V005340 Курсовая работа Перенапряжения воздушных линий и электрических подстанций

1. ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

общее назначение мер защиты от перенапряжения состоит в том, чтобы при минимальных дополнительных затратах получить максимальный экономический эффект от снижения ущерба вызванного перенапряжениями и от повышения надежности работы энергосистем.

Все мероприятия по защите от перенапряжений делятся на две группы:

• превентивные меры снижения перенапряжений;

• защита оборудования с помощью коммутационных защитных средств.

Превентивные меры – это предотвращение возникновения перенапряжений или ограничение их величины в месте их возникновения. Превентивные меры защиты оказывают постоянное влияние на сеть. Их влияние – предотвратить возникновение перенапряжений или способствовать ограничению их величины.  

К таким мерам относятся следующие меры:

• применение выключателей с шунтирующими резисторами;

• применение выключателей без повторных зажиганий дуги между контактами при их разведении;

• применение грозозащитных тросов и молниеотводов;

• заземление опор линий электропередачи;

• емкостная защита изоляции обмоток трансформаторов и реакторов;

• применение емкостных элементов для снижения перенапряжений.

Коммутационные средства защиты от перенапряжений срабатывают и соединяют защищаемую цепь с заземлением в случае, когда перенапряжение в точке их установки превышает некоторую критическую величину. К этим средствам относят разрядники, шунтирующие реакторы с искровым соединением и нелинейные ограничители перенапряжений.

Надежность защиты в значительной степени определяется состоянием заземления опор воздушных линий и металлических корпусов оборудования подстанций. Заземление и вне его роли защиты от перенапряжений является весьма ответственным элементом сетей высокого напряжения. Различают три основных типа заземлений:

• рабочее заземление, используемое для создания необходимого распределения напряжений и токов в нормальных и аварийных режимах работы сети;

• защитное заземление, используемое для защиты персонала от напряжения, которое возникает на корпусах оборудования при повреждениях изоляции или вследствие влияний;

• грозозащитное заземление, предназначенное для защиты от внешних перенапряжений.

Заземление разрядников, молниеотводов и тросов способствует уменьшению вероятности перекрытия изоляции при грозовых разрядах. Функции рабочего, защитного и грозозащитного заземлений часто возлагают на одно устройство.

Основной характеристикой заземляющего устройства является его сопротивление, определяемое как отношение потенциала на зажиме заземлителя к току, стекающему через заземлитель. Потенциал определяется по отношению к удаленной точке земли. Сопротивление заземлителя зависит от конструкции и размеров, удельного сопротивления земли, а также от величины и формы стекающего с него тока.

В сетях 6…35кВ уровни изоляции обеспечивают достаточно высокую надежность работы сети при воздействии подавляющего большинства внутренних перенапряжений.

В сетях 110…220 кВ также не требуют установки специальных устройств для защиты от внутренних перенапряжений, за исключением особо неблагоприятных схем. Для грозозащиты применяют: тросы и заземления опор на линиях, молниеотводы, разрядники и нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН) на подстанциях и усиленную защиту подходов ВЛ к подстанциям.

Сети 330 кВ и выше имеют меньшие коэффициенты запаса электрической прочности изоляции. В них необходимо применять комплекс мер для защиты, как от грозовых, так и от внутренних перенапряжений. В этих сетях применяется глухое заземление нейтрали, шунтирующие реакторы (ШР) на линиях для снижения вынужденной составляющей перенапряжений, электромагнитные трансформаторы напряжения на линии для снятия остаточного заряда во время бестоковой паузы Автоматического повторного включения (АПВ), вентильные разрядники или ОПН с характеристиками, которые позволяют эффективно ограничивать как коммутационные так и грозовые перенапряжения, молниеотводы и грозозащитное заземление.    

2. Молниезащита линий

 воздушная линия ежегодно испытывает несколько десятков прямых ударов молнии на каждые 100 км длины. Главную опасность для линии представляет прямой удар молнии в фазные провода с последующим перекрытием изоляции от возникающих при этом перенапряжений. После окончания импульса тока молнии на месте перекрытия остается проводящий канал с не успевшим деионизироваться газом, по которому под действием рабочего напряжения может продолжать течь ток промышленной частоты. В процессе ликвидации замыканий на линии, вызванных грозой, расходуется ресурс работы выключателей; трансформаторы и другое оборудование сети подвергаются электродинамическим и термическим воздействиям токов короткого замыкания. Существенная часть замыканий сопровождается дальнейшим развитием аварии, что требует отключения линии на длительный срок с возможным нарушением нормального электроснабжения потребителей.

Вероятность грозового отключения линии зависит от многих причин: интенсивности грозовой деятельности в районах, расположенных вдоль трассы линии, номинального напряжения сети, ее конструкции, материала опор и т. д. С повышением класса напряжения линии, как правило, увеличиваются ее длина, высота опор, а, следовательно, и вероятность поражения линии молнией. Поэтому на линиях электропередачи высших классов напряжения, выполняемых на металлических и железобетонных опорах, обычно подвешивают грозозащитные тросы с малым углом защиты, обеспечивающим малую вероятность поражения молнией фазных проводов линии, а достаточно малое импульсное сопротивление заземления опор снижает вероятность обратных перекрытий с опоры на провод при ударе молнии в опору или трос вблизи опоры.

2.1 Задачи и критерии молниезащиты линий

 рис 2,1 Классификация задач грозозащиты ВЛ

В ряде случаев линии электропередачи выполняются на деревянных опорах. Грозозащитный трос на таких линиях не подвешивается, поэтому почти все удары молнии в линию попадают в фазные провода. При этом необходимая грозоупорность линии обеспечивается малой вероятностью перехода импульсного перекрытия междуфазной изоляции в силовую дугу, что связано с высокой скоростью восстановления электрической прочности промежутка.

На линиях средних классов напряжения 6-35 кВ, работающих в системе с изолированной нейтралью, часто используются металлические или железобетонные опоры. Применение грозозащитных тросов на таких линиях нецелесообразно, поскольку вследствие малой электрической прочности изоляции линии практически любой удар молнии в трос приводит к обратному перекрытию с троса на провод. Поэтому наиболее эффективными мерами, обеспечивающими грозоупорность таких линий, можно считать применение автоматического повторного включения линии (эта мера является резервной для линий электропередачи более высоких классов напряжения) и дугогасящей катушки, уменьшающих ток дуги однофазного замыкания на землю и увеличивающих вероятность самопроизвольного погасания дуги.

Для сравнения эффективности различных мероприятий по грозозащите линий электропередачи применяется ряд критериев.

2.2. Молниезащита воздушных линий различных классов напряжения

При оценке показателя надежности грозозащиты линии (или обратной величины – среднего числа грозовых отключений линий в год - n) учитывается зависимость перекрытия линии от законов распределения амплитуды и крутизны токов молнии, а также от места удара молнии. Поэтому эффективность грозозащиты сначала определяют отдельно для следующих расчетных случаев поражения линии

Рис.2.2. Логическая схема развития грозовых аварий ВЛ 110 кВ и выше

1) удар молнии в провод с последующим перекрытием изоляции между проводом и опорой или между проводами;

2) удар молнии в вершину опоры с последующим перекрытием изоляции между опорой и проводом;

3) удар молнии в пролет троса с последующим перекрытием изоляции с троса на провод или на землю;

4) удар молнии вблизи линии электропередачи, сопровождающийся появлением индуктированных перенапряжений.

Удар молнии в провод во многих случаях вызывает прямое перекрытие гирлянды изоляторов, что может привести к отключению линии. При ударе молнии в грозозащитный трос вблизи опоры практически весь ток первоначально устремляется в землю через эту опору, и такой случай можно рассматривать как удар молнии непосредственно в опору. Удар молнии в 20 среднюю часть пролета троса приводит к распределению тока между соседними опорами, что облегчает условия работы гирлянд изоляторов. Однако при этом на тросе в месте удара могут возникнуть перенапряжения, создающие опасность перекрытия воздушного промежутка между тросом и проводом в середине пролета. При ударе молнии вблизи линии, возникающие индуктированные перенапряжения существенно влияют только на число грозовых отключений линий напряжением до 110 кВ.

Рассчитав число грозовых отключений линии при каждом из перечисленных воздействий можно определить суммарное число грозовых отключений в год:

nΣ = nпр + nо + nтр + nинд ,

где nпр , nо , nтр – число отключений при ударах молнии в провод, в опору и трос; nинд – число отключений линии вследствие индуктированных перенапряжений.

Число отключений ВЛ 110 кВ и выше для перечисленных расчетных случаев определяется по формулам:

nпр = Nпум∙ Pпр∙ PIпр∙ Pд ∙ (1 – PАПВ);

no = Nпум∙ Роп∙ PIоп∙ Pд∙ (1 – PАПВ);

nтр = Nпум∙ Pтр∙ PIтр∙ Pд ∙ (1 – PАПВ);

nинд = Nинд ∙ Pд ∙ (1 – PАПВ),

где Nпум – число прямых ударов молнии в линию (провода, тросы, опоры); Pпр- – вероятность прорыва молнии на фазные провода мимо тросов (при отсутствии тросов Pпр=1); Pоп – вероятность ударов в опору, Pтр – то же в трос; PI пр, PI оп, PI тр – вероятность перекрытия гирлянды при ударе молнии в провода, опору и трос соответственно, Pд – вероятность установления дуги при перекрытии, Pапв – вероятность успешности АПВ, Nинд – ожидаемое годовое количество опасных индуктированных перенапряжений с амплитудой, превышающей импульсную прочность изоляции при положительной полярности.

Подвеска грозозащитных тросов, являющаяся основным грозозащитным мероприятием на линиях классов напряжения 110 кВ и выше, малоэффективна для линий 6-35 кВ, что вызвано низкой импульсной прочностью изоляции 6-35 кВ. Вследствие этого вероятность обратных перекрытий при ударах молнии в опору или в трос оказалась бы, при обычных значениях сопротивления заземления опор, весьма значительной. Поэтому линии 6 - 35 кВ сооружаются, как правило, без тросов. Исключение составляют лишь особо ответственные линии 35 кВ на металлических опорах.

Несмотря на отсутствие тросов линии 6-35 кВ имеют ряд особенностей, создающих более благоприятные условия для их грозозащиты. Во-первых, эти линии реже подвергаются прямым ударам молнии из-за их относительно небольшой высоты и протяженности. Нередко они оказываются частично защищенными от прямых ударов молнии расположенными вблизи линии возвышающимися объектами: зданиями, высокими деревьями, линиями более высокого напряжения и т. п. 21

Во-вторых, наличие изолированной или заземленной через дугогасящий реактор нейтрали в сетях 6-35 кВ облегчает борьбу с последствиями импульсных перекрытий изоляции, способствует гашению дуги однофазного замыкания на землю. Можно считать, что случаи грозовых перекрытий изоляции только одной из фаз линии не вызывают ее отключения. Возникшая дуга однофазного перекрытия гаснет, и опасность для линий 6-35 кВ представляют лишь перекрытия между фазами пли одновременные перекрытия с нескольких фаз на землю. При междуфазных перекрытиях остается высокой вероятность погасания дуги, потому что градиент рабочего напряжения вдоль пути перекрытия на этих линиях невелик.

В-третьих, линии 6 - 35 кВ часто сооружаются на деревянных опорах. В этом случае длина пути грозового перекрытия изоляции увеличивается за счет импульсной прочности дерева траверсы и стойки опоры. Уменьшается вероятность перекрытия и вероятность перехода импульсного перекрытия в дугу короткого замыкания. Однако эти преимущества деревянных опор не удается реализовать в полной мере из-за возможности расщепления деревянных частей при прямых ударах молнии. Для борьбы с расщеплением траверс и стоек опор в ряде случаев приходится шунтировать деревянные части опор токоотводящими металлическими спусками.

В отличие от линий более высоких классов напряжения, линии 6 - 35 кВ на металлических и железобетонных опорах часто отключаются вследствие воздействия индуктированных перенапряжений. Расчеты показывают, что число индуктированных перенапряжений, способных вызвать перекрытие изоляции 35 кВ, в пять раз больше, чем число перенапряжений, опасных для сети 110 кВ. Причиной этого также является невысокая импульсная прочность изоляции линий 6- 35 кВ на металлических и железобетонных опорах.

При отсутствии тросов основными грозозащитными мероприятиями на линиях 6-35 кВ являются использование дугогасящего реактора (или изолированной нейтрали) и АПВ. Даже при отсутствии тросов на линиях 35 кВ целесообразно предусматривать снижение импульсного сопротивления заземления опор, поскольку это уменьшает число обратных перекрытий с опоры на соседние фазы.

В целях защиты отдельных мест с ослабленной изоляцией или с повышенными требованиями к надежности защиты (пересечение с другими линиями или транспортными магистралями, подходы линий к подстанциям или переключательным пунктам и т. п.) на линиях 6 - 35 кВ используются различные разрядники.

Последовательность событий при грозовом поражении линии 6 - 35 кВ показана на рис. 2.3. Рассмотрим сначала последствия прямого удара молнии в один из фазных проводов линии с металлическими или железобетонными опорами. Если ток молнии окажется выше уровня грозоупорности линии, происходит перекрытие изоляции пораженной фазы на одной или нескольких

ближайших к точке удара опорах. Величину можно определить так же, как и для линий высших классов напряжения: