Задача выполнения молниезащитных мероприятий на Кольском полуострове

DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.8.35-42 УДК 621.311

Г. П. Фастий, А. В. Бурцев, В. В. Ярошевич

ЗАДАЧА ВЫПОЛНЕНИЯ МОЛНИЕЗАЩИТНЫХ МЕРОПРИЯТИЙ НА КОЛЬСКОМ ПОЛУОСТРОВЕ

Аннотация

В статье проведено исследование молниезащиты подстанций, расположенных на Кольском полуострове, который является районом с низкой проводимостью грунта. Приведены результаты расчётов для вариантов защиты оборудования подстанций с помощью вентильных разрядников и нелинейных ограничителей перенапряжений от грозовых волн, набегающих по воздушным линиям электропередачи.

Ключевые слова:

подстанция, молниезащита, заземление опор, электропроводность грунта, вентильный разрядник, нелинейный ограничитель перенапряжений.

G. P. Fastiy, A. V. Burtsev, V. V. Yaroshevich

THE PROBLEM OF IMPLEMENTATION OF LIGHTNING PROTECTION IN THE KOLA PENINSULA

Abstract

The article conducted a study of lightning protection of substations located on the Kola Peninsula, which is an area with low soil conductivity. The results of calculations are given for options for protecting substation equipment using valve-type arresters and nonlinear surge suppressors against thunderstorm wave's incident on overhead power lines.

Keywords:

substation, lightning protection, grounding of supports, electrical conductivity of soil, valve-type arrester, non-linear surge suppressor

До настоящего времени проблема молниезащиты оборудования распределительных устройств (РУ) с подключенными воздушными линиями (ВЛ) электропередачи остается актуальной, так как имеются не разрешенные противоречия предписаний нормативных документов и условий реализации требований, в частности для молниезащитных заземлений элементов сети. Это фактически исключает возможность применения не типовых решений.

Возможные проблемы и поиск нетиповых решений рассмотрены на примерах подстанций расположенных на Кольском полуострове. Спецификой района являются:

• низкая электропроводность грунта (рГР достигает 5000 Омм и выше), при которой затрудняется или исключается возможность реализации требуемых ПУЭ молниезащитных заземлений подстанций и опор В Л [1];

• уменьшение интенсивности грозовой деятельности по ПУЭ до 20 грозовых часов в год и ниже [2];

• по ПУЭ допускается сооружение и эксплуатация ВЛ или их участков без молниезащитных тросов [2].

Схемы подстанций 110 кВ, 150 кВ и 330 кВ представлены на рис. 1 и 2.

ОРУ 110 кВ ПС-1 ОРУ 150 кВ ПС-2

Р, РШ — разъединитель, В, ВС — выключатель, ТТ — трансформатор тока, КС — конденсатор связи, ВЧЗ — высокочастотный заградитель, ТН — трансформатор напряжения, ЗА — защитный аппарат, Т — силовой трансформатор

Рис. 1 Принципиальные схемы ОРУ 110 кВ и 150 кВ подстанций

Fig. 1. Circuit diagrams of 110 kV and 150 kV outdoor switchgear substations

Рис. 2. Принципиальная схема ОРУ 330 кВ подстанции ПС-3 Fig. 2. Schematic diagram of the substation PS-3 330 kV outdoor switchgear

Подстанция 110 кВ (ПС-1) — тупиковая, два блока линия-трансформатор с выключателями, работающих в раздельном режиме без автоматической перемычки. То есть в нормальном режиме каждый блок включает одну ВЛ, один трансформатор и один защитный автомат.

Подстанция 150 кВ (ПС-2) — проходная включает также два блока линия-трансформатор с автоматической перемычкой на стороне линий. Основной режим работы подстанции — транзит энергии по ВЛ и электроснабжение подключенных потребителей.

Подстанция 330 кВ (ПС-3) — тупиковая, одна линия, два автотрансформатора (АТ) с выключателями и двумя защитными аппаратами. Характерной особенностью рассматриваемых подстанций является малое число подключенных ВЛ, относительно компактное исполнение ОРУ, минимальное число защитных аппаратов и не большие защитные расстояния от защитных аппаратов до защищаемого оборудования.

Исследования молниезащиты подстанций выполнено в части защиты от грозовых волн, набегающих по ВЛ. Моделирование выполнено с использованием языка программы АТР-ЕМТР в среде разработки АТРБ1^ в трехфазной постановке [3], перекрытия изоляции ВЛ моделировались на ближайших к точке удара молнии опорах (с обеих сторон). Учтено влияние электропроводности грунта, а также сопротивлений заземления опор в месте перекрытия изоляции ВЛ и на всех опорах соединенных молниезащитным тросом. Таким образом, учтено влияние потерь энергии грозовых волн, обусловленных емкостной связью проводов с тросом и стеканием наведенных напряжений через заземления троса на опорах.

В районах с низкой электропроводностью грунта на условия формирования грозовых перенапряжений существенное влияние оказывают импульсное сопротивление заземления опор ВЛ и активные потери энергии волны при ее распространении по ВЛ. Поэтому для разделения грозовых перенапряжений, на условия формирования которых влияет сопротивление заземления опор, а также для сопоставимости показателей введено понятие опасности ударов молнии с разделением их по признаку образования грозовой волны на проводе ВЛ [4]:

• для прямых ударов или прорывов молнии на провод ВЛ,

• для ударов молнии в заземленные опоры или трос с последующим обратным перекрытием изоляции ВЛ на провод.

В последнем случае опасность удара молнии включает как образование обратного перекрытия изоляции и волны на проводе ВЛ, так и формирование параметров волн опасных для изоляции оборудования подстанций. Таким образом, оба этих события зависят от параметров тока молнии, следовательно, опасность ударов молнии в заземленные конструкции ВЛ с последующими обратными перекрытиями для конкретной точки ВЛ (5обр) определяется интегрированием по кривой опасных токов молнии (вызывающих опасные перенапряжений на изоляции оборудования) [4, 5]

^ОБР _ РОБР

где РОБР (1М > 1КР, 1М > 1КР) — вероятность удара молнии с опасными

параметрами тока в расчетном варианте удара молнии в опору или трос с последующим обратным перекрытием.

Для случаев прорыва молнии через тросовую защиту на провод ВЛ опасность этих ударов для оборудования подстанции определяется из выражения

^ПР РПРОР ' РПР М > ^КР, Лм > Лср)

где Рпрор — вероятность прорыва молнии на провод через тросовую защиту; Рпр (^м > ^кр, 1м > !и>) — вероятность удара молнии с опасными параметрами тока в расчетном варианте удара молнии в провод.

Расчетная интенсивность грозовой деятельности принята 20 грозовых часов в году, что характерно для ряда рассматриваемых регионов, например, для Кольского полуострова. В расчетах варьировались импульсные сопротивления заземления опор, величины которых как удовлетворяют (15 и 30 Ом), так и не соответствуют (50 и 100 Ом) требованиям ПУЭ [2] для районов с низкой проводимостью грунта.

Расчеты выполнялись для вариантов защиты оборудования подстанций с помощью вентильных разрядников (РВ) и нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН). Сопоставление результатов расчетов для ПС-1 110 кВ приведены на рис.3, где рассмотрено влияние сопротивлений заземления опор Язи, типа защитных аппаратов на подстанции. На рис.За и 3б даны зависимости опасности ударов молнии с прорывами на провода, а на рис. Зв и Зг - зависимости для ударов молнии в опоры и трос.

ПС-1 110 кВ

в) г)

Рис. 3. Зависимости опасности ударов молнии с прорывами на провода

Fig. 3. The dependence of the hazard of lightning strike to phase wire (a, 6) and to support and ground wire (b, r) on the removal of the lightning impact point from open

switchgear for different values of grounding resistance of supports on the approach

Как видно, опасность таких ударов молнии с прорывами на провода (рис. 3а и б) несопоставимо мала в сравнении с опасностью ударов молнии в опоры и трос с последующим обратным перекрытием изоляции ВЛ на провод (рис. 3в и г). Это подтверждает высокую эффективность защиты проводов тросами.

При наличии молниезащитного троса основную опасность для оборудования представляют удары молнии в опоры и трос, как видно опасность обратных перекрытий существенно зависит от сопротивления заземления опор. Из рис. 3а и 3б видно, что опасность ударов молнии с прорывами на провод в ряде случаев слабо зависит от величины сопротивления заземления опор, которое влияет на остающееся напряжение на проводе после среза волны в результате перекрытия изоляции ВЛ.

Для ударов молнии в заземленные элементы подходов ВЛ к ПС-1 110 кВ можно отметить следующее:

• при сопротивлениях заземления опор не более 30 Ом опасная зона уменьшается до 0,5 км (30 Ом) или 0,3 км (при RЗИ опор = 15 Ом) как для защиты с помощью вентильного разрядника типа РВС-110, так и для защиты с ОПН;

• при увеличении сопротивления заземления опор до 50 Ом длина опасной зоны увеличивается почти до 0,8 км (защита с РВС-110); в этом случае проявляется эффективность применения ОПН-110 вместо РВС-110 (рис. 3г);

• дальнейшее увеличение сопротивления RЗИ снижает эффективность защиты также с ОПН, однако длина опасной зона для ударов с обратными перекрытиями практически остается около 0,8 км;

Кроме того, можно отметить увеличение опасности ударов молнии в третью опору при Язи = 30 Ом и более.

Учитывая небольшое влияние опасности ударов молнии с прорывами на рис. 4 приведены аналогичные результаты обработки расчетов для подстанций ПС-2 150 кВ и ПС-3 330 кВ, в которых приведены только опасности ударов молнии в опоры и трос ВЛ с последующими обратными перекрытиями изоляции ВЛ.

Из данных, приведенных на рис.4а и 4б для ударов молнии в заземленные элементы подходов ВЛ к ПС-2 150 кВ можно отметить практически те же особенности, что и для ПС-1 110 кВ, но при некотором изменении расстояния до точки удара молнии:

• минимальная длина опасной зоны обеспечивается при RЗИ опор не более 15 Ом и составляет 0,3 км при защите с ОПН или почти 0,6 км при использовании защиты с РВС;

• при RЗИ опор равном 30 Ом длина опасной зоны при защите с РВ увеличивается до 0,8 км, а при использовании ОПН менее 0,6 км;

• увеличение RЗИ опор до 50 Ом при использовании на ПС-2 ОПН 150 приводит к снижению эффективности защиты только за счет влияния заземления первой опоры; длина опасной зоны для этих ударов молнии не меняется и равна 0,6 км; в схеме с РВ на ПС-2 при RЗИ = 50 Ом длина опасной зоны также остается равной 0,8 км, как при RЗИ = 30 Ом;

• увеличение Rзи опор до 100 Ом увеличивает длину опасной зоны практически до 1 км.

ПС-2 150 кВ

s

о 0.06 0.04 0.02 О

обр

1- 100 Ом Uhom= 150 кВ

г ч

// ^30 Ом *>-50 Ом ч

Х15 Ом

О 200 400 600

удаление от  'I' > . ы

S 0.08

О

0.04 0.02 О

обр

Uhom= =if(i кВ

/>\ 100 Ом V/ у \

30 Ом4 —50 Ом \ \

ISOm"" \ Ч

а)

200 400 600 800 1000

удаление от ОРУ, м

б)

S

,РВ

0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0

оч>1>

UHOM=>>0 КВ

______1JÍ0 Ом

\

.у50 Ом \ Ч

15 Ом^О1 -^

' * - - •

ПС-3 330 кВ

опн

Кбр

i Uhom=330 кВ

\ д

V.U —^ Ом V 100 Ом -X

15 им "--— Ж Ом"" ^- --

О 500 _ 1000

удаление от ОРУ. ы

1500

в)

удаление

г)

1000

от ОРУ, ы

Рис. 4. Зависимости опасности ударов молнии в опоры и трос ВЛ от удаления точки удара молнии от ОРУ для разных значений сопротивлений заземления опор на подходе и вариантов защиты с помощью РВ

Fig. 4. The dependence of the hazard of lightning strike to support and ground wirw on the removal of the lightning impact point from open switchgear for different values of grounding resistance of supports on the approach and protection options valve-type arresters (a, б) or non-linear surge suppressors (в, г).

Для ударов молнии в заземленные элементы подходов ВЛ к ПС-3 330 кВ (рис. 4в и 4г) можно отметить следующее:

• эффективность применения ОПН вместо вентильных разрядников; при этом особое внимание надо уделять заземлению 2-й опоры ВЛ;

• длина опасной зоны для ударов молнии в опоры и трос не превышает 1,5 км; при использовании ОПН 330 требования к 3-й и 4-й опорам могут быть значительно упрощены (50 или 100 Ом).

По результатам обобщения исследований рассчитаны показатели надежности защиты трансформаторов ПС-1, ПС-2 и ПС-3 в зависимости от величины сопротивления заземления опор на подходах, которые приведены на рис. 5.

Из приведенных зависимостей видно, что даже при выполнении требований к удалению защитных аппаратов от защищаемого оборудования показатели надежности молниезащиты могут не соответствовать требованиям вследствие увеличения опасности ударов молнии с обратными перекрытиями изоляции ВЛ при низкой электропроводности грунта. Так для рассмотренной

подстанции ПС-1 110 кВ сопротивление заземления опор должно быть менее 30 Ом в вариантах защиты с РВС-110 и ОПН. Следовательно, необходимы не типовые решения.

Т, лет Uhom=110 КЕ

50 Нзи, Ом ЮО

а)

б)

в)

Рис. 5. Зависимость числа лет без грозовых повреждений трансформатора от импульсного сопротивления заземления опор Язи

Fig. 5. The dependence of the year's number without transformer damage on the impulse resistance of the supports grounding.

Для рассмотренной подстанции ПС-2 150 кВ использование ОПН позволяет несколько снизить требования к заземлениям опор на подходах — при типовом решении не более 35 Ом. При этом следует учитывать снижение надежности молниезащиты в ремонтном режиме при выводе из работы одного из трансформаторов с комплектом ОПН.

Для тупиковой ПС-3 330 кВ также в ремонтном режиме с одним РВ не обеспечивается необходимая надежность молниезащиты даже при Язи = 15 Ом и при 20 грозовых часов в году. Применение ОПН дает необходимый эффект лишь при Язи немногим более 15 Ом.

Выводы

1. В районах с низкой электропроводностью грунта при невозможности (или нецелесообразности) выполнения заземлений опор с сопротивлением не более 30 Ом рекомендуемые ПУЭ системы молниезащиты не обеспечивают требуемой надежности. При этом увеличение длины подходов, защищенных тросом, не влияет на повышение эффективности молниезащиты подстанций.

2. Имеется возможность варьирования исполнения заземлений опор на подходах со снижением требований к удаленным опорам.

3. Имеется возможность сокращения длины опасной зоны для ударов молнии в опоры и трос, что позволяет ограничить число опор, для которых необходимо выполнять жесткие требования.

4. Учет характеристик реализованных заземлений опор и конструктивных особенностей ОРУ позволяет скорректировать требования для конкретной подстанции.

5. Целесообразно нормативными документами предусмотреть возможность варьирования исполнения молниезащитных мероприятий с учетом региональных особенностей для реализации эффективной молниезащиты и снижения затрат.

Литература

1. М. В. Костенко, Ю. М. Невретдинов, Ф. Х. Халилов Молниезащита электрических сетей в районах с высоким удельным сопротивлением грунта. Л.: Наука, 1984. 112 с.

2. Правила устройства электроустановок. СПб.: Издательство ДЕАН, 2003. 928 с.

3. Селиванов В. Н. Использование программы расчёта электромагнитных переходных процессов АТР-ЕМТР в учебном процессе // Вестник МГТУ. 2009. Т. 12, № 1. С. 107-112

4. Невретдинов Ю. М., Власко Д. И. Исследование защиты подстанции 150 кВ от грозовых волн с учетом реальных заземлителей опор ЛЭП на подходах // «Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика», вып. 2, 2011 (4). С. 79-88.

5. Невретдинов Ю. М., Фастий Г. П. Атмосферное электричество и молниезащита в электроэнергетике. Учебное пособие по курсу «Атмосферное электричество и молниезащита» / Ю. М. Невретдинов, Г. П. Фастий. Мурманск: изд. МГТУ, 2015. 188 с.

Сведения об авторах: Фастий Галина Прохоровна,

научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера — филиала Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра «Кольский научный центр Российской академии наук».

Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А, эл. почта: fastiy@ien.kolasc.net.ru

Бурцев Антон Владимирович,

младший научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера — филиала Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра «Кольский научный центр Российской академии наук», Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А Эл. почта: a.burtsev@tehnonord.ru

Ярошевич Вера Васильевна,

научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера — филиала Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра «Кольский научный центр Российской академии наук».

Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А, эл. почта: yaroshevich_vera@mail.ru