Опыт применения линейных ОПН — разрядников для защиты линейной изоляции ВЛ 110 кВ. Исследование энергетических характеристик разрядников | Статьи журнала «ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение»

Page 1

Page 2

118

ВОЗДУШНЫЕ

ЛИНИИ

Опыт применения линейных ОПН —
разрядников для защиты линейной
изоляции ВЛ 110 кВ. Исследование
энергетических характеристик
разрядников

На

сегодняшний

день

остается

актуальной

проблема

низкой

грозоупорности

ЛЭП

110

кВ

выше

связанная

высоким

сопротивлением

грунтов

Эта

проблема

например

остро

стоит

перед

энергетическими

предприятиями

Западной

Сибири

Большую

долю

от

обще

–

го

энергопотребления

этом

регионе

занимают

крупнейшие

нефтегазодобывающие

предприятия

Любые

отключения

питающих

ЛЭП

для

этих

потребителей

даже

успеш

–

ным

автоматическим

повторным

включением

приводят

сбросам

нагрузки

из

–

за

нару

–

шений

технологических

процессах

Кемпонен

заместитель директора

АО «Полимер-Аппарат»

Панов

заместитель директора

АО «Полимер-Аппарат»

Колычев

к.т.н., доцент Высшей

школы высоковольтной

энергетики Института

энергетики СПбПУ

Петра Великого

Гулов

аспирант Высшей

школы высоковольтной

энергетики Института

энергетики СПбПУ

Петра Великого

Лопатин

начальник сектора

диагностики

АО «Россети Тюмень»

омпания АО «Полимер-Аппа-

рат» является производителем

нелинейных ограничителей пе-

ренапряжений (ОПН), применя-

емых в электрических сетях всех клас-

сов напряжений. Для защиты линейной

изоляции воздушных линий электропе-

редачи компанией разработаны, испы-

таны и аттестованы защитные устрой-

ства — линейные разрядники (ЛР) [1],

в основе конструкции которых исполь-

зуется рабочий резистор (РР) с нели-

нейной вольт амперной характеристикой

и внешний искровой промежуток (ВИП).

По данным опыта эксплуатации ВЛ

110 кВ и выше АО «Россети Тюмень»,

ежегодно доля грозовых аварийных

отключений ВЛ составляет 50–70% от

общего числа отключений (рисунок 1).

Как правило, при обратных перекрыти-

ях отключаются сразу обе цепи двух-

цепных ВЛ. Число двухцепных отклю-

чений достигает более 50% от числа

грозовых отключений. В большинстве

случаев грозовые отключения сопро-

вождаются УАПВ линии (УАПВ — до

90% случаев).

Меры повышения грозоупорности ВЛ

определены в Руководстве по защите

электрических сетей 6–1150 кВ от гро-

зовых и внутренних перенапряжений

[2]. К ним относятся: снижение сопро-

тивления заземляющих устройств (

зу

)

опор, повышение импульсной прочно-

сти изоляции, защита опор и участков

с ослабленной изоляцией. Реализация

Рис

. 1.

График

грозо

–

вых

отключений

по

АО

Россети

Тюмень

за

2013–2018

годы

100

120

СевЭС

НоЭС

КогЭС

СурЭС

НвЭС

НюЭС

ЭК

УЭС

ТобТПО ТюмТПО ЮжТПО ИшТПО

2013

2014

2015

2016

2017

2018

Page 3

119

данных мер в АО «Россети Тюмень» показала не-

достаточную эффективность. Они были не в со-

стоянии исключить обратные перекрытия изоляции

и гарантировать отсутствие двухцепных отключе-

ний на ВЛ в условиях плохопроводящих грунтов.

Грунты с высоким удельным сопротивлением при-

водят к недостаточной эффективности традицион-

ных средств грозозащиты (защитных тросов, зазем-

ления опор). В указанных условиях заземляющие

устройства опор, выполненные по проектным ре-

шениям, не обеспечивают нормируемые ПУЭ зна-

чения. Измерения сопротивлений заземления опор

на ряде проблемных ВЛ показали величину

зу

опор

от 50 до 300 Ом и выше при нормативе 10–30 Ом.

В качестве альтернативного средства грозозащи-

ты ВЛ филиалом АО «НТЦ ФСК ЕЭС» — СибНИИЭ

был предложен вариант повышения грозоупорности

ВЛ при помощи линейных ограничителей перенапря-

жений — разрядников, эффективность работы кото-

рых обеспечивается, в том числе, при имеющихся

высоких сопротивлениях заземления опор [3, 4].

Линейный разрядник конструктивно представ-

ляет собой рабочий резистор с нелинейной вольт-

амперной характеристикой, последовательно соеди-

ненный с внешним искровым промежутком между

электродом и фазным проводом (рисунок 2).

ЧИСЛО

ОТКЛЮЧЕНИЙ

ВОЗДУШНОЙ

ЛИНИИ

ВЫЗВАННОЕ

МОЛНИЕВЫМИ

ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯМИ

ОПЫТ

ПРИМЕНЕНИЯ

ЛР

-110

КВ

На двухцепных ВЛ 110 кВ с тросовой защитой наи-

более широкое применение нашла схема установки

ЛР-110 кВ на одной из цепей (рису-

нок 3).Такая схема расстановки раз-

рядников практически полностью

исключает двухцепные отключения

ВЛ 110 кВ и в 2–3 раза снижает

число одноцепных отключений, но

полностью их не исключает. Это связано с тем, что

при пробое внешнего искрового промежутка к опоре

подключается рабочий резистор разрядника, соеди-

ненный с фазным проводом, который характеризу-

ется волновым сопротивлением. Часть тока молнии

отводится через разрядник и фазный провод, то есть

к опоре подключается дополнительное активное со-

противление. Это снижает общее эквивалентное

сопротивление, которое образовано параллельным

соединением сопротивления заземления опоры и по-

ловины волнового сопротивления провода с учетом

активного сопротивления разрядника. То есть при-

менение линейных разрядников уменьшает число

одноцепных отключений, но не устраняет их полно-

стью. В свою очередь, перекрытие линейной изоля-

ции на незащищенной цепи приводит к уменьшению

токов, протекающих через ЛР-110 кВ.

Методика применения линейных разрядников

описана в СТО 56947007-29.130.10.197-2015 [5]. На

рисунке 4 показаны зависимости удельного числа

отключений в год на 100 км двухцепной ВЛ 110 кВ

на промежуточных опорах П110-4 в зависимости от

сопротивления заземления опор при 40 грозовых ча-

сах, рассчитанные по методике СТО [5].

Опыт применения линейных разрядников на ВЛ

110 кВ АО «Россети Тюмень» показан в таблице 1.

Первые линейные ОПН-110 кВ с искровым проме-

жутком были установлены в 2008 году на ВЛ 110 кВ

Губкинская — Новогодняя-1,2 и ВЛ 110 кВ Контур —

Ай-Пимская-1,2 (суммарной длиной — 119,8 км) [6].

На начало 2016 года было установлено 6726 защит-

ных аппаратов на ВЛ 110 кВ протяженностью 640 км.

На начало 2019 года количество ВЛ 110 кВ, оснащен-

ных ЛР 110 кВ в АО «Россети Тюмень» составило

29 линий. Количество установленных ЛР-110 кВ —

18 282 шт. Суммарная протяженность ВЛ 110 кВ с ЛР

составила 1820 км.

Разрядники ЛР-110 кВ производства АО «Поли-

мер-аппарат» поставлялись и эксплуатируются на

многих ВЛ 110 кВ АО «Россети Тюмень» (рисунок 5).

Испытания разрядников АО «Полимер-Аппарат»

Рис

. 2.

Схема

монтажа

РВЛ

-110

кВ

на

траверсу

опоры

Рис

. 3.

Схема

расстановки

ЛР

-110

кВ

на

двухцепной

ВЛ

110

кВ

: —

ЛР

от

–

сутствует

; —

ЛР

установлен

100

зу

, Ом

n’

Г ,

откл./100 км/год

Рис

. 4.

Зависимость

удельного

числа

грозовых

отключе

–

ний

на

100

км

год

двухцепной

ВЛ

110

кВ

на

промежуточ

–

ных

опорах

110-4: 1 —

суммарное

число

отключений

без

ЛР

-110

кВ

; 2 —

число

одноцепных

отключений

без

ЛР

-110

кВ

; 3 —

число

одноцепных

отключений

при

уста

–

новке

ЛР

-110

кВ

на

опору

№

4 (67) 2021

Page 4

120

в высоковольтной лаборатории

АО «СибНИИЭ», выведенных

из эксплуатации на ВЛ 110 кВ,

показали, что их защитные

и изоляционные характеристики

не изменились и соответству-

ют техническим требованиям

АО «Россети Тюмень», предъ-

являемым к линейным разряд-

никам 110 кВ [7].

Линейные разрядники уста-

навливались на трех фазах од-

ной цепи каждой опоры двух-

цепных ВЛ 110 кВ. Как показал

опыт эксплуатации, установка

разрядников на одной цепи

практически полностью исклю-

чает двухцепные отключения ВЛ

110 кВ. Двухцепные отключения

ВЛ 110 кВ могут происходить,

если установка разрядников не

охватывает всю длину линии.

Например, отключения проис-

ходили за счет незащищенных

отпаек ВЛ 110 кВ.

На основании опыта эксплу-

атации ВЛ 110 кВ с примене-

нием ЛР-110 кВ можно сделать

выводы об эффективности при-

менения линейных разрядников:

– число грозовых отключений защищенной ЛР цепи

ВЛ снижается в 5 раз и более;

– число двухцепных отключений ВЛ снижается

в 4 раза и более;

– число грозовых отключений на защищенной ЛР

цепи ВЛ снижается до двух раз.

Результаты проведенных работ в АО «Россети

Тюмень» позволяют сделать вывод, что в услови-

ях плохопроводящих грунтов и умеренной грозовой

активности традиционные способы повышения гро-

зозащиты ВЛ неэффективны. Для решения данной

проблемы требуются специальные средства грозо-

защиты — линейные разрядники.

Положительный опыт применения ЛР с внешним

искровым промежутком в АО «Россети Тюмень» поз-

воляет рекомендовать их для дальнейшего внед-

рения на ВЛ 110 кВ ПАО «Россети» в качестве эф-

фективного средства грозозащиты ВЛ в районах

с высоким удельным сопротивлением грунта.

ЧИСЛО

ПОВРЕЖДАЕМОСТИ

ЗАЩИТНЫХ

АППАРАТОВ

Для применяемых ЛР-110 кВ допустимая энергия

доп

при ограничении молниевых перенапряжений

равна 450 кДж. По методике, приведенной в [4], с ис-

пользованием распределений из СТО [5] было рас-

считано ожидаемое число повреждений ЛР-110 кВ

для различных ЗУ опор (рисунок 6).

Табл. 1. Опыт применения линейных защитных аппаратов на линиях элек-

тропередачи 110 кВ АО «Россети Тюмень»

Наименование ВЛ

Цепь ВЛ

Удельное число грозовых

отключений, 1/100 км/год

До уста-

новки ЛР

После уста-

новки ЛР

ВЛ 110 кВ Новогодняя —

Губкинская-1,2

1 цепь*

5,7

0,7

2 цепь

5,9

2,3

1 и 2 цепь

3,7

0,3

ВЛ 110 кВ Муравленковская —

Сугмутская-1,2

1 цепь

5,5

2,1

2 цепь*

3,7

1 и 2 цепь

1,4

ВЛ 110 Контур — Ай-Пимская-1,2

1 цепь*

5,2

1,1

2 цепь

5,6

3,1

1 и 2 цепь

3,8

0,3

ВЛ 110 кВ Холмогорская — Пуль-Яха
ВЛ 110 кВ Холмогорская — Крайняя
ВЛ 110 кВ Пуль-Яха — Крайняя

1 цепь*

4,1

0,4

2 цепь

3,5

1 и 2 цепь

1,7

0,4

ВЛ 110 кВ Северный —

Харампурская-1,2

1 цепь

3,2

1,7

2 цепь*

2,2

0,2

1 и 2 цепь

0,9

0,2

номер

цепи

защищаемой

разрядниками

Рис

. 5.

Промежуточная

опора

ВЛ

110

кВ

Варьеган

—

Бахиловская

-1,2

защитой

разрядниками

цепи

Рис

. 6.

Ожидаемое

число

повреждений

ЛР

-110

кВ

при

установке

ЛР

на

опору

зависимости

от

сопротив

–

ления

ЗУ

опоры

0,06

0,07

0,08

0,09

0,1

0,11

0,12

0,13

100

n’

повр

, 1/100км/год

зу , Ом

ВОЗДУШНЫЕ

ЛИНИИ

Page 5

121

100

1000

10000

2008

2009

2010

2011

2012

2013

2014

2015

2016

2017

2018

Количество ЛР-110 кВ

Год эксплуатации

Число установленных ЛР

Ожидаемое число повреждений ЛР

Рис

. 7.

Количество

установленных

разрядников

ожидаемое

ежегодное

количество

поврежденных

ЛР

-110

кВ

Используя известные статистические данные

о параметрах разряда молнии [8], были получены

интегральные распределения энергии в ЛР-110 кВ.

На рисунке 10 представлены расчетные и приведен-

ные из СТО [5] интегральные распределения энергии

в ЛР для сопротивлений заземления опор 50 Ом со-

ответственно.

При расчете без учета перекрытий линейной изо-

ляции незащищенной цепи распределение энергии

приблизительно совпадает с приведенными в [5] рас-

пределениями, так как функция, при помощи которой

аппроксимируются распределения из [5], справедли-

Рис

. 8.

Схема

расчетной

модели

ВЛ

110

кВ

Опора № 3

Пролет

Трос

Пролет

Опора № 3

Рис

. 9.

Осциллограммы

разрядного

тока

через

ЛР

для

расчетной

схемы

из

трех

опор

сопротивлением

ЗУ

100

Ом

(

один

импульс

тока

молнии

—

2/140

мкс

амплитуда

— 100

кА

)

разрядный

ток

через

ЛР

учетом

перекры

–

тия

изоляции

;

)

разрядный

ток

через

ЛР

без

учета

перекрытия

изоляции

Согласно данным, предостав-

ленным АО «Россети Тюмень»,

на начало 2019 года суммарно

было установлено 18 282 ЛР на

ВЛ 110 кВ общей длиной 1820 км.

Расчетное ожидаемое число по-

вреждений разрядников за 11 лет

эксплуатации для сопротивления

зу

опор 30 Ом представлено на

рисунке 7.

Суммарно за 11 лет эксплуа-

тации вследствие молниевых

перенапряжений должно было

повредиться около 43 ЛР. Однако

за этот период в АО «Россети Тю-

мень» не было зарегистрировано

ни одного случая повреждения

аппаратов, вызванных молниевы-

ми перенапряжениями.

РАСЧЕТ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ

ВОЗДЕЙСТВИЙ

НА

ЛР

-110

кВ

Расчеты энергии проводились при

помощи программного комплекса

EMTP, в котором была составлена

схема замещения участка двух-

цепной ВЛ с тросом (рисунок 8).

При проведении расчетов

энергии, выделяемой в ЛР-110 кВ,

было отмечено заметное влияние

перекрытий изоляционных подве-

сок незащищенной цепи, поэтому

далее для сравнения будут приве-

дены результаты для двух расчет-

ных случаев:

– с учетом перекрытия изоляции

незащищенной цепи ВЛ;

– без учета перекрытия изоляции

незащищенной цепи ВЛ.

Величина разрядного тока че-

рез ЛР (рисунок 9), а следова-

тельно, и количество выделяемой

в нем энергии заметно уменьша-

ются в случае расчета с учетом

перекрытий изоляции незащищен-

ной цепи.

Энергия, рассеиваемая в раз-

ряднике при молниевых перена-

пряжениях, зависит от ряда слу-

чайных величин (параметры импульса тока молнии,

места удара молнии в пролете, сопротивления зазем-

ления опор). При определении поглощаемой разряд-

ником энергии необходимо учитывать возможность

появления повторных разрядов молнии, которые так-

же будут способствовать нагреву защитного аппара-

та. Характеристики последующих разрядов молнии

будут отличны от первичного, расчетная модель пере-

носа заряда для определения полной энергии при-

нималась согласно [4]: первый удар — импульс тока

2/140 мкс с зарядом

; последующие удары — 2 им-

пульса тока 2/140 мкс с зарядом

= 0,25

А, В, С – верхняя, средняя и нижняя фазы, соответственно

а)

б)

№

4 (67) 2021

Page 6

122

ва в диапазоне энергий от 200 до 2000 кДж. Стоит

отметить, что величина энергии более 200 кДж была

получена при заряде молнии от 30 Кл. Если учиты-

вать перекрытия изоляционных подвесок, то энергия,

выделяемая в ЛР, получаются меньше 100 кДж даже

при заряде молнии 40 Кл (амплитуда тока 200 кА для

импульса 2/140 мкс), следовательно, сравнивать эти

результаты с [5] некорректно.

ВЫВОДЫ

1. Опыт применения ЛР 110 кВ на двухцепных ВЛ

110 кВ в районах с высоким удельным сопротив-

лением грунтов в АО «Россети Тюмень» можно

считать положительным. Эффективность приме-

нения линейных разрядников:

– число грозовых отключений защищенной ЛР

цепи ВЛ снижается в 5 раз и более;

– число двухцепных отключений ВЛ снижается

в 4 раза и более;

– число грозовых отключений на защищенной

ЛР цепи ВЛ снижается до двух раз.

2. Полученные на основе расчетов интегральные

распределения энергии в ЛР-110 кВ и расчетов

ВОЗДУШНЫЕ

ЛИНИИ

0,001

0,01

0,1

100

150

200

250

300

, кДж

Без учета перек. изол.

С учетом перек. изол.

Распределение по СТО

(

)

Рис

. 10.

Интегральные

распределения

энергий

ЛР

-110

кВ

установленных

на

двухцепных

одностоеч

–

ных

опорах

ВЛ

110

кВ

при

зу

= 50

Ом

по СТО [5] показали, что ожидаемое число по-

вреждений разрядников определено в СТО без

учета влияния перекрытий линейной изоляции

незащищенной цепи. В случае расчета с пере-

крытиями линейной изоляции величина энергии,

выделяемой в ЛР, имеет значительно меньшие

значения.

ЛИТЕРАТУРА
1. Протокол испытаний № 02/1-01-

08. Линейный разрядник типа РВЛ

110/75-10/550 УХЛ1. Приемочные

испытания на соответствие тре-

бованиям рабочего проекта по

договору № 3221 и ТУ 3414-015-

15207362-2006. г. Новосибирск, ул.

Кленовая, 10/1. январь 2008 г.

2. РД 153-34.3-35.125-99. Руковод-

ство по защите электрических се-

тей 6–1150 кВ от грозовых и вну-

тренних перенапряжений / Под

науч. ред. Н.Н. Тиходеева. 2-е из-

дание. Санкт-Петербург: ПЭИПК

Минтопэнерго РФ, 1999.

3. Гайворонский А.С. Линейные раз-

рядники — радикальное средство

грозозащиты ВЛ // Новости элек-

тротехники, 2006, № 2(38).

4. Гайворонский А.С., Заболотни-

ков А.П. Технологии грозозащиты

ВЛ высших классов напряжения

на основе применения линейных

ОПН и разрядников с внешним ис-

кровым промежутком // Известия

Российской академии наук. Энер-

гетика, 2015, № 3. С. 103–117.

5. СТО

56947007-29.130.10.197-

2015. Методические указания по

применению ОПН на ВЛ 6–750 кВ.

Стандарт организации ОАО «ФСК

ЕЭС». Утв. 19.01.2015. М.: ОАО

«ФСК ЕЭС». 138 с.

6. Данилов Г.А., Зубков А.С., Боро-

вицкий В.Г., Лошаков Ю.Е. Подвес-

ные ОПН как средство повышения

надежности работы воздушных

линий электропередачи (опыт при-

менения) // Энерго-Инфо, 2008,

№ 11(23).

7. Протокол испытаний № 02-03-

2017. Разрядники вентильные ли-

нейные типа РВЛ-110/75-10/680

УХЛ1-А (П). Инспекционные ис-

пытания после эксплуатации на

соответствие техническим тре-

бованиям АО Энергетики и элек-

трификации

«Тюменьэнерго».

ИЦ высоковольтного электро-

оборудования Филиала АО «НТЦ

ФСК ЕЭС» — СибНИИЭ, г. Ново-

сибирск, ул. Кленовая, 10/1. март

2017 г.

8. Anderson R.B., Eriksson A.J. Light-

ning parameters for engineering

application. Electra, 1980, no. 69,

pp. 65-102.

В издательстве Инфра-Инженерия вышла в свет новая книга

к.т.н. В. И. Гуревича объемом свыше 500 страниц под интригующим названием

Электромагнитный

импульс

высотного

ядерного

взрыва

защита

электрооборудования

от

него

Заказать книгу можно на сайте издательства www.infra-e.ru или по электронной почте [email protected] и телефону 8 (8172) 75-15-54

В этой необычной книге рассказывается об исто-

рии развития военных ядерных программ в СССР

и США, роли разведки в создании ядерного оружия

в СССР, обнаружении электромагнитного импульса

при ядерном взрыве (ЭМИ ЯВ), многочисленных ис-

пытаниях ядерных боеприпасов.

В доступной для неспециалистов в области

ядерной физики форме описан процесс образова-

ния ЭМИ ЯВ при подрыве ядерного боеприпаса на

большой высоте, показано влияние многочисленных

факторов на интенсивность ЭМИ ЯВ и его параме-

тры. Рас смот ре но влияние ЭМИ ЯВ на электронные

компоненты и устройства, а также и на силовое

электрооборудование энергосистем.

Большую часть книги занимает описание прак-

тических (а не теоретических, как в сотнях отчетов

на эту тему) средств и методов защиты электрон-

ного и электротехнического оборудования от ЭМИ

ЯВ, испытания этого оборудования на устойчи-

вость к ЭМИ ЯВ, оценки эффективности средств

защиты.

В книге использованы многочисленные документы

и фотографии с грифами секретности, которые были

рассекречены и стали общедоступными лишь недав-

но. По широте охвата проб лемы, новизне, глубине

и практической значимости описанных технических

решений книга является фактически энциклопедией

ЭМИ ЯВ и не имеет аналогов на книжном рынке.

Книга рассчитана на инженеров-электриков

и энергетиков разрабатывающих, проектирующих

и эксплуатирующих электронное и электротехниче-

ское оборудование, а также будет полезна препода-

вателям вузов и студентам. Много интересного най-

дут в ней также и любители истории техники.

Оригинал статьи: Опыт применения линейных ОПН — разрядников для защиты линейной изоляции ВЛ 110 кВ. Исследование энергетических характеристик разрядников

Читать онлайн

На сегодняшний день остается актуальной проблема низкой грозоупорности ЛЭП 110 кВ и выше, связанная с высоким сопротивлением грунтов. Эта проблема, например, остро стоит перед энергетическими предприятиями Западной Сибири. Большую долю от общего энергопотребления в этом регионе занимают крупнейшие нефтегазодобывающие предприятия. Любые отключения питающих ЛЭП для этих потребителей даже с успешным автоматическим повторным включением приводят к сбросам нагрузки из-за нарушений в технологических процессах.