Geum.ru

Из-за повреждения изоляции вл происходит наибольшее число (около половины) аварийных отключений в электрических сетях 330 750 кВ

Вид материалаДокументы

Содержание


Таблица 2 Показатели грозоупорности ВЛ 400 кВ
Подобный материал:




В. Л. Дмитриев, М. В. Дмитриев

ОАО "НИИПТ"


Использование подвесных ограничителей перенапряжений

для повышения грозоупорности ВЛ


Введение

Из-за повреждения изоляции ВЛ происходит наибольшее число (около половины) аварийных отключений в электрических сетях 330 – 750 кВ. Так, на ВЛ 330 кВ эта доля составляет 50 %, на ВЛ 500 кВ – 44 %, на ВЛ 750 кВ – 47 %.

Обобщенные сведения по причинам аварийных отключений в сетях ФСК за 1998-2003 г.г. собранные ОАО "НИИПТ" по заданию ОАО "ФСК ЕЭС" представлены в Таблице 1


Таблица 1

Основные причины аварийных отключений ЛЭП 330-750 кВ ФСК ЕЭС

за 5 лет (1999-2003 г.г.)

Причины

Uном

330 кВ
500 кВ
750 кВ

Нарушение

изоляции ВЛ
гроза,

30
30
0

Гололед, ветер
12
15
2

контакт с растительностью
62
19
3

лесной и низовой пожар
23
40
2

птицы
3
0
0

загрязнение изоляции, негабарит
4
13
0

Итого
134
117
7

Механические повреждения ВЛ
(по всем причинам)
44
33
3

Прочее (вандализм, вина персонала,
невыясненные причины, отказы оборудования ПС)
91
115
5

Итого

269
265
15


Выполненное ОАО "НИИПТ" обобщение опыта эксплуатации ВЛ расположенных в разных энергосистемах, показывает широкий диапазон изменений показателя надежности работы ВЛ – числа автоматических отключений, Таблица 2.

Таблица 2

Класс

номинального

напряжения ВЛ,

кВ
Объем опыта

эксплуатации, тыс.км·лет
Число автоматических

отключений

на 100 км в год
Доля

грозовых

отключений,

%
Коэффициент

успешности АПВ

общее
В т.ч. грозовых
общий
при грозе

110
225
1,3 – 9,5
0,32 – 2,1
11 – 52
0,41 – 0,86
0,56 – 1,0

220
113
1,3 – 3,8
0,18 – 2,5
14 – 66
0,45 – 0,78
0,69 – 0,90

330
56
0,85 – 1,6
0,22 – 0,98
5 – 65
0,38 – 0,70
0,60 – 0,87

500
85
0,56
0,10
18
0,64
0,85

750
21
0,24
0,07
29
0,66
1,0


Причины такого разброса связаны как с существенно отличными природно-климатическими условиями и общим техническим состоянием оборудования, так и неудовлетворительным уровнем эксплуатации ВЛ и ПС.

К объективным причинам, приводящим к повышенному числу аварийных отключений, можно отнести и аномальные погодные явления характерные для ряда регионов Северного Кавказа, Приморья, Сахалина, Камчатки. К субъективным – несоответствие принятых проектных решений по конструкции ВЛ условиям эксплуатации и невыполнение в полном объеме требований нормативной документации по поддержанию эксплуатируемого оборудования в надлежащем состоянии.

Выполнение требований ПУЭ к величинам сопротивлений заземления опор в сочетании с использованием грозозащитных тросов, обеспечивает в большинстве случаев достаточный уровень грозоупорности ВЛ. Правильно выбранная тросовая защита ВЛ делает вероятность прорыва молнии к фазным проводам весьма малой, а низкие значения сопротивления заземления опор препятствуют росту напряжения на изоляции ВЛ до опасных уровней при ударах молнии в опору или трос и, тем самым, уменьшают вероятность обратных перекрытий. Однако опыт строительства и эксплуатации ВЛ показал, что достичь требуемых значений сопротивления заземления удается далеко не всегда, а использование грозозащитных тросов в ряде случаев (районы с повышенным гололедообразованием, сильными ветрами и т.п) снижает общую надежность работы ВЛ.

В последние годы за рубежом в таких случаях стали применять окисно-цинковые ограничители перенапряжений (ОПН). Использование подвесных ОПН, устанавливаемых параллельно гирляндам изоляторов, позволяет ограничить рост напряжения на изоляторах до величины, при которой перекрытия гирлянды не происходит.






Рис 1. Упрощенная эквивалентная схема опоры с грозотросом при ударе молнии в опору.



Приведенная на Рис 1 упрощенная схема (без учета наведенных напряжений) наглядно поясняет принципы работы средств защиты изоляции ВЛ от обратных перекрытий при ударе молнии в опору. Ток молнии, попавшей в опору до перекрытия изоляции ВЛ, распределяется между ветвями:
  • волновое сопротивление опоры (Zоп) и сопротивление заземлителя (Rз);
  • волновое сопротивление подсоединенных к опоре грозозащитных тросов (), с учетом того, что каждый трос отходит от опоры в обе стороны.

Если вызванное током молнии приложенное к изоляции ВЛ падение напряжения на суммарном сопротивлении этих ветвей превышает прочность изоляции, происходит ее перекрытие. Уменьшение суммарного сопротивления в цепях растекания тока молнии, снижает вероятность перекрытия изоляции. Использование подвесных ОПН является одним из способов снижения этого сопротивления. Действительно, при увеличении напряжения на изоляции до опасных для изоляции величин, сопротивление ОПН резко падает, в результате чего волновые сопротивления фазных проводов оказываются (по схеме Рис 1) подключенными параллельно опоре. Следует отметить, что перекрытие изоляции любой фазы ВЛ также, как и открытие ОПН, приводит к уменьшению перенапряжений на изоляции оставшихся неповрежденными фазах.

ВЛ 400 кВ были спроектированы в СЗИ "Энергосетьпроект". До конца 90-х годов эти ВЛ находились в ведении ОАО "Ленэнерго", затем в рамках реструктуризации электроэнергетики были переданы в МЭС Северо-Запада вместе с Выборгским преобразовательным комплексом (ВПК). В таблице 2 приведены показатели грозоупорности по опыту эксплуатации за период с 1982 г в сопоставимых показателях, т. е. число отключений в год на 100 км линии. Практически, раз в год отключается одна цепь двухцепной ВЛ 400 кВ, а раз в два года отключаются одновременно обе цепи. Основной причиной низкой грозоупорности этих ВЛ явились принятые проектировщиками при выборе конструкций заземлителей опор завышенные значения удельной проводимости грунтов на трассе ВЛ, и, как следствие, полученные при строительстве высокие сопротивления заземлителей.

Таблица 2

Показатели грозоупорности ВЛ 400 кВ

Длина, км
Опыт эксплуатации
Характеристика грунтов

Период
Число лет
Число грозовых отключений одной из цепей на 100 км

в год
Доля одновременных отключений при грозе двух цепей
Общее число опор
Число опор с r грунта, превышающим


1000 Ом·м
5000 Ом·м

шт.
%
шт.
%

42*
1982–2003
22
1,9
0,56
115
73
66
59
54


Привлеченный к разработке мероприятий по повышению грозоупорности ВЛ 400 кВ с 2001 г, ОАО "НИИПТ" начал работу с определения сопротивления заземлений опор ВЛ. Из представленных на диаграмме результатов измерений понятно, что ожидать высокой грозоупорности от этой линии не приходилось. Кроме того, большие сопротивления заземления значительной части опор, как показывает отечественный и мировой опыт эксплуатации, и приводят к частым отключениям при грозе одновременно обеих цепей двухцепной линии. Перед ОАО "НИИПТ" была поставлена задача обеспечить надежную работу при грозовых перенапряжениях по крайней мере одной из цепей во избежание отключения всего ВПК.

Такая постановка была обусловлена особенностью работы электропередачи "Россия – Финляндия", работающей с вставкой постоянного тока. Отключение одновременно обеих цепей ВЛ не позволяет использовать АПВ в силу специфики работы инверторных преобразователей, из-за потери синхронизма преобразовательного комплекса с финской энергосистемой, что в конечном счете приводит к длительным перерывам в передаче мощности в Финляндию.




Рис 2 Распределение сопротивлений заземления опор ВЛ Линке1/2.

С использованием данных по величинам сопротивления заземления опор была сделана расчетная оценка вероятности перекрытия изоляции ВЛ. Для оценки использовались модернизированные для случаев расчета ВЛ с резко отличающимися величинами сопротивлений заземления методики "Руководства по защите электрических сетей 6-1150 кВ", и на специально разработанной расчетной модели в программной оболочке ЕМТР. При оценках принималось распределение вероятности токов молнии, полученное на основе результатов измерений финской сети при наблюдении за грозами. Оно отличается от приведенного в РД "Руководство по защите электрических сетей 6-1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений" заметно меньшими амплитудами токов молний, что, по многочисленным результатам исследований отечественных и зарубежных авторов, характерно для районов с плохой проводимость грунтов. Наибольшая вероятность перекрытия одной цепи, полученная расчетным путем, наблюдалась у опоры № 29, а двух цепей одновременно – у опоры № 28.

В качестве иллюстрации к сказанному можно привести показанную на Рис 3 фотографию гирлянды изоляторов нижней фазы опоры № 28 двухцепной ВЛ 400 кВ, расположенных на наиболее поражаемом по данным регистрирующей аппаратуры участке линии.

Практически для каждой опоры двухцепной ВЛ принималось индивидуальное решение по оптимальному комплексу мер. В первую очередь, оценивалась на основе результатов выполненного геофизического обследования трассы ВЛ возможность достижения приемлемых величин сопротивления заземления опор за счет использования для установки заземлителей участков с повышенной по сравнению с прилегающей к опоре территорией проводимостью грунта. В большинстве случаев этого удавалось добиться применением лучевых и вертикальных заземлителей. При этом, по возможности, предпочтение отдавалось вертикальным заземлителям, из-за меньшей зависимости их сопротивления от сезонных колебаний влажности грунта. Для ряда опор радикального снижения сопротивления заземления добиться не удалось. В зависимости от сопротивления заземления таких опор, для них было рекомендовано использование ОПН или дифференцированной изоляции. Так, при сопротивлении заземления от 30 до 100 Ом рекомендовано использовать дифференцированную изоляцию, при более высоких сопротивлениях – устанавливать ОПН. Эффективность использования отдельных мероприятий и их сочетаний при выборе мероприятий оценивалась по тем же методикам, что и грозоупорность ВЛ до реконструкции, разработанной для случаев больших отличий сопротивления заземления соседних опор. Были определены 35 из 115 опор ВЛ 400 кВ, на которых НИИПТ рекомендовал установить ОПН. Для 64 опор, в том числе 14 с ОПН, рекомендовано провести реконструкцию заземлителей. Помимо перечисленных мер, предложено использовать дополнительное усиление изоляции защищаемой цепи на опорах без ОПН на 3-5 изоляторов.



Рис 3 Гирлянда изоляторов нижней фазы опоры № 28

При использовании дифференцированной изоляции, как меры повышения надежности электропередачи, усиливают изоляцию всех фаз одной из цепей до такой степени, чтобы перекрытия при возникновении на опоре опасных перенапряжений происходили только на цепи с меньшей электрической прочностью изоляции. При использовании такой неравнопрочной изоляции наиболее важным становиться то, насколько импульсная прочность изоляции одной цепи больше импульсной прочности изоляции другой цепи. Приводимые в литературе результаты испытаний различных типов изоляторов получены при неодинаковых условиях в части параметров испытательных воздействий и макетирования элементов опор и проводов. Это затрудняет выбор оптимальных сочетаний изоляторов для дифференцированной изоляции. В связи с этим, в ОАО "НИИПТ" были проведены сопоставительные испытания нескольких основных типов гирлянд, используемых на ВЛ, и альтернативные типы изоляторов. Так, были испытаны гирлянды из стеклянных изоляторов ПС 120, расщепленная гирлянда используемая для ВЧ связи, гирлянда из грязестойких стеклянных изоляторов ПСВ120Б, длинностержневые полимерные и фарфоровые изоляторы. Испытания проводились при воздействии импульса напряжения с длительностью фронта, более близкой к реально воздействующим грозовым перенапряжениям, чем у стандартного грозового импульса напряжения. Необходимо отметить, что наибольшей импульсной прочностью при прочих равных условиях обладают гирлянда из изоляторов ПСВ120Б и расщепленная гирлянда из изоляторов ПС 120. Полученные при этом вольтсекундные характеристики изоляции ВЛ были использованы при расчетах грозоупорности ВЛ при выбранных типах изоляторов.

Условия работы ОПН на ВЛ отличаются от условий работы на ПС. Если для расположенных на ПС ОПН основным режимом работы является ограничение перенапряжений на фазных проводах, то у линейных ОПН появляется совершенно новая дополнительная задача - ограничение перенапряжений на плохо заземленных опорах относительно фазных проводов, играющих роль дополнительного заземлителя опоры. Кроме того, по доступности в обслуживании разница для подстанционных и линейных ОПН, расположенных за много километров от эксплуатационного персонала, очевидна. В связи с отсутствием в России опыта применения для повышения грозоупорности ВЛ в широких масштабах ОПН были сформулированы общие требования к ОПН, используемым для защиты изоляции ВЛ от перекрытий.

Для надежной защиты от перенапряжений, воздействующих на изоляцию, достаточно выбрать защитные характеристики ОПН обеспечивающими на защищаемой цепи ограничение перенапряжений до величин, заведомо не превышающих выдерживаемого гирляндой напряжения.

Вне зависимости от способа координации защитных характеристик ОПН с импульсной прочностью изоляции ВЛ, параметры и конструкция используемых ограничителей перенапряжений должны быть такими, чтобы:
  • обеспечить отсутствие перекрытий линейной изоляции при грозовых перенапряжениях на ВЛ т.е. обладать необходимыми защитными характеристиками;
  • выдерживать без повреждений в течение срока своей службы совокупность воздействий (как токовых, так и энергетических), вызванных перенапряжениями на защищаемой изоляции;
  • обеспечивать возможность дальнейшей эксплуатации ВЛ без немедленного проведения ремонтных работ в случае повреждения ОПН.

Два последних пункта означают, что ОПН должен не только исполнять возложенные на него обязанности по защите изоляции от перенапряжений, но и сам не должен являться причиной длительных аварийных отключений. НИИПТ сформулировал и обосновал требования к основным техническим характеристикам ОПН на основе анализа результатов расчетов переходных процессов при ударах молнии в ВЛ.

Расстановка ОПН по трассе ВЛ определяется необходимым уровнем надежности работы изоляции, эффективностью традиционных средств грозозащиты, состоянием заземлителей опор, климатическими особенностями трассы (трудности с использованием грозозащитных тросов). ОПН предотвращают как обратные перекрытия при ударах молнии в опору или в грозозащитный трос, так и перекрытие изоляции ВЛ в случае прорыва молнии к фазным проводам сквозь тросовую защиту. Ограничители перенапряжений для защиты изоляции ВЛ от перекрытий могут использоваться на каждой опоре линии, только на опорах с повышенным сопротивлением заземления, только на одной из фаз такой опоры, на двух или на всех трех фазах этой опоры и т.д. Очевидно, что условия работы ОПН в каждой из перечисленных схем расстановки отличны друг от друга и, в первую очередь, это касается протекающих через него токов, непосредственно связанных с напряжениями на изоляции.

Проведенный анализ условий работы ОПН на ВЛ позволил сделать следующие основные выводы;
  • при ударе молнии в опору или грозозащитный трос, величина тока через подвесной ОПН определяется в первую очередь волновым сопротивлением фазного провода;
  • эффективность снижения грозовых перенапряжений на изоляции фаз линии, не защищенных с помощью ОПН, определяется соотношением величин сопротивления заземления опоры и волнового сопротивления фазных проводов;
  • эффект снижения напряжения на незащищенных с помощью ОПН фазах уменьшается по мере увеличения числа уже установленных на опоре ограничителей.
  • эффективная защита изоляции в широком диапазоне амплитуд и крутизн токов молний обеспечивается только для той фазы ВЛ, на которой ОПН установлен;

Причины отсутствия заметного влияния соседних опор на величины напряжений на пораженной опоре связаны с волновым характером переходных процессов в ВЛ. Вначале потенциал вершины пораженной опоры будет пропорционален току молнии. От пораженной опоры по линии будет распространяться волна напряжения. Спустя время пробега волной пролета ВЛ эта волна дойдет до соседней опоры, где отразиться с противоположным знаком, так как эквивалентное сопротивление заземления соседней опоры заметно меньше волнового сопротивления ВЛ. Спустя еще одно время пробега по пролету ВЛ отраженная волна вернется к пораженной опоре, где снизит потенциал ее вершины, величина которого теперь будет определяться не только током молнии, но и пришедшей отраженной от соседней опоры волной напряжения. Ясно, что степень влияния соседней опоры на потенциал пораженной определяется тем, насколько изменится ток молнии за время двойного пробега электромагнитной волной пролета ВЛ и, кроме этого, коэффициентом отражения волны напряжения от соседней опоры. При малой скорости нарастания тока молнии и малом сопротивлении заземления соседней опоры влияние этой соседней опоры на потенциал пораженной опоры оказывается наиболее существенным.

При ударе молнии в опору, на которой установлен ОПН, выделяющаяся в нем энергия заметно зависит от распределения величин сопротивлений заземления соседних опор. Таким образом, требования по необходимой энергоемкости к предназначенным для защиты линейной изоляции ВЛ ограничителям перенапряжений должны формулироваться только с учетом реального распределения величин сопротивления заземления ближних опор трассы линии. В противном случае, требуемая энергоемкость ОПН может быть необоснованно существенно завышена.

В настоящее время в соответствии с рекомендациями ОАО "НИИПТ", на опорах с большими сопротивлениями заземления установлены подвесные ОПН в полимерном корпусе зарубежного производства. Выбор зарубежного поставщика был обусловлен отсутствием на отечественном рынке отделителей ОПН, обеспечивающих отключение защитного аппарата в случае его повреждения от рабочего напряжения. Вид опоры с установленными ОПН представлен на Рис 4. За прошедших после установки ОПН два года на ВЛ 400 кВ не было зафиксировано ни одного отключения электропередачи из-за грозовых перенапряжений.



Рис 4 Опора двухцепной ВЛ 400 кВ с ОПН установленными на правой цепи