Повышение надежности распределительных сетей от 6 до 10 кВ на основе моделирования и усиления их грозоупорности

Перерывы электроснабжения потребителей происходят, в основном, при отказах распределительных сетей до 76 — 88%. Из общего числа отключений и повреждений воздушных линий (BJT) около половины связаны с атмосферными перенапряжениями. Поэтому повышение грозоупорности распределительных сетей является актуальной задачей. Ее решением занимались многие научные коллективы и специалисты: Д. В. Разевиг, А. С. Майкопар, Э. М. Базелян, H.H. Тиходеев, А. Н. Новикова, Г. В. Подпоркин, Ф. Х. Халилов, A.A. Дульзон, Ф. А. Гиндуллин, М. В. Костенко, К. П. Кадомская, И. А. Ефремов и др. Некоторыми итогами проведенных ими исследований можно считать выпуск руководящих документов по молниезащите BJT, зданий и сооружений.

Грозоупорность BJI, под которой понимается удельное число отключений на 100 км длины и 100 грозовых часов, определяется двумя группами перенапряжений, связанными с прямыми ударами молнии (ПУМ) в BJI и индуктированными перенапряжениями (ИПН). Переход к дуговой форме разряда одновременно на двух, трех изоляторах приводит к межфазному короткому замыканию и отключению BJ1, что непосредственно влияет на грозоупорность BJ1. С другой стороны, повреждения изоляторов, траверс, опор и проводов также в большинстве случаев определяется фактом горения силовой дуги при межфазных замыканиях или длительном воздействием перемежающейся дуги емкостного тока при однофазном замыкании. Повреждения элементов BJ1 требуют их выявления и замены или ремонта, что резко увеличивает длительность перерывов в энергоснабжении. Таким образом, для корректной оценки грозоупорности BJ1 10 кВ требуется, возможно, более полная информация о процессе перекрытия и последующего перехода импульсного перекрытия в дугу.

Следует отметить, что за исключением отдельных косвенно-оценочного характера работ (работы А. С. Майкопара и М. Darveniza 60- х годов прошлого века) проблема установления силовой дуги практически не исследовалась. Это связано со сложностью экспериментальных исследований и испытаний. В них необходимо согласовывать воздействие импульсного напряжения с амплитудой более 100 кВ с сопровождающим импульсным током до 0,5 — 2 кА при имитации индуктированных и порядка 30 кА — для прямых ударов молнии и переменного напряжения от 6 до 20 кВ и тока (до сотен ампер). При этом требуется вариация сочетаний величин напряжений и токов, фазовых моментов перекрытия, типов наиболее распространенных в настоящее время линейных изоляторов, а также конструктивных особенностей опор (деревянные, железобетонные), приводящих к изменению дугогасящих свойств.

Следовательно, имеющиеся данные позволяют лишь приближенно оценить величину коэффициента перехода импульсного перекрытия в дугу. Кроме того, остаются неясными перспективы снижения этого коэффициента, а, следовательно, и повышения грозоупорности и надежности работы ВЛ в целом.

В связи с изложенным тема диссертации является актуальной.

Работа выполнялась в соответствии с научными направлениями исследовательского комитета В2 (22) СИГРЭ «Воздушные линии электропередачи», с отраслевой научно-технической программой 04 «Электротехническое оборудование подстанций и электрических сетей» РАО «ЕЭС России» и сводной программой НИОКР ОЭС «Сибирьэнерго», раздел 5 <1 «Электроэнергетика».

Цель работы состояла в разработке мероприятий, направленных на повышение грозоупорности В Л от 6 до 10 кВ, как наиболее распространенных в распределительных сетях и узлах нагрузки.

Идея работы. Для достижения поставленной цели автор использовал две возможности. Для снижения числа отключений, связанных с ПУМ практически единственной возможностью является использование экранирующего эффекта леса (лесополос). Для исключения перекрытий изоляции при воздействии индуктированных перенапряжений наиболее кардинальной мерой является * усиление изоляции. При этом достигается двойной эффект: при усилении изоляции снижается вероятность перекрытия и снижается вероятность перехода импульсного перекрытия линейных изоляторов при грозовых воздействиях в силовую дугу промышленной частоты.

Методы исследования заключаются в анализе опыта эксплуатации BJI от 6 до 10 кВ, физическом и математическом моделировании процессов грозового отключения BJI, проведении лабораторных испытаний и полевых регистраций, обработки результатов с применением методов математической статистики и теории вероятностей, интегрального исчисления, теоретических основ электротехники и физики газоразрядных процессов. Использованы методы компьютерного моделирования с применением программы «LIGHTNING».

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и ^ рекомендаций подтверждаются: корректным выбором исходных посылок, вытекающих из опыта эксплуатации и физической картины явленийудовлетворительным совпадением результатов теоретических исследований с результатами экспериментов. Испытания и измерения проводились на аттестованном оборудовании высоковольтного испытательного комплекса СибНИИЭ в соответствии с требованиями ГОСТ 1516.2 -97, стандартов МЭК и других нормативных документов. Оценки чувствительности и погрешностей измерений были выполнены с запасом по отношению к возможным ошибкам, ф Научная новизна работы характеризуется следующими новыми научными положениями: о Численными экспериментами с применением модели, учитывающей индуктированные перенапряжения, установлено, что в общем числе грозовых отключений типовых BJI от 6 до 10 кВ с железобетонными и металлическими опорами до 70% составляют отключения, связанные с воздействиями индуктированных перенапряжений, о Показано, что вероятность перехода импульсного перекрытия межфазной изоляции больше в случае, когда межфазное замыкание происходит на • соседних опорах по сравнению с замыканием на одной опоре. о В экспериментах при напряжении 6,3 кВ с изоляторами ШС-10А, ШФ-10 В,.

ШФ-20 В, ШК-10, получено, что коэффициент перехода импульсного перекрытия в дугу не зависит от материала изоляторов (фарфор, стекло и кремнийорганическая резина) и материала проводов (медь, сталь и алюминий). о Впервые зарегистрирован импульс индуктированного перенапряжения в контактной сети железной дороги при ударе молнии на расстоянии 1 км от линии. Форма импульса строго симметрична в виде «колокола» с длительностью фронта около 10 мкс и длительностью на полувысоте около 25 мкс. Для прямых ударов молнии была зарегистрирована форма биэкспоненциального импульса с фронтом не более 12,5 мкс и длительностью на полувысоте около 65 мкс.

Практическая ценность работы. Предложенные в работе мероприятия позволяют практически исключить перекрытия изоляции от индуктированных перенапряжений и, тем самым, повысить грозоупорность ВЛ от 6 до 10 кВ почти вдвое.

Реализация работы. Разработанные в диссертации научные положения (численные расчеты грозоупорности В Л 10 кВ, рекомендации по усилению изоляции, рекомендации по использованию коэффициентов перехода 4 импульсного перекрытия в дугу) используются в Горно-Алтайском предприятии электрических сетей ОАО «Алтайэнерго», в службе электроснабжения и электрификации Западно-Сибирской железной дороги и ЗАО ВНПО «РОСЛЭП». Годовой экономический эффект составляет 238 тыс. руб.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены:

• на международной конференции «ИЗОЛЯЦИЯ- 99» (15−18 июня, 1999, Санкт-петербургский государственный технический университет) — * • на пятой Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (19−21 декабря, 1999, Томск, ТПУ);

• на шестой международной конференции «Современные техника и технология» (февраль 2000, Томск, ТПУ);

• на научных семинарах СибНИИЭ и конференциях молодых ученых НГТУ.

На защиту выносятся:

Математическая модель нисходящего лидера молнии и встречных разрядов с введенным блоком моделирования лесной просеки.

Результаты численных экспериментов по указанной модели: о удельное число грозовых отключений увеличивается при увеличении ширины просеки от 0 до 30 м примерно в 8 — 10, а в открытой зоне — в 20 разо законы распределения амплитуд токов молнии для ударов в линию и ударов в землю незначительно отличаются от исходного логарифмически — нормального распределения, но средний ток для ударов в землю (~ 27 кА) несколько меньше, а для ударов в линию (~ 35 кА) несколько больше, чем для исходного распределенияо в общем числе грозовых отключений типовых В Л от 6 до 10 кВ с железобетонными и металлическими опорами до 70% составляют отключения, связанные с воздействиями индуктированных перенапряжений.

Различие коэффициента перехода импульсного перекрытия в силовую дугу в зависимости от характера тока межфазного замыкания для случаев перекрытия изоляции двух фаз на одной и разных опорах.

Новые опытные данные по коэффициентам перехода импульсного перекрытия в дугу, по форме реальных грозовых перенапряжений и прочности типовых изоляторов В Л от 6 до 10 кВ при форме волны, приближенной к индуктированным перенапряжениям.

Публикации. По основным результатам выполненных научных исследований опубликовано 7 научных работ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и трех приложений. Изложена на 163 страницах машинописного текста, содержащего 76 рисунков и 10 таблиц, а также список использованных литературы из 50 наименований.

Выводы.

1. На действующих ВЛ от 6 до 10 кВ рекомендуется усилить изоляцию, заменив изоляторы ШС-10 и ШФ-10 на изоляторы ШФ-20. При реконструкции действующих или строительстве новых ВЛ предпочтительно использовать изолирующие траверсы (деревянные, из полимерных изоляторов или из изоляционного бетона).

2. На защищенных подходах вместо трубчатых разрядников по концам участка рекомендуется установить ОПН с пропускной способностью по току не менее 30 кА и по энергии — не менее 5 кДж/кВ.

3. Допустима также установка по краям защищенного похода вместо РТ длинно-искровых разрядников. Предпочтительный тип разрядника РДИ 10-ИТ. При заказе РДИ необходимо потребовать от производителя вольт-секундную характеристику разрядника. Она должна быть определена при воздействии стандартного грозового импульса при предразрядном времени от 2 до 20 мкс и лежать ниже вольт-секундной характеристики гирлянды изоляторов.

Заключение

.

Предлагаем некоторые методы повышения надежности распределительных сетей:

1. На действующих ВЛ от 6 до 10 кВ рекомендуется усилить изоляцию, заменив изоляторы ШС-10 и ШФ-10 на изоляторы ШФ-20. При реконструкции действующих или строительстве новых ВЛ предпочтительно использовать изолирующие траверсы (деревянные, из полимерных изоляторов или из изоляционного бетона).

2. На защищенных подходах вместо трубчатых разрядников по концам участка рекомендуется установить ОПН с пропускной способностью по току не менее 30 кА и по энергии — не менее 5 кДж/кВ.

3. Допустима также установка по краям защищенного похода вместо РТ длинно-искровых разрядников. Предпочтительный тип разрядника РДИ 10 -ИТ. Вольт-секундная характеристика разрядника должна лежать ниже вольт-секундной характеристики гирлянды изоляторов.