Молниезащита ВЛ 150-220 кВ предприятий нефти и газа

Важной задачей современной электроэнергетики является снижение числа отключений высоковольтных воздушных линий (BJI) Как известно, бесперебойная работа электрической системы в целом определяется надежностью составляющих эту систему компонент. Именно линии электропередач, вследствие большой протяженности, наиболее уязвимы для различных атмосферных воздействий, причем значительная доля"отключений BJI спровоцирована ударами молний [12].

Нефтеи газодобыча являются одними из основных отраслей, промышленности в России. Грозовые отключения^ линий, и повреждение электрооборудования подстанций' приводят к перебоям в электроснабжении, и, как следствие, нарушению технологических процессов. Из-за грозовых перенапряжений изоляция электрооборудования либо* повреждается сразу, либо стареет вследствие кумулятивного эффекта и раньше гарантированного срока выходит из строя. Таким образом, грозовые отключения линий и грозовые перенапряжения требуют проведения" дорогостоящих работ по восстановлению изоляционных конструкций и других элементов системы электроснабжения, что приводит к серьёзным финансовым потерям.

Разработке методов молниезащиты воздушных линий электропередач посвящены многочисленные работы отечественных и зарубежных ученых. Над решением проблемы молниезащиты работали Костенко М. В., Разевиг Д. В., Александров Г. Н., Базелян Э. М., Базуткин В. В., Долгинов A.B., Кадомская К. П., Евдакунин Г. А., Ефимов Б. В., Новикова А. Н. и другие исследователи. Следует отметить отсутствие в многочисленных публикациях единого мнения по отдельным аспектам проблемы молниезащиты.

Большая часть BJI 150 — 220 кВ, питающих месторождения’нефти и. газа, исполненыв двухцепном варианте. Двухцепные линии обеспечивают резервированное питание особо ответственных потребителей и имеют меньшие по сравнению с одноцепными линиями полосы отчуждения. Однако, грозоупорность двухцепных BJI, как правило, ниже грозоупорности одноцепных.

Цепи, расположенные на одной опоре, находятся в едином электростатическом и электромагнитном полях. Это обстоятельство обуславливает особенности в характере протекания в них переходных процессов [24].

Важнейшей задачей электроэнергетики в области обеспечения грозозащиты воздушных линий электропередачи напряжением 150 и 220 кВ (в том числе и двухцепных) и повышения надежности их эксплуатации при поражениях молнией является усовершенствование методик расчета защиты от перенапряжений.

Традиционные мероприятия грозозащиты ВЛ 150 — 2201 кВ в нефтяной и газовой промышленности не отличаются от мероприятий, предписанных ПУЭ.

41]:

— сооружение грозозащитных тросов с углами-защиты не более 25° -т- 30°- обеспечение необходимого уровня линейной изоляцииобеспечение сопротивления заземления опор не более R3 = 10 -т- 30 Ом в районах с удельным сопротивлением грунтов рг не более 5000 Юм-м и R3 = рг ¦ 6 ¦ Ю-3 — в районах с рг более 5000 Омм.

К традиционным мероприятиям молниезащиты косвенно относится применение-автоматического повторного включения (АПВ).

Однако, в ряде случаев, [52] традиционные мероприятия молниезащиты не дают приемлемой величины допустимого числа грозовых отключений (при заданных грозовой интенсивности и длине линий). Такая ситуация характерна, для: участков воздушных линий с локально повышенной грозопоражаемостьюдвухцепных линий с вертикальной подвеской проводов;

— высоких переходных полетов через реки, заливы, ущелья и другие* преградыпо трассе BJI;

— участков BJI в гололедноопасных районах, где применение грозозащитных тросов нецелесообразно;

— для некоторых районов со сверхвысоким удельным сопротивлением грунтов (рг = 10 000 — 15 000 Ом-м). 7.

В этих случаях предпочтение отдается альтернативным способам грозозащиты BJI 150 — 220 кВ: сооружение дополнительного троса не над верхними фазами, а на уровне нижних фаз. Также определенные технико-экономические преимущества дают длинно-искровые разрядники (РДИ) [39], которые в ряде случаев позволяют отказаться от грозозащитных тросов и обеспечивают требуемую величину показателя надежности грозозащиты BJI за счет значительного снижения вероятности перехода импульсного перекрытия изоляции в устойчивую дугу тока короткого замыкания. Однако РДИ освоены и широко применяются только в сетях до 35 кВ.

Основным элементом альтернативной грозозащиты, в том числе BJI 150 — 220 кВ предприятий нефтеи газодобычи, является нелинейный ограничитель перенапряжений — ОПН: Наибольший эффект улучшения показателя грозоупорности BJI обеспечивает установка ОПН на каждой опоре (например, между фазными проводами и опорой, параллельно гирляндам изоляторов) и на всех фазах BJI (на трёх фазах одноцепной ВЛ или на шести фазах двухцепной). Однако, из-за большой стоимости ОПН такой метод молниезащиты экономически нецелесообразен.

Поэтому актуальной является задача минимизации числа ОПН при расстановке их на трассе ВЛ.' Для этого необходимо определить оптимальные места установки ОПН на опорах ВЛ, обеспечивающие заданную грозоупорность, найти минимальные расстояния между ограничителями, проанализировать энергетические нагрузки на ОПН при воздействии молнии, а также учесть другие эксплуатационные воздействия.

Заключение

.

1. Повышение эффективности молниезащиты В Л является актуальной, а в случае питания предприятий нефти и газа необходимой задачей из-за значительных финансовых потерь, вызванных перебоями в электроснабжении при грозовых отключениях. Особую актуальность эта проблема приобретает в условиях, когда традиционные меры молниезащиты, диктуемые нормативными документами, не1 эффективны. В" этих случаях должны применяться альтернативные методы молниезащиты, в том 1 числе’установка ОПН на опорах вл:

2. Разработана инженерная? компьютерная? программа, позволяющая' посредством численных расчётов переходных процессовпротекающих в ВЛ при ударах в неё молнии? определить" интегральный показатель надёжности молниезащиты — годовое число, грозовых отключений Ыоткл. С помощью подробной и гибкой модели воздушной линии в грозовом режиме, проведено варьирование расчётных^ параметров В Л' (некоторых' из них впервые) для определения степени их влияния на конечный результат:

— при моделировании ударов, молний в линию, достаточно-рассматривать участок ВЛ, состоящий из 6 опор;

— на число грозовых отключений в наибольшей" степени влияют высота, опоры и< импульсное сопротивление ЗУ опоры-. С увеличением длины пролёта между опорами" до 20% растёт число грозовых^ отключений. Усиление’гирлянды, на’один’изолятор снижает число отключений на 10%;

— наиболее простой для моделирования схемой замещения опоры, обеспечивающей достаточно точный, результат, является схема, учитывающая индуктивности тела опоры между траверсами. Учёт индуктивностей траверс, ёмкостей опоры и волновых процессов в опоре не сказывается, на окончательном результате;

— при невозможности учёта реальных динамических характеристик ЗУ опоры, наиболее точный результат обеспечивает замещение заземлителя активным сопротивлением, равным отношению максимума напряжения к максимуму тока;

— значительное влияние на результаты имеют: коэффициенты связи между проводами и импульсная коронаварьирование значением погонной индуктивности тела опоры в пределах от 0,5 до 1,1 мкГн/м практически не влияет на значение Р^откл при 1*оп > 35 Ом. Учёт взаимной индуктивности между каналом молнии и телом опоры изменяет расчётное число отключений не более чем на 12%- наибольшее количество отключений происходит при полярности рабочего напряжения нижней фазы на опоре, противоположной полярности тока молнии (<�р0=30о) — марки проводов и тросов, удельное сопротивление грунта и отклонение гирлянды изоляторов влияют на Моткл незначительно;

— при! расчёте вероятностей амплитуд токов молнии и скоростей их нарастания, логнормальный закон распределения даёт большее число отключений, по сравнению с законом распределения Вейбулла. Для построения КОТ достаточно использовать три значения длительности фронта Тф.

3. При помощи разработанной программы выполнен сравнительный анализ эффективности применения, традиционных и альтернативных методов молниезащиты В Л. Расчёты показали, что при невысокой грозовой активности^ и сопротивлениях заземлений опор менее 15 Ом достаточно применение традиционных методов. В остальных случаях необходимо усиление грозоупорности линии альтернативными"методами:

— ОПН, установленные на' опоре ВЛ,* надёжно защищают только те фазы, на которые они установлены. Вероятность перекрытия незащищённых фаз сохранятся. Грозоупорность линии возрастает с увеличением числа аппаратов, установленных на опорах ВЛ;

— наиболее эффективными местами установки ОПН на опоре являются нижние гирлянды изоляторов;

— установка троса под нижними фазами совместно с тросом на вершине опоры увеличивает уровень грозоупорности линии в 2 -=- 4 раза для башенных опор ив 1,7 + 2,5 раза для портальных-опор: Установка двух тросов под нижними фазами приводит к ещё большему снижения-число отключений;

— установка ОПН совместно с дополнительными тросамиспособна снизить годовое число отключений линии в 5 20'раз.

4. Для определения частоты установки? ОП№ на В Л" осуществлён переход от усреднённого Ыоткл к неоднородному распределению отключений по’длине линии. При установке ОПНнаибольшее снижение отключенийпроисходит на опоре с установленным аппаратом. Степень, снижения Иоткл на соседних опорах зависит от многих параметров линии: сопротивлений заземлений опор, длин пролётов и т. д., но в< общем і случае «зона защиты» ограничителя невысока и не превышает 2' опор. При эксплуатации В Л без тросов г на вершинах! опор, ограничители необходимо устанавливать на верхних фазах каждой опоры.

5. Параметры В Л как правило резко неоднородны по всей длине линии, поэтому расчёты с усреднёнными параметрами приводят к значительному занижению1 результатов. Расчёт задач молниезащиты, а также поиск мест установки ограничителей необходимо проводить задаваясь реальными^ параметрами’В Л без их усреднениями распространения усреднённых параметров < на все опоры линии.

6. Технико-экономический расчёт показал эффективность установки ОПН на всех опорах ВЛ, питающих предприятия нефти и газа, не только с технической, но И’экономической точки зрения.