Грозозащита подстанций и станций. Общие сведения

К защите подстанционного оборудования от перенапряжений предъявляются значительно более высокие требования, чем к защите линий. Перекрытие изоляции на подстанции в большинстве случаев означает дуговое к.з. в непосредственной близости от сборных шин, которое даже при современных средствах релейной защиты может привести к системным авариям.

В результате перекрытия внешней изоляции возникает так называемый срез, т. е. практически мгновенный спад напряжения до нуля, являющийся причиной больших градиентных перенапряжений в обмотках трансформаторов, вызывающих в неблагоприятных случаях повреждение продольной изоляции. Пробой внутренней изоляции в отличие от перекрытия внешней — это в большинстве случаев необратимый процесс, приводящий к выходу из строя аппарата в целом.

Подстанции защищаются как от прямых ударов молний, так и от волн напряжения, набегающих с линии.

Повреждения или перекрытия изоляции на подстанции принципиально могут быть обусловлены тремя причинами:

прорывом молнии мимо молниеотводов;

возникновением высокого потенциала на заземлении пораженного молниеотвода, приводящего к обратному перекрытию с заземлителя на токоведущие части установки;

возникновением высоких потенциалов под влиянием волн, приходящих с линии.

Если обозначить число опасных случаев в год, обусловленных перечисленными выше причинами, соответственно β₁ β₂, β₃, то расчетное число лет безаварийной работы подстанции

(10.43)

здесь М носит название показателя грозоупорности подстанции. Для того чтобы обеспечить как можно меньшую вероятность повреждения изоляции подстанции, число М должно более чем на порядок превосходить нормальный срок службы оборудования, т. е. должно измеряться сотнями лет.

Экономическое обоснование допустимого значения М должно базироваться на сопоставлении расчетных затрат на средства защиты от перенапряжений и ущерба от аварии. Очевидно, допустимое значение М должно быть дифференцировано в зависимости от категории потребителя, наличия резерва, стоимости ремонта и т. д.

Защита от прямых ударов и заземление молниеотводов. Оборудование подстанции защищается от прямых ударов молнии стержневыми молниеотводами в соответствии. Общее число ударов в молниеотводы в течение года подсчитавается в предположении, что зона 100%-ного попадания в молниеотводы с внешней стороны подстанции приблизительно равна 3h, т. е. молниеотводы подстанции с размерами (ab) м² собирают удары с площади, км²,

(10.44)

С учетом того, что поражаемость 1 км² расчетной площади равна 0 067 1/км² за один грозовой час, получаем число ударов в молниеотводы подстанции при средней грозовой деятельности 30 грозовых часов при высоте молниеотводов 20—30 м приблизительно N = 0,05–0,3 в год. Поскольку при определении защитных зон на моделях допускается вероятность поражения защищаемого объекта 0,001, абсолютное число поражений оборудования (прорывов мимо молниеотводов) β оценивается как 0,001∙N, т е. β = (0,5–3,0)∙10^-4. Столь малой возможностью поражения подстанционного оборудования можно пренебречь и считать, что защита непосредственно от прямых ударов осуществляется с весьма высокой надежностью.

В целях экономии металла и упрощения устройства открытых распределительных устройств (ОРУ) целесообразно устанавливать молниеотводы на крышах зданий, прожекторных мачтах и конструкциях (порталах). При этом молниеотводы вместе с соответствующими конструкциями оказываются присоединенными к зазем-лителю подстанции. При ударе молнии в вершину молниеотвода ток молнии, стекающий в землю, создает на сопротивлении зазем­лителя потенциал i_Mz_и. Этот потенциал (или его значительная часть) оказывается приложенным к корпусам аппаратов, расположенных поблизости от пораженного молниеотвода, что может вызвать обратное перекрытие или пробой изоляции между корпусом и токоведущими частями.

Возможны также перекрытия гирлянд на порталах, где установлены молниеотводы. Напряжение в верхней части портала складывается из падения напряжения на заземлителе и индуктивного падения напряжения на портале. Но так как разрядное напряжение гирлянды выше разрядного напряжения аппаратной и подстанционной изоляции, то показатели грозоупорности определяются условиями воздействия на изоляцию аппаратов.

Сопротивление заземлителя подстанции в импульсном режиме большей частью возрастает по сравнению с сопротивлением при промышленной частоте. Во-первых, все естественные заземлители обладают большой протяженностью, т. е. значительной индуктивностью, и могут быть удалены от места ввода тока (присоединения молниеотвода к заземляющему устройству); поэтому при расчете импульсного сопротивления заземления естественные заземлители не должны учитываться. Во-вторых, сам заземлитель подстанции, обладая значительными размерами, представляет собой протяженный заземлитель. Индуктивность 1 м контура L’, содержащего ряд параллельных полос, зависит от места установки молниеотвода, конфигурации и размеров подстанции, числа полос; для ориентировочных расчетов она может быть при­ближенно оценена величиной 0,3—0,6 мкГ/м. Суммарная индуктивность L_K = L'l при больших размерах подстанции измеряется десятками микрогенри, а постоянная времени T₁ = L_K /π²r — несколькими микросекундами. Поэтому импульсное сопротивление r заземлителя (без учета искровых процессов) в несколько раз превосходит его сопротивление r для тока промышленной частоты, а максимальный потенциал на заземлителе зависит от максимального значения и длительности фронта (или крутизны) тока молнии.