Анализ грозовых перенапряжений в подстанциях с КРУЭ

УДК 621.311

Ф.Х.Халилов, Н.И.Гумерова, М.В.Малочка

АНАЛИЗ ГРОЗОВЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В ПОДСТАНЦИЯХ С КРУЭ Аннотация

В настоящей статье проведен анализ грозовых перенапряжений на подстанциях с использованием КРУЭ. Анализировались различные подстанции от 110 кВ до 500 кВ, с использованием кабельных вставок, газоизолированных линий и участков традиционной воздушной ошиновки. Предварительные результаты показали, что при грозовых воздействиях в самом КРУЭ опасные перенапряжения отсутствуют. Однако, при использовании участков с воздушной ошиновкой и при больших расстояниях между КРУЭ и силовыми трансформаторами возможно развитие опасных перенапряжений со значительной колебательной компонентой.

Ключевые слова:

комплектное элегазовое распределительное устройство, грозовые перенапряжения, силовой трансформатор

F.Ch. Chalilov, N.I. Gumerova, M.V. Malochka

ANALYSIS OF THE LIGHTNING OVERVOLTAGE’S IN A GAS INSULATED SUBSTATIONS

Abstract

In this paper authors carry out an analysis of lightning overvoltage's in a gas insulated substations. It was analyzed different substations from 110 kV to 500 kV, with using of the cable lines, gas insulated lines and traditional overhead lines. The first results showed that it was not the dangerous lightning overvoltage's inside the gas insulated substations. But the dangerous lightning overvoltage's are possible than we use the long overhead lines between the gas insulated substation and the power transformer.

Keywords:

gas insulated substation, lightning overvoltage’s, power transformer

Использование комплектных элегазовых распределительных устройств (КРУЭ) в качестве основных элементов подстанций объясняется их компактностью, что напрямую влияет на требования к площади размещения и возможные технические приложения. Экономия общей площади территории зависит от конкретного уровня напряжения и от способа соединения КРУЭ с трансформаторами, реакторами и входящими и исходящими линиями. Максимальная экономия достигается при использовании кабельных соединений.

Подстанция, содержащая в виде основного компонента элегазовое распределительное устройство, имеет несколько различных видов ошиновки: собственно элементы КРУЭ и газоизолирующие линии (ГИЛ), кабельные линии (КЛ) и воздушные линии (ВЛ). Ошиновка в виде ВЛ может иметь место не только на входах линий электропередачи на подстанцию, но также и при присоединении газоизолирующих или кабельных линий к трансформаторам открытой установки, соединяющим КРУЭ различных классов напряжения или КРУЭ с открытыми распределительными устройствами (ОРУ). Это предъявляет особые требования к координации изоляции подстанции в целом.

Координация изоляции в КРУЭ зависит от перенапряжений, генерируемых в ассоциированной системе и в самом КРУЭ. К наружным перенапряжениям, прежде всего, относятся перенапряжения вследствие молниевых разрядов и перенапряжения, созданные коммутациями во внешней системе. Из внутренних перенапряжений следует отметить перенапряжения, появляющиеся при коммутациях внутри КРУЭ.

В настоящей работе, в первую очередь, рассматриваются перенапряжения, возникающие вследствие грозовой деятельности. Особенностью развития перенапряжений в анализируемых схемах является малое затухание, что приводит к появлению в ошиновке волн с более крутыми фронтами, чем в обычных ОРУ, а также к развитию высокочастотных колебаний. Наличие участков ошиновки с различными параметрами (волновыми сопротивлениями и скоростями распространения), в дополнение к вышесказанному, делает непосредственное использование рекомендаций, разработанных для обычных распределительных устройств, затруднительным. Не обязательно это будет приводить к усилению требований к организации снижения перенапряжений, но они будут несколько другими.

В этих подстанциях также имеется еще одна особенность, существенная для развития колебательного процесса: очень малые расстояния между высоковольтным оборудованием самого КРУЭ и достаточно длинные шинопроводы, чаще всего в виде КЛ, для связи с ВЛ и силовыми трансформаторами.

В настоящее время в России отсутствует опыт эксплуатации подстанций с КРУЭ. Отечественные разработки практически не поднимаются выше 110 кВ.

Эти и другие факторы приводят к тому, что при выборе мер защиты от перенапряжений невозможно напрямую пользоваться рекомендациями ПУЭ. Соответственно в каждом конкретном случае следует проводить численный анализ развития перенапряжений и выработку рекомендаций по разработке защитных мероприятий. Причем, следует учесть горизонтальность пробивных характеристик элегаза по сравнению с воздушной изоляцией. Соответственно, в КРУЭ отсутствует запас по пробивным напряжениям при крутых фронтах, характерный для ошиновки ОРУ, да и для ряда высоковольтного оборудования, имеющего в конструкции воздушную изоляцию.

Процесс координации изоляции обычно приводит к использованию металло-оксидных ограничителей перенапряжений на воздушной линии или в местах кабельного ввода и на сопряжениях КРУЭ/трансформатор и КРУЭ/реактор. Согласно предложениям изготовителей при больших геометрических размерах подстанции и длинных шинопроводах предлагается устанавливать непосредственно в КРУЭ большое количество защитных аппаратов - нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН). Это определяется сложностями устранения результатов нештатных ситуаций по сравнению с открытыми схемами, именно вследствие закрытости системы.

Выбор ограничителя представляет собой компромисс между способностью выдерживать длительные повышения рабочего напряжения, способностью поглощать энергию при перенапряжениях, обусловленных коммутациями и грозовыми разрядами, и необходимостью обеспечивать достаточный уровень защиты при набегании грозовых волн.

Поскольку эта тематика является достаточно новой для России, рассмотрим особенности развития грозовых перенапряжений в КРУЭ на нескольких конкретных примерах. Авторы исследовали грозозащиту нескольких подстанций 110-500 кВ с КРУЭ и отходящими кабельными линиями с изоляцией из сшитого полиэтилена для выбора комплекса грозозащитных мероприятий.

Для всех классов напряжения волновые сопротивления КРУЭ и ГИЛ примерно в 5 раз меньше, чем волновые сопротивления воздушных линий. Волновые сопротивления кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ) на порядок и более меньше, чем волновые сопротивления ВЛ. Потери в КРУЭ и КЛ тоже примерно на порядок ниже, чем в ВЛ. Как отмечалось выше, во всех рассмотренных схемах имеются 2 группы защитных аппаратов. Ограничители перенапряжений расположены в местах входа воздушных линий электропередачи на подстанцию, где, как правило, размещены конденсаторы связи или трансформаторы напряжения. Вторая группа защитных аппаратов - это ограничители у силовых трансформаторов, т.е. за КРУЭ. В большинстве рассмотренных схем, между ВЛ и КРУЭ имеются кабельные вставки. Длина этих вставок колеблется от десятков метров до нескольких сотен. Размещение защитных аппаратов на шинах КРУЭ является прерогативой завода - изготовителя. Наличие здесь защитных аппаратов приводит к удорожанию КРУЭ, поэтому один из первых вопросов при анализе перенапряжений касается необходимости их использования.

Несомненным достоинством КРУЭ является тот факт, что для этого распределительного устройства прямые удары молнии в ошиновку и высоковольтное оборудование не имеют места. Однако остается вероятность появления в схеме КРУЭ грозовых волн, возникающих при поражениях молниями воздушных линий электропередачи, приходящих к КРУЭ. Из-за невозможности использования ПУЭ [1] для грозозащиты таких подстанций, анализ надежности грозозащиты выполняется в соответствии с рекомендациями РД [2]. В качестве инструмента численного анализа выбран статистический метод, рекомендованный РД к применению. Суть метода заключается в том, что с помощью специализированного программного комплекса рассчитываются показатели надежности грозозащиты определенного высоковольтного оборудования и сопоставляются с рекомендациями РД. В качестве такого показателя используется математическое ожидание Т появления грозовых волн, превышающий заданный уровень, или, другими словами, период в годах между появлением двух волн, превышающих этот уровень. Эта величина является обратной вероятному числу таких волн, которые могут появиться на анализируемом оборудовании за 1 год. В РД [2] для наиболее ответственного высоковольтного оборудования приняты показатели надежности грозозащиты, представленные в таблице.

Во всех рассмотренных авторами схемах грозовые перенапряжения непосредственно в КРУЭ не превышают допустимого уровня. Показатели надежности грозозащиты, определенные в соответствии с рекомендациями [2], показывают запас в несколько порядков. Таким образом, по крайней мере, в рассмотренных подстанциях (2 КРУЭ на напряжение 500 кВ, КРУЭ на напряжение 330 кВ, 2 КРУЭ на напряжение 220 кВ и 2 КРУЭ на напряжение 110 кВ) нет необходимости использования непосредственно в КРУЭ нелинейных ограничителей перенапряжений для ограничения грозовых перенапряжений. Возможность использования ОПН для ограничения высокочастотных перенапряжений должна быть проанализирована особо, поскольку возникающие при этом колебания характеризуются амплитудами практически не превышающими 2ин, что в совокупности с высокими частотами снижает эффективность работы ОПН.

Кроме того практически во всех рассмотренных подстанциях показатели надежности грозозащиты для силовых трансформаторов и автотрансформаторов также превышают регламентируемые показатели как минимум на порядок.

Таблица

Показатели надежности грозозащиты высоковольтного оборудования

и , кВ н 35 110 150 220 330 500 750 1150

Т, годы 200-300 300-400 340-480 400-600 600-800 800-1000 1000-1200 1200-1500

Рассмотрим соответствующие показатели на примере подстанции 330 кВ «Южная», принципиальная схема которой приведена на рис.1. Следует отметить, что данная схема с большим количеством приходящих воздушных и кабельных линий и большим числом защитных аппаратов в принципе является достаточно хорошо защищенной от набегающих грозовых волн. Оценки по предельно допустимым напряжениям (950 кВ для автотрансформаторов и 1050 кВ для КРУЭ и для трансформаторов напряжения) показывают успешную защищенность как для подстанции, выполненной в виде ОРУ, так и для подстанции, выполненной с использованием КРУЭ. На рис.2 приведены показатели Т (лет) для АТ-3 и ТН1 обоих вариантов анализируемой подстанции.

Рис.1. Принципиальная схема подстанции 330 кВ с КРУЭ

а)

Рис.2. Показатели Т (лет) для АТ-3 (а) и ТН-1 (б) КРУЭ и ОРУ в зависимости

от уровня перенапряжений

Из графиков видно, что практически во всех случаях показатели надежности грозозащиты автотрансформаторов в 1,5-2 раза лучше для КРУЭ, нежели для ОРУ. Прежде всего, это объясняется более низким волновым сопротивлением ошиновки КРУЭ и меньшими расстояниями от защитных аппаратов до защищаемых объектов. Абсолютная величина амплитуды перенапряжений на автотрансформаторах не превышает 0,9 МВ, что на 5 % ниже предельно допустимой величины. Перенапряжения, частота появления которых соответствует рекомендуемой в РД, составляют примерно 0,75 МВ, что на 20-25 % ниже предельно допустимого значения.

Аналогичные результаты получены для трансформаторов напряжения. Если для автотрансформатора опасные волны могут приходить с любой из ВЛ, то для трансформаторов напряжения опасны воздействия только с ближайших линий. Доля тока в ограничителях перенапряжений, расположенных на входах соседних ВЛ, составляет не более 1/5 от тока в ОПН на входе ВЛ, пораженной молнией. Причем, в этих расчетах были учтены все защитные аппараты, как размещенные на входах приходящих линий, так и у автотрансформаторов.

Отсюда естественно возникает предположение о возможности снижения допустимых импульсных напряжений для автотрансформаторов, аналогично тому, как это было выполнено для блочных трансформаторов гидроэлектростанций.

Таким образом, во всех проанализированных подстанциях имеется значительный запас с точки зрения ограничения грозовых перенапряжений. Однако в схемах с КРУЭ имеются некоторые процессы, которые могут представлять опасность. Так в КРУЭ 500 кВ, выполненном по схеме четырехугольника, при достаточной защищенности самого КРУЭ и автотрансформаторов от грозовых перенапряжений продолжительность токов через ОПН существенно выше длительности испытательных токов (8/20 мкс).

На рис.3 показаны токи через ОПН, размещенный на входе ВЛ на подстанцию, при варьировании амплитуды импульса тока молнии. Из графиков видно, что рассматриваемая подстанция представляет собой схему, в которой длительное время развиваются слабо затухающие колебания. Крутизны нарастания токов через ОПН также превышают крутизну испытательного импульса тока.

Представленные графики являются результатом прорыва молнии мимо тросовой защиты непосредственно на фазный провод. Особенностью схем с КРУЭ и ОПН на входе подстанции является снижение напряжения на гирляндах опор близких к входу ВЛ на подстанцию при прорывах молнии. Это вызвано появлением большой отраженной волны напряжения противоположного знака. Так в демонстрируемом примере падающая волна срезается только при превышении амплитудой тока молнии величины 80 кА. Благодаря срезу длительность тока через ОПН резко снижается.

На рис.4 представлена зависимость тока молнии, при котором может произойти перекрытие линейной изоляции ближайшей к входу подстанции опоры при прорывах молнии мимо тросовой защиты, от удаленности от входа подстанции. Расчеты выполнены для подстанции с КРУЭ 500 кВ, где между КРУЭ и ВЛ находится кабельная вставка. К подстанции приходят 4 ВЛ, КРУЭ через ГИЛ присоединяется к четырем автотрансформаторам. Как на входах ВЛ, так и у автотрансформаторов размещены ОПН. Расчеты выполнены для тока молнии с фронтом 1 мкс и длительностью 70 мкс.

Рис. 3. Токи через ОПН у ВЛ подстанции с КРУЭ 500 кВ, выполненной по схеме четырехугольник, при варьировании амплитуды тока молнии

Рис.4. Зависимость амплитуды тока молнии, при которой происходит перекрытие линейной изоляции, от расстояния от входа подстанции

В ОРУ также имеет место повышение тока молнии при прорывах, при котором возможно перекрытие линейной изоляции первой опоры, что приводит к повышению опасности ближайших к подстанции прорывов молний. Однако там это проявляется не так сильно. В схемах с КРУЭ практически даже для класса напряжения 110 кВ используются ОПН на входах ВЛ, а волновые сопротивления кабельных вставок на порядок меньше волновых сопротивлений воздушных линий.

В рассматриваемом случае отражение от подстанции прекращает свое влияние только при удалении на 200 м от входа. Соответственно токи молнии, протекающие через ОПН в этой ситуации, будут иметь длительность, определяемую параметрами исходного импульса тока молнии.

Уже в стандартных ОРУ с использованием в качестве защитных аппаратов нелинейных ограничителей перенапряжений отмечалось, что в ряде случаев при грозовых воздействиях на защищаемых объектах появляются перенапряжения с большой колебательной компонентой. В подстанциях с КРУЭ, когда защитный аппарат находится на некотором удалении от защищаемого объекта, такие ситуации также имеют место. Так, например, при реконструкции подстанции 110 кВ для металлургического комбината между КРУЭ и трансформатором находился достаточно большой участок воздушной ошиновки. Подстанция имеет самую простую конфигурацию - одна приходящая ВЛ, далее конденсатор связи, ограничитель перенапряжений, кабельная вставка -170 м, КРУЭ, кабельная линия длиной 500 м, ОПН, воздушная ошиновка -длиной 250 м и автотрансформатор. По первому варианту реконструкции дополнительно использовался вентильный разрядник, размещенный на расстоянии 50 м от автотрансформатора. На втором этапе длина воздушной ошиновки сокращена до 30 м, вентильный разрядник убран, поскольку расстояние от ОПН до трансформатора при этом составляет всего 30 м.

На рис.5 показаны напряжения на конденсаторе связи, КРУЭ и автотрансформаторе для первого и второго этапа развития. Расчеты выполнены для амплитуды тока молнии 40 кА, длина фронта 1 мкс, длина волны 70 мкс, прорыв молнии на фазный провод в непосредственной близости от входа подстанции.

В схеме, где используется только ОПН, перенапряжения на автотрансформаторе имеют довольно большую колебательную компоненту, и это несмотря на то, что расстояние до защитного аппарата уменьшилось, по сравнению с первым вариантом. Такие колебания могут иметь место в любой схеме с использованием КРУЭ и ОПН, когда расстояние между ограничителем и трансформатором увеличивается и это соединение выполнено с использованием воздушной ошиновки, в том числе и для подстанций более высоких классов напряжения, например, 500 кВ. Необходимо уточнить, насколько такая форма воздействия будет сказываться на перенапряжениях в обмотках трансформаторов, не будут ли при этом возникать резонансы и каким будет допустимое напряжение для трансформаторов.

Интегральными выводами проведенных исследований являются следующие.

1. Грозозащита подстанций 110-500 кВ с КРУЭ и отходящими кабельными линиями с изоляцией из СПЭ в целом значительно выше, чем грозозащита тех же подстанций при их традиционной схеме.

2. Силовые трансформаторы и автотрансформаторы имеют достаточно хорошую защиту от грозовых перенапряжений при непосредственном присоединении к ним ГИЛ или КЛ.

а)

0Ие 1_40_V.ADF; x-var t) vKc vKrue vAt

б)

(Т Не 1_40_V.ADF; х-уаг 1) vKc уКгие уА1

Рис.5. Напряжения на КС (----), КРУЭ (--) и АТ (--):

а - вариант 1, б - вариант 2 схемы

3. При наличии между соединительными ГИЛ или КЛ и трансформаторами достаточно длинной воздушной ошиновки перенапряжения на последних будут превышать значения, полученные при отсутствии воздушной ошиновки, на 10% и более. В осциллограммах напряжений появляется большая высокочастотная компонента, что затрудняет использование привычных подходов к допустимым напряжениям.

4. Токи через ОПН, расположенные непосредственно на подходах ВЛ к КРУЭ, превышают токи через ОПН у трансформаторов в 2-5 раз. Соответственно номинальный грозовой (разрядный) ток через эти ОПН должен быть больше, чем для ОПН у трансформаторов.

5. Длительности токов через ОПН могут существенно превышать длительности испытательных грозовых токов для них.

6. При больших длинах кабельных вставок между ВЛ и КРУЭ отраженные от ОПН и КЛ волны напряжений, возникшие в результате прорывов молний непосредственно на фазный провод, задерживают процесс перекрытия линейной изоляции и способствуют повышению напряжения на изоляции высоковольтных аппаратов, размещенных в этом месте.

7. Необходимо уточнение вольтамперных характеристик ОПН с учетом возникновения крутых коротких импульсов напряжения на них.

8. Для защиты элементов подстанций, расположенных вне КРУЭ, нет необходимости использовать защитные аппараты непосредственно в КРУЭ.

Все приведенные выводы являются предварительными и требуют уточнений и проверок на других схемах подстанций и КРУЭ.

Литература

1. Правила устройства электроустановок (ПУЭ) / Минэнерго СССР. - 7-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 2003.

2. Руководство по защите электрических сетей 6-1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений / Под научн. ред. Н.Н.Тиходеева. - СПб.: ПЭИПК Минтопэнерго РФ, 1999.

Сведения об авторах:

Халилов Фирудин Халилович

профессор кафедры «Электроэнергетика и Техника высоких напряжений» Санкт-Петербургского государственного политехнического университета (С-ПбГПУ), д.т.н. Россия, 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29

Гумерова Натэлла Идрисовна

доцент кафедры «Электроэнергетика, техника высоких напряжений»,

Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, к.т.н., ст.н.с. Россия, Санкт-Петербург, Политехническая ул., д.29 Тел. 8-911 - 257 3809, эл. почта: nigumerova@mail.ru

Малочка Максим Владимирович

инженер 1 категории по наладке и испытаниям, филиал ОАО "Ленэнерго" "ПрЭС" СИП,

аспирант кафедры Э,ТВН СПбГПУ

моб. тел.: 8-906-264-92, раб. тел.: 595-31-60