Выбор длины защищенного подхода. Сравнительная оценка надежности грозозащиты подстанций

При заданной схеме подстанции и выбранном размещении разрядников напряжение в различных точках подстанции определяется параметрами набегающей волны, в первую очередь ее крутизной. Сопоставление максимального напряжения на изоляции при разных крутизнах с допустимым напряжением позволяет определить опасные крутизны, при которых напряжение на изоляции оказывается выше допустимого. Такими крутизнами обладают волны с длительностью фронта, превышающей

(10.54)

где U_{пад макс} — максимальное значение набегающей волны.

Пусть волна, возникшая на проводе линии на расстоянии х от подстанции, имеет начальный фронт, равный τ_ф0; по мере продвижения волны к подстанции ее фронт получает приращение Δτ_фx, где Δτ_ф — удлинение фронта волны на 1 км длины пробега под действием короны. Чем меньше расстояние х места удара от подстанции, тем меньше приращение фронта и тем больше крутизна падающей волны. Опасными для изоляции подстанции являются те волны, которые возникли на расстоянии, меньшем х_кр.

(10.55)

Расстояние х_кр называется опасной зоной.

Волны на проводах линий с тросами могут появиться в результате обратных перекрытий на опоре или в пролете или прорыва молнии. Рассмотрим различные случаи.

Удар вблизи вершины опоры. Импульсным напряжением на проводе до момента перекрытия можно пренебречь, так как электрическая составляющая индуктированного напряжения и напряжение, наведенное токами в тросах, имеют разные знаки. После перекрытия изоляции опоры провод мгновенно принимает потенциал опоры, т. е. на проводе появляется волна с отвесным участком фронта. Далее общее напряжение на проводе и на тросе повышается вплоть до момента максимума тока молнии. Можно приближенно принять, что все волны, возникшие при обратном перекрытии, имеют максимальное значение, равное разрядному напряжению изоляции опоры при полном импульсе, а фронт является вертикальным, т. е. в (10.55) τ_ф0 = 0, следовательно,

(10.56)

При этом Δτ_ф определяется по упрощенной полуэмпирической формуле

(10.57)

где К = 1; 1,1; 1,45; 1,55 при числе проводов в фазе соответственно 1, 2, 3, 4 и более.

Удар в трос в средней части пролета. Перекрытия в этом случае, как указывалось выше, очень редки. Даже если перекрытие произойдет, волна на проводе, имеющая большое максимальное значение, срезается на фронте у ближайшей опоры. Таким образом, при определении опасных волн, набегающих на подстанцию, удары в трос в середине пролета могут не учитываться.

Прорыв молнии мимо троса. Максимальное значение этих волн равно приблизительно I_мz_пр/4. Часть волн, соответствующая большим токам молнии (I_мz_пр/4>U_50%), срезается на ближайшей опоре. Эти срезанные волны в большинстве своем не опасны для подстанционной изоляции вследствие интенсивного затухания пика предразрядного напряжения под действием короны. Доля срезанных волн в общем количестве прорывов особенно велика для номи­нальных напряжений до 110 кВ включительно. Максимальные значения крутизны полных (несрезанных) волн меняются в широких пределах в соответствии с вероятностями максимальных значений и крутизн токов молнии. В частности, некоторая часть волн может иметь такие значения этих величин, при которых начальное значение фронта волны в месте прорыва окажется больше τ_ф.кр т. е. даже прорывы вблизи подстанции не представят опасности для изоляции. Однако подсчет вероятности опасных волн при прорывах представляет сложную задачу. Поэтому с известным преувеличением учитываются все случаи прорывов.

Таким образом, принимается, что число опасных случаев, т. е. случаев прихода на подстанцию волн с максимальным значением, превосходящим критическую, равно числу перекрытий на опоре и прорывов молнии в пределах опасной зоны х_кр. Если линия не имеет тросов по всей длине, то длина защищенного подхода должна быть не меньше х_кр, так как за пределами подхода число ударов в провод и обратных перекрытий резко возрастает, в особенности на линиях с металлическими опорами.

На линиях с деревянными опорами первая подтросовая опора с трубчатыми разрядниками находится вблизи границы опасной зоны. Поэтому должны быть приняты меры для уменьшения числа обратных пробоев РТ₁. С этой целью разрядник каждой фазы должен иметь отдельный заземляющий спуск, причем спуски от трех разрядников и тросов прокладываются отдельно по каждой .ноге АП-образной опоры. Сопротивление заземления должно быть не более 10 Ом при удельных сопротивлениях грунта вплоть до 1000 Ом∙м.

Увеличение длины подхода сверх х_кр теоретически не должно влиять на число повреждений изоляции, так как все волны, возникшие за пределами х_кр, приводят к появлению на изоляции напряжений U_и.макс< U_доп. Однако если подстанции, к которым присоединены линии с тросами по всей длине и линии с тросами на подходе (l_подх ≥х_кр), характеризуются одним и тем же числом опасных случаев, первые имеют ряд преимуществ. Во-первых, для них число появлений «неопасных», но все же «напрягающих» изоляцию волн значительно меньше; во-вторых, в сетях с заземленной нейтралью поражения молнией линий без тросов вызывают однофазные замыкания на землю, при которых электродинамические усилия в обмотках трансформаторов вызывают ускоренное старение и разрушение изоляции.

Чем больше расстояние между разрядником и защищаемым объектом, тем меньше допустимая (критическая) крутизна и тем больше длина опасной зоны, а следовательно, и необходимая длина подхода.

Если опасная зона меньше длины подхода, то число опасных случаев β₂ может быть оценено как число обратных перекрытий и прорывов в пределах х_кр на всех подходящих к подстанции линиях.

При 30 грозовых днях в году

(10.58)

где n_л — число линий. Для подстанций 110 кВ и выше β₂ обычно больше β₁ и тем более β, т. е. (β₂ в основном определяет показатель грозоупорности подстанции (число лет безаварийной работы). т.е M≈1/ β₂.

Улучшение защиты подстанции вентильными разрядниками (уменьшение расстояния между разрядником и объектом, увеличение числа разрядников, применение разрядников с улучшенными характеристиками) приводит к увеличению допустимой крутизны U'_кр и уменьшению опасной зоны, а следовательно, и длины подхода.

С увеличением высоты опор уменьшается деформация фронта волны под действием короны, что приводит к увеличению х_кр. Наибольшее удлинение фронта волны наблюдается на линиях с П-образными деревянными опорами.

При одном и том же значении х_кр число опасных случаев может меняться в широких пределах в зависимости от параметров линии и надежности ее грозозащиты. Например, линии на деревянных опорах характеризуются меньшим числом ударов и меньшей вероятностью перекрытия на опоре, чем линии того же номинального напряжения на металлических опорах (при одинаковых сопротивлениях заземления). Резко отличаются друг от друга также показатели грозоупорности одноцепных и двухцепных линий.

Две одинаковые подстанции при одной и той же схеме грозозащиты, приводящей к одинаковым значениям х_кр, могут характеризоваться различными числами лет безаварийной работы, если подходы выполнены на разных опорах; естественно, что β₂, окажется больше, а М меньше для линий на двухцепных опорах. Поэтому эффективным способом повышения надежности защиты подстанции является не только улучшение схемы защиты подстанций вентильными разрядниками, приводящее к уменьшению х_кр, но и улучшение грозозащиты подхода, например снижение сопротивления заземления, подвеска второго троса, использование одноцепных опор.

С ростом номинального напряжения показатель грозоупорности подстанции обнаруживает тенденцию к росту в связи с более высокими характеристиками грозоупорности линий.