УСТРОЙСТВО ГРОЗОЗАЩИТЫ ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ ВОЗДУШНОЙ ЛИНИИ (ВАРИАНТЫ) И ВЫСОКОВОЛЬТНАЯ ВОЗДУШНАЯ ЛИНИЯ, СНАБЖЕННАЯ ТАКИМ УСТРОЙСТВОМ
HV OVERHEAD LINE THUNDERSTORM PROTECTION DEVICE (VERSIONS) AND HV OVERHEAD LINE EQUIPPED WITH SUCH DEVICE

Область техники
Изобретение относится к области электроэнергетики, и в частности к средствам грозозащиты высоковольтных воздушных линий электропередачи (ВЛ).
Уровень техники
Известны устройства грозозащиты воздушных линий электропередачи, содержащие нелинейный резистор, между которым и проводом воздушной линии образован разрядный промежуток [RU 2400894, МПК H02G 7/00, 2009 г., RU 2400895, МПК H02G 7/20, 2009 г., RU 2400896, МПК H02G 7/20, 2009 г.]. Первое из этих устройств имеет свободный разрядный промежуток, во втором и третьем устройствах разрядный промежуток образован вдоль поверхности опорного изолятора. Общий недостаток указанных аналогов - они не могут быть смонтированы на широко распространенных опорах с металлическими траверсами - для их применения на ВЛ необходимо создавать и использовать специальную опору с изолирующей траверсой.
Известно выбранное в качестве прототипа «Устройство защиты от перенапряжений высоковольтных линий (варианты)» [RU 85040 U1, МПК Н02Н 9/06, 2009 г.].
Прототип представляет собой устройство, монтируемое на металлической траверсе опоры ВЛ и содержащее нелинейный резистор, выполненный в виде колонки варисторов, и искровой промежуток, образованный между нижним торцом нелинейного резистора и проводом воздушной линии, закрепленным на гирлянде изоляторов. Прототип может быть выполнен в двух вариантах.
По одному варианту прототипа, предназначенному для установки на промежуточные опоры, используется свободный искровой промежуток, не содержащий изоляторов, а на нижнем фланце нелинейного резистора установлен перпендикулярно высоковольтному проводу разрядный электрод в форме дуги окружности с радиусом, равным разности длины искрового промежутка и высоты подвеса высоковольтного провода ВЛ относительно траверсы.
По другому варианту прототипа, предназначенному для установки на анкерно-угловые опоры, искровой промежуток содержит изолятор, на концах которого смонтированы соосно один против другого два тора, при этом один конец изолятора шарнирно соединен с нижним фланцем нелинейного сопротивления, а второй конец - с высоковольтным проводом ВЛ.
Недостаток прототипа по первому варианту - низкая технологичность устройства грозозащиты из-за жестких требований, связывающих форму и размеры электрода, расстояние от высоковольтного провода до траверсы и длину внешнего искрового промежутка.
Недостаток прототипа по другому варианту - низкая надежность устройства грозозащиты, обусловленная наличием в искровом промежутке изолятора, фиксирующего длину промежутка. Надежность снижается не столько из-за увеличения общего числа элементов, сколько из-за неизбежного загрязнения поверхности изолятора, которое сопровождается возрастанием тока утечки по поверхности изоляторов и неравномерным перераспределением напряжения по длине искрового промежутка.
Раскрытие изобретения
Технический результат изобретения - повышение технологичности и надежности грозозащиты высоковольтной воздушной линии.
Предметом изобретения по первому варианту является устройство грозозащиты ВЛ, содержащее нелинейный резистор, закрепленный на траверсе промежуточной опоры с помощью кронштейна, и внешний (воздушный) искровой промежуток, образованный между проводом защищаемой линии, подвешенным к траверсе на гирлянде изоляторов, и разрядным электродом, который закреплен на нижнем фланце нелинейного резистора и выполнен в виде металлического тора, вытянутого в направлении, перпендикулярном проводу защищаемой линии, при этом длина разрядного электрода, длина искрового промежутка и электрические параметры нелинейного резистора удовлетворяют соотношениям:
нр
кл
ост
ип
э
и
где U - наибольшее рабочее напряжение защищаемой ВЛ в кВ, U (5 мА) - классификационное напряжение нелинейного резистора при классификационном токе 5 мА в кВ, U (10кА) - остающееся напряжение нелинейного резистора при грозовом импульсе тока 10 кА в кВ, a L - длина внешнего искрового промежутка в см, L - длина разрядного электрода, a L - строительная высота изолирующей гирлянды.
Это позволяет получить указанный выше технический результат при установке устройства грозозащиты на промежуточной опоре ВЛ.
э
и
Предметом изобретения по второму варианту является устройство грозозащиты ВЛ, содержащее нелинейный резистор и опорный изолятор, закрепленные на траверсе анкерно-угловой опоры с помощью кронштейна, и внешний искровой промежуток, образованный между первым разрядным электродом, закрепленным на нижнем фланце нелинейного резистора, и вторым разрядным электродом, закрепленным на нижнем фланце опорного изолятора, при этом второй разрядный электрод выполнен в виде металлического тора, вытянутого в направлении нелинейного резистора, и сцеплен с обводным шлейфом провода защищаемой линии с помощью промежуточного звена, а длина разрядного электрода, длина искрового промежутка и электрические параметры нелинейного резистора удовлетворяют соотношениям (1)-(4), причем для второго варианта L - длина второго разрядного электрода, а L обозначает строительную высоту опорного изолятора.
Это позволяет получить указанный выше технический результат при установке устройства грозозащиты на анкерно-угловой опоре ВЛ.
Предметом изобретения также является ВЛ, содержащая опоры, на траверсах которых с помощью изолирующих гирлянд подвешены электрические провода, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, на одной опоре установлено устройство грозозащиты с внешним искровым промежутком, выполненное по любому из двух вариантов.
При прохождении трассы в районах с плохо проводящими грунтами ВЛ, снабженная предлагаемыми устройствами грозозащиты, имеет существенно меньшую вероятность грозовых отключений.
Краткое описание фигур
На фиг.1 показана фронтальная проекция устройства по первому варианту (т.е. на промежуточной опоре ВЛ). На фиг.2 - тоже, вид сверху. На фиг.3 показано устройство по второму варианту (т.е. на анкерно-угловой опоре ВЛ) с иллюстрацией двух случаев: для левого и правого поворота трассы ВЛ.
Осуществление изобретения с учетом его развитий
Устройство по первому варианту (фиг.1 и 2) содержит нелинейный резистор 1, выполненный в виде колонки варисторов, заключенной в изоляционный корпус. Резистор 1 закреплен на траверсе 2 промежуточной опоры ВЛ с помощью кронштейна 3. Внешний искровой промежуток 4 образуется между проводом 5, подвешенным к траверсе 2 на гирлянде 6 изоляторов, и разрядным электродом 7, закрепленным на нижнем фланце 8 резистора 1. Электрод 7 выполнен в форме металлического тора, вытянутого в направлении, перпендикулярном проводу 5.
Устройство по второму варианту (фиг.3) содержит нелинейный резистор 1 и опорный изолятор 9, закрепленные на траверсе 2 анкерно-угловой опоры с помощью кронштейна 3. Резистор 1 и изолятор 9 устанавливаются на кронштейне 3 на фиксированном расстоянии друг от друга. В этом варианте устройства внешний искровой промежуток 4 образуется между первым разрядным электродом 10, закрепленным на нижнем фланце 8 резистора 1, и вторым разрядным электродом 7 в форме металлического тора, который в этом случае закреплен на нижнем фланце 11 изолятора 9 и вытянут в направлении резистора 1. При этом электрод 7 сцеплен с обводным шлейфом 12 провода 5 с помощью стандартного элемента сцепной линейной арматуры - промежуточного звена 13, фиксирующего расстояние между шлейфом 12 и нижним фланцем 11 изолятора 9.
кл
ост
Электрические параметры резистора 1, образованного колонкой варисторов, задаются вольтамперной характеристикой (ВАХ) колонки варисторов с соответствующими значениями U (5 мА) и U (10 кА). Устройство осуществляет грозозащиту ВЛ следующим образом.
В отсутствие грозовых воздействий рабочее напряжение ВЛ приложено параллельно к гирлянде 6 и к защитной последовательной цепи, состоящей из нелинейного резистора 1 и воздушного искрового промежутка 4. Гирлянда 6 (или изолятор 9 и изолирующие гирлянды, удерживающие шлейф 12, на анкерно-угловой опоре) и защитная цепь при этом должны выдерживать без пробоя и перекрытия наибольшее рабочее фазное напряжение, а также квазистационарные и коммутационные перенапряжения данного класса ВЛ.
нр
При возникновении грозовых перенапряжений, например, в результате удара молнии в провод 5, грозозащитный трос или опору ВЛ, защитная цепь срабатывает, т.е. искровой промежуток 4 перекрывается при напряжении, меньшем, чем напряжение перекрытия гирлянды 6 (или изолятор 9 и изолирующие гирлянды ВЛ, удерживающие шлейф 12), величина которого зависит от наибольшего для ВЛ рабочего напряжения U. Срабатывание защитной цепи характеризуется переходом варисторов резистора 1 на пологий участок ВАХ с малым сопротивлением, в результате чего напряжение на грозозащитном устройстве и на гирлянде 6 ограничивается до уровня остающегося напряжения на нелинейном резисторе 1 при данном разрядном токе. Это напряжение меньше, чем наименьшее возможное напряжение перекрытия гирлянды изоляторов. В результате предотвращается перекрытие и повреждение гирлянды 6, изолятора 9 и изолирующих гирлянд ВЛ (на фиг.3 не показаны), удерживающих шлейф 12. После протекания разрядного тока (тока молнии) в промежутке 4 остается ионизованный канал, по которому протекает сопровождающий ток, вызванный рабочим напряжением линии. Этот ток не превышает долей ампера и обрывается в течение одного полупериода промышленной частоты. Импульсное перекрытие не переходит в дугу короткого замыкания.
Проведенные расчетно-экспериментальные исследования показали следующее.
Для того чтобы, с одной стороны, надежно исключить переход импульсного перекрытия в дугу короткого замыкания (т.е. переход рабочей точки нелинейного резистора на пологий участок ВАХ после перекрытия искрового промежутка) под воздействием наибольшего рабочего напряжения, а с другой стороны, надежно обеспечить координированное перекрытие искрового промежутка 4 (т.е. при напряжении, меньшем, чем напряжение перекрытия гирлянды), электрические параметры резистора 1, длина искрового промежутка 4 и длина электрода 7 должны удовлетворять соотношениям (1)-(4).
При условии выполнения соотношения (3) неравество (1) исключает переход импульсного перекрытия в дугу короткого замыкания (переход рабочей точки нелинейного резистора на пологий участок ВАХ после перекрытия искрового промежутка) под воздействием наибольшего рабочего напряжения, а неравенство (2) обеспечивает координированное перекрытие искрового промежутка 4. Совместно неравенства (1) и (2) накладывают двустороннее ограничение на число варисторов в колонке, образующей нелинейный резистор 1, и их суммарную ВАХ.
ип
ип
нр
ип
нр
Двустороннее ограничение длины промежутка 4 соотношением (3) вытекает из следующих результатов исследования. Для надежного предотвращения перекрытия гирлянды 6, изолятора 9 и изолирующих гирлянд ВЛ, удерживающих шлейф 12, значение L должно быть достаточно малым, чтобы удовлетворять неравенству L<0,7U. Однако при уменьшении длины промежутка до величины L<0,5U резко возрастает риск перехода искрового разряда в дуговой, сопровождающийся повреждением резистора 1.
ип
э
г
ип
Величина L представляет собой кратчайшее расстояние по прямой между электродом 7 и проводом 5 (см. фиг.1) или между электродом 7 и электродом 10 (см. фиг.3). При ветровых отклонениях провода и гирлянды 6, поддерживающей провод 5 на промежуточной опоре, это расстояние меняется. Однако, как показали проведенные исследования, если длина L электрода 7 в направлении, перпендикулярном проводу воздушной линии, составляет (0,3÷0,5) L, то величина L остается в указанных выше пределах вплоть до ветровых отклонений гирлянды 6 от вертикальной оси, достигающих ±40°.
Кроме того, соотношение (4) и обеспечиваемое с помощью кронштейна 3 расстояние между резистором 1 и гирляндой 6 (или изолятором 9 на анкерно-угловых опорах) позволяют предотвратить электрические разряды между резистором 1 и загрязненной поверхностью гирлянды 6 или изолятора 9.
Применение изобретения повышает надежность грозозащиты по отношению к прототипу за счет использования искрового промежутка, свободного от элементов, фиксирующих его длину. Замена жестких требований к форме и взаимному расположению элементов грозозащиты на технологически более простые упрощает изготовление и монтаж устройств (как правило, устанавливаемых на всех опорах ВЛ), что в конечном счете также обеспечивает более надежную грозозащиту ВЛ.
Наличие двух вариантов устройства по предлагаемому изобретению позволяет использовать надежное и недорогое устройство грозозащиты со свободным искровым промежутком как для промежуточных, так и для анкерно-угловых опор с большими углами поворота.