Актуальность грозозащиты продольной изоляции силовых трансформаторов в регионах с грунтами низкой проводимости

38

Ежеквартальный

спецвыпуск

№

 1(8), 

май

 2018

Техсовет

Валерий

БРЫКИН

,

начальник

сектора

диагностики

элек

-

тр

отехнической

службы

Департамента

эксплуатации

и

ремонта

АО

 «

Тюменьэнерго

»

Актуальность

грозозащиты

продольной

изоляции

силовых

трансформаторов

в

регионах

с

грунтами

низкой

проводимости

ОПИСАНИЕ

ПРОБЛЕМЫ

В

настоящее

время

для

повышения

грозоупорности

ВЛ

в

сложившихся

природных

условиях

найдено

удачное

со

-

четание

способа

и

средств

защиты

, 

которые

признаны

со

-

ответствующими

проводимой

технической

политике

.

К

сожалению

, 

такой

тезис

неприменим

в

отношении

ПС

, 

а

конкретнее

 — 

силовых

трансформаторов

 (

СТ

) 

и

ав

-

тотрансформаторов

 (

АТ

), 

где

ситуация

пока

выглядит

до

-

статочно

неопределенной

и

тревожной

. 

Прежде

всего

, 

не

сложился

строгий

профилированный

учет

случаев

по

-

вреждения

всех

СТ

, 

повредившихся

от

грозовых

воздей

-

ствий

за

без

малого

четыре

десятка

лет

 (

применительно

к

регионам

с

грунтами

низкой

проводимости

).

Возможность

строго

хронологического

учета

и

ана

-

лиза

всех

грозовых

аварийных

событий

с

СТ

, — 

учета

, 

который

, 

возможно

, 

способствовал

бы

ускорению

разре

-

шения

сложившейся

ситуации

с

недейственностью

НТД

в

вопросе

грозозащиты

продольной

изоляции

трансфор

-

маторных

обмоток

, 

не

была

реализована

по

ряду

причин

.

Во

-

первых

, 

в

обстановке

воодушевленного

подъема

от

наращивания

нефте

- 

и

газодобычи

в

Тюменском

реги

-

оне

каждый

из

первых

случаев

повреждения

при

грозе

СТ

 (

АТ

) 

воспринимался

как

неожиданный

досадный

срыв

режима

электроснабжения

 — 

непродолжительный

благо

-

даря

достаточным

резервам

по

оборудованию

и

монтаж

-

ному

персоналу

. 

Энергетики

всегда

стремились

обеспе

-

чить

быструю

замену

повредившегося

трансформатора

, 

чтобы

не

оказаться

прямыми

виновниками

нарушения

темпов

добычи

  (

соответственно

планов

по

транспорти

-

ровке

) 

углеводородного

сырья

. 

При

этом

в

условиях

, 

ког

-

да

, 

казалось

бы

, 

налицо

все

составляющие

грозозащиты

: 

уровень

изоляции

, 

разрядники

, 

грозотросы

и

заземле

-

ния

, — 

все

событие

в

целом

расценивалось

или

как

вер

-

сия

форс

-

мажорности

очередного

грозового

поражения

, 

имевшего

некие

аномальные

параметры

, 

или

  (

вариант

) 

как

следствие

какого

-

то

заводского

дефекта

СТ

, 

и

с

изго

-

товителем

заводилась

соответствующая

претензионная

работа

.

В

статье

 «

Обеспечение

равнопрочности

главной

и

продольной

изоляции

трансформаторов

на

основе

рационализации

», 

опу

-

бликованной

автором

в

спецвыпуске

журнала

 «

ЭЛЕКТРОЭНЕР

-

ГИЯ

. 

Передача

и

распределение

» 

ПАО

 «

Россети

» 

№

 4(7) 2017 

г

., 

при

обращении

в

завершающей

части

к

вопросу

о

равнопрочно

-

сти

главной

и

продольной

изоляции

крупных

трансформаторов

обращалось

внимание

на

то

, 

что

соблюдение

заводами

этого

принципа

теряет

свое

значение

для

трансформаторов

, 

поступа

-

ющих

в

регионы

с

грунтами

низкой

проводимости

. 

В

настоящем

изложении

той

же

темы

предлагается

дополнить

декларатив

-

ный

характер

ранее

высказанных

доводов

более

предметным

рассмотрением

.

39

Во

-

вторых

, 

о

том

, 

что

проектные

сосредоточенные

заземлители

опор

в

грунтах

низкой

проводимости

неэф

-

фективны

при

грозах

и

что

поэтому

удар

молнии

в

трос

или

опору

на

подходе

ВЛ

к

ПС

приводит

к

падению

на

СТ

волн

опасной

крутизны

, 

никогда

всерьез

не

заявлялось

. 

В

итоге

все

подобные

ситуации

оказывались

тупиковыми

, 

поскольку

и

мысли

не

допускалось

, 

что

при

всей

полноте

формально

выполненных

требований

НТД

по

грозозащи

-

те

здесь

, 

в

зоне

вечной

мерзлоты

, 

проявляются

новые

, 

не

учитывавшиеся

до

этого

факторы

несовместимости

свойств

грунтов

с

общепринятыми

принципами

осу

-

ществления

защиты

от

ударов

молнии

. 

Да

и

сейчас

эта

, 

ставшая

уже

реальной

, 

версия

не

имеет

права

на

офи

-

циальное

признание

, 

так

как

вполне

определенное

по

-

ложение

из

п

. 9.3 [1], 

что

 «

при

обратных

перекрытиях

на

проводах

возникают

волны

с

отвесным

фронтом

, 

опасные

для

межвитковой

внутренней

изоляции

трансформаторов

(

АТ

) 

и

реакторов

...», 

никогда

, 

по

существу

, 

не

выступало

в

качестве

исходного

постулата

для

регионов

с

грунтами

низкой

проводимости

, 

а

оставалось

лишь

неким

частным

предупреждением

против

нарушений

нормативных

тре

-

бований

к

заземлению

опор

в

регионах

с

хорошо

прово

-

дящими

грунтами

.

В

-

третьих

, 

в

период

реформирования

отрасли

и

ре

-

структуризации

компании

документирование

аварийных

событий

велось

не

на

должном

уровне

, 

который

мог

бы

завершаться

обязательным

архивированием

с

целью

на

-

копления

материала

для

последующей

разработки

проти

-

воаварийных

мероприятий

.

Однако

в

местной

истории

сохранился

целый

ряд

фак

-

тов

аварийных

повреждений

СТ

  (

АТ

), 

в

которых

версия

причастности

нерасчетной

крутизны

грозовых

импульсов

представляется

бесспорной

, 

хотя

не

только

официально

необоснованной

вообще

, 

но

и

настойчиво

опровергаемой

с

помощью

всевозможных

второстепенных

косвенных

до

-

водов

при

страховых

тяжбах

. 

Поэтому

может

представ

-

лять

интерес

тот

элементарный

разбор

сохранившейся

информации

о

некоторых

случаях

грозовых

происше

-

ствий

, 

который

предлагается

ниже

.

ВОССТАНОВЛЕННЫЕ

ФРАГМЕНТЫ

СТАТИСТИКИ

ГРОЗОВОЙ

АВАРИЙНОСТИ

I. 

ПС

 220/110/10 

кВ

 «

Вынгапур

» (

ныне

 — 

подстанция

МЭС

Западной

Сибири

). 

Август

 2003 

года

Удар

молнии

в

двухцепную

опору

№

 2 

шинных

мостов

связи

АТ

-1 

и

АТ

-2 

с

ОРУ

-110 

кВ

вызвал

обратное

перекры

-

тие

на

ней

изоляции

фаз

 «

А

» 

и

 «

В

» 

ШМ

-110-2 

и

фазы

 «

А

» 

ШМ

-110-1. 

На

обмотки

 110 

кВ

обоих

автотрансформато

-

ров

типа

АТДЦТН

-125000/220 

воздействовали

срезанные

волны

с

отвесным

фронтом

  (

на

рисунке

 1 

условно

пока

-

заны

U

0

), 

в

результате

чего

АТ

-1 

отключился

от

действия

газовой

и

дифференциальной

защит

. 

В

дальнейшем

при

вскрытии

АТ

-1, 

кроме

виткового

замыкания

обмотки

110 

кВ

, 

были

обнаружены

также

повреждения

ввода

 35 

кВ

нейтрали

и

ввода

 220 

кВ

фазы

  «

А

» 

с

разрушением

его

верхней

части

и

выдавливанием

прокладки

.

Ввиду

совершенно

одинаковых

схемных

условий

и

со

-

поставимого

характера

грозового

воздействия

на

оба

АТ

, 

повреждение

именно

АТ

-1 

может

объясняться

тем

, 

что

он

был

защищен

по

стороне

 110 

кВ

не

ограничителем

перенапряжений

 (

как

на

АТ

-2 

ОПН

-110, 

который

начинает

действовать

с

момента

падения

на

него

грозовой

волны

), 

а

вентильным

разрядником

 (

РВМГ

-110 

м

), 

вольт

-

секундная

характеристика

которого

имеет

запаздывание

срабатыва

-

РВМГ-110 м

ШМ-110-1

оп. № 1

оп. № 2

ШМ-110-2

к ОРУ-110

грозотрос

ОПН-110

АТ-1

АТ-2

220 кВ

220 кВ

10 кВ

10 кВ

110 кВ

110 кВ

U

0

U

0

Рис

. 1. 

Схема

для

случая

грозового

повреждения

АТ

-1 

на

ПС

 «

Вынгапур

»

40

Ежеквартальный

спецвыпуск

№

 1(8), 

май

 2018

ния

порядка

 0,5 

мкс

  (

рисунок

 2). 

Это

большое

время

по

сравнению

с

исчезающе

малой

длительностью

крутого

фронта

срезанной

волны

. 

Такая

волна

при

амплитуде

50%-

ного

разрядного

напряжения

гирлянды

U

50%

 = 650 

кВ

([2], 

гл

.17) 

еще

до

воздействия

на

нее

срабатывающего

с

запозданием

разрядника

успела

пробить

витковую

изо

-

ляцию

  «

своей

» 

обмотки

 (110 

кВ

), 

перейти

по

емкостным

связям

на

обмотку

НН

 (10 

кВ

) 

и

повредить

ее

, 

разрушить

ввод

нейтрали

  (

класса

 35 

кВ

), 

а

также

проникнуть

по

прямым

гальваническим

связям

АТ

-1 

на

сторону

 220 

кВ

, 

где

вызвала

еще

и

повреждение

ввода

. 

Редкая

тяжесть

нарушения

, 

многоместность

возникновения

в

АТ

очагов

дефекта

 — 

при

наличии

всех

штатных

атрибутов

грозо

-

защиты

  (

нормальная

изоляция

, 

молниеприемники

опор

, 

обеспечивавшие

проектные

расчетные

зоны

молниеза

-

щиты

совместно

с

остальными

молниеотводами

подстан

-

ции

, 

и

проверенные

заземления

) — 

свидетельство

того

, 

что

негативная

роль

непроводящих

грунтов

, 

при

которых

происходят

обратные

перекрытия

, 

проявляется

в

почти

предельном

сохранении

разрушительных

свойств

исход

-

ного

грозового

импульса

, 

против

которого

выстроена

вся

система

грозозащиты

. 

Что

касается

перехода

крутых

волн

(

импульсов

) 

между

обмотками

, 

то

значение

этого

фактора

будет

специально

рассмотрено

в

следующем

разделе

на

-

стоящей

статьи

. 

II. 

ПС

 110/35/10 

кВ

 «

Нуриевская

». 

Сентябрь

 2003 

года

При

ударе

молнии

в

третью

от

ПС

опору

двухцепной

линии

ВЛ

-110-1,2 (

рисунок

 3) 

произошло

обратное

пере

-

крытие

изоляции

всех

шести

фаз

, 

при

этом

на

подстанции

произошло

отключение

от

действия

газовой

и

дифферен

-

циальной

защит

обоих

трансформаторов

 — 1

Т

и

  2

Т

 — 

мощностью

по

 25 

МВА

. 

Проведенные

испытания

, 

включая

хроманализ

растворенных

в

масле

газов

 (

ХАРГ

), 

прогно

-

зировали

в

них

внутренние

повреждения

. 

При

последую

-

щей

доставке

обоих

трансформаторов

на

завод

-

изготови

-

 0 0,5 0,8 1,0  1,5  2 3 

4  5 6 7 8 9 

10 

15 

20

500

400

300

200

100

U

пр

.

, 

кВ



, 

мкс

РВМГ

-220 

м

РВМГ

-150 

м

РВМГ

-110 

м

Рис

. 2. 

Вольтсекундные

характеристики

разрядников

типа

РВМГ

(

из

 «

Технического

описания

» 

и

 «

Инструкции

по

эксплуатации

»)

ВЛ-110-1

ВЛ-110-2

оп. № 1

оп. № 3

оп. № 2

грозотрос

ОПН-110

ОПН-110

СВ

В-

л1

В-

л2

ОПН-10

ОПН-10

ОПН-35

ОПН-35

ЗОН-1

ЗОН-2

1Т

2Т

10 кВ

10 кВ

110 кВ

35 кВ

35 кВ

110 кВ

U

0

U

0

Рис

. 3. 

Схема

для

случая

повреждения

одним

ударом

молнии

в

опору

№

 3 

двухцепной

ВЛ

-110-1,2 

двух

трансформаторов

типа

ТДТН

-25000/110 

ПС

 «

Нуриевская

»

Техсовет

41

U

0

U

Н

C

Н

C

В-Н

Н

U

0

U

С

C

С-Н

C

Н

C

С

C

В-Н

C

В-С

Н

С

тель

и

разборке

были

обнаружены

витковые

замыкания

в

обмотках

 35 

кВ

.

Прежде

чем

давать

объяснение

такому

событию

, 

важно

подчеркнуть

две

подробности

: 

1. 

Трансформаторы

имели

различный

режим

заземления

нейтрали

обмоток

 110 

кВ

: 

у

  1

Т

ЗОН

-110 

был

включен

, 

у

  2

Т

 — 

отключен

. 

Это

свидетельствует

о

том

, 

что

при

жестком

нерасчетном

воздействии

крутых

срезанных

волн

переходный

процесс

распределения

градиентов

потенциала

с

проникновением

перенапряжения

в

обмот

-

ки

 35 

кВ

через

емкостные

связи

проходил

у

этих

одина

-

ковых

трансформаторов

при

сходных

условиях

актив

-

ного

участия

начальных

участков

обмоток

 110 

кВ

, 

когда

режим

заземления

нейтрали

не

успел

еще

повлиять

на

него

, 

и

характер

воздействия

, 

как

и

кратности

перена

-

пряжений

, 

у

  1

Т

и

  2

Т

практически

совпадали

, 

приведя

к

одинаковым

последствиям

. 

Оценка

перенапряжений

, 

обусловленных

коэффициентом

перехода

, 

приводится

далее

. 

2. 

На

обеих

ВЛ

 110 

кВ

отсутствовала

ВЧ

-

связь

. 

Если

бы

ею

были

оснащены

все

фазы

, 

то

конденсаторы

емкостью

6400 

пФ

произвели

бы

эффективное

сглаживание

кру

-

тых

фронтов

и

повреждений

могло

бы

не

быть

.

Этот

случай

прямо

соотносится

с

двумя

категорическими

предупреждениями

НТД

 [1], 

одно

из

которых

 (

п

. 9.3) 

об

об

-

ратных

перекрытиях

уже

было

процитировано

здесь

ранее

, 

а

другое

, 

выраженное

в

п

. 9.4, 

гласит

: «

Наиболее

опасные

воздействия

на

изоляцию

подстанции

возникают

при

ударах

молнии

в

ближайшие

опоры

и

прорывах

на

провода

в

пер

-

вых

пролетах

». 

Но

вероятность

прорыва

молнии

мимо

троса

на

прово

-

да

 — 

ничтожна

, 

в

то

время

как

любой

удар

молнии

в

прак

-

тически

незаземленный

 (

при

грунтах

низкой

проводимости

) 

трос

стопроцентно

заканчивается

как

минимум

отключени

-

ем

ВЛ

, 

а

с

большой

вероятностью

и

повреждением

транс

-

форматоров

. 

Притом

речь

уже

должна

идти

об

опасности

ударов

молнии

не

только

в

ближних

от

ПС

пролетах

ВЛ

, 

но

и

в

более

удаленных

, 

так

как

при

плохопроводящих

грунтах

крутые

срезанные

волны

распространяются

в

первозданном

виде

практически

без

затухания

и

деформации

 (

за

вычетом

разве

что

незначительного

эффекта

от

импульсной

короны

, 

так

как

активные

потери

при

возврате

тока

волны

в

земле

невелики

).

Чтобы

объяснить

фатальность

исхода

для

трансфор

-

маторов

перехода

через

их

межобмоточные

емкости

набе

-

гающих

с

ВЛ

крутых

волн

, 

обратимся

сначала

к

рисунку

 4. 

Приведенные

на

нем

соотношения

для

двух

случаев

обще

-

известны

и

лежат

в

основе

требований

НТД

 (

ПТЭ

, 

п

. 5.11.15) 

о

защите

неиспользуемых

трансформаторных

обмоток

подключением

к

ним

ОПН

  (

вентильных

разрядников

). 

Ва

-

риантом

защиты

без

ОПН

и

разрядников

является

наличие

подсоединенного

к

обмотке

кабеля

длиной

не

менее

 30 

м

(

то

есть

достаточно

большой

емкости

). 

Это

понятно

при

обращении

к

рисунку

 4, 

где

представлены

схемы

перехода

грозовых

волн

через

межобмоточные

емкости

в

двух

- 

и

трех

-

обмоточных

трансформаторах

. 

Обозначения

 «

В

» (

высокая

), 

«

С

» (

средняя

) 

и

 «

Н

» (

низкая

) 

относятся

соответственно

к

об

-

моткам

ВН

 (110 

кВ

), 

СН

 (35 

кВ

) 

и

НН

 (6–10 

кВ

). 

В

практике

измерений

изоляционных

характеристик

трансформаторов

принято

одновременно

с

тангенсом

дельта

изоляции

об

-

моток

определять

также

и

емкости

, 

причем

распространив

-

шийся

с

 80-

х

годов

прошлого

столетия

метод

измерения

 «

по

зонам

» 

позволяет

получать

значения

емкостей

обмоток

как

относительно

  «

земли

» (

C

В

, 

C

С

, 

C

Н

), 

так

и

межобмоточных

(

C

В

-

Н

для

 2-

обмоточных

трансформаторов

и

C

В

-

С

, 

C

С

-

Н

, 

C

В

-

Н

 — 

для

 3-

обмоточных

). 

Из

формул

коэффициента

перехода

на

рисунке

 4 

для

того

и

другого

типов

трансформаторов

видно

, 

что

эти

коэффициенты

определяются

соотношениями

ем

-

костей

. 

В

случае

 3-

обмоточных

трансформаторов

емкость

C

В

-

Н

близка

к

нулю

ввиду

разделенности

обмоток

ВН

и

НН

обмоткой

СН

, 

поэтому

ее

подключение

изображено

пунктир

-

ной

линией

, 

а

сама

она

в

расчетных

формулах

не

участвует

. 

С

использованием

многих

сотен

результатов

много

-

летних

измерений

соответствующих

  «

зонных

» 

емкостей

для

всевозможных

типов

трансформаторов

 110 

кВ

от

 10 

до

63 

МВА

значение

K

п

(3)

было

получено

в

среднем

 0,53, 

что

годилось

бы

и

для

оценки

события

на

ПС

 «

Нуриевская

» 

с

ее

3-

обмоточными

трансформаторами

. 

Однако

необычное

по

-

следствие

 — 

разрушение

обмоток

 35 

кВ

сразу

двух

транс

-

форматоров

от

волн

, 

набежавших

с

ВЛ

 110 

кВ

, 

заставляет

Рис

. 4. 

Схемы

перехода

грозовых

волн

между

обмотками

трансформатора

2-

обмоточный

трансформатор

3-

обмоточный

трансформатор

C

В

-

С

U

C

 = 

U

0

 · — = 

U

0 

K

П

(3)

C

С

-

Н

C

Н

C

В

-

С

 + 

C

С

 + —

C

С

-

Н

 + 

C

Н

C

В

-

Н

U

Н

 = 

U

0 

· — = 

U

0 

K

П

(2)

C

В

-

Н

 + 

C

Н

K

П

(3)

 = 

U

C 

/

U

0

K

П

(2)

 = 

U

Н

/

U

0

42

Ежеквартальный

спецвыпуск

№

 1(8), 

май

 2018

обратить

внимание

на

то

обстоятельство

, 

что

при

грозовом

процессе

, 

с

его

микросекундными

импульсами

, 

нельзя

опе

-

рировать

величинами

емкостей

, 

измеренными

на

частоте

50 

Гц

. 

Совершенно

определенно

, 

что

тем

более

при

срезан

-

ных

импульсах

длительностью

порядка

 3 

мкс

должна

играть

роль

зависимость

емкости

от

времени

. 

Емкость

как

мера

накопления

заряда

зависит

от

вида

приложенного

напря

-

жения

, 

вызывающего

протекание

в

изоляции

тех

или

иных

видов

поляризации

, — 

значит

, 

следует

обратить

внимание

на

то

, 

какие

виды

изоляции

преобладают

в

зонах

, 

форми

-

рующих

ту

и

другую

емкости

, 

то

есть

емкость

  «

на

землю

» 

и

межобмоточную

. 

Нетрудно

видеть

, 

что

основной

изоляци

-

ей

между

обмотками

является

трансформаторное

масло

 — 

нейтральный

диэлектрик

, 

для

которого

характерна

атомная

поляризация

, 

или

поляризация

деформации

, 

завершающа

-

яся

за

время

не

более

 10

–13

с

, 

то

есть

на

много

порядков

меньше

длительности

полной

грозовой

волны

, 

не

превыша

-

ющей

 100 

мкс

, 

или

 10

–4

с

. 

Поэтому

емкость

межобмоточная

, 

в

аспекте

грозового

процесса

, 

является

  «

геометрической

», 

достигающей

своей

предельной

величины

при

сколь

угодно

высоких

частотах

 — 

следовательно

, 

и

при

коротком

грозо

-

вом

импульсе

как

аналоге

высокочастотных

колебаний

.

Изоляция

же

обмоток

  «

на

землю

» 

состоит

из

пропи

-

танных

маслом

твердых

полярных

диэлектриков

  (

бума

-

га

, 

картон

, 

дерево

, 

пластики

), 

для

которых

свойственны

медленные

виды

поляризаций

  (

вплоть

до

внутрислоевой

и

высоковольтной

), 

завершающихся

от

момента

приложе

-

ния

напряжения

за

промежутки

времени

, 

измеряемые

не

то

что

секундами

, 

а

и

минутами

. 

Эти

различения

общеиз

-

вестны

и

применяются

издавна

в

технической

диагностике

в

разных

практических

целях

 — 

например

, 

для

определения

увлаж

нения

изоляции

по

величине

отношения

C

2

 / 

C

50

, 

когда

сравнение

даже

на

частотах

 50 

и

 2 

Гц

дает

ощутимо

разные

результаты

. 

Поэтому

полная

, «

физическая

» 

емкость

изоля

-

ции

 «

на

землю

» 

при

грозовом

процессе

не

реализуется

 — 

за

сотню

микросекунд

не

успевает

произойти

разделения

за

-

рядов

и

их

накопления

, 

а

явление

абсорбции

как

таковой

в

обычном

понимании

просто

не

имеет

места

. 

Но

раз

нет

зарядов

 — 

нет

и

емкости

, 

она

остается

на

уровне

нуля

. 

Под

-

ставляя

в

любую

из

формул

на

рисунке

 4 (

хоть

для

 2-, 

хоть

для

 3-

обмоточного

трансформаторов

) 

C

Н

 = 0 

и

C

С

 = 0, 

мы

получаем

K

п

(2)

 = 1 

и

K

п

(3)

 = 1.

Но

это

значит

, 

что

в

случае

ПС

  «

Нуриевская

» 

с

обмо

-

ток

 110 

кВ

на

обмотки

 35 

кВ

перешли

набежавшие

крутые

срезанные

волны

практически

полной

величиной

 650 

кВ

, 

вызвав

превышение

в

 3 

раза

предельно

допустимого

для

обмоток

 35 

кВ

среднего

градиента

 210 

кВ

/

мкс

. 

Для

обмо

-

ток

 110 

кВ

аналогичный

параметр

составляет

 525 

кВ

/

мкс

. 

Возможно

, 

и

он

был

превышен

, 

но

пробило

там

, 

где

крат

-

ность

превышения

была

гораздо

больше

, 

то

есть

на

стороне

35 

кВ

. 

Витковые

замыкания

были

неотвратимы

там

и

тогда

(

где

рассмотрено

) 

и

остаются

перманентной

угрозой

любому

трансформатору

в

регионах

с

грунтами

низкой

проводимо

-

сти

, 

причем

еще

и

при

очень

растянутом

диапазоне

расстоя

-

ний

от

места

удара

молнии

в

ВЛ

до

ПС

из

-

за

слабых

затуха

-

ний

и

деформаций

, 

а

не

только

при

близких

поражениях

ВЛ

. 

Какую

-

то

надежду

подают

случайные

наличия

на

ВЛ

 110 

кВ

ВЧ

-

связи

, 

когда

конденсаторы

спасают

ситуацию

, 

оказыва

-

ясь

на

пути

грозовой

волны

, 

и

этот

положительный

фактор

нельзя

сбрасывать

со

счета

.

Еще

более

опасен

переход

волн

с

обмотки

 110 

кВ

на

об

-

мотки

 6 

или

 10 

кВ

в

трансформаторах

с

расщепленной

об

-

моткой

, 

где

каждая

из

них

, 

находясь

в

одинаковых

простран

-

ственных

условиях

по

отношению

к

обмотке

 110 

кВ

, 

получает

совершенно

недопустимый

для

нее

уровень

переходящего

воздействия

, 

от

которого

ОПН

-6 

или

 10 

кВ

витковую

изоля

-

цию

не

защищают

 — 

их

функцией

является

защита

только

главной

изоляции

 («

фаза

 — 

фаза

» 

и

 «

фаза

 — 

земля

»).

III. 

ПС

 110/10 

кВ

 «

Гранит

». 

Август

 2010 

года

ПС

 «

Гранит

» 

подключена

ответвлением

 0,74 

км

к

маги

-

стральной

ВЛ

 110 

кВ

 «

К

 — 

О

». 

Удар

молнии

в

опору

№

 8 

этой

линии

на

расстоянии

 0,31 

км

от

отпаечной

опоры

вызвал

на

опоре

№

 8 (

рисунок

 5) 

обратное

перекрытие

изоляции

на

фазе

 «

А

». 

При

этом

на

ПС

 «

Гранит

» 

действием

газовой

за

-

щиты

трансформатора

 1

Т

типа

ТРДН

-32000/110/10/10 

вклю

-

В

Л

-1

10

кВ

«К

—О

»

грозотрос

к ПС «К»

ОД-110

КЗ-110

ОПН-10

ОПН-10

ПС «Гранит»

ТРДН-40000/110/10/10

ЗОН-110

РВ

С-1

1

0

РВ

С-15

РВ

С-35

к ПС «О»

гро

зо

трос

1Т

U

0

0,3

1к

м

0,74 км

Рис

. 5. 

Схема

для

случая

грозового

повреждения

трансформатора

 1

Т

на

ПС

 «

Гранит

»

Техсовет

43

чился

короткозамыкатель

КЗ

-110, 

что

привело

к

отключению

ВЛ

 110 

кВ

 «

К

 — 

О

» 

с

обеих

сторон

и

отключению

в

бесто

-

ковую

паузу

отделителя

ОД

-110 

с

последующим

успешным

АПВ

линии

. 

Как

было

установлено

измерениями

и

впоследствии

осмотром

, 

в

трансформаторе

произошли

повреждения

об

-

моток

 10 

кВ

НН

-1 

и

НН

-2 

от

витковых

замыканий

. 

Наличие

разрядников

РВС

-110

м

на

выводах

 110 

кВ

  1

Т

, 

комплекта

разрядников

 (

РВС

-35 + 

РВС

-15) 

в

нейтрали

обмотки

 110 

кВ

и

ОПН

-10 

на

выводах

обмоток

НН

-1 

и

НН

-2 

не

помешало

произойти

следующему

совершенно

исключительному

со

-

бытию

: 

набежавшая

с

линии

на

обмотку

 110 

кВ

 1

Т

волна

, 

кро

-

ме

перехода

через

емкостные

связи

на

обмотки

НН

-1 

и

НН

-2 

(

по

изложенному

выше

в

разделе

 II ), 

возбудила

на

изолиро

-

ванной

нейтрали

обмотки

 110 

кВ

перенапряжение

, 

вызвав

-

шее

пробой

воздушного

промежутка

 0,25 

м

между

верхним

фланцем

проходного

изолятора

нейтрали

и

выхлопной

тру

-

бой

трансформатора

, 

связанной

трубной

перемычкой

с

рас

-

ширителем

. 

Непредвиденное

заземление

нейтрали

через

искровой

канал

импульсного

разряда

привело

к

протеканию

по

этому

пути

доли

тока

однофазного

короткого

замыкания

на

опоре

№

 8 (

КЗ

-110 

на

ПС

  «

Гранит

» 

еще

не

включился

) 

под

действием

напряжения

нулевой

последовательности

частоты

 50 

Гц

. 

Времени

протекания

этого

тока

  (

включая

времена

срабатывания

КЗ

-110 

на

ПС

 «

Гранит

» 

и

каскадно

-

го

отключения

ВЛ

 110 

кВ

 «

К

 — 

О

» 

с

двух

сторон

) 

хватило

, 

чтобы

прожечь

стальную

стенку

выхлопной

трубы

толщиной

3 

мм

, 

и

струя

масла

из

прожженного

отверстия

под

напором

уровня

в

расширителе

ударила

во

фланец

изолятора

, 

в

точ

-

ности

обозначив

траекторию

канала

импульсного

пробоя

. 

Ко

времени

прибытия

через

 40 

минут

бригады

, 

когда

из

рас

-

ширителя

часть

масла

стекла

, 

напор

упал

, 

и

на

сделанном

фото

  (

рисунок

 6) 

видна

уже

несколько

ослабевшая

струя

, 

бьющая

в

обильно

орошаемый

маслом

изолятор

несколько

ниже

той

первоначальной

точки

на

фланце

, 

которая

ожогом

запечатлела

место

возникновения

грозового

импульсного

разряда

. 

Понятно

, 

что

вся

грозовая

часть

сценария

завер

-

шилась

мгновенно

, 

в

десятки

микросекунд

, 

а

последующая

, 

Рис

. 6. 

ПС

 «

Гранит

», 

трансформатор

 1

Т

ТРДН

-40000/110/10/10. 

Струя

масла

бьет

по

пути

импульсного

перекрытия

на

изолятор

нейтрали

 110 

кВ

из

отверстия

, 

прожженного

в

выхлопной

трубе

трансформатора

сопровождающим

током

 50 

Гц

 — 

долей

тока

однофазного

короткого

замыкания

на

опоре

№

 8 

ВЛ

 110 

кВ

 «

К

 — 

О

»

Струя

масла

44

Ежеквартальный

спецвыпуск

№

 1(8), 

май

 2018

термическая

стадия

протекания

тысяч

ампер

тока

 50 

Гц

, 

вы

-

звавшего

прожигание

, — 

за

 0,16 

с

, 

и

можно

считать

удачным

исходом

события

, 

что

масло

не

загорелось

.

Еще

до

срабатывания

разрядников

РВС

шел

процесс

перехода

волны

через

межобмоточные

емкости

на

обмотки

НН

-1 

и

НН

-2 

и

одновременно

нарастания

импульсно

-

го

напряжения

на

воздушном

промежутке

 0,25 

м

в

све

-

ту

между

выводом

нейтрали

 110 

кВ

и

выхлопной

трубой

.

При

импульсной

прочности

воздуха

 500 

кВ

/

м

пробой

этого

искрового

промежутка

  (

ИП

) 

произошел

при

на

-

пряжении

U

проб

.

 = 500 

·

 0,25 

кВ

 = 125 

кВ

через

время

(125 / 391) 

·

 0,89 = 0,29 

мкс

. 

Расчетом

, 

который

здесь

не

приводится

, 

после

пробега

импульсом

 1,05 

км

до

трансформатора

  1

Т

его

параметры

были

определены

U

вх

= 391 

кВ

и



фр

 = 0,89 

мкс

, 

а

срабатывание

РВС

-110

при

напряжении

 285 

кВ

произошло

лишь

через

 1,23 

мкс

.

Комплект

вентильных

разрядников

  (

РВС

-35 + 

РВС

-15) 

имеет

U

проб

.

(0)

 = (125 + 67) 

кВ

 = 192 

кВ

и

, 

конечно

, 

опреде

-

ленное

время

запаздывания

срабатывания

 — 

примем

его

за

неимением

данных

равным

такому

показателю

у

РВС

-110, 

то

есть

тоже

 0,5 

мкс

 (

так

как

числа

ИП

в

них

соизмеримы

). 

Тогда

сразу

видно

, 

что

этот

комплект

не

успел

предотвра

-

тить

непредвиденного

пробоя

ИП

с

наступившим

при

таком

заземлении

нейтрали

перераспределением

долей

токов

однофазного

короткого

замыкания

 (

на

землю

) 

между

всеми

трансформаторами

электрически

связанной

сети

, 

у

которых

нейтрали

обмоток

 110 

кВ

были

заземлены

по

режиму

:

(125 < 192) 

кВ

и

 ( 0,29 < 1,23) 

мкс

.

Что

касается

обмоток

 10 

кВ

НН

-1 

и

НН

-2, 

то

, 

согласно

таблице

 2 

из

 [3], 

нормированное

напряжение

грозового

им

-

пульса

для

изоляции

класса

 10 

кВ

трансформаторов

состав

-

ляет

 90 

кВ

  (

аналогичный

уровень

сохранился

и

для

новых

трансформаторов

в

российском

ГОСТ

Р

 55195-2012 

того

же

названия

, 

что

и

у

 [3]). 

Зная

, 

что

его

от

пробивной

проч

-

ности

отделяет

разрыв

порядка

 25%, 

видим

, 

что

не

говоря

уж

о

витковой

изоляции

обмоток

НН

, 

даже

главная

изоля

-

ция

 («

фаза

 — 

земля

») 

могла

пробиться

при

напряжении

90

·

1,25 = 112,5 

кВ

, 

то

есть

меньшем

того

, 

при

котором

про

-

бился

ИП

до

выхлопной

трубы

 (125 

кВ

).

Таким

образом

, 

при

набегании

крутых

волн

, 

особенно

как

в

рассматриваемом

тупиковом

режиме

 («

одна

ВЛ

 — 

один

СТ

»), 

опасные

воздействия

на

продольную

изоляцию

и

переходы

волн

по

межобмоточным

емкостным

связям

со

-

вершаются

за

кратчайшие

промежутки

времени

 — 

задолго

не

только

до

отключения

релейной

защитой

КЗ

на

ВЛ

, 

но

и

до

срабатывания

разрядников

 (

возможно

, 

и

ОПН

), 

которые

происходят

уже

после

развития

колебательных

перенапря

-

жений

в

обмотке

.

Следует

снова

, 

как

и

в

случае

с

ПС

 «

Нуриевской

», 

от

-

метить

, 

что

в

схеме

ВЛ

 110 

кВ

 «

К

 — 

О

» 

с

ответвлением

на

ПС

  «

Гранит

» 

отсутствовала

ВЧ

-

связь

по

фазе

  «

А

», 

в

то

время

как

ею

была

обработана

фаза

 «

В

». 

При

наличии

на

фазе

 «

А

» 

конденсатора

емкостью

 6400 

пФ

грозового

по

-

вреждения

трансформатора

могло

бы

не

произойти

, 

как

и

экзотического

прожога

его

выхлопной

трубы

, 

так

как

удлинение

фронта

волны

сместило

бы

все

моменты

не

-

благоприятных

совпадений

и

наложений

промежуточных

процессов

, 

дав

возможность

сначала

сработать

вентиль

-

ным

разрядникам

.

Еще

один

принципиальный

вывод

: 

расстояние

в

свету

25 

см

между

выхлопной

трубой

и

верхним

фланцем

изоля

-

тора

нейтрали

 110 

кВ

допущено

заводом

-

изготовителем

, 

и

это

 — 

прямое

свидетельство

того

, 

что

проблема

грунтов

низкой

проводимости

неизвестна

в

отрасли

трансформа

-

торостроения

,

и

не

возникала

сама

мысль

, 

что

следует

координировать

между

собой

пробивное

напряжение

раз

-

рядника

в

нейтрали

и

какие

-

то

случайные

приближения

к

выводу

изолированной

нейтрали

заземленных

конструк

-

ций

 (

выхлопной

трубы

в

данном

случае

). 

Потому

что

при

нормальном

защитном

действии

грозотроса

в

регионах

с

хорошопроводящими

грунтами

на

подстанцию

не

на

-

бегают

с

линий

срезанные

волны

опасной

крутизны

, 

по

-

рождаемые

обратными

перекрытиями

в

ближней

зоне

подхода

к

ПС

, 

а

выбор

характеристик

разрядников

произ

-

водится

исключительно

на

основе

их

координации

с

испы

-

тательными

напряжениями

нейтрали

, 

а

не

с

пробивными

напряжениями

случайных

воздушных

ИП

.

IV. 

ПС

 110/10 

кВ

 «

Лесная

». 

Декабрь

 2010 

года

При

вводе

в

работу

после

капремонта

трансформато

-

ра

ТРДН

-32000/110/10/10 

он

отключился

действием

газо

-

вой

и

дифференциальной

защит

. 

Испытаниями

прогнози

-

ровалось

внутреннее

повреждение

. 

Осмотром

активной

части

после

слива

масла

и

подъема

колокола

было

об

-

наружено

на

входе

в

обмотку

 110 

кВ

фазы

 «

А

» 

витковое

, 

с

переходом

в

межкатушечное

, 

замыкание

с

перегорани

-

ем

элементарных

проводников

 (

рисунок

 7).

Результаты

всех

испытаний

трансформатора

за

время

его

эксплуатации

соответствовали

требованиям

объема

и

норм

испытаний

; 

технические

освидетельствования

проводились

в

регламентные

сроки

; 

круглогодичные

уме

-

ренные

нагрузки

не

приводили

к

нагревам

до

температур

, 

превышающих

 45°

С

; 

воздействию

сквозных

токов

корот

-

кого

замыкания

трансформатор

не

подвергался

. 

В

то

же

время

ПС

  «

Лесная

» 

находится

в

регионе

с

грунтами

низкой

проводимости

, 

где

при

ежегодном

большом

числе

грозовых

отключений

ВЛ

 110 

кВ

трансформатор

подвер

-

гается

многократным

нерасчетным

воздействиям

крутых

срезанных

волн

, 

возникающих

при

обратных

перекрытиях

на

опорах

с

высоким

сопротивлением

заземления

.

Другие

признаки

в

пользу

признания

грозового

происхож

-

дения

этого

зимнего

повреждения

:

–

фаза

 «

А

» 

не

обработана

ВЧ

-

связью

, 

то

есть

на

ней

нет

(

как

это

уже

подчеркивалось

здесь

ранее

в

описаниях

других

случаев

) 

конденсатора

, 

в

отличие

от

фаз

  «

В

» 

и

 «

С

», 

по

которым

связь

есть

;

Техсовет

45

–

только

в

ноябре

 2010 

года

в

ходе

капремонта

на

присо

-

единении

трансформатора

были

заменены

на

ОПН

-110 

вентильные

разрядники

РВС

-110, 

которые

 (

как

ранее

уже

было

отмечено

), 

имея

время

запаздывания

в

срабатыва

-

нии

 0,5 

мкс

, 

создавали

условия

для

более

длительного

воздействия

на

витковую

изоляцию

срезанных

волн

, 

чем

это

имеет

место

при

защите

с

помощью

ОПН

-110. 

Характерной

особенностью

технической

диагностики

СТ

(

АТ

) 

является

отсутствие

эксплуатационных

и

послеремонт

-

ных

методов

контроля

состояния

продольной

  (

витковой

) 

изоляции

обмоток

 — 

в

данном

случае

 110 

кВ

 — 

как

непо

-

средственно

связанных

с

ВЛ

 110, 

откуда

набегают

опасные

срезанные

волны

. 

За

годы

и

десятилетия

эксплуатации

на

обмотки

 110 

кВ

, 

и

прежде

всего

их

первые

входные

витки

, 

воздействуют

максимальные

градиенты

импульсных

по

-

тенциалов

, 

не

ограниченные

никакой

защитой

подходов

ВЛ

к

ПС

, 

в

качестве

которой

как

единственный

вариант

, 

соглас

-

но

действующим

НТД

 (

в

том

числе

ПУЭ

), 

выступает

грозо

-

трос

. 

Фактически

же

он

, 

являясь

по

существу

изолированной

подвеской

, 

заносит

на

ПС

крутые

импульсы

прямо

с

мест

прямых

ударов

молнии

. 

Воздействие

каждого

такого

случая

заноса

вызывает

ча

-

стичные

разряды

 (

ЧР

) 

по

твердой

изоляции

между

витками

. 

Возникнув

в

каком

-

то

одном

месте

, 

очаг

ЧР

сохранит

слегка

науглероженный

след

до

следующего

воздействия

, 

которое

, 

конечно

, 

не

станет

искать

другие

пути

наибольшего

благо

-

приятствования

развитию

канала

разряда

по

еще

не

под

-

порченной

изоляции

, 

а

будет

разрабатывать

начатый

. 

Им

-

пульсный

ЧР

очень

малой

длительности

сам