підстанції наведена на рис. 2.10. Оскільки така повітряна лінія має відносно слабку ізоляцію, практично будь-який удар блискавки в лінію приводить до трифазного перекриття ізоляції на землю. У результаті по всіх трьох фазах лінії передач до підстанції поширюються однакові хвилі перенапруг. У точці з’єднання повітряної лінії з кабелем відбувається відбиття й заломлення хвиль. Оцінити величину заломленої хвилі можна через коефіцієнт заломлення:

,

де Z_к і Z_л - хвильові опори кабелю й лінії.

Рисунок 2.10 – Схема блискавкозахисту підстанції 3–20 кВ

Під час руху хвилі перенапруг по трьох фазах лінії передач напруга на проводі будь-якої фази (наприклад, A) U_A пов’язана зі струмами у фазах І_А, І_В та І_С такою залежністю:

,

де Z_A0 – хвильовий опір фази A;

Z_AB і Z_AC – взаємні хвильові опори фази А і фаз В та С.

Оскільки хвилі рухаються по всіх трьох фазах лінії, то її хвильовий опір дорівнює:

 .

Наприклад, при Z_A0=400 Ом і Z_AB=100 Ом хвильовий опір Z_л=200 Ом.

Хвильовий опір кабелю під час руху хвилі по всіх трьох жилах Z_к=10...15 Ом. За таких значень Z_л і Z_к коефіцієнт заломлення:

.

Таким чином, обчислена за допомогою коефіцієнта заломлення напруга в кабелі виявляється в багато разів меншою.

Після багаторазового відбиття і заломлення хвиля напруги на підстанції наростає. При цьому через розрядники, встановлені на підстанції, після їхнього спрацювання можуть протікати надмірно великі струми й розрядники вийдуть із ладу.

Таким чином, наявність кабельної вставки на вході підстанції не забезпечує достатньої грозостійкості підстанції, тому в місці з’єднання повітряної лінії з кабельною встановлюють вентильний розрядник для обмеження набіжної хвилі.

Оболонка кабелю найкоротшим шляхом з’єднується із заземленням РВ. На підстанцію буде потрапляти напруга між жилою й оболонкою кабелю. Ця напруга складається зі спаду напруги на РВ і спаду напруги на індуктивності петлі провідника, що з’єднує оболонку кабелю із заземленням РВ, тому зменшення індуктивності з’єднувального провідника приводить до зниження перенапруг на устаткуванні підстанцій.

За малої довжини кабелю (l<l_кр) доцільно встановити вентильний розрядник: він має більш пологу вольт-секундну характеристику і надійніше працює під час крутих хвиль. Звичайно l_кр≈100...150 м.

Наприкінці кабелю за відключеного вимикача напруга під час приходу спадної хвилі подвоюється і можливе ушкодження кабельної муфти. Для обмеження таких перенапруг наприкінці кабелю встановлюється вентильний розрядник.

У схемах потужних підстанцій (3–35 кВ) з великим числом кабелів, що відходять, встановлюють фідерні реактори для обмеження струму короткого замикання (див. рис. 2.10). Для хвилі з крутим фронтом реактор являє собою розімкнутий кінець, тому встановлення РВ між реактором і кабелем є обов’язковим.

Для блискавкозахисту перемикального пункту (у мережах
6–10 кВ) на всіх лініях, звідки можливе живлення, розміщують ОПН. Наприклад, якщо живлення здійснюється по лінії 1 (рис. 2.11), а лінії 2 і 3 не мають джерел е.р.с, то ОПН встановлюють на лінії 1 поблизу перемикального пункту.

Іноді спорудження захищених підходів ліній до підстанції виявляється економічно недоцільним або неефективним. У цих випадках використовують спрощені схеми блискавкозахисту підстанції, у яких відсутність захищених підходів лінії частково компенсується встановленням додаткових вентильних розрядників, винесених на лінію. Такий захист використовується, зокрема, у тупикових схемах підстанції 35–220 кВ на відпайках від ліній електропередачі та у тимчасових схемах.

Рисунок 2.11 – Схема блискавкозахисту перемикального пункту 6–10 кВ 

Головною умовою забезпечення надійного блискавкозахисту таких схем є максимальне наближення РВ або ОПН до захищеного обладнання, що можливо лише при невеликій кількості комірок на підстанції й компактному розташуванні устаткування. За рахунок близькості розрядника в значній мірі заглушується коливальна складова імпульсу грозових перенапруг, і його амплітуда стає близькою до амплітуди залишкової напруги розрядника. Однак, на відміну від нормальних схем, рівень залишкової напруги тут може перевищувати припустиму величину перенапруг внаслідок можливості ураження лінії поблизу підстанції. Якщо блискавка вдарила в провід ЛЕП у безпосередній близькості від підстанції, то перекриття лінійної ізоляції може не відбутися внаслідок захисної дії розрядника. По хвильовому опору проводів ЛЕП при цьому відгалужується лише незначна частина струму блискавки й практично весь струм блискавки протікає через розрядник.

Струм через розрядник рідко перевищує 5 кА в мережах 110 і 220 кВ, 8 кА в мережі 330 кВ і 10...15 кА в мережах 500 і 750 кВ. У спрощених схемах струм через розрядник може сягати більших значень. За настільки високих струмів залишкова напруга розрядника виявляється вищою припустимої межі, і ізоляція підстанції може бути ушкоджена. Крім того, такі струми можуть ушкодити і сам вентильний розрядник. Все це обумовлює необхідність обмежити в схемах без захищеного підходу струм у підстанційному розряднику. Це досягається підключенням до мережі додаткових розрядників, що зменшують струм хвилі в землю крім підстанційного розрядника.

Підключення додаткових розрядників на підстанції, поруч із основним, було б малоефективним, оскільки навіть невелике розходження у вольт-амперних характеристиках, як показано на рис. 2.12, приводить до різкого нерівномірного розподілу струмів між розрядниками. Крім того, за близького розташування розрядників спрацьовування одного з них супроводжується зниженням напруги, що затрудняє спрацьовування другого розрядника.

Рисунок 2.12 – Нерівномірний розподіл струму в паралельно включених розрядниках

Щоб додаткові розрядники працювали ефективно, їх підключають звичайно за один-два прогони до підстанції. Це створює підйом напруги на першому по ходу хвилі розряднику, що підвищує надійність його спрацьовування.

Приклад розташування розрядників у спрощеному варіанті блискавкозахисту підстанції наведено на рис. 2.13. Спрощені схеми мають два недоліки, що знижують надійність блискавкозахисту в порівнянні з типовими схемами. По-перше, під час хвиль з пологим фронтом різниця в напругах у точках установлення розрядників може стати недостатньою і першим може спрацювати підстанційний розрядник.

Рисунок 2.13 – Спрощена схема блискавкозахисту підстанції

Він захистить від пробою не тільки підстанційну ізоляцію, але й віддалений від нього лінійний розрядник, і обмеження струму в підстанційному розряднику не відбудеться. По-друге, відсутність захисту підходів робить можливими грозові ураження прогонів лінії між розрядниками, що також може спричинити протікання більших струмів у підстанційному розряднику.

Під час вибору відстані між розрядниками необхідно враховувати, що надмірно велика відстань збільшує небезпеку влучення блискавки в прогони лінії між розрядниками, а при малих відстанях зростає небезпека відмови спрацьовування лінійного розрядника. Розрахунки показують, що оптимальні умови відповідають розміщенню розрядників на відстані 150–300 м.