Расчёт размеров опасной зоны

Расчёт допустимой крутизны фронта импульса

Для расчёта допустимой крутизны фронта импульса необходимо знать:

• а) характеристики ОПН (остающееся напряжение U_ост)
• б) допустимое импульсное напряжение на защищаемом оборудовании
• в) расстояние от места установки ОПН до защищаемого оборудования
• г) скорость распространения электромагнитной волны по шинам подстанции (v).

Остающееся напряжение на ОПН определяется по таблицам характеристик для расчётного значения тока молнии через ОПН.

Ток молнии, протекающий через ОПН, зависит от места удара молнии в ЛЭП. Самым опасным является удар молнии в ближайшую к подстанции опору ЛЭП. В этом случае происходит практически одновременное перекрытие фазной изоляции ЛЭП и срабатывание ОПН. ОПН оказывается подключён параллельно импульсному сопротивлению последней опоры Z_оп. В принципе, параллельно также подключается и волновое сопротивление ЛЭП (z_л), но поскольку z_л~400 Ом значительно больше Z_оп и R_ОПН, то ответвлением тока в ЛЭП можно пренебречь. Тогда ток через ОПН можно определить по формуле.

(2.10).

Из формулы (2.10) можно сделать вывод, что для уменьшения величины тока через ОПН и, соответственно, остающегося на ОПН напряжения, следует уменьшать Z_оп, т. е. уменьшать индуктивность опоры прокладкой дополнительных молниеотводов, в том числе и из немагнитных материалов и уменьшать импульсное сопротивление растеканию тока на землю. Сопротивление ОПН зависит от величины протекающего тока и формы его импульса. Расчётным является импульс 8/20. Уменьшение длительности фронта до 1 мкс приводит у увеличению остающегося на ОПН напряжения на ~10%, а увеличение до 100 мкс к снижению на ~5%. По таблице характеристик ОПН находят U_ост при соответствующем токе и по закону Ома оценивают величину сопротивления при этом токе. деление Например, для ОПН ЗАО «Завод электротехнического оборудования» марки ОПНП1 -35/40,5/10/2УХЛ1 соответствующие значения U_ост /I_8/20 равны 118 кВ/5 кА; 127 кВ/10 кА; 142,1 кВ/20 кА, т. е. =23,6; 12,7; 7,1 Ом. При токе молнии 60 кА, Z_оп,=10 Ом ток через ОПН будет равен 17 кА, 23кА и 35 кА. При Z_оп,=5 Ом — 10 кА, 39 кА и 25 кА. Чем больше ток молнии ответвляется в ОПН, тем меньше его сопротивление и тем больший ток ответвляется, увеличивая остаточное напряжения на ОПН и тем самым на защищаемом оборудовании подстанции. Режим чрезвычайно опасен. Вероятность обратного перекрытия изоляции на крайней опоре можно оценить по формуле.

При высоте опоры h=13 м, =10 Ом и =250 кв N=0,02, а при.

=5 Ом N= 0,0067. При усилении фазной изоляции последней опоры вероятность также снижается: при =350 кв и =10 Ом N=0,013.

Расчёт даёт завышенные значения вероятности, поскольку в нём принималась бесконечная крутизна фронта молнии.

Результаты более точного расчёта вероятности (числа перекрытий за год) перекрытия фазной изоляции при ударе в железобетонную опору высотой 13 м (нижняя кривая) и 23 м (верхняя кривая) по формуле (1.9) в зависимости от импульсного заземления опоры представлены на рис. 26.

Рис. 26. Число перекрытий в год (вероятность) фазной изоляции при ударе молнии в опору высотой 13 м (нижняя кривая) и 23 м (верхняя) при грозовой активности 45 грозовых часов в год (Татарстан).

Поскольку для ОПН отсутствует понятие тока координации, как для вентильных разрядников, то даже этот большой ток прекращается после прохождения импульса ГПН, если, конечно, не происходит повреждения (спекания) ОПН. Для снижения вероятности возникновения опасных перенапряжений на оборудовании подстанции в этом режиме можно рекомендовать следующие мероприятия:

• 1. Увеличить импульсную прочность фазной изоляции на последней опоре. Например, на ЛЭП 6 -10 кВ со штыревыми изоляторами использовать штыревые изоляторы для ЛЭП 35 кВ, а на линиях с подвесными изоляторами увеличить число изоляторов в гирлянде на последней опоре на 1.
• 2. Уменьшать импульсное сопротивление заземления опоры и индуктивность опоры.

При ударе молнии за второй опорой от подстанции ОПН оказывается подключён к импульсному заземлению соответствующей опоры через волновое сопротивление ЛЭП (~400 Ом) и основной ток молнии (согласно 2.10) шунтируется на этой опоре, а ток через ОПН будет определяться импульсной прочностью фазной изоляции и волновым сопротивлением ЛЭП. По ЛЭП на подстанцию набегает волна с амплитудным значением напряжения равным импульсной прочности фазной изоляции () и амплитудным значением тока равным. Перенапряжения на защищаемом оборудовании будут целиком определяться остаточным током молнии с: остающимся на ОПН напряжении при этом остаточном токе, фазной изоляции опор и крутизной фронта волны ГПН.

Допустимое импульсное напряжение на оборудовании подстанции при ГПН определяется по величине импульсного испытательного напряжения U_испгр, кВ (табл.5) по формуле, например для трансформатора:

Допустимое импульсное напряжение на трансформаторе ():

(2.12).

где — действующее значение номинального напряжения, кВ.

Для трансформатора с = 35 кВ и нормальной изоляцией = 200 кВ, а 180 кВ.

Таблица 5. Уровни изоляции электрооборудования 6 -35 кВ.

При токах 500 А (5000 А) через ОПН-П1−35/40,5/10/2УХЛ1 остающееся на нём напряжение.

= 102 кВ (118 кВ).

Тогда координационный интервал.

кВ.

При расстоянии от ОПН до трансформатора L₁=5 м, L₂=15 м (рис.25) и скорости волны 250 м/мкс, допустимая крутизна фронта набегающей волны составит по (2.3).

кВ/мкс.

Из (2.7) можно также получить выражение для допустимой крутизны фронта ГПН.

Координационный интервал и допустимая крутизна фронта импульса ГПН для оборудования, стоящего до ОПН по ходу волны:

(2.13).

кВ/мкс.

Расчёт минимальной длины опасной зоны проведём по (2.9) для наименьшей допустимой крутизны фронта 620 кВ/мкс и рис. 23 при высоте подвески провода 10 м (для ЛЭП 35 кВ =0,78 мкс).

км.

Если, т. е. выполняется соотношение, то для однотипного оборудования до ОПН и после ОПН по ходу волны ГПН перенапряжения будут одинаковыми. Если, расчёт допустимой крутизны фронта следует проводить по (2.13), в противном случае по (2.3).

Молнии, ударяющие в ЛЭП за пределами опасной зоны не вызывают опасных перенапряжений на оборудовании, защищённом ОПН. Вероятность прихода на подстанцию опасных для изоляции оборудования волн с крутизной можно определить по формулам:

, (2.14).

.

Пусть имеется защищённый одним тросом подход ЛЭП 35 кВ с длиной L = 0,72 км. Средняя высота подвески троса h = 10 м, длина пролёта 150 м, угол подвески троса = 30, импульсное сопротивление заземления опор = 10 Ом, импульсная прочность изоляторов=350 кВ, число ударов за год в площадь 1 км² = 3. N = 0,018 или 1 повреждение оборудования за 57 лет. Снижение импульсного заземления в пределах опасного подхода до = 5 Ом, снижает число опасных перенапряжений до N = 0,004 или 1 повреждение оборудования за 246 лет.

Каскадная схема размещения ОПН

В мировой практике нашла распространение схема защиты оборудования РУ от грозовых перенапряжений, в которой на входе РУ устанавливают дополнительные ОПН (рис.26).

Рис. 27. Каскадная схема защиты оборудования РУ от ГПН

Такая схема установки ОПН позволяет существенно повысить защищённость оборудования от грозовых (и коммутационных) перенапряжений, так как в этом случае:

• а) все оборудование находится по ходу набегающей с ВЛ волны после защитных аппаратов, т. е. грозовые перенапряжения на оборудовании РУ определяются защитными характеристиками ОПН, обеспечивающими глубокое ограничение перенапряжений;
• б) снижены расстояния от оборудования до защитных аппаратов.

Схема, …