книги из ГПНТБ / Мельников, Н. А. Проектирование электрической части воздушных линий электропередачи 330-500 кВ

эксплуатационной надежности линий 330 кВ в западных и севе­ ро-западных районах Союза, трасса которых в основном про­ ходит в районах с чистой атмосферой. Удельное количество отключений линий 330 кВ в этих районах составляет 0,3—0,4.

В то же время в южных энергосистемах Союза на линиях 330 кВ, проходящих в сельскохозяйственных районах, было за­ регистрировано большое количество автоматических аварийных отключений в нормальном эксплуатационном режиме. На осно­ ве опыта эксплуатации удельная длина пути утечки для вновь проектируемых линий электропередачи, трасса которых прохо­

на большие электромеханические нагрузки. С учетом этого об­ стоятельства удельная длина пути утечки на линиях 500 кВ при гирляндах, выбранных в соответствии с расчетной кратностью

СССР и Центральной Сибири показал, что в тех случаях, когда трасса линии проходит в лесных районах, выбор изоляции в со­ ответствии с удельной длиной пути утечки Л,= 1,3 см/кВ обес­ печивает надежные условия работы, при которых отключения в нормальном режиме, как правило, не наблюдаются. В степных сельскохозяйственных районах, где наблюдаются засухи, резкие смены температуры и обилие росы, для обеспечения безаварий­ ной работы так же, как и на линиях 330 кВ, потребовалось уве­ личение удельной длины пути утечки до А,= 1,5 см/кВ. В наибо­ лее тяжелых условиях находится изоляция линий электропере­ дачи, проходящих в сельскохозяйственных районах, где применя­ ются химические удобрения и ядохимикаты. На этих участках трассы резко снижается изолирующая способность гирлянд и при отмеченных выше неблагоприятных климатических услови­ ях количество отключений линий в нормальном эксплуатацион­ ном режиме заметно возрастает. По мере приближения трассы линии к промышленным, приморским или солончаковым районам степень загрязнения атмосферы увеличивается и соответственно возрастает удельное количество отключений при рабочем напря­ жении.

Обобщение рассматриваемого вопроса произведено в «Руково­ дящих указаниях по выбору и эксплуатации изоляции в районах с загрязненной атмосферой», где все районы по возрастанию ин­ тенсивности загрязнения атмосферы, разделены на шесть сте­ пеней.

К I степени загрязнения атмосферы относятся лесные районы, тундры, лесотундры, болота, луга и сельскохозяйственные райо­ ны без интенсивного земледелия. Ко II степени загрязнения от­ носятся сельскохозяйственные районы, в которых применяются

174

Т а б л и ц а 7-5

химические удобрения, а также населенные районы. В районах, относящихся к I и II степени загрязнения, должны отсутствовать засоленные почвы, и они должны быть удалены от морского по­ бережья на расстояние не менее минимального защитного ин­ тервала от источника промышленного загрязнения. (Минималь­ ным защитным интервалом называется радиус окружности, за пределами которого загрязненность атмосферы не превышает II степени.) К III—VI степеням загрязнения относятся промышлен­ ные районы, находящиеся внутри защитного интервала, и райо­ ны, подверженные умеренному или интенсивному загрязнению солончаковой пылью.

в гирляндах, требуемое для обеспечения надежных условий ра­ боты изоляции в нормальном эксплуатационном режиме:

бирается в зависимости от интенсивности загрязнения атмосфе­ ры по рекомендациям, приведенным в табл. 7-5. В соответствии со степенью интенсивности загрязнения атмосферы при извест­ ных электромеханических нагрузках выбирается тип изолятора с большей или меньшей длиной пути утечки. По этим исходным данным выполняются расчеты по определению количества изоля­ торов и длины гирлянды.

Наиболее точно выбор изоляции может быть произведен по данным лабораторных измерений разрядных выдерживаемых гра­ диентов загрязненных и увлажненных гирлянд изоляторов. Изме­ рения позволяют в наиболее общем виде оценить влияние той или иной конфигурации изоляторов на величину среднего выдержи­ ваемого градиента, который определяется как отношение прило­ женного напряжения к строительной высоте гирлянды. Чем

175

натяжной загрязненной гирлянды более вероятно, чем поддер­ живающей. Поэтому в натяжных гирляндах следует увеличивать количество изоляторов по сравнению с приведенными в табл. 7-6. Количество дополнительных элементов в натяжной гирлянде, независимо от степени загрязнения атмосферы и типа изолято­ ров, принимается равным двум для линий 330 кВ, трем для ли­ ний 500 кВ, четырем для линий 750 кВ.

Проверка выбранного количества элементов по воздействию коммутационных перенапряжений. Правильность решения о вы­ боре линейной изоляции по рабочему напряжению подтвержда­ ется опытом эксплуатации, который показал, что возникновение коммутационных перенапряжений, которые по величине, как правило, ниже расчетных, не приводит к перекрытию линейной изоляции и отключению линии. В то же время необходимо учи­ тывать, что применение изоляторов с отношением //Я^г 2,3, по­ лучающих все более широкое распространение, позволит в бли­ жайшей перспективе уменьшить количество элементов в гирлян­ дах, требуемое по рабочему напряжению. Поэтому проверка выбранного количества изоляторов по воздействию коммутацион­ ных перенапряжений в некоторых случаях, например в районах с чистой атмосферой, может оказаться необходимой.

Прочность линейной изоляции при кратковременном воздей­ ствии коммутационных перенапряжений характеризуется сухо­ разрядным и мокроразрядным напряжением гирлянд.

Сухоразрядное напряжение. Величина воздействующего на изоляцию сухоразрядного напряжения может быть определена по формуле

где К — расчетная кратность коммутационных перенапряжений. По результатам исследований, проведенных в ЛПИ, коэффи­ циент запаса К 3 может быть принят 1,4 и в рассматриваемом

•случае будет больше, чем при определении мокроразрядного на­ пряжения, так как вероятность появления коммутационных пере­ напряжений при сухих гирляндах выше, чем во время дождя.

По найденной величине воздействующего напряжения и раз­ рядной характеристике несимметричного промежутка «провод —

•опора» определяются размеры изоляционного расстояния по воз­ духу, эквивалентного длине гирлянды.

Мокроразрядное напряжение. В НИИПТ и ЛПИ проводились исследования электрической прочности гирлянд при их увлаж­ нении осадками с интенсивностью до 0,35 мм/мин, туманом, а также ливневым доищем с широким диапазоном интенсивно­ сти (0,5— 6 мм/мин).

На основании исследований было установлено, что при воз­ действии коммутационных импульсов прочность гирлянд выше,

178

чем при плавном подъеме напряжения промышленной частоты. Это упрочнение в зависимости от типа изолятора, длины гир­ лянды, полярности и частоты воздействующей волны составля­ ет 5—20%, а в отдельных случаях достигает и более высоких значений.

Мокроразрядное напряжение может быть определено по той же формуле (7-29), что и сухоразрядное. Разница состоит в том, что в рассматриваемом случае коэффициент запаса может быть принят меньшим, чем при расчете сухоразрядного напряжения, п равным 1,25. Это объясняется тем, что в случае мокрых гир­ лянд наиболее вероятны коммутации, связанные с АПВ, кото­ рые составляют только часть общего количества коммутаций.

После определения мокроразрядного напряжения при наличии экспериментальных зависимостей этой величины от дли­ ны гирлянды можно определить необходимое количество изоля­ торов. Однако в настоящее время отсутствуют обобщенные раз­ рядные характеристики гирлянд изоляторов при коммутацион­ ных волнах, что объясняется большим разбросом полученных при испытаниях величин мокроразрядных напряжений. Уточне­ ние количества изоляторов, необходимого по коммутационным перенапряжениям, производят после накопления большого чис­ ла лабораторных данных для различных типов изоляторов.

В настоящее время проверка выбранного количества элемен­ тов в гирляндах производится по мокроразрядному напряжению промышленной частоты. Количество изоляторов рассчитывается по формуле

где Е мр — мокроразрядный градиент при плавном подъеме на­ пряжения промышленной частоты (табл. 7-1).

Окончательное количество изоляторов по мокроразрядному напряжению, с учетом запасных элементов п '= п + (1 -^-2 ).

7-5 РАЗРЯДНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ БОЛЬШИХ ВОЗДУШНЫХ ПРОМЕЖУТКОВ

Электрическая прочность изоляционных расстояний по воз­ духу определяется на основании результатов лабораторных из­ мерений в неоднородных электрических полях 50%-ных разряд­ ных напряжений воздушных промежутков, конфигурация кото­ рых приближается к реальным условиям на линиях электропере­ дачи и в распределительных устройствах или полностью им соот­ ветствует.

179

Многочисленные эксперименты показали, что даже при неиз­ менном расстоянии между электродами 50%-ное разрядное на­ пряжение не является постоянным и изменяется в зависимости от конфигурации электродов, формы воздействующего напря­ жения, предразрядного времени, полярности волн, атмосферных условий и т. п.

До последнего времени наиболее распространенным методом измерения электрической прочности воздушных промежутков являлся плавный подъем напряжения. Нормированная скорость подъема составляет в секунду около 3% амплитуды приложен­ ного напряжения.

Полученные экспериментальным путем зависимости разряд­ ных напряжений воздушных промежутков от расстояния между электродами, измеренные при плавном подъеме напряжения промышленной частоты, применялись как для оценки прочности изоляционных расстояний при длительном приложении рабоче­ го напряжения, так и при воздействии коммутационных перена­ пряжений. При этом не учитывались специфические особенности возникновения коммутационных перенапряжений: кратковре­ менность воздействия, повышенная по сравению с промышлен­ ной частота и значительный разброс разрядных напряжений.

Для исключения возможных ошибок и погрешностей в насто­ ящее время широко применяются методы генерирования комму­ тационных импульсов, позволяющие максимально приблизить условия искусственных испытаний внешней и внутренней изоля­ ции к реальным воздействиям, возникающим при перенапря­ жениях.

С помощью этих методов в ВЭИ, НИИПТ, Л ПИ и загранич­ ных лабораториях произведены исследования электрической прочности больших воздушных промежутков при коммутацион­ ных импульсах. В процессе экспериментов изменялись поляр­ ность, форма коммутационных импульсов и частота.

Для измерений разрядных напряжений /Ур применяются по­ казанные на рис. 7-9 затухающие колебательные импульсы коси­ нусоидального типа и униполярные коммутационные импульсы апериодической формы.

Время подъема напряжения затухающего колебательного импульса Та косинусоидального типа, принятого при измерениях в СССР, равно двойному интервалу времени между моментами,

меньше времени подъема напряжения и изменяется в пределах 2 000—3 000 мкс. Длина фронта коммутационного и грозового импульса определяется по одной и той же методике, описан­ ной ниже.

За границей испытания производятся униполярными комму­ тационными импульсами апериодической формы, время подъема

180

напряжения до амплитуды равно интервалу между нулевым зна­

250 мкс. Длина коммутационного импульса Ги (время полуспа­

ными при положительной полярности первого полупериода на­ пряжения, так как при отрицательной полярности электрическая прочность промежутков почти всегда значительно выше. Влия­ ние случайных процессов приводит к значительному разбросу разрядных напряжений. Перекрытие при воздействии волн по­ ложительной полярности происходит раньше, чем напряжение достигнет амплитудного значения.

Результаты исследований позволили построить зависимости разрядных напряжений при коммутационных импульсах длин­ ных воздушных промежутков от расстояния между электродами. В процессе исследований было установлено, что для типовых промежутков средняя величина 50%-ного разрядного напряже­ ния в случае воздействия импульсов коммутационных перена­ пряжений с длиной фронта 2 500—3 000 мкс практически не от­ личается от разрядного напряжения при плавном подъеме на­ пряжения промышленной частоты. Результаты измерений так­ же показали, что зависимости 50%-ного разрядного напряжения при положительной полярности воздушных промежутков от рас­ стояния между электродами, измеренные при затухающих коле­ бательных волнах с длинными фронтами, практически не отли­ чаются от разрядных напряжений при плавном подъеме напря­ жения промышленной частоты.

Существенной особенностью воздействия коммутационных перенапряжений является значительно больший разброс относи­ тельно средней величины и снижение величины разрядного на­ пряжения и среднеквадратичного отклонения с уменьшением длины фронта.

Исследования процессов развития разряда в больших воз­ душных промежутках выполняются уже в течение многих лет

181

в лабораториях разных стран. На первом этапе, в процессе осво­ ения линий высокого напряжения, измерения проводились при напряжениях до 900 кВ, причем преимущественно исследовалась электрическая прочность промежутков «стержень — плоскость» и «стержень — стержень».

Переход к сверхвысоким номинальным напряжениям потре­ бовал значительного увеличения изоляционных расстояний, что в свою очередь привело к заметному возрастанию влияния кон­ фигурации электродов на величину разрядного напряжения. В связи с этим в НИИПТ и ЛПИ, а позднее и в заграничных ла­ бораториях было проведено подробное исследование при воз­ действующих напряжениях до 2500—3 000 кВ электрической прочности воздушных промежутков, которые по своей геометри­ ческой конфигурации наиболее близко приближаются к реаль­ ным условиям на линиях электропередачи и в распределитель­ ных устройствах.

Все подробно рассмотренные ниже конфигурации больших воздушных промежутков подразделяются на три группы. К пер­ вой группе относятся часто применяемые в лабораториях при исследовании физических процессов во время разряда проме­ жутки «стержень — стержень» с симметричными электродами іг промежутки «стержень — плоскость» с резко несимметричны­ ми электродами.

Для определения изоляционных расстояний на линиях элек­ тропередачи используются разрядные характеристики относя­

плоскость» и «кольцо — кольцо», разрядные характеристики ко­ торых необходимы для выбора изоляционных расстояний в рас­ пределительных устройствах.

Закономерности развития разряда при коммутационных им­ пульсах. Коммутационные импульсы, возникающие во время переходного процесса на линиях электропередачи, наклады­ ваются на синусоидальное напряжение рабочего режима. В этот момент, как правило, возникают колебательные про­ цессы.

Во время измерений было установлено, что воздушные про­ межутки имеют наименьшие значения разрядного напряжения при воздействии коммутационных импульсов с таким относи­ тельно крутым фронтом, при котором объемный заряд на фрон­ те волны еще не успевает образоваться, но время разряда уже настолько велико, что процессы развития лавин, стримеров и ли­ дерного разряда не влияют на величину разрядного напряже­ ния. Существенным для рассматриваемого явления является то обстоятельство, что при длине фронта коммутационного импуль­ са свыше 100 мкс характер изменения напряжения после про-

182

хождения максимума практического значения не имеет, так как процесс перекрытия заканчивается до наступления мак­ симума.

На рис. 7-11 приведены вольт-секундные характеристики воз­ душного промежутка «стержень — плоскость», снятые при воз­ действии коммутационных импульсов.

В диапазоне расстояний между электродами 1— 6 м, как по­ казали результаты исследований, проведенных в ЭНИН, наи­ меньшие разрядные напряжения зарегистрированы при длинах фронтов 100—300 мкс. Аналогичные исследования, выполненные в США при длинах воздушных промежутков 9—25 м, позволяют утверждать, что с увеличением размеров промежутков область

минимальных разрядных напряжений смещается в сторону больших фронтов.

С учетом этого обстоятельства на рис. 7-12 по данным коми­ тета № 33 СИГРЭ построена зависимость разрядных напряже­ ний от размеров воздушного промежутка «стержень — плос­ кость» при различных длинах фронтов, каждый из которых соответствует минимальному значению вольт-секундной харак­ теристики. На этом же рисунке показаны разрядные напряже­ ния, измеренные при коммутационных импульсах с постоянной длиной фронта Тф=250 и 2 500 мкс.

Сопоставление полученных при разных формах коммутаци­ онных импульсов кривых, приведенных на рис. 7-12, дает воз­ можность оценить влияние длины фронта на разрядные напря­

183

жения воздушных промежутков и установить следующие зако­ номерности:

1.Каждой длине воздушного промежутка соответствует оп­ ределенная величина фронта коммутационного импульса, при которой разрядное напряжение будет минимальным.

2.Упрочнение воздушных промежутков при воздействии

коммутационных импульсов разной формы может происхо­ дить при переходе как к более длинным, так и к более коротким фронтам.

3. В диапазоне воздушных промежутков 3—10 м, имеющих практическое значение при выборе изоляционных расстояний на линиях электропередачи сверхвысокого и ультравысокого на­ пряжения, разрядные напряжения при воздействии коммутаци­ онных импульсов с пологими фронтами (тф=2 500 мкс) повы­ шаются соответственно на 20—10% по сравнению с минималь­ ными значениями.

Статистический разброс разрядных напряжений воздушных промежутков. В случае многократного приложения к воздушно­ му промежутку напряжения промышленной частоты или ком­ мутационных импульсов с различной амплитудой всегда суще­ ствует определенный диапазон напряжений, при воздействии которых с той или иной вероятностью может произойти разряд между электродами, но при котором не происходит заметных изменений электрической прочности испытываемого промежут­ ка. Поэтому электрическая прочность воздушных промежутков определяется не однозначно, а с помощью статистических ме­ тодов.

Вследствие статистического характера развития процесса величины разрядных напряжений всегда имеют некоторый раз­ брос относительно среднего значения. Степень разброса ха­ рактеризуется величиной а, называемой среднеквадратичным отклонением или стандартом распределения (в единицах раз­ рядного напряжения или в процентах от этой величины), а также дисперсией, равной квадрату среднеквадратичного от­ клонения.

В процессе исследований в НИИПТ и ЛПИ измерения раз­ рядных напряжений воздушных промежутков проводились по­ следовательными сериями. На первом этапе измерения выпол­ нялись при неизменных метеорологических условиях и на осно­ вании полученных результатов была определена дисперсия разрядных напряжений а2.

Последующие измерения проводились в течение года при естественных изменениях атмосферных условий. Полученные значения средних разрядных напряжений в каждой серии опы­ тов позволили определить среднее значение разрядных напря­ жений по результатам измерений в течение года, а затем и среднеквадратичное отклонение разрядных напряжений аср, ко­ торое учитывает не только неточность измерений ап, но и слу-

184