Практический анализ перенапряжений вследствие прямого разряда молнии на подстанции 400 кВ

Page 1
background image

Page 2
background image

МИРОВОЙ 

ОПЫТ

132

п

е

р

е

н

а

п

р

я

ж

е

н

и

я

перенапряжения

Т

акие

 

перенапряжения

 

могут

 

вызвать

 

возник

-

новение

 

электрической

 

дуги

 

и

 

нанести

 

вред

 

оборудованию

 

подстанций

Сле

-

довательно

подход

 

к

 

выбору

 

электрической

 

прочности

 

обо

-

рудования

 

во

 

избежание

 

по

-

вреждения

 

его

 

изоляции

 

должен

 

быть

 

предельно

 

тщательным

В

 

целях

 

предотвращения

 

про

-

боя

 

изоляции

 

оборудования

 

рекомендуется

 

использовать

 

та

-

кие

 

защитные

 

устройства

как

 

разрядники

Следовательно

для

 

контроля

 

грозовых

 

перенапря

-

жений

 

очень

 

важно

 

определить

 

местоположение

количество

 

и

 

размер

 

разрядников

 

на

 

подстан

-

ции

Для

 

исследования

 

явления

 

грозовых

 

перенапряжений

 

ис

-

пользовалось

 

программное

 

обе

-

спечение

 PSCAD™. 

В

 

качестве

 

примера

 

воздействия

 

грозовых

 

перенапряжений

 

и

 

выбора

 

но

-

минальных

 

характеристик

 

раз

-

рядников

 

была

 

использована

 

типичная

 

подстанция

 400 

кВ

Результаты

 

моделирования

 

под

-

твердили

что

 

предложенное

 

местоположение

 

и

 

количество

 

разрядников

   

соответствуют

 

тре

-

бованиям

 

уровня

 

изоляции

 

обо

-

рудования

АНАЛИЗ

 

ГРОЗОВЫХ

 

ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

Грозовое

 

перенапряжение

 

вследствие

 

разряда

 

молнии

 

ге

-

нерирует

 

волны

которые

 

могут

 

проникнуть

 

в

 

подстанцию

 

при

 

прямом

 

ударе

 

молнии

 

или

 

по

 

входящим

 

линиям

 

передачи

 

в

 

качестве

 

блуждающих

 

волн

Не

-

сколько

 

первых

 

опор

 

от

 

подстан

-

ции

 

снабжены

 

соответствующими

 

устройствами

 

защиты

 

от

 

прямых

 

ударов

 

молнии

поэтому

 

в

 

под

-

станцию

 

могут

 

проникнуть

 

только

 

блуждающие

 

волны

В

 

этом

 

иссле

-

довании

 

грозовой

 

разряд

 

был

 

на

-

правлен

 

на

 

опору

отстоящую

 

от

 

подстанции

 

на

 300 

м

Основной

 

уровень

 

прочности

 

изоляции

 

си

-

стемы

 

составляет

 1425 

кВ

пик

для

 

системы

 400 

кВ

Любое

 

грозовое

 

перенапряжение

 

системы

  (

будь

 

то

 

прямой

 

удар

 

молнии

 

в

 

фазу

 

или

 

перекрытие

 

обратным

 

напряже

-

нием

 

после

 

удара

 

в

 

грозотрос

), 

которое

 

вызывает

 

перенапряже

-

ние

 

больше

 

этой

 

величины

при

-

водит

 

к

 

возникновению

 

дугового

 

перекрытия

значительно

 

снижая

 

уровень

 

перенапряжения

 

в

 

са

-

мой

 

точке

 

вспышки

Значение

 

тока

 

прямого

 

удара

 

молнии

 

рас

-

считывается

 

при

 

помощи

 

модели

 

Браун

-

Уайтхеда

 

с

 

учётом

 

геоме

-

трии

 

опоры

 

и

 

максимального

 

раз

-

ряда

проходящего

 

через

 

грозо

-

вую

 

защиту

Расчётное

 

значение

 

прямого

 

удара

 

молнии

 

составило

 

16 

кА

Однако

 

с

 

учётом

 

наихуд

-

шего

 

сценария

 

развития

 

событий

 

при

 

моделировании

 

значение

 

тока

 

прямого

 

удара

 

молнии

 

при

-

нималось

 

равным

 20 

кА

 (8/20

μс

). 

МОДЕЛЬ

 

СИСТЕМЫ

При

 

моделировании

 

компо

-

новка

 

системы

 

была

 

следующей

ток

 

молнии

 

подаётся

 

на

 

опору

отстоящую

 

от

 

подстанции

 

на

 

рас

-

стоянии

 300 

м

и

перемещаясь

 

по

 

распредустройствам

достига

-

ет

 

блока

 

генератор

трансформа

-

тор

Всё

 

подстанционное

 

оборудо

-

вание

 

представлено

 

в

 

значениях

 

конструктивных

 

ёмкостей

Для

 

ли

-

ний

 

передачи

алюминиевых

 

шин

 

и

 

фазных

 

проводов

 

применялась

 

частотно

-

зависимая

 

модель

 

фаз

Как

 

известно

удар

 

молнии

 

мо

-

жет

 

попасть

 

за

 

один

 

раз

 

только

 

в

 

одну

 

из

 

трёх

 

фаз

Следовательно

ток

 

грозового

 

разряда

 

подавал

-

ся

 

только

 

на

 

одну

 

фазу

  (

фаза

 Y). 

Рассматриваемая

 

схема

 

модели

-

рования

 

подстанции

 

для

 

исследо

-

вания

 

грозовых

 

перенапряжений

 

без

 

разрядников

 

представлена

 

на

 

рис

. 1. 

Практический анализ 

перенапряжений вследствие 

прямого разряда молнии на 

подстанции 400 кВ 

Одной из самых серьёзных причин возникновения перенапряжений в энерго-
системах является молния. Ежегодно во всем мире наблюдается несколько мил-
лионов молний. 

А. Аннамалай (A. Annamalai), Аруна Гулати (Aruna Gulati),

 Рамеш Коул (Ramesh Koul), компания Bharat Heavy Electricals Limited,

 Нью Дели, Индия


Page 3
background image

133

 3 (24), 

май

июнь

, 2014

КРИТЕРИИ

 

АНАЛИЗА

Импульсное

 

выдерживаемое

 

напряжение

 

оборудования

 

под

-

станции

  (

включая

 

трансформато

-

ры

при

 

ударах

 

молнии

 

составляет

 

1425 

кВ

пик

Уровень

 

защиты

 

раз

-

рядника

 

берётся

 975 

кВ

пик

при

 

20 

кА

Следовательно

запас

 

проч

-

ности

 

защиты

 

при

 

токе

 20 

кА

 

со

-

ставляет

 (1425 — 975)/975 = 

46,15%. 

Однако

 

этот

 

запас

 

действи

-

телен

 

только

 

на

 

выводах

 

разрядни

-

ка

Перенапряжение

 

на

 

выводах

 

оборудования

 

повышается

 

по

 

мере

 

удаления

 

оборудования

 

от

 

разряд

-

ника

Что

 

касается

 

трансформато

-

ров

то

 

разрядники

 

устанавливают

-

ся

 

в

 

непосредственной

 

близости

 

к

 

ним

обеспечивая

 

хорошую

 

защиту

Что

 

касается

 

распределительного

 

оборудования

которое

 

может

 

быть

 

расположено

 

на

 

значительном

 

уда

-

лении

 

от

 

разрядника

уровень

 

за

-

щиты

 

может

 

повышаться

при

 

этом

 

понижая

 

запас

 

прочности

Мини

-

мальный

 

запас

 

прочности

 

в

 5% 

для

 

наружной

 

изоляции

 

обусловлен

 

стандартом

 

МЭК

 71-2. 

Для

 

выводов

 

распредустройств

расположенных

 

на

 

высоте

 

над

 

уровнем

 

моря

 630 

м

применяется

 

поправочный

 

коэф

-

фициент

 

на

 

атмосферные

 

условия

равный

 1,080, 

а

 

для

 

выводов

 

бло

-

ка

 

генератор

трансформатор

 — 

поправочный

 

коэффициент

 

на

 

ат

-

мосферные

 

условия

 

на

 

высоте

 

над

 

уровнем

 

моря

 570 

м

равен

 1,072. 

В

 

нашем

 

случае

 

при

 

высоте

 

над

 

уровнем

 

моря

 630 

м

 

требуемый

 

за

-

пас

 

прочности

 

защиты

 

составляет

 

(1 + 0,5)

х

1,080 = 1,134. 

Для

 

вну

-

тренней

 

изоляции

 

минимальный

 

за

-

пас

 

прочности

 

обусловлен

 15%, 

и

 

в

 

этом

 

случае

 

поправочный

 

коэффи

-

циент

 

не

 

применяется

Таким

 

обра

-

зом

для

 

трансформатора

 

требуется

 

минимальный

 

запас

 

прочности

рав

-

ный

 (1 + 0,15) = 1,15. 

В

 

этом

 

случае

 

при

 

возникновении

 

грозовых

 

пере

-

напряжений

 

величина

 

напряжения

измеренного

 

в

 

различных

 

точках

 

подстанции

должна

 

быть

 

ниже

 

1425/1,134 = 1255 

кВ

пик

а

 

на

 

вы

-

водах

 

трансформатора

 

она

 

должна

 

быть

 

ниже

 1425/1,15 = 1240 

кВ

пик

Анализ

 

должен

 

гарантировать

что

 

уровень

 

перенапряжения

 

на

 

вы

-

водах

 

оборудования

 

меньше

 

этого

 

значения

 

для

 

всех

 

случаев

 

грозово

-

го

 

перенапряжения

АНАЛИЗ

 

КОНКРЕТНЫХ

 

ПРИМЕРОВ

Величина

 

перенапряжения

 

в

 

любой

 

точке

 

является

 

сочетанием

 

случайного

 

скачка

 

напряжения

 

и

 

волн

отражённых

 

от

 

различных

 

то

-

чек

 

системы

Для

 

проверки

 

эффекта

 

отражённых

 

волн

 

в

 

различных

 

точ

-

ках

 

были

 

рассмотрены

 

различные

 

варианты

 

разрядников

 

для

 

защиты

 

от

 

грозовых

 

перенапряжений

Во

 

время

 

исследований

 

грозо

-

вых

 

перенапряжений

 

были

 

проана

-

лизированы

 

следующие

 

ситуации

:

• 

подстанции

 

без

 

разрядников

 

на

 

выводах

 

блока

 

генератор

трансформатор

 

и

 

выводах

 

со

 

стороны

 

линии

;

• 

подстанции

 

с

 

установленными

 

разрядками

 

на

 

выводах

 

блока

 

генератор

трансформатор

 

и

 

выводах

 

со

 

стороны

 

линии

.

Впоследствии

 

для

 

анализа

 

воз

-

действия

 

перенапряжений

 

исследо

-

вания

 

были

 

сосредоточены

 

на

 

трёх

 

выводах

блока

 

генератор

транс

-

форматор

главной

 

шины

со

 

сторо

-

ны

 

отходящей

 

линии

.

Рассматриваемые

 

примеры

 

представлены

 

в

 

таблице

Пример

 1. 

Предположим

что

 

удар

 

молнии

 

произошёл

 

на

 

расстоя

-

ACSR 

сталеалюминиевый

 

провод

GT 

блок

 

генератор

трансформатор

BCVT 

ёмкостный

 

ТН

DIS 

короткозамыкатель

CB 

автоматический

 

выключатель

CT 

трансформатор

 

тока

Al Tube 

алюминиевая

 

труба

LCVT 

ёмкостный

 

ТН

LA 

грозоразрядник

Transmission line 

линия

 

передачи

Approx Surge Impedance 

прибл

волновое

 

сопротивление

INCOMER 

входящая

 

линия

BB 

шины

V@BB 

напряжение

 

на

 

шинах

V@LA 

напряжение

 

грозоразрядника

V@GT 

напряжение

 

блока

 

генератор

трансформатор

Рис

. 1. 

Модель

 

подстанции

 

для

 

исследования

 

грозовых

 

перенапряжений

Описание

На

 

стороне

 

генератор

трансформатор

На

 

стороне

 

отходящей

 

линии

кВ

кДж

кА

кВ

кДж

кА

Пример

 1

5824,6

5711,64

Пример

 2

683,31

316,71

6,868

618,66

356,32

18,79

Табл

Измеренные

 

значения

 

в

 

различных

 

примерах

Условные

 

обозначения

:


Page 4
background image

МИРОВОЙ 
ОПЫТ

134

нии

 300 

м

 

от

 

подстанции

 

и

 

грозовое

 

перенапряжение

 

перемещается

 

в

 

сто

-

рону

 

подстанции

В

 

этом

 

примере

 

какие

-

либо

 

разрядники

 

на

 

подстанции

 

и

 

выводах

 

блока

 

генератор

трансформатор

 

отсутствуют

Модель

 

системы

 

для

 

примера

 1 

представлена

 

на

 

рис

. 1. 

Полученные

 

результаты

 

свидетельствуют

 

о

 

том

что

 

пик

 

перенапряжения

 

на

 

выводах

 

блока

 

составил

 5824,6 

кВ

а

 

на

 

выводах

 

со

 

стороны

 

линии

 — 5711,64 

кВ

На

 

рис

. 2 

показаны

 

значения

 

на

-

пряжения

 

в

 

различных

 

местах

 

подстанции

Пример

 2.

 

Предположим

что

 

удар

 

молнии

 

произошёл

 

на

 

расстоя

-

нии

 300 

м

 

от

 

подстанции

 

и

 

перена

-

пряжение

 

перемещается

 

в

 

сторону

 

подстанции

В

 

этом

 

примере

 

на

 

под

-

станции

 

установлены

 

разрядники

 

на

 

выводах

 

отходящей

 

линии

 

пере

-

дачи

 

и

 

на

 

выводах

 

трансформатора

Модель

 

системы

 

для

 

примера

 2 

по

-

казана

 

на

 

рис

. 4. 

В

 

результате

 

измерений

 

на

 

выво

-

дах

 

блока

 

генератор

трансформа

-

тор

 

зафиксировано

 

максимальное

 

перенапряжение

 683,31 

кВ

По

-

скольку

 

номинальное

 

импульсное

 

выдерживаемое

 

напряжение

 

под

-

станции

 

при

 

ударах

 

молнии

 

состав

-

ляет

 1425 

кВ

пик

.

самый

 

нижний

 

пре

-

дел

 

грозового

 

перенапряжения

 

при

 

запасе

 

прочности

 20% 

составляет

 

1140 

кВ

что

 

меньше

 

нашего

 

из

-

меренного

 

значения

Отмечено

что

 

разрядники

 

обеспечивают

 

достаточ

-

ный

 

запас

 

прочности

 

для

 

различ

-

ных

 

типов

 

оборудования

На

 

рис

. 3 

показано

 

напряжение

 

в

 

различных

 

точках

 

подстанции

а

 

на

 

рис

. 5 — 

ток

 

разряда

 

и

 

рассеяние

 

мощности

 

че

-

рез

 

разрядники

подключённые

 

к

 

системе

По

 

результатам

 

рис

. 2 

и

 3 

можно

 

сделать

 

вывод

что

 

грозоразрядники

 

на

 

выводах

 

блока

 

генератор

транс

-

форматор

 

и

 

выводах

 

отходящей

 

ли

-

нии

 

контролируют

 

перенапряжения

 

со

 

стороны

 

линии

В

 

первом

 

при

-

мере

 

напряжение

измеренное

 

на

 

выводах

 

распредустройств

 

и

 

блока

 

генератор

трансформатор

вы

-

ходит

 

за

 

установленные

 

пределы

 

(1140 

кВ

). 

Если

 

соединить

 

грозо

-

разрядники

 

на

 

выводах

 

распреду

-

стройств

 

со

 

стороны

 

линии

 

с

 

гро

-

зоразрядниками

 

на

 

выводах

 

блока

 

генератор

трансформатор

то

 

вели

-

чина

 

напряжения

измеренного

 

в

 

этой

 

точке

снижается

 

до

 618,66 

кВ

 

и

 683,31 

кВ

 

соответственно

что

 

не

 

выходит

 

за

 

установленные

 

пределы

В

 

таблице

 

представлены

 

значения

 

разрядного

 

тока

 

и

 

мощности

 

рассе

-

яния

  

через

 

грозоразрядники

ВЫВОДЫ

 

В

 

работе

 

представлено

 

подроб

-

ное

 

моделирование

 

подстанций

 

для

 

анализа

 

грозовых

 

перенапряжений

При

 

помощи

 

программного

 

ком

-

плекса

 PSCAD/EMTDC 

показаны

 

результаты

 

моделирования

 

грозо

-

вых

 

перенапряжений

поступающих

 

на

 

подстанцию

На

 

двух

 

примерах

 

Рис

. 2. 

Значения

 

напряжения

 

в

 

различных

 

местах

 

подстанции

 

(

пример

 1)

Пример

 2. 

Котешвар

: a

нализ

 

грозовых

 

перенапряжений

 (

с

 

грозоразрядника

-

ми

 

на

 

выводах

 

блока

 

генератор

трансформатор

 

и

 

выводах

 

отходящей

 

линии

)

Рис

. 3. 

Значения

 

напряжения

 

в

 

различных

 

местах

 

подстанции

 

(

пример

 2)

Пример

 1. 

Котешвар

анализ

 

грозовых

 

перенапряжений

 (

без

 

грозоразрядни

-

ков

 

на

 

выводах

 

блока

 

генератор

трансформатор

 

и

 

выводах

 

отходящей

 

линии

). 

700

600

500

400

300

200

100

0

-100

-200

кА

пик

20,0

17,5

15,0

12,5

10,0

7,5

5,0

2,5

0,0

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

метры

кВ

пик

6,0

к

5,0

к

4,0

к

3,0

к

2,0

к

1,0

к

0,0

-1,0

к

кВ

пик

6,0

к

5,0

к

4,0

к

3,0

к

2,0

к

1,0

к

0,0

-1,0

к

кВ

пик

6,0

к

5,0

к

4,0

к

3,0

к

2,0

к

1,0

к

0,0

-1,0

к

0,000

0,005

0,010

0,015

0,020

0,025

0,030

метры

кА

пик

20,0

17,5

15,0

12,5

10,0

7,5

5,0

2,5

0,0

кВ

пик

900

-200

кВ

пик

700

-400

кВ

пик


Page 5
background image

135

 3 (24), 

май

июнь

, 2014

были

 

проведены

 

исследования

 

для

 

определения

 

номинальных

 

харак

-

теристик

 

и

 

местоположения

 

грозо

-

разрядников

На

 

основании

 

этих

 

исследований

 

было

 

отмечено

что

 

для

 

ограничения

 

перенапряжений

 

до

 

безопасных

 

пределов

 

необхо

-

димо

 

установить

 

грозоразрядники

 

390 

кВ

 

на

 

выводах

 

блока

 

генера

-

тор

трансформатор

 

и

 

выводах

 

со

 

стороны

 

отходящей

 

линии

Номи

-

нальная

 

мощность

 

грозоразрядни

-

ков

 390 

кВ

 

должна

 

быть

 

больше

чем

 356,32/390 = 0,913 

кДж

/

кВ

а

 

наиболее

 

подходящим

 

являет

-

ся

 

выбранный

 

номинал

 8 

кДж

/

кВ

В

 

качестве

 

номинального

 

разрядно

-

го

 

тока

 

грозоразрядника

 

было

 

вы

-

брано

 

значение

 20 

кА

.

Для

 

получения

 

достаточной

 

сте

-

пени

 

защиты

 

трансформатора

 

и

 

другого

 

оборудования

 

подстанции

 

грозоразрядники

 

должны

 

устанав

-

ливаться

 

в

 

следующих

 

точках

 

под

-

станции

:

• 

вблизи

 

любого

 

трансформатора

;

• 

на

 

всех

 

вводах

 

входящих

 

и

 

отхо

-

дящих

 

линий

 

подстанции

.  

Михаил

 

Шамис

генеральный

 

директор

 

ЗАО

 «

ЭнЛАБ

», 

к

.

т

.

н

Оценка

 

уровня

 

перенапряжений

возникающих

 

на

 

ПС

 

при

 

ударе

 

молнии

определение

 

тех

-

нических

 

решений

обеспечивающих

 

защиту

 

оборудования

 

от

 

указанных

 

перенапряжений

всегда

 

представляли

 

собой

 

весьма

 

сложные

 

и

 

трудоёмкие

 

задачи

Данная

 

статья

 

индийских

 

специалистов

 

из

 

компании

 “Bharat Heavy Electricals Limited” 

убедительно

 

показывает

 

вы

-

сокую

 

эффективность

 

применения

 

для

 

решения

 

указанных

 

задач

 

программного

 

комплек

-

са

 PSCAD™, 

разработанного

 

в

 

компании

 “Manitoba HVDC Research Centre”. 

Позволяя

 

учесть

 

геометрию

 

опор

 

и

 

тросового

 

молниеотвода

распределённость

 

параметров

 

ВЛ

наличие

 

паразитных

 

ёмкостей

 

у

 

подстанционного

 

оборудования

комплекс

 PSCAD 

формирует

 

полноценное

 

отображение

 

переходных

 

процессов

 

при

 

ударе

 

молнии

Отмеченное

 

существенно

 

повышает

 

обоснованность

 

выбора

 

ОПН

 

и

 

других

 

видов

 

грозозащитного

 

оборудования

.

Рис

. 5. 

Ток

 

разряда

 

и

 

рассеяние

 

мощности

 

через

 

грозовые

 

разрядники

  

(

пример

 2)

Пример

 2. 

Котешвар

: a

нализ

 

грозовых

 

перенапряжений

 (

с

 

грозоразрядниками

 

на

 

выводах

 

блока

 

генератор

трансформатор

 

и

 

выводах

 

отходящей

 

линии

)

Рис

. 4. 

Модель

 

системы

 

для

 

примера

 2

Условные

 

обозначения

 

см

на

 

рис

. 1.

кДж

0,00

0,03

0,05

0,08

0,10

0,13

0,15

0,18

0,20

0,23

метры

350
300
250
200
150
100

50

0

кА

пик

7,0

6,0

5,0

4,0

3,0

2,0

1,0

0,0

-1,0

кДж

400

350

300

250

200

150

100

50

0

кА

пик

20,0

17,5

15,0

12,5

10,0

7,5

5,0

2,5

0,0

-2,5

КОММЕНТАРИЙ

:


Читать онлайн

Одной из самых серьёзных причин возникновения перенапряжений в энергосистемах является молния. Ежегодно во всем мире наблюдается несколько миллионов молний.

Поделиться:

«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение»