Принципы защиты подстанции от набегающих волн

Волны, набегающие с линии на подстанцию, возникают при прямых ударах в провода линии без тросов, при обратных перекрытиях с троса или опоры или прорывах молнии мимо троса линии с тросами. Максимальные значения волн, набегающих на подстанцию, не могут превышать разрядного напряжения изоляции линии относительно земли. Действительно, если на линии возникнет волна с более высоким максимальным значением, то она при своем распространении по линии будет вызывать перекрытие изоляции опор до тех пор, пока заземления опор, на которых произошло перекрытие, не снизят максимальное значение волны до разрядного напряжения линейной изоляции.

Уровень подстанционной изоляции ниже уровня изоляции линии, что обусловлено экономическими соображениями. Поэтому набегающие волны представляют опасность для изоляции подстанционного оборудования и их максимальное значение должно быть ограничено.

Основным аппаратом защиты от набегающих волн является вентильный разрядник (РВ), у которого разрядное напряжение искрового промежутка и остающееся напряжение при токах координации не менее чем на 10% ниже гарантированной прочности защищаемой изоляции при полном импульсе. Искровые промежутки РВ обладают пологой и стабильной вольт-секундной характеристикой; вследствие наличия нелинейного резистора срабатывание РВ не приводит к глубокому срезу, т. е. не вызывает больших градиентных перенапряжений на продольной изоляции трансформаторов.

Рис. 10.20 – Упрощенные схемы для оценки тока через разрядник. а — волна приходит «издалека»; б — удар молнии в непосредственной бли­зости от разрядника.

Для того чтобы защита с помощью вентильных разрядников была эффективной, необходимо выполнить два условия:

ограничить ток через разрядник величиной тока координации(от 5 до 14 кА в зависимости от номинального напряжения и типа разрядника);

ограничить крутизну волны, набегающей на разрядник.

Если ток, проходящий через разрядник, превысит ток координации, то остающееся напряжение разрядника окажется выше нормированного и интервал между остающимся напряжением разрядника и электрической прочностью изоляции уменьшится.

Ток через разрядник можно приближенно оценить на основании схем, приведенных на рис.10.20. Если волна приходит «издалека» (рис. 10.20, а), т. е. многократные отражения волн на участке между местом удара и шинами подстанции можно не учитывать вследствие большого времени пробега волны по этому участку, то ток через разрядник определится как

(10.45)

или с некоторым запасом i_p =2u_пад/z. В частности, для линий 110 кВ на металлических опорах U_пад=U_50%≈700 кВ максимальное значение I_р=3,5 кА, что вполне допустимо. При ударе молнии в непосредственной близости от разрядника, например у ближайшей опоры, с последующим перекрытием на сопротивлении заземления пораженной опоры r_и на разряднике весьма быстро устанавливается большее напряжение u_р (рис. 8.20, б). Ток через разрядник при этом равен:

(10.46)

Если принять (с преувеличением), что при больших токах остающееся напряжение разрядника РВС-110 равно (U_ост = 400 кВ, r_и = 10 Ом, максимальное значение тока молнии i_м = 100 кА, то через разрядник пройдет недопустимо большой ток, максимальное значение которого равно i_р=60 кА. При одном и том же токе молнии доля тока, ответвляющегося в разрядник, растет с уменьшением номинального напряжения, так как сопротивление разрядника при этом падает. Таким образом, близкие удары особенно опасны при относительно невысоких номинальных напряжениях.

При некотором удалении места удара от шин подстанции в пределах 1—2 км максимум тока через разрядник достигается после многократных отражений от сопротивления в точке удара и сопротивления разрядника, т. е. в течение времени, соизмеримого с длительностью волны; вследствие этого к моменту максимума тока мгновенное значение тока молнии падает по сравнению с его максимальным.значением. Ток через разрядник при прочих равных условиях уменьшается с увеличением расстояния между местом удара и шинами подстанции.

Следовательно, для того чтобы ограничить ток через вентильный разрядник и тем самым обеспечить его успешную работу, необходимо исключить прямые удары в провода линии вблизи подстанции или во всяком случае резко уменьшить вероятность таких ударов. С этой целью участки линий длиной 1-3 км, примыкающие к подстанциям (подходы), должны защищаться от прямых ударов тросовыми молниеотводами. Если линия защищена тросами по всей длине, то на прилегающих к подстанции участках (подходах) особенно тщательно выполняются требования грозозащиты (низкие сопротивления заземления опор, малые углы защиты тросов). Такие подходы называются защищенными.

Наличие защищенного подхода способствует также выполнению второго требования, обеспечивающего надежную защиту, т. е. позволяет ограничить вероятность набегания на подстанцию волн с большими крутизнами Это важно по следующим соображениям. Разрядники не могут быть установлены у всех аппаратов подстанции; обычно они присоединяются к каждой системе шин или к трансформаторам. Поэтому часть аппаратов удалена от разрядников на расстояния, которые могут достигать нескольких десятков метров. Ошиновка подстанции (распределенная индуктивность и емкость подстанции) вместе с емкостью аппаратуры образует сложный многочастотный колебательный контур. При падении на подстанцию волны с крутым фронтом в отдаленных от разрядника точках подстанции возникают высокочастотные затухающие колебания относительно остающегося напряжения разрядника, максимальное значение которых тем больше, чем больше крутизна набегающей волны и расстояние от разрядника до защищаемой аппаратуры. Для защиты всей подстанции с помощью небольшого количества разрядников необходимо ограничить крутизну набегающей волны. При движении волны по линии ее крутизна уменьшается под действием короны, поэтому отдаленные удары приводят к набеганию на подстанцию волн с пологим фронтом, которые не создают опасных для изоляции напряжений в удаленных от разрядника точках подстанции. Наличие защищенного подхода резко уменьшает вероятность прихода на подстанцию волн с большой крутизной; это обстоятельство особенно важно для подстанций высокого напряжения, имеющих большие размеры.

Рис. 10.21 – Принципиальные схемы грозозащиты подстанций. а — линия на деревянных опорах с защищаемым подходом; б — линия с тросами по всей длине.

Принципиальные схемы грозозащиты подстанций приведены на рис. 10.21. Схема на рис. 8.21, а относится к случаю, когда подходящая к подстанции линия выполнена на деревянных опорах без троса, который подвешивается только в пределах защищенного подхода. Так как на деревянных опорах спуски от тросов к заземлителям располагаются на стойках, прочность изоляции относительно земли опоры с тросами существенно снижается. Например, для линии 110 кВ изоляция (гирлянда и участок траверсы длиной 2м) имеет прочность около 850—900 кВ, что приблизительно в 2 раза меньше среднего разрядного напряжения обычных деревянных опор, т. е. защищенный подход является местом с ослабленной изоляцией, поэтому в его начале на каждой фазе устанавливаются трубчатые разрядники PT₁ На вводе подстанции иногда устанавливается второй комплект трубчатых разрядников РТ₂ или РВ, который принципиальной роли в грозозащите подстанции не играет и служит для защиты линейного выключателя в тех случаях, когда он разомкнут, а линия находится под напряжением.

Схема грозозащиты линий на металлических опорах, защищенных тросами по всей длине (рис. 10.21, б), отличается от схемы на рис. 10.21, а только тем, что отпадает необходимость в установке разрядников РТ.