Зависимость максимального напряжения на электрооборудовании подстанций от крутизны набегающего импульса перенапряжения и от расстояния до защитного аппарата. Интервал координации изоляции.

Для защиты электрооборудования станций и подстанций от набегающих с воздушных ЛЭП грозовых импульсов используют главным образом ОПН и РВ. Эти защитные аппараты (ЗА) и защищаемое оборудование находятся друг от друга по ошиновке на некотором расстоянии. В результате напряжение на оборудовании оказывается выше, чем на ЗА. Оценим максимальную разницу напряжений на оборудовании и ЗА.

Рис. 7.37. Определение максимального напряжения на защищаемом оборудовании

На высоких частотах и при коротких воздействующих импульсах входная проводимость изоляции электрооборудования определяется в основном ее входной емкостью по отношению к земле С_вх. Поэтому при анализе грозовых перенапряжений различное электрооборудование на эквивалентных схемах представляется конденсаторами с конкретными емкостями С_вх.

Основные закономерности поведения напряжения на изоляции оборудования при воздействии набегающего грозового импульса рассмотрим на примере схемы рис. 7.37. Пусть набегающий на подстанцию импульс имеет косоугольный фронт с крутизной напряжения а. Тогда в пределах фронта импульса его напряжение увеличивается со временем по линейному закону

. (7.57)

Для упрощения анализа примем, что С_вх = 0. Тогда импульс, прошедший точку 1, через время, равное l/v, придет в точку 2 и отразится от нее с тем же знаком. Отраженный импульс еще через время l/v вернется в точку 1 и наложится на падающий импульс. Под действием суммарного напряжения в некоторый момент времени t_р в соответствии с вольт-секундной характеристикой РВ произойдет пробой его искрового промежутка и напряжение в точке 1 снизится (рис. 7.32). Наибольшее напряжение на разряднике перед пробоем

. (7.58)

Напряжение в точке 2 будет повышаться еще в течение времени l/v и достигнет

. (7.59)

Лишь после этого напряжение в точке 2 снизится вследствие подключения в точке 1 нелинейного сопротивления РВ и, следовательно, изменения коэффициентов преломления и отражения в точке 1.

Рис. 7.38. Изменение напряжений в схеме на рис. 7.31.

После срабатывания разрядника возникают многократные отражения волн между разрядником и объектом, причем в точке 1 отражения волн происходят с переменой знака вследствие небольшого сопротивления разрядника, в то время как от заряженной емкости (точка 2) волны отражаются с тем же знаком. Вследствие этого эффекта в точке 2 возникают осцилляции напряжения (см. рис. 7.38). Благодаря пологой вольт-амперной характеристике разрядника напряжение на нем почти не изменяется под влиянием отраженных волн. Поэтому для упрощенных расчетов можно заменить действительную форму напряжения на разряднике волной с косоугольным фронтом (пунктирная кривая на рис. 7.38) с крутизной, равной крутизне набегающей волны а, и с максимальным значением, равным остающемуся напряжению на разряднике при токе координации I_к.

Разница напряжений на защищаемом оборудовании и на разряднике составляет

. (7.60)

Таким образом, максимальное напряжение на защищаемом оборудовании тем больше превышает пробивное напряжение разрядника, чем дальше оно удалено от разрядника и чем выше крутизна фронта падающего импульса.

Если оборудование в схеме находится до разрядника, то картина изменения со временем напряжения на изоляции оборудования отличается от рис. 7.38. Однако вывод из (7.60) остается тем же.

Разность допустимого напряжения на защищаемом оборудовании и пробивного напряжения разрядника называется интервалом координации изоляции . Поскольку пробивное напряжение разрядника примерно равно остающемуся напряжению при токе координации, задача практически сводится к выбору интервала между остающимся напряжением разрядника или ограничителя перенапряжений и допустимым напряжением на изоляции электрооборудования подстанции. Характеристики защитных аппаратов и допустимые импульсные напряжения на изоляции оборудования U_доп связаны соотношением

. (7.61)

Координационный интервал учитывает повышение напряжения на защищаемом оборудовании по отношению к напряжению на защитном аппарате. Экономически приемлемый интервал координации достигается за счет снижения крутизны набегающего грозового импульса. Допустимая крутизна импульса напряжения а_доп и расстояние l между защитным аппаратом и защищаемым оборудованием связаны соотношением

. (7.62)

Если из конструктивных соображений установлено значение l, то для соблюдения координационного интервала необходимо, чтобы на входе подстанции грозовой импульс имел в соответствии с (7.62) крутизну фронта не больше допустимого значения.

При воздействии набегающего грозового импульса напряжения в схеме подстанции возникает сложный волновой процесс. Напряжения в разных точках схемы могут иметь как апериодическую, так колебательную форму.

Даже в простейших схемах расчет напряжения на изоляции электрооборудования подстанции весьма громоздок. Поэтому исследования молниезащиты подстанций проводятся на ЭВМ или на физических моделях, получивших название анализаторов молниезащиты. В этих моделях оборудование представляется сосредоточенными емкостями, ошиновка подстанции – цепочечными схемами, защитные аппараты – специальными схемами. Источником напряжения является генератор импульсных напряжений (низкого напряжения), который допускает изменение параметров импульса в широких пределах.

Задача молниезащиты подстанции заключается в таком размещении ОПН или вентильных разрядников на территории подстанции, при котором напряжения во всех ее точках не превышают допустимых значений. Так как подстанции всегда защищаются с очень высокой степенью надежности, то в эксплуатации напряжения на изоляции достигают расчетных значений очень редко (не более 2–3 раз в течение времени жизни оборудования).

При изготовлении внутренняя изоляция проходит испытания полным и срезанным импульсами, причем амплитуда срезанного импульса может превосходить амплитуду полного импульса на 20–25 %. Поэтому принято допустимые напряжения на изоляции ставить в соответствие амплитудам испытательных импульсов.

Допустимое напряжение на трансформаторе по условию работы внутренней изоляции определяется по формуле

, (7.63)

где – испытательное напряжение при полном импульсе для трансформаторов, испытываемых без возбуждения, кВ; – действующее значение номинального напряжения, кВ.

В эксплуатации при набегании импульса трансформатор находится под напряжением промышленной частоты, поэтому второе слагаемое в (7.63) является поправкой на возбуждение. Коэффициентом 1,1 учитывается отличие реальной формы грозового импульса от импульса испытательного напряжения, а также ограниченное число перенапряжений в течение срока службы трансформатора.

Допустимые грозовые перенапряжения для внешней изоляции (вводов, разъединителей, выключателей, конденсаторов связи) устанавливают исходя также из испытательных напряжений полным и срезанным импульсами. Допустимые напряжения изоляции должны лежать ниже ее вольт-секундной характеристики.

При удаленных ударах молнии в провод обычно гирлянды на нескольких ближайших к точке удара опорах перекрываются, и дальше после них к подстанции распространяется срезанный импульс с амплитудой U_50% для гирлянд изоляторов.

Рис. 7.39. Защищенный подход к подстанции для воздушной лини:

а – на деревянных опорах; б – на металлических или железобетонных опорах

На рис. 7.39,а показана схема защищенного подхода, когда подходящая к подстанции линия выполнена на деревянных опорах. Трос подвешивается только в пределах защищенного подхода. Так как на деревянных опорах от тросов к заземлителям прокладываются по стойкам токоотводящие спуски, прочность изоляции опоры относительно земли существенно снижается. В этом случае первая подтросовая опора является местом с ослабленной изоляцией и для того чтобы не ухудшить грозоупорность линии, в начале защищенного подхода на каждой фазе устанавливают трубчатые разрядники PT1 или другие защитные аппараты, которые позволяют самопроизвольно погасить дугу после импульсного грозового перекрытия и не допустить отключения линии (РВ, ОПН). В конце подхода иногда устанавливают второй комплект защитных аппаратов (РТ2), которые служат для защиты разомкнутого линейного выключателя.

Если линия выполнена на металлических или железобетонных опорах и защищена тросами по всей длине (рис. 7.33,б), то трубчатые разрядники на подходе не устанавливаются. Однако на примыкающих к подстанции участках линии особенно тщательно выполняются требования молниезащиты: снижаются сопротивления заземления опор и уменьшаются углы защиты тросов. Целью этих мероприятий является уменьшение вероятностей прорыва молнии через тросовую защиту и обратных перекрытий при ударах в опоры в пределах защищенного подхода к подстанции.

Защищенный подход выполняет еще одну важную функцию. При прохождении импульса напряжения по защищенному подходу вследствие действия импульсной короны происходит удлинение его фронта и, таким образом, снижение крутизны фронта импульса, набегающего на подстанцию. Длина защищенного подхода должна быть достаточной для того, чтобы крутизна фронта импульса напряжения снизилась до значения, безопасного для оборудования подстанции. Для этого должно выполняться условие: . С целью повышения надежности расчетов полагают, что в месте удара молнии образуется импульс напряжения бесконечной длительности с вертикальным фронтом и амплитудой, равной U_50% линейной изоляции. При таком допущении длительность фронта импульса, дошедшего до подстанции, равна , где – длина защищенного подхода. Тогда крутизна дошедшего импульса . Из указанного выше условия

. ( 7.64)

Из (7.60) окончательно запишем формулу для нахождения минимальной длины защищенного подхода

, (7.651)

где в км, U_50% в кВ, в кВ/мкс, в мкс/км.