70
Анализ влияния разрядников молние-
защитных с предотвращением перехода
импульсного перекрытия в силовую
дугу промышленной частоты на молние-
защиту ВЛ и распредустройства 10 кВ
Халилов
Ф
.
Х
.,
д
.
т
.
н
.,
профессор
СПбГПУ
,
Белько
Д
.
О
.,
научный
сотрудник
АО
«
НПО
«
Стример
»
И
меющаяся
в
настоящее
время
в
сетях
10
кВ
России
высокая
аварийность
при
грозовых
ситуациях
[1, 2] —
серьезная
проблема
как
для
энергокомпаний
,
поставщиков
и
произ
-
водителей
электроэнергии
,
так
и
для
промышленных
потребителей
,
особенно
из
числа
предприятий
нефтя
-
ной
и
газовой
отрасли
[1].
При
молниевых
отключени
-
ях
ВЛ
10
кВ
многие
из
них
остаются
без
электроснаб
-
жения
.
Это
приводит
к
недоотпуску
электроэнергии
,
браку
продукции
,
нарушению
технологического
про
-
цесса
производства
и
большим
капитальным
затра
-
там
на
ремонтно
-
восстановительные
работы
.
Удары
молний
часто
приводят
к
повреждению
изо
-
ляции
электрооборудования
и
выходу
из
строя
рас
-
пределительных
устройств
.
Очевидная
причина
это
-
го
—
короткие
замыкания
(
КЗ
)
на
шинах
/
секциях
.
Они
приводят
к
значительным
нагрузкам
на
выключатели
,
к
градиентным
перенапряжениям
на
продольной
изо
-
ляции
трансформаторов
(
в
первую
очередь
силовых
)
и
электрических
машин
.
КЗ
и
их
разрушительные
последствия
,
серьезные
электродинамические
воз
-
действия
в
обмотках
трансформаторов
повышают
вероятность
повреждения
устройств
до
истечения
нормативного
срока
эксплуатации
[3].
Однако
эти
не
-
гативные
явления
можно
минимизировать
,
а
в
луч
-
шем
случае
—
совсем
избежать
их
за
счет
примене
-
ния
молниезащитных
разрядников
нового
типа
.
Цель
данной
статьи
—
сопоставление
некото
-
рых
технических
(
эксплуатационных
)
характеристик
ВЛ
и
распределительного
устройства
(
РУ
) 10
кВ
при
установке
на
подходе
к
подстанции
защитного
обору
-
дования
.
В
статье
рассматривается
передовая
раз
-
работка
АО
«
НПО
«
Стример
».
Речь
идет
о
молние
-
защитных
мультикамерных
разрядниках
следующего
поколения
,
не
допускающих
формирования
дуги
ко
-
роткого
замыкания
после
импульсного
перекрытия
изоляции
.
Для
большей
наглядности
все
расчеты
для
условной
высоковольтной
линии
электропере
-
дачи
напряжением
10
кВ
выполнялись
на
примере
мультикамерного
разрядника
для
ВЛ
данного
класса
(
далее
—
РМКИ
-10):
в
одном
случае
с
ним
,
в
дру
-
гом
—
без
него
.
Рассматривались
следующие
характеристики
ВЛ
и
ПС
10
кВ
:
–
показатель
молниезащиты
;
–
показатель
надежности
молниезащиты
подстан
-
ции
от
набегающих
волн
;
–
уровень
электродинамических
воздействий
в
обмотках
силовых
трансформаторов
при
корот
-
ких
замыканиях
вблизи
подстанции
и
на
самой
подстанции
;
–
координация
изоляции
электрооборудования
(
си
-
ловых
трансформаторов
)
с
характеристиками
ограничителей
перенапряжения
.
В
исследовании
использовано
допущение
,
что
на
подстанции
10
кВ
установлены
не
только
нелиней
-
ные
ограничители
перенапряжений
(
ОПН
)
с
усред
-
ненными
характеристиками
,
но
и
вентильные
раз
-
рядники
.
Принцип
действия
РМКИ
-10
подробно
освещен
в
технической
литературе
[4, 5].
Благодаря
специаль
-
ной
конструкции
мультикамерной
системы
,
разрядник
прерывает
электрическую
дугу
сразу
после
прохожде
-
ния
импульсного
тока
молнии
без
протекания
сопро
-
вождающего
тока
короткого
замыкания
сети
.
Таким
образом
,
длительность
КЗ
на
линии
ограничивается
временем
протекания
импульсного
тока
молнии
и
не
превышает
100–300
мкс
в
зависимости
от
характери
-
стик
молнии
.
Схематическая
конструкция
прототипа
разрядника
РМКИ
-10
экранного
типа
,
смонтированно
-
го
на
изоляторе
ШФ
-20-
Г
,
приведена
на
рисунке
1.
Рис
. 1.
Схематическая
конструкция
прототипа
РМКИ
-10
ВОЗДУШНЫЕ
ЛИНИИ
71
Приведем
исходные
данные
по
исследуемым
ВЛ
и
распредустройству
10
кВ
.
Условная
линия
сооруже
-
на
на
опорах
типа
ПБ
10-1.
В
соответствии
с
нормами
,
принятыми
на
тер
-
ритории
РФ
,
данная
линия
работает
в
сетях
с
изо
-
лированной
нейтралью
и
обычно
оснащена
шты
-
рьевыми
фарфоровыми
изоляторами
типа
ШФ
20-
Г
.
Вольтсекундная
характеристика
(
ВСХ
)
этого
изоля
-
тора
описывается
уравнением
:
U
(
t
) =
A
+
B
/
t
,
где
A
и
B
—
постоянные
коэффициенты
:
A
= 130
кВ
;
B
= 60
мкс
[2];
t
—
предразрядное
время
.
Вольтсекундная
характеристика
РМКИ
-10
предо
-
ставлена
НПО
«
Стример
».
Она
описывается
уравне
-
нием
:
U
(
t
) =
A
+
B
/
t
1,2
,
где
A
и
B
—
постоянные
коэффициенты
:
A
= 100
кВ
;
B
= 30
мкс
.
Сравнительный
график
ВСХ
фарфорового
изо
-
лятора
ШФ
20-
Г
и
ВСХ
РМКИ
-10
приведен
на
рисун
-
ке
2.
В
качестве
условных
распредустройств
в
рас
-
четах
использовались
односекционные
подстан
-
ции
с
одним
трансформатором
(
СТ
,
рисунок
3
а
)
и
двухсекционные
подстанции
с
двумя
трансфор
-
маторами
(
СТ
1
и
СТ
2,
рисунок
3
б
).
Каждая
секция
оснащена
электромагнитным
трансформатором
напряжения
,
а
в
присоединениях
силовых
транс
-
форматоров
типа
ТМ
-250-10/0,4 —
одним
комплек
-
том
ОПН
или
вентильных
разрядников
.
РЕЗУЛЬТАТЫ
АНАЛИЗА
МОЛНИЕЗАЩИТЫ
УСЛОВНОЙ
ВЛ
10
КВ
Анализ
молниезащиты
выполнялся
по
методике
[1].
Учитывались
возможные
молниевые
отключения
при
прямых
ударах
молнии
(
ПУМ
)
в
ВЛ
,
при
индук
-
тированных
перенапряжениях
(
ИП
),
при
попадании
молниевого
разряда
на
объекты
вблизи
ВЛ
(
деревья
,
здания
,
трубы
и
др
.):
n
=
n
ПУМ
+
n
ИНД
.
Далее
n
приводилась
к
l
= 100
км
длины
ВЛ
и
100
грозовым
часам
T
Ч
= 100
ч
:
l
T
Ч
n
=
n
· — · —.
100
100
При
расчетах
принимались
следующие
пара
мет
-
ры
условной
ВЛ
10
кВ
:
–
длина
l
= 10
км
;
–
число
грозовых
часов
вдоль
трассы
T
Ч
= 50
ч
;
–
импульсное
сопротивление
контура
самозазем
-
ления
— 40
Ом
;
–
средний
пролет
между
двумя
промежуточными
опорами
— 80
м
;
–
провод
типа
АС
-70;
– 50%-
ное
импульсное
разрядное
напряжение
раз
-
ной
изоляции
при
обеих
полярностях
U
50%
= 90
кВ
;
– 50%-
ное
импульсное
разрядное
напряжение
междуфазной
изоляции
при
обеих
полярностях
U
50%
= 180
кВ
;
–
вероятность
перехода
импульсно
-
го
перекрытия
в
силовую
дугу
при
установке
на
ВЛ
изоляторов
ШФ
20
Г
— 0,44,
при
установке
РМКИ
-10 = 0,05;
–
вероятность
неуспеш
ного
АПВ
— 0,54.
В
таблице
1
приведены
удельные
показатели
грозоупорности
ВЛ
10
кВ
с
вышеуказанными
пара
-
метрами
.
U
t
Рис
. 2.
ВСХ
изоляторов
ШФ
20-
Г
и
разрядника
-
изолятора
РМКИ
-10
Рис
. 3.
Упрощенная
прин
-
ципиальная
электриче
-
ская
схема
РУ
10
кВ
:
а
)
однотрансформатор
-
ная
,
две
ВЛ
;
б
)
двухтран
-
форматорная
,
две
ВЛ
б
)
а
)
ВЛ
1
Пр
1
Пр
1
Пр
2
1
С
ОПН
(
РВ
)
СТ
СТ
1
Тн
1
Тн
2
СТ
2
ОПН
(
РВ
)
ОПН
(
РВ
)
ВЛ
1
ВЛ
2
ВЛ
2
№
4 (49) 2018
72
РЕЗУЛЬТАТЫ
АНАЛИЗА
МОЛНИЕЗАЩИТЫ
РАСПРЕДУСТРОЙСТВА
10
КВ
ОТ
НАБЕГАЮЩИХ
ВОЛН
Характеристики
молниезащиты
рассматриваемого
РУ
10
кВ
определялись
по
методике
[3].
Сравнива
-
лись
варианты
оснащения
опор
на
подходе
к
РУ
защитными
аппаратами
РМКИ
-10
НПО
«
Стример
»
и
без
них
в
следующих
комплектациях
:
–
на
подстанции
установлены
вентильные
разряд
-
ники
IV
группы
по
ГОСТ
16357-83 (
типа
РВП
-10);
–
на
подстанции
установлены
нелинейные
ограни
-
чители
перенапряжений
(
типа
ОПН
-10).
Анализ
молниезащиты
подстанции
10
кВ
показал
,
что
при
установке
РМКИ
-10
на
подходе
величина
опасной
зоны
снижается
до
90
м
со
150
м
в
вариан
-
тах
без
мультикамерного
разрядника
.
В
таб
лице
2
приведены
расчетные
показатели
надежности
мол
-
ниезащиты
подстанции
10
кВ
в
указанных
комплек
-
тациях
.
ВОПРОСЫ
ГРАДИЕНТНЫХ
ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ
Градиентные
перенапряжения
относятся
к
внутри
-
обмоточным
перенапряжениям
и
воздействуют
на
продольную
изоляцию
(
изоляцию
между
витками
,
слоями
и
катушками
)
силовых
трансформаторов
и
высоковольтных
электрических
машин
(
напри
-
мер
,
синхронных
компенсаторов
).
Интенсивность
и
опасность
градиентных
перенапряжений
зависят
от
крутизны
падающих
на
них
молниевых
волн
.
Экспериментальным
путем
установлено
,
что
подключение
к
ВЛ
мультикамерных
разрядников
РМКИ
вблизи
подстанций
в
значительной
степе
-
ни
снижает
вероятность
прихода
на
подстанцию
молниевых
волн
с
большой
амплитудой
и
снижает
количество
аварий
на
силовых
трансформаторах
и
высоковольтных
электрических
машинах
.
СНИЖЕНИЕ
МЕХАНИЧЕСКИХ
ВОЗДЕЙСТВИЙ
В
ОБМОТКАХ
СИЛОВЫХ
ТРАНСФОРМАТОРОВ
Использование
разрядников
нового
поколения
РМКИ
на
ВЛ
на
несколько
порядков
уменьшает
вли
-
яние
электродинамических
(
механических
)
воздей
-
ствий
на
обмотки
силовых
трансформаторов
.
Это
происходит
благодаря
свойству
РМКИ
гасить
элек
-
трическую
дугу
спустя
100–300
мкс
ее
воздействия
Табл
. 1.
Показатели
грозоупорности
ВЛ
10
кВ
Ожидаемое
число
отключений
Вид
воздействия
Показатель
надежности
рассматривае
-
мой
ВЛ
,
лет
от
ПУМ от
ИП
общее
Удельное
n
,
1/
год
исходное
12,8
7,2
20
с
РМКИ
-10
1,45
0,82
2,28
Рассматривае
-
мой
ВЛ
n
, 1/
год
исходное
0,64
0,36
1
1
с
РМКИ
-10
0,07
0,04
0,11
8,8
Вывод
:
при
установке
на
ВЛ
10
кВ
РМКИ
-10
НПО
«
СТРИМЕР
»
показатель
надежно
-
сти
молниезащиты
линии
электропередачи
улучшается
почти
в
9
раз
.
Табл
. 2.
Показатели
надежности
молниезащиты
подстанции
10
кВ
в
зависимости
от
установленных
защитных
устройств
Защитный
аппарат
на
РУ
без
РМКИ
-10
с
РМКИ
-10
РВП
-10
120
лет
150
лет
ОПН
-10
140
лет
190
лет
Вывод
:
при
установке
РМКИ
-10
НПО
«
СТРИ
-
МЕР
»
на
подходе
к
подстанции
10
кВ
показа
-
тель
надежности
молниезащиты
подстанции
увеличивается
на
25–35%.
без
появления
длительного
сопровождающего
тока
короткого
замыкания
сети
.
Это
особенно
актуально
для
силовых
трансформаторов
,
износ
которых
со
-
ставляет
более
20
лет
.
Данные
выводы
подтверждены
цифровыми
экс
-
периментами
.
В
математической
модели
вблизи
подстанции
,
в
том
числе
на
распредустройстве
,
устраивалось
короткое
замыкание
.
Ток
короткого
замыкания
с
учетом
апериодической
составляю
-
щей
варьировался
в
пределах
от
5
до
30
кА
.
Контро
-
лировалась
деформация
обмотки
трансформатора
ТМ
-250–10/0,4.
Расчет
показал
,
что
при
токе
более
23
кА
уровень
деформации
обмотки
превосходит
допустимый
.
Разрядник
РМКИ
-10
работал
в
штат
-
ном
режиме
при
расчетных
токах
КЗ
до
25
кА
.
ОБЕСПЕЧЕНИЕ
КООРДИНАЦИИ
ИЗОЛЯЦИИ
ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
И
ЗАЩИТНЫХ
ХАРАКТЕРИСТИК
ОПН
Известный
факт
,
что
силовые
трансформаторы
из
всех
видов
электрооборудования
по
ГОСТ
1516.3-96
обладают
наименьшей
импульсной
электрической
прочностью
.
Одновременно
эти
же
трансформато
-
ры
являются
наиболее
важным
и
дорогостоящим
видом
электрооборудования
.
По
ГОСТ
1516.3-96
амплитуда
испытательно
-
го
напряжения
изоляции
электрооборудования
класса
10
кВ
полным
грозовым
импульсом
равна
75
кВ
.
Координация
импульсной
прочности
изоляции
электрооборудования
подстанции
и
характери
-
стик
защитных
аппаратов
ОПН
выполняется
по
формуле
:
U
ост
.
и
≤
U
доп
.
г
.
п
/
K
,
где
U
ост
.
и
—
остающееся
напряжение
на
варисторах
ОПН
при
номинальном
разрядном
токе
;
U
доп
.
г
.
п
—
до
-
пустимая
величина
грозовых
перенапряжений
на
изоляции
электрооборудования
;
K
= 1,2÷1,4 —
ко
-
эффициент
,
учитывающий
перенапряжения
между
ОПН
и
электрооборудованием
при
различных
кру
-
тизнах
падающей
волны
.
По
данным
[2]
U
доп
.
г
.
п
определяется
по
формуле
:
U
доп
.
г
.
п
=
K
k
(
U
ПЕ
–
U
ном
/2),
где
U
ном
—
номинальное
напряжение
,
кВ
;
K
k
= 1,1 —
коэффициент
кумулятивности
.
ВОЗДУШНЫЕ
ЛИНИИ
73
Поэтому
U
доп
.
г
.
п
= 1,1 · (75 – 10/2) = 77
кВ
и
U
ост
.
и
≤
77 / (1,2÷1,4) = 55÷64
кВ
,
что
значительно
выше
,
чем
остающееся
напряже
-
ние
большинства
ОПН
при
номинальных
разрядных
токах
5
и
10
кА
.
Следует
отметить
,
что
остающееся
напряжение
на
разрядниках
РМКИ
-10
составляет
10–14
кВ
при
разрядных
токах
до
20
кА
,
что
суще
-
ственно
ниже
U
ост
.
и
.
ВЫВОДЫ
1.
Молниезащитные
разрядники
РМКИ
-10,
разра
-
ботанные
НПО
«
Стример
»,
в
8–9
раз
снижают
молниевые
отключения
ВЛ
и
повышают
показа
-
тель
молниезащиты
подстанции
на
20–35%.
2.
Для
ОПН
10
кВ
у
большинства
фирм
—
заво
-
дов
-
изготовителей
РФ
остающееся
напряжение
в
среднем
равно
U
ост
.5
= 35,7
кВ
и
U
ост
.10
= 32,9
кВ
,
то
есть
обеспечивается
координация
изоляции
даже
при
токах
I
D
= 10
кА
формой
8/20
мкс
.
Ввиду
меньшего
остающегося
напряжения
разрядника
РМКИ
-10,
равного
10–14
кВ
,
координация
изоля
-
ции
оборудования
по
-
прежнему
обеспечивается
.
3.
Установка
молниезащитных
разрядников
РМКИ
-10
для
защиты
ПС
10
кВ
значительно
уменьшает
влияние
электродинамических
воздействий
на
об
-
мотку
силовых
трансформаторов
благодаря
пре
-
рыванию
электрической
дуги
до
возникновения
значительного
тока
короткого
замыкания
и
позво
-
ляет
оборудованию
функционировать
в
штатном
режиме
при
токах
КЗ
до
23
кА
.
Р
ЛИТЕРАТУРА
1.
Альбокринов
В
.
С
.,
Гольдштейн
В
.
Г
.,
Халилов
Ф
.
Х
.
Перенапряже
-
ния
и
защита
от
них
в
электро
-
установках
нефтяной
промышлен
-
ности
.
Самара
:
Изд
.
Самарского
университета
, 1997. 350
с
.
2.
Халилов
Ф
.
Х
.,
Евдокунин
Г
.
А
.,
Тад
-
жибаев
А
.
И
.
Защита
сетей
6–35
кВ
от
перенапряжений
.
СПб
.:
Изд
.
Петербургского
энергетического
института
повышения
квалифика
-
ции
министерства
топлива
и
энер
-
гетики
РФ
, 1997. 216
с
.
3.
Костенко
М
.
В
.,
Богатенков
И
.
М
.,
Михайлов
Ю
.
А
.,
Халилов
Ф
.
Х
.
Гро
-
зозащита
подстанций
и
электриче
-
ских
машин
высокого
напряжения
.
Учебное
пособие
.
Ленинград
:
Изд
.
ЛПИ
им
М
.
И
.
Калинина
, 1982. 56
с
.
4.
Подпоркин
Г
.
В
.,
Енькин
Е
.
Ю
.,
Пиль
-
щиков
В
.
Е
.
Мультикамерные
раз
-
рядники
нового
типа
//
Электриче
-
ство
, 2013,
№
1.
С
. 26.
5.
Подпоркин
Г
.
В
.,
Енькин
Е
.
Ю
.,
Пиль
-
щиков
В
.
Е
.
Молниезащита
воз
-
душных
линий
электропередачи
мультикамерными
разрядниками
нового
поколения
//
Известия
Рос
-
сийской
Академии
наук
.
Энергети
-
ка
, 2015,
№
3.
С
. 95–102.
№
4 (49) 2018
Имеющаяся в настоящее время в сетях 10 кВ России высокая аварийность при грозовых ситуациях — серьезная проблема как для энергокомпаний, поставщиков и производителей электроэнергии, так и для промышленных потребителей, особенно из числа предприятий нефтяной и газовой отрасли. При молниевых отключениях ВЛ 10 кВ многие из них остаются без электроснабжения. Это приводит к недоотпуску электроэнергии, браку продукции, нарушению технологического процесса производства и большим капитальным затратам на ремонтно-восстановительные работы.
