Повышение грозоупорности воздушных линий электропередачи за счет изменения их конструкции

Актуальность темы

Развитие электроэнергетики сопровождается строительством новых и модернизацией действующих линий электропередачи и подстанций. Значительная доля затрат на строительство воздушных линий электропередачи (ВЛЭП) и открытых подстанций связана с их грозозащитой. Основными элементами грозозащиты ВЛЭП являются тросы, монтируемые по всей длине или на подходах к открытым распределительным устройствам (ОРУ) подстанций. Вопрос о целесообразности установки тросовой защиты по всей длине линии для вновь сооружаемых или реконструируемых ВЛЭП должен основываться на расчетах грозоупорности линий. Однако результаты расчетов часто не согласуются с данными, полученными при эксплуатации.

Вероятность повреждения электрооборудования подстанций от набегающих с ВЛЭП импульсов атмосферных перенапряжений значительно снижается при использовании тросовой защиты на подходах к подстанциям. В настоящее время отсутствуют методы определения длины защищенного тросами подхода к подстанции, одновременно учитывающие конструкцию ВЛЭП, схему подстанции, наличие на подстанции и линии нескольких комплектов разрядников, а также форму грозового импульса и другие факторы.

Вследствие этого актуальными являются задачи:

— анализ расчетных методов определения ожидаемого числа грозовых отключений ВЛЭП;

— совершенствование расчетного метода определения грозоупорности ВЛЭП;

— обоснование установки тросовой защиты по всей длине ВЛЭП и на подходах к подстанциям;

— исследование влияния конструкции линий на показатели их грозоупорности.

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка расчетных способов определения показателей грозо-упорности различных конструкций ВЛЭП и выявление конструктивных факторов, обеспечивающих максимальный уровень грозоупорности линий электропередачи.

Для достижения указанной цели в работе поставлены и решаются следующие основные задачи:

1. Определение причин расхождения результатов расчетов числа грозовых отключений линий электропередачи с эксплуатационными данными на основе анализа известных методов расчета атмосферных перенапряжений на изоляции ВЛЭП.

2. Выявление основных факторов, определяющих параметры главного разряда молнии и разработка расчетного метода определения вероятности появления токов молнии с заданными максимальным значением и крутизной при поражении элементов конструкции ВЛЭП.

3. Разработка методики определения грозовых перенапряжений на различных элементах конструкции ВЛЭП с использованием известной математической модели главного разряда молнии.

4. Расчет формы импульсов грозовых перенапряжений в точке поражения молнией провода линии с учетом его коронирования.

5. Разработка методики расчета деформации формы импульсов грозовых перенапряжений при распространении их вдоль провода линии.

6. Исследование влияния конструкции ВЛЭП на форму импульса грозового перенапряжения в точке удара молнии и на интенсивность его деформации при распространении вдоль линии.

7. Расчёт числа грозовых отключений ВЛЭП различных конструкций.

8. Разработка способа определения длины защищенных тросовых подходов к подстанциям, основанного на математическом моделировании процессов, происходящих при разряде молнии в линию электропередачи и при распространении импульсов перенапряжений вдоль проводов ВЛЭП.

Научная новизна проведенных исследований заключается в создании комплекса расчетных методик, реализованного в виде расчетных программ и позволяющего разрабатывать мероприятия по совершенствованию грозозащиты ВЛЭП. С этой целью:

1. Впервые предложено использовать в качестве независимого исходного параметра при расчетах атмосферных перенапряжений линейную плотность объемного заряда лидерной стадии разряда молнии.

2. Разработана методика расчета вероятности появления токов молнии с различными максимальными значениями при поражении элементов конструкции ВЛЭП, позволяющая учесть электрические параметры пораженного объекта. На основании вычислительных экспериментов выявлены факторы, влияющие на параметры импульса тока молнии.

3. Разработана методика расчета импульсов грозовых перенапряжений на изоляции ВЛЭП при поражении опор, а также фазных проводов и грозозащитных тросов, с учетом их коронирования и влияния соседних проводов и тросов.

4. Разработана методика расчета деформации импульсов грозовых перенапряжений при распространении их вдоль пораженной ВЛЭП, основанная на решении уравнения баланса энергий при развитии стримерной короны и позволяющая проводить оценку изменения формы импульса перенапряжений при перемещении его вдоль линии.

5. Впервые показано, что повышение грозоупорности электропередач может быть обеспечено путем снижения габаритов ВЛЭП, увеличения сечения фазных проводов, радиуса их расщепления и числа составляющих расщепленного провода.

Практическая ценность предлагаемой работы заключается в следующем:

1. Показано, что повышение грозоупорности ВЛЭП без тросов может быть обеспечено путем изменения их конструкции, связанного с уменыдением габаритов линии и увеличением размеров их фазных проводов при их неизменном общем сечении.

2. Показано, что длина защищенного тросами подхода к подстанциям может быть уменьшена по сравнению с принятой в настоящее время.

3. Разработан комплекс расчетных методик оценки параметров грозо-упорности ВЛЭП и подстанций, реализованный в виде расчетных программ.

Реализация результатов работы. В энергосистемах «Ивэнерго», «Ниж-новэнерго» и «Пензаэнерго» внедрены и используются методики и программы, разработанные по материалам диссертационной работы:

— системы расчета грозоупорности ЛЭП высокого и сверхвысокого напряжения,.

— программа расчета длины защищенных подходов к подстанциям.

Акты внедрения расчетных методик и программ для ЭВМ прилагаются к диссертации.

Достоверность результатов в части разработок моделей и алгоритмов определения числа грозовых отключений ВЛЭП подтверждена сопоставлением результатов расчета с данными опыта их эксплуатации. Достоверность результатов в части разработок моделей и алгоритмов определения длин защищенных тросовых подходов к подстанциям подтверждена сопоставлением результатов расчета с данными теоретических и экспериментальных исследований, полученных другими авторами, а также экспериментами на физических моделях подстанций.

Автор защищает:

1. Методику расчета вероятности тока молнии с заданным максимальным значением при поражении различных элементов конструкции ВЛЭП, использующую в качестве исходного параметра погонный заряд лидерной стадии развития молнии.

2. Методику расчета вероятности опасных атмосферных перенапряжений на изоляции ВЛЭП различных конструкций.

3. Методику определения ожидаемого числа грозовых отключений ВЛЭП с использованием результатов расчета атмосферных перенапряжений.

4. Методику расчета деформации импульсов атмосферных перенапряжений при их движении вдоль ВЛЭП в результате коронирования проводов и тросов, основанную на решении уравнения баланса энергий.

5. Способ расчета длины защищенного тросового подхода к ОРУ подстанции, учитывающий конструкцию ВЛЭП, схему подстанции, наличие на подстанции и линии нескольких комплектов разрядников, а также результаты расчетов импульсов грозовых перенапряжений на линейной изоляции.

Апробация работы. Основные положения работы и ее отдельные разделы обсуждались на научных конференциях: 22-я международная конференция по молниезащите, Будапешт, 1994; международной научно-технической конференции 'VI Бенардосовские чтения' Иваново, 1994; научном семинаре по теоретической электротехнике, Иваново, ИГЭУ, 1995; научном семинаре 'Управление режимами электроэнергетических систем' памяти Д. П. Ледянкина, Иваново, ИГЭУ, 1995 г., международной научно-технической конференции 'VIII Бенардосовские чтения', Иваново, ИГЭУ, 1997 г.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 9 печатных работ [58, 75−82]. Работа проводилась в рамках госбюджетной межвузовской научно-технической программы «Повышение надежности, экономичности и экологичности энергетической системы России» и хоздоговорной работе «Определение допустимого числа отключений ВЛ 110−220 кВ с учетом характеристик потребителей и удельного сопротивления грунта по трассам линий», ИГЭУ, 1995 г.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 83 наименований и 4 приложений. Основной материал изложен на 158 страницах машинописного текста.

Выводы.

1. Разработанные методики расчета показателей грозоупорности при поражении молнией опор, проводов и тросов ВЛЭП, методики расчета напряжения на элементах оборудования подстанций и определения длины защищенного подхода могут использоваться для оценки эффективности тросовой защиты ВЛЭП.

2. Грозоупорность ВЛЭП можно регулировать изменением ее конструкции. Наибольшую грозоупорность имеют компактные ВЛЭП.

3. Рекомендации ПУЭ о длинах защищенных подходов ВЛЭП могут быть пересмотрены в сторону их уменьшения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведённых исследований разработаны методики, которые позволяют оценивать показатели грозоупорности воздушных линий электропередачи и подстанций и совершенствовать их конструкцию с целью снижения числа грозовых отключений. В диссертации разработаны:

1. Методика расчёта вероятности тока молнии, основанная на решении уравнения баланса энергий.

2. Методика расчёта перенапряжений на линейной изоляции воздушных линий электропередачи различных конструкций при поражении их молнией с учётом коронирования фазных проводов и грозозащитных тросов.

3. Методика расчёта деформации грозовых импульсов перенапряжений при распространении их по проводам поражённой линии электропередачи.

В работе предложено выражение для определения изменения сопротивления канала в процессе главного разряда молнии. Использование этого выражения позволяет рассчитывать вероятности максимальных значений токов и крутизны фронта импульсов при поражении молнией любых объектов. Так для заряда лидера -0,41мКл/м, соответствующем 50%-ной вероятности появления молнии, ток при ударе в хорошо заземленный объект по экспериментальным данным составляет 1 м = 37 кА, а крутизна — Гм = 28,4 кА/мкс. Аналогичные расчетные данные соответственно имеют значения 1 м = 37,8 кА и Гм = 27,2 кА/мкс.

Установлено также, что на форму импульса тока молнии оказывают влияние как параметры грозового разряда, так и конструктивные параметры поражённого объекта. Полученные в результате расчетов данные о грозовых перенапряжениях на опорах могут использоваться для определения вероятности возникновения опасных грозовых перенапряжений на линейной изоляции ВЛЭП различных типов и конструкций.

Применение погонного заряда лидера в качестве исходного параметра расчёта главного разряда молнии для определения вероятности перекрытия изоляции объекта позволяет вместо двух зависимостей (вероятности появления максимального значения тока молнии и крутизны его фронта) использовать зависимость вероятности появления погонного заряда лидера.

Одним из важных результатов работы является предложенная методика расчета перенапряжений на проводах и тросах ВЛЭП, позволяющая учесть условия формирования импульса грозового перенапряжения и изменение его формы при распространении вдоль линии. В диссертации показано влияние коронирования поражённого провода и соседних с ним фазных проводов и грозозащитных тросов на форму импульса грозового перенапряжения.

Совместное использование разработанных методик при расчетах грозовых перенапряжений на изоляционных конструкциях линий электропередачи позволило:

1) провести анализ влияния конструкции линии электропередачи на величину перенапряжений, возникающих при поражении молнией фазных проводов и грозозащитных тросов, а также на вероятность перекрытия линейной изоляции;

2) уточнить методики расчёта числа грозовых отключений линий;

3) разработать способ оценки минимально необходимой длины защи-щённого тросового подхода к подстанции при заданной конструкции ВЛЭП.

В диссертации сделан вывод, что при оценке грозоупорносги ВЛЭП необходимо учитывать их конструкцию. Показано, что при прочих одинаковых параметрах, например пропускной способности, линии электропередачи могут иметь существенно различающиеся показатели грозоупорности. Повышение грозоупорности ВЛЭП может быть достигнуто соответствующим выбором конструкции линии.

Изменение конструкции линии в направлении уменьшения габаритов и увеличения числа и размеров фазных проводов и тросов (изменение конструкции и габаритов, приводящее к увеличению пропускной способности ВЛЭП) приводит к повышению грозоупорности ВЛЭП. Изменение максимального значения грозового перенапряжения на линейной изоляции при изменении конструкции линии может достигать 50 — 70%. Большую естественную грозоупорность имеют компактные ВЛЭП повышенной пропускной способности.

Практический интерес представляет вывод о том, что анализ параметров грозовых перенапряжений на линейной изоляции может быть проведён по величине максимального значения импульсов грозовых перенапряжений, поскольку изменение максимальной крутизны импульса при изменении конструктивных параметров ВЛЭП в реальных пределах приводит к изменению длины фронта импульса всего лишь на 0,2 — 0,3 мкс.

Разработанные расчетные методики и полученные с их использованием расчетные данные о параметрах импульсов грозовых перенапряжений на проводах и опорах ВЛЭП позволили сделать выводы о возможности их применения для оценки числа грозовых отключений ВЛЭП и эффективности её тросовой защиты. Наряду с этим результаты работы дали основание утверждать, что недостатки существующих методик оценки числа грозовых отключений линий во всех случаях определяют существенное завышение расчетных значений и не позволяют использовать их в практике проектирования и эксплуатации ВЛЭП.

Разработан способ оценки минимально необходимой длины защищён-ного тросового подхода ВЛЭП различных конструкций к подстанции произвольной схемы. Результаты расчётов позволили сделать вывод о том, что во многих случаях длины защищенных подходов ВЛЭП могут быть уменьшены по сравнению с рекомендованными в настоящее время.