Изоляция высоковольтных линий электропередач

Министерство образования и науки Российской Федерации

Агентство по образованию

ГОУ ВПО Новосибирский Государственный Технический Университет

Факультет: энергетики

















Курсовая работа

Изоляция высоковольтных линий электропередач



Студент: Яворский В.П.

Проверила: Цуркан Н.В.



















Новосибирск 2010




Содержание

	

	Введение

		1.	Выбор изоляции воздушной линии электропередачи

		1.1	Изолирующая подвеска проводов

		1.2	Выбор изоляции линий по нормативным документам

		1.3	Расчет напряженности электрического поля под проводами ВЛ

		2.	Определение параметров расчетной схемы

		2.1	Определение параметров воздушной линии электропередачи

		2.2	Определение параметров примыкающих систем

		3.	Грозоупорность воздушных линий электропередачи

		3.1	Определение числа отключений ВЛ при ударах молнии в провода

		3.2	Определение числа отключений при ударе молнии в опору

		3.3	Определение числа отключений при обратных перекрытиях с троса на провод

		4.	Расчет коммутационных перенапряжений при повторном включении линии в цикле АПВ

		4.1	Расчет установившихся режимов одностороннее включение ВЛ

		4.2	Определение закона распределения максимальных перенапряжений при включении ВЛ и выбор мер ограничения перенапряжений

		4.3	Определение вероятности перекрытия изоляции воздушной линии при включении в цикле АПВ

		5.	Определение показателя надежности изоляции ВЛ

	Заключение

	Список литературных источников






Введение



Выбор изоляции высоковольтных линий электропередачи является неотъемлемой частью комплексного проектирование сложных электрических систем. Так эти линии используются для передачи большого объема электрической энергии, именно посредством них соединяются электрические системы в огромный энергетический комплекс. 

Изоляция линий электропередачи в процессе эксплуатации подвергается как длительному воздействию рабочего напряжения, так и кратковременному воздействию грозовых и коммутационных перенапряжений. Задачей данной курсовой работы является выбор изоляции воздушных линий электропередачи с глухозаземленной нейтралью путем анализа всех видов электрических воздействий, а также выбор системы мер защиты от перенапряжений, отвечающих допустимому значению отключений ВЛ в год.






1. Выбор изоляции воздушной линии электропередачи



1.1 Изолирующая подвеска проводов



При разработке изолирующей подвески в первую очередь необходимо учитывать механическую нагрузку, действующую на гирлянду изоляторов. В нормальном эксплуатационном режиме как на анкерные, так и на промежуточные опоры в основном действуют вертикальные силы, обусловленные массой проводов, гололеда и изоляторов, и горизонтальные силы, возникающие при ветровой нагрузке, направленной перпендикулярно трассе.

Разрушающая нагрузка, действующая на изолирующую подвеску зависит от класса напряжения ВЛ. Для ВЛЭП 750 кВ [3, с.11]:







Учитывая разрушающую нагрузку выбираем тип изолятора [2, с. 469] ПСК 300-К.



Таблица 1.

Характеристики изолятора ПСК 300-К

Строительная

высота H, мм

Диаметр

изолятора D, мм

Диаметр стержня d,

мм

Длинна пути утечки, мм

Разрушающая электромеханическая нагрузка, кН, не менее

Масса изолятора, кг, не более

175

450

24

457

300

14,02



Для разряда по загрязненной поверхности и увлажненной поверхности изолятора важным параметром является длина пути утечки изолятора – кратчайшее расстояние вдоль поверхности изолирующей детали между металлическими частями, находящимися под различными потенциалами. Длина пути, по которому развивается разряд по загрязненной и увлажненной поверхности изолятора, называется эффективной длиной пути утечки и определяется по формуле [3, с. 9]:







где  - длина пути утечки геометрическая;

 - коэффициент эффективности, который зависит от отношения длины пути утечки к  диаметру изолятора. 

Для выбранного типа изолятора:









Вычислим эффективную длину утечки:







1.2 Выбор изоляции линий по нормативным документам



Следующим этапом в расчете изоляции ВЛ является выбор длины гирлянды изоляторов по рабочему напряжению. Число и тип изоляторов выбирают в зависимости от степени загрязненности атмосферы, которая имеет семь градаций. 

В данной курсовой работе, согласно с заданием, принята I степень загрязненности атмосферы. В это множество относятся такие регионы как: лес, тундра, лесотундра, луга, пастбища.

В зависимости от степени загрязненности атмосферы нормируется удельная эффективная длина пути утечки (отношение эффективной длины пути утечки гирлянды, при которой обеспечивается их надежная работа, к наибольшему линейному, длительно допустимому рабочему напряжению). Нормированная удельная эффективная длина пути утечки  поддерживающих гирлянд 750 кВ, для заданной степени загрязненности составляет [3, с. 12]:







Количество изоляторов в гирлянде рассчитываем по формуле:







Результаты расчета округляем в меньшую сторону, так как количество десятых не превышает 3, так как ВЛ имеет номинальное напряжение 750 кВ, то количество изоляторов увеличиваем на 4 [2, с. 466]. Окончательно принимаем количество изоляторов: 

Выберем сцепную арматуру [2, с. 477-507], необходимые для расчета данные занесем в таблицу.



Таблица 2.

Характеристики сцепной арматуры

Наименование

Тип

Строитель ная высота, мм

Масса, кг

Разрушающая электромеханическая нагрузка, кН, не менее

Узел крепления

КГ-30-1

140

6,84

300

Серьга

СР-30-24

100

1,35

300

Зажим поддерживающий

5ПНГ-5-8

530

46

300

Ушко двухлапчатое

У2-30-24

150

6,42

300

Распорка дистанционная

5РГН-4-400

680()

6,6

-

Определим высоту гирлянды с учетом сцепной арматуры:







Проверку линейной изоляции определяют сравнением наименьшего допустимого расстояния по воздуху от провода до опоры при соответствующем виде воздействующего напряжения и расстояния, на которое может отклониться провод при нормативных метеорологических условиях.



Таблица 3.

Наименьшие допустимые изоляционные расстояния от провода до заземленной опоры 750 кВ.





По грозовым перенапряжениям

4,2

По внутренним перенапряжениям

3,9

По рабочему напряжению

1,5

По условию безопасности

5,85



Изоляционные расстояния выбраны по опыту эксплуатации и по разрядным характеристикам с определенным запасом, который обеспечивает малую вероятность пробоя совокупности многих элементов при рабочем напряжении, коммутационных и грозовых перенапряжениях, а также безопасность подъема обслуживающего персонала на опору линии электропередачи, находящейся под напряжением.

При расчете отклонения гирлянды  принимаем следующие сочетания климатических условий:

- при рабочем напряжении принимается максимальный нормативный скоростной напор ветра  при T=-50;

- при грозовых и внутренних перенапряжениях T=150, скоростной напор ветра  но не менее  Н/м2;

- по условию безопасности подъема на опору T=-150 ветер и гололед отсутствуют, так как при сильном ветре, гололеде, грозе запрещен подъем на опору.

Угол отклонения проводов на опоре определяется по формуле:







Нормативный максимальный напор ветра на высоте до 15 м при двухминутном осреднении для ВЛ 750 кВ, расположенной в III [1, с. 151] районе по ветру [2, с. 351]: .

Произведем пересчет напора ветра с учетом высоты расположения приведенного центра тяжести [2, с. 351]:











Для данного значения  K=0,61 [2, с. 351]. Нормативная толщин стенки гололеда на высоте 10 м от земли, для ВЛ 750 кВ, проходящей в III районе по гололеду[1, с. 168]: dгл =15 мм. Так как приведенный центр тяжести расположен на высоте менее 25 метров, то поправку на толщину стенки гололеда в зависимости от высоты подвеса и диаметра провода допускается не производить [2, с. 352]. Вычислим вес гирлянды и проводов:









где  - количество проводов в фазе,

 - удельный вес провода АС 300/39 кг/км [2, с. 441],

 – весовой пролет, согласно району по гололеду [2, с. 403].

Для того чтобы узнать вес гололеда необходимо найти объем гололедной стенки. Так как данные по толщине стенки гололеда приведены к цилиндрической форме используем следующую формулу:









Плотность льда ρ=900 кг/м3, следовательно вес гололеда на проводах:







Рассчитаем площадь поверхности провода:



 ,



с учетом гололеда:



 .



Выполним расчет отклонения гирлянды по первому условию:










Расстояние между проводом и стойкой опоры будет составлять:







Рассчитаем отклонение гирлянды по второму условию:









Расстояние между проводом и стойкой опоры будет составлять:







По третьему условию считать отклонение гирлянды изоляторов не имеет смысла, так как подъем на гирлянду при наличии ветра запрещен. Расстояние от провод до опоры будет составлять 7 м, что меньше нормированного (5,85 м).

Проверим расстояние подвеса между проводами по условию пляски. Минимальное расстояние S по условию сближения между проводами при ВЛ с горизонтальным расположением и свободной подвеской проводов определяется по формуле [3, с. 15]:









Все рассчитанные промежутки удовлетворяют нормативным, следовательно изоляция ВЛ выбрана правильно.




1.3 Расчет напряженности электрического поля под проводами ВЛ



Для ВЛ 750 кВ и выше высота провода выбирается по условию устранения вредного влияния электрического поля на живые организмы, в первую очередь на людей, т. е. такой, чтобы напряженность электрического поля на расстоянии 1,8 м от земли (высота роста человека) не превышала E = 15 кВ/м в населенной местности.

Для оценки уровня напряженности воспользуемся методом зеркальных отображений [4, с. 329].









Коэффициенты k имеют следующие значения:











Отрезки m и n являются гипотенузами соответствующих прямоугольных треугольников (рис. 1) и определяются следующими уравнениями, м:






Рис. 1. К определению напряженности электрического поля.











Емкость провода относительно земли определяется выражением:







Вычислим расчетный и эквивалентный радиус провода:









Построим кривую напряженности электрического поля на высоте человеческого роста.





Рис. 2. Кривая распределения напряженности на высоте 1,8 м над землей.



Как видно из графика напряженность в любой точке под ВЛ на высоте 1,8 м меньше, чем нормированная, следовательно высота подвеса провода выбрана правильно.






2. Определение параметров расчетной схемы



2.1 Определение параметров воздушной линии электропередачи



Для проведения дальнейших расчетов необходимо рассчитать следующие параметры ВЛ: индуктивности, емкости, волновое сопротивление и волновую длину линии прямой последовательности.

Погонные индуктивности и емкости линии прямой последовательности могут быть определены по выражениям:









δ – коэффициент, учитывающий влияние магнитного потока в проводе на величину индуктивности, для провода АС принимаем δ = 0,81.

Вычислим среднегеометрическое расстояние между фазами:











Волновое сопротивление линии и ее волновая длина для прямой последовательности фаз определяется как:












2.2 Определение параметров примыкающих систем



Суммарные реактивности систем могут быть определены по формуле:












3. Грозоупорность воздушных линий электропередачи



3.1 Определение числа отключений ВЛ при ударах молнии в провода



Число прямых ударов молнии в линию электропередачи [3, с. 19]:







где  - удельное число ударов молнии на 100 км длины и 100 грозовых часов. Определим  :







hтр – высота подвеса троса с учетом сцепной арматуры (0,5 м).







Вероятность прорыва молнии на фазные  провода зависит от угла защиты  тросов  и высоты подвеса троса на опоре и определяется по формуле:












Рис. 3 К определению .



Определим  используя размеры опоры и длину гирлянды изоляторов:











Вычислим вероятность прорыва молнии на фазу:







Количество ударов молнии в провод:







Импульсное разрядное напряжение гирлянды при отрицательной полярности импульса [3, с. 10]:








Среднегеометрическое волновое сопротивление фазы:







Определим значение функции :







где Eср – средняя напряженность поля на поверхности коронного чехла, принимаемая для отрицательной волны 2100 кВ/м. По [3, с. 21] 

Волновое сопротивление коронирующего провода определяется по формуле:







Вычислим уровень грозоупорности ВЛ [3, с. 21]:







Вероятность перекрытия изоляции определяется из выражения [3, с. 21]:




.



Число перекрытий изоляции[3, с. 20]:







Вероятность перехода импульсного перекрытия в силовую дугу вычисляется по формуле:







принимаем .

Число отключений линии:







3.2 Определение числа отключений при ударе молнии в опору



Для линий с грозозащитными тросами существенное значение имеет вероятность обратного перекрытия изоляции при ударе молнии в опору.

Вероятность попадания молнии в опору или в трос вблизи опоры[3, с. 22]:








Вероятность обратного перекрытия [3, с. 23]:







где  – импульсная прочность гирлянды при положительной полярности;

q и p –коэффициенты, зависящие от конструкции опоры.

По справочным данным [3, с. 23]:



p = 0,82   q = 23,2  







Число отключений вследствие обратных перекрытий:







3.3 Определение числа отключений при обратных перекрытиях с троса на провод



Опыт эксплуатации показал, что число перекрытий изоляции на опоре при ударе молнии в трос в середине пролета на два-три порядка меньше, чем в случае попадания молнии в опору, а вероятность пробоя с троса на провод также пренебрежительно мала, если расстояние «трос-провод» на вертикали составляет не менее 2% от длины пролета.








следовательно: 



Число грозовых отключений в год:










4. Расчет коммутационных перенапряжений при повторном включении линии в цикле АПВ



4.1 Расчет установившихся режимов одностороннее включение ВЛ.



Режим одностороннего питания возникает при плановом включении линии. В этом случае необходимо проверить возможность синхронизации электропередачи. При синхронизации – процессе, длительность которого может составить секунды и минуты, - напряжение на изоляции не должно превышать Umax синхр, что составляет 1,1Uф – для Uном = 750 кВ.

Для снижения уровня напряжения на линии в режиме синхронизации можно подключить к ней в этом режиме дополнительные шунтирующие реакторы.

Суммарная мощность и количество реакторов выбираются по условию обеспечения допустимого уровня напряжения в режиме передачи минимальной мощности по линии.

Располагаемую мощность реакторов выбираем исходя из требования компенсации определенной доли реактивной емкостной мощности, генерируемой ВЛ в этом режиме. Необходимая степень компенсации Kр = 0,7 для ВЛ 750 кВ.

Суммарная реактивная мощность, генерируемая линией, может быть определена по формуле [3, с. 26]:







При этом требуемая мощность реакторов определяется как:








Единичная мощность реактора для ВЛ 750 кВ составляет 300 Мвар, требуемое количество реакторов:







принимаем количество реакторов равным 4, устанавливаем по 2 реактора с каждой стороны линии. Расчетная схема электропередачи приведена на рис. 4. 

Вычислим сопротивление реактора:







Вычислим вынужденную составляющую при включении линии со стороны системы 1:









Рис. 4 расчетная схема электропередачи.















Вычислим вынужденную составляющую при включении линии со стороны системы 2:















Исходя из расчетов делаем вывод, что включать линию можно только со стороны системы 1, так как только в этом случае напряжение на изоляции не превышает Umax синхр. 

В максимальном режиме работы электропередачи для поддержания уровня напряжения на ней оставляют включенными примерно 50% имеющихся реакторов. Определим вынужденную составляющую этого режима для системы 1:

















Выполним тот же расчет для системы 2:

















Рекомендации по включении линии для максимального режима аналогичны, рекомендациям для включения лини на холостой ход – включение возможно только со стороны системы 1.



4.2 Определение закона распределения максимальных перенапряжений при включении ВЛ и выбор мер ограничения перенапряжений.



Перенапряжения, возникающие при включении линии в цикле АПВ, являются случайными величинами, зависящими от двух случайных факторов: угла включения ЭДС  и остаточного напряжения на линии U0. Примем для упрощения эти две случайные величины независимыми.

Для определения математического максимальных перенапряжений достаточно рассчитать перенапряжения в схеме, приведенной на рис. 4, при нулевом начальном напряжении на линии и при угле включения ЭДС, равном . При этом ВЛ будем включать со стороны системы 1, причины этого оговорены выше.

Для проведения расчетов используем специально разработанную программу. Параметры ОПН:



;  



Результаты, полученные при отсутствии средств ограничения напряжения:



U1max = 1113 кВ; U2max = 1470 кВ; U3max = 1730 кВ.



Разрядное напряжение гирлянд изоляторов при воздействии коммутационных импульсов под дождем [3, с. 10]: U50% = 1975 кВ, коммутационные импульсы меньше U50%, однако в конце линии наблюдается напряжение очень близкое к U50%, что может вызвать большую вероятность перекрытия изоляции. В качестве ограничителя перенапряжений будем использовать ОПН.

Результаты, полученные при наличии ОПН: U1max = 1109 кВ; U2max = 1320 кВ;  U3max = 1141 кВ.

Из расчетных данных видно, что уровень перенапряжения в середине и конце ВЛ существенно уменьшился.






Рис. 5 Осциллограмма изменения напряжения при отсутствии мер защиты от перенапряжений



4.3 Определение вероятности перекрытия изоляции воздушной линии при включении в цикле АПВ.



При осуществлении единичной коммутации включения лини в цикле АПВ перенапряжениям подвергается большое число изоляционных промежутков на всех опорах включаемой линии. Поскольку определение перенапряжений при расчетах на ЭВМ производилось лишь в трех точках линии, заменим расчетную кривую распределения максимальных перенапряжений ступенчатой кривой. Будем считать, что на каждом из участков к изоляционным промежуткам прикладывается одинаковое напряжение.





Рис. 6 Осциллограмма изменения напряжения при наличии ОПН.

Число опор, приходящихся на каждый участок разбиения ВЛ при одинаковой длине этих участков, определится как:







На каждой опоре число промежутков провод-траверса равно трем, а число промежутков провод – стойка опоры в отклоненном под воздействием ветра состоянии равно двум. Поэтому число промежутков каждого типа на одном участке разбиения равно:









При нормальном законе распределения разрядных напряжений изоляционных промежутков и максимуме воздействующих перенапряжений вероятность пробоя одного промежутка заданного типа (j =1;2) из находящихся под одинаковым напряжением на i –м участке разбиения и учете того, что при реальных габаритах промежутков и правильно выбранных параметрах защитных устройств вероятность перекрытия системы изоляционных промежутков должна быть достаточно малой, определится как:







где Ф0(x) – функция Лапласа,

 - разрядное напряжение промежутка типа j  на i-м участке разбиения при коммутационных перенапряжениях.

 – оценка среднеквадратичного отклонения разрядного напряжения для промежутка типа j (; ).























При включении линии вероятность перекрытия изоляции определится как:








5. Определение показателя надежности изоляции ВЛ



В предыдущих пунктах мы находили допустимое число грозовых отключений, определяющее  частоту работы выключателей. Теперь необходимо оценить надежность электроснабжения, в частности, допустимое число перерывов в электроснабжении. Полное отключение ВЛ может возникнуть вследствие перекрытий изоляции при грозовом поражении ВЛ и последующем включении линии в АПВ. Допустимое число перерывов в электроснабжении в этом случае не должно превышать [2, с.31]:



 для ВЛ 750 кВ.



Ожидаемое число перерывов в электроснабжении для рассматриваемой ВЛ может быть определено следующим образом [2, с.31]:











так как условие выполняется, значит габариты изоляционных промежутков на опорах ВЛ и система защитных мероприятий выбраны правильно.






Заключение



В данной курсовой работе был произведен выбор изоляции воздушной линии сверхвысокого напряжения и рассчитана ее надежность.

В качестве изолятора был выбран ПСК 300-К. После было рассчитано количество грозовых отключений линии в год, их количество равно четырем. Что соответствует допустимому количеству отключений выключателей на напряжение свыше 110 кВ.

Расчет режима синхронизации показал, что ЛЭП можно включать только со стороны наиболее мощной системы, для того, чтобы избежать аварийного перенапряжения, данная рекомендация действительна и при включении линии в цикле АПВ.

Число перерывов электроснабжения 0,0004 в год, что соответствует допустимому уровню для данного класса ВЛ.






Список литературных источников



	Правила устройства электроустановок. – М.: Главгосэнергонадзор, 1998. – 607 с.

	Справочник по электротехническим установкам высокого напряжения / Под ред. И.А. Баумштейна, С.А. Бажанова. – 3-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат,1989. – 768 с.:ил.

	Изоляция и перенапряжения. Методические указания. Н.В. Цуркан, Н.В. Щеглов – Новосибирск, 2000. – 53 с.: ил.

	Теоретические основы электротехники. Том 1. К.С. Демирчан, Л.Р. Нейман, Н.В. Коровкин, В.Л Чечурин. – СПб.: Питер, 2006. – 463 с.:ил.