38
Сборник докладов XIX заседания Ассоциации электроснабжения городов России «ПРОГРЕССЭЛЕКТРО»
ГУМЕРОВА Н.И.,
к.т.н., доцент, СПбГПУ,
ЕФИМОВ Б.В.,
д.т.н., профессор, Кольский научный центр РАН,
КУЗНЕЦОВ Д.В.,
к.т.н., ЗАО «Роспроект»,
ХАЛИЛОВ Ф.Х.,
д.т.н., профессор, СПБГПУ
ЗАЩИТА ОТ ГРОЗОВЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ
В ГОРОДСКИХ СЕТЯХ
Г
ородские сети содержат классы напряже-
ния от 6 до 500 кВ, причём в подавляющем
большинстве случаев сети 6—35 кВ —
кабельного исполнения, а сети 110—500 кВ —
воздушного. Однако в ряде случаев такие
объекты, как «Водоканал» и «Очистительные
станции», питаются по воздушным линиям, а в
мегаполисах, например в Санкт-Петербурге, ВЛ
110—330 кВ постепенно переводятся в кабель-
ное исполнение.
В названных сетях, несмотря на усовершен-
ствование грозозащиты объектов энергетики,
ещё остаётся актуальность грозозащиты линий,
подстанций и высоковольтных электрических
машин.
Грозозащита подстанций
Грозозащита подстанций (ПС) определяется
показателем надёжности при прямых ударах
молнии (ПУМ) на ПС и от волн, набегающих с
воздушных линий (ВЛ) электропередачи [1].
Анализ опыта эксплуатации ВЛ 35—750 кВ
показывает, что показатель надёжности при ПУМ
на ПС может быть оценен как очень высокий.
В нашем распоряжении имеются достоверные
данные по классам напряжения от 35 до 220 кВ.
В табл. 1 приведены характеристики грозозащи-
ты ПС двадцати восьми энергосистем бывшего
СССР, находящихся на Северо-Западе, Юге,
Урале, в Центре, Поволжье, Западной Сибири и
Закавказье.
Показатели надёжности грозозащиты ПС от
волн, набегающих с ВЛ, значительно ниже. Далее
все ПС подразделены на 2 группы: группа I — ПС
с нормальной изоляцией электрооборудования
(ЭО); группа II — ПС с ослабленной (в ряде случа-
ев — с дефектами) изоляцией ЭО. Эксплуатацион-
ные показатели надёжности приведены в табл. 2.
Данные этой таблицы охватывают 54 энергоси-
стемы бывшего СССР и 24 энергосистемы РФ.
В табл. 2 Т
Э
означает математическое ожидание
периода между двумя повреждениями отдельно
взятой единицы оборудования ПС. Значения Т
Э
составляют сотни лет для отдельно взятой едини-
цы оборудования и не являются наглядными
для реальной оценки состояния грозоупорности
Табл. 1. Число повреждений оборудования подстанций и математическое ожидание числа лет
безаварийной работы единицы оборудования при прямых ударах молнии (Т
Э
)
Класс напряжения,
кВ
Объём информации,
ПСхлет
Число повреждений ЭО
при ПУМ, шт.
Т
э
, лет
35
27000
2
13500
110
23500
2
11750
150
1500
—
—
220
7500
1
7500
39
6–8 февраля 2013 г. Ханты-Мансийск
большого количества подстанций. Для всей сово-
купности оборудования можно привести данные
из табл. 3.
Табл. 2. Математическое ожидание числа лет
безаварийной работы единицы оборудования
подстанций из-за грозовых перенапряжений,
возникающих при ударах молнии в линии
электропередачи на подходах к подстанциям
Класс на-
пряжения,
кВ
Объём ин-
формации,
ПСхлет
Т
э
, лет
I группа II группа
35
74000
480
310
110
76500
700
400
150
2500
750
450
220
16000
1005
600
В последние годы, несомненно, показатель
надёжности грозозащиты подстанций высоко-
го напряжения несколько снизился, что объяс-
няется:
• снижением электрической прочности изоляции
электрооборудования;
•
ухудшением характеристик средств
защиты от грозовых перенапряжений;
•
ростом импульсного сопротивления
заземляющих устройств (ЗУ) подстан-
ций и опор линий на подходах к подстан-
циям;
• ухудшением электромагнитной обста-
новки и совместимости на подстанциях
в связи с внедрением новой элементной
базы в релейную защиту и системной
автоматики [2].
Более подробно остановимся на этих
вопросах.
В большинстве сетей среднего, высокого
и сверхвысокого напряжения при норматив-
ном сроке службы, равном 25—30 годам,
фактический срок службы электрооборудования
ПС в настоящее время превосходит 50—60 лет.
За это время электрическая прочность их изоля-
ции на частоте 50 Гц снизилась как минимум на
10—15%. По-видимому, настолько же снизилась
импульсная электрическая прочность изоляции
электрооборудования 35 кВ и выше. Расчёты для
ряда типовых подстанций 35—500 кВ показали,
что при этом расчётный показатель надёжности
ПС снижается в 2—3 раза.
При нормированной величине сопротивления
растеканию R~ (табл. 4) измеренные R~ на ПС,
сооружённых 40—60 лет тому назад, показывают
рост этих сопротивлений на 20—30%. Это связа-
но с разрушением электродов ЗУ из-за коррозии.
В первом приближении настолько же будут расти
импульсные сопротивления объектов. При этом
из-за небольших по величине импульсных токов
через защитные аппараты (табл. 5) искрообра-
зованием около электродов ЗУ и снижением их
коэффициента импульса в первом приближении
можно пренебречь. Рост сопротивления зазем-
ления ЗУ несколько ухудшает грозозащиту
Табл. 3. Число повреждений оборудования ПС по данным опыта эксплуатации
Класс
напряжения, кВ
Объём информации,
ПСхлет
Число повреждений
Общее число
повреждений
I группа
II группа
35
74000
57
37
94
110
76500
44
25
69
150
2500
1
1
2
220
16000
6
4
10
Общее число грозовых повреждений оборудования ПС 35—220 кВ
185
40
Сборник докладов XIX заседания Ассоциации электроснабжения городов России «ПРОГРЕССЭЛЕКТРО»
подстанции из-за ухудшения суммарных ВАХ
защитных аппаратов относительно удалённой
«физической земли».
В части городских сетей СН, ВН и СВН до сих
пор эксплуатируются вентильные разрядники.
При нормативном сроке их работы 20—25 лет
в ряде случаев они находятся на подстанциях
более 40—50 лет. За это время их ВАХ повы-
шается приблизительно на 15—20%, ВСХ в боль-
шинстве случаев снижается, а в ряде случаев
повышается.
В городских сетях находятся в эксплуатации
ОПН 35—500 кВ первого поколения. Анализ в
действующих сетях показал, что при старении
ВАХ варисторов ОПН тоже повышается на
10—15%.
Табл. 4. Допустимые сопротивления растеканию R~
Объект
Величина R
при
з
(Ом•м)
До 100
100—500
500—1000
1000—5000
более 5000
ПС 110 кВ и выше
0,5
0,5—0,75
0,75—1,1
1,1—3,7
0,5
ПС 6—35 кВ
(250/I
з
), но не
более 10 Ом
(250/I
з
) —(375/I
з
) (375/I
з
) — (550/I
з
)
(550/I
з
) —
(1850/I
з
)
(250/I
з
)
Опоры ВЛ
10
15
20
30
6
10
-3
Стержневые отдельно
стоящие молниеотводы
10—15
10—15
10—15
10—15
10—15
Стержневые молниеот-
воды, установленные
на порталах ПС
4—5
4—5
4—5
4—5
4—5
Примечания:
1. I
з
— наибольший ток, протекающий через ЗУ;
2. Если имеется ЗУ установки до 1000 В, R
уменьшается в 2 раза.
Табл. 5. Импульсные токи через ОПН
и вентильные разрядники
U
ном
,
кВ
Импульсный
ток через ОПН,
кА
Импульсный ток
через вентильный
разрядник, кА
6
5
4
10
5
4
35
5
4
110
6
5
150
7
6
220
8
7
По обеим причинам «уход» защитных характе-
ристик РВ и ОПН ухудшает грозозащиту подстан-
ций в несколько раз.
Улучшение грозозащиты подстанций в город-
ских сетях может быть достигнуто следующими
мероприятиями:
• заменой устаревшего электрооборудования на
новое;
• заменой РВ на ОПН;
• внедрением ОПН нового поколения на базе
варисторов с большей пропускной способно-
стью и большей нелинейностью;
• применением каскадных схем с установкой
защитных аппаратов на всех ВЛ вблизи
подстанций;
• широким применением КРУЭ, значительно
снижающих опасность набегающих с ВЛ волн
для электрооборудования ПС;
•
реконструкцией заземляющих устройств
ПС;
•
учётом электромагнитной совместимости
импульсных перенапряжений на сборных
шинах и цепей вторичной коммутации.
Грозозащита линий
Для ВЛ 110—500 кВ важное значение имеют
прямые удары молнии на фазные провода,
обратные перекрытия при ударах молнии в
опоры и грозозащитные тросы, для ВЛ 6—
35 кВ — прямые удары в фазные провода и
индуктированные перенапряжения при ударах
41
6–8 февраля 2013 г. Ханты-Мансийск
молнии в другие объекты (деревья, здания,
трубы и др.) вблизи ВЛ.
При анализе грозозащиты ВЛ определяют
удельное число их отключений на 100 км длины
ВЛ и на 100 грозовых часов (n
*
).
Анализ показывает, что:
• доля отключений при прорывах молнии на
фазные провода мимо тросов растёт от 110
к 500 кВ, причём для ВЛ 500 кВ она является
основной составляющей n
*
;
• удары молнии в вершину опоры с дальнейшим
обратным перекрытием от опоры на фазные
провода, наоборот, для ВЛ 110–220 кВ имеют
основное значение, и по мере роста U
ном
ВЛ
доля грозовых отключений по этой причине
существенно падает;
• в сетях 6—35 кВ удельное число отключений
при прямых ударах молнии в ВЛ на металли-
ческих и железобетонных опорах превосходит
удельное число от индуктированных перена-
пряжений; если же опоры
деревянные, то «вкладом»
индуктированных перена-
пряжений можно прене-
бречь;
• в сетях средних классов
городов немаловажное
значение имеют также
перекрытия ослабленных
мест ВЛ (пересечения
линий ВН, пересечения
таких линий с линиями
связи, контактными прово-
дами электрифицирован-
ного железнодорожного
транспорта, опоры ВЛ со
сниженной электрической
прочностью, высокие пере-
ходные пролёты, кабель-
ные вставки и др.);
• в «закрытых» сетях средне-
го и высокого напряжения
городов особой актуаль-
ности грозовые перенапря-
жения не представляют.
Мероприятия по улучше-
нию грозозащиты линий
могут быть сведены к следу-
ющему:
• обеспечение приемлемой величины импульс-
ного сопротивления опор, угла защиты тросов,
импульсной электрической прочности изоля-
ции ВЛ;
• тщательная защита ослабленных мест изоля-
ции ВЛ;
• применение на опорах ВЛ электротехническо-
го бетона;
• установка на ВЛ 6—35 кВ длинноискровых
разрядников;
• оснащение часто поражаемых участков ВЛ
ограничителями перенапряжений;
• широкое применение кабелей с изоляцией из
сшитого полиэтилена с обеспечением прием-
лемого заземления их экранов.
Грозозащита электрических машин
В электрических сетях городов работает ряд
крупных электрических машин 6 и 10 кВ, галь-
ванически связанных с воздушными линиями
42
Сборник докладов XIX заседания Ассоциации электроснабжения городов России «ПРОГРЕССЭЛЕКТРО»
(например, в городском водоканале
и в водоочистительных станциях). Их
грозозащита имеет следующие особен-
ности:
а) уровень электрической прочности
изоляции у машин, бывших длитель-
ное время в эксплуатации, значитель-
но ниже, чем у другого электрообору-
дования;
б) отсутствуют вентильные разрядники
или ОПН, которые смогли бы обеспе-
чить достаточно высокую надёжность
защиты такой изоляции от перена-
пряжения;
в) грозовые перенапряжения изоляции
электрических машин весьма значи-
тельны, так как через место пробоя
изоляции машины продолжает
протекать аварийный ток за счёт ЭДС
остаточного намагничивания даже
после снятия возбуждения машины,
отключённой от сети;
г) выход из строя электрических машин
обуславливает большой экономиче-
ский ущерб.
Здесь рекомендуется применять
следующие схемы грозозащиты, приве-
дённые на рисунке.
Приведённые эксплуатационные
надёжности грозозащиты электриче-
ских машин ниже требуемых приблизи-
тельно в два раза.
Для повышения М
Э
рекомендуется [3]:
• предусмотреть защиту от замыкания
на землю, позволяющую рассчитать
ОПН не на максимальное линейное,
а на максимальное фазное напряже-
ние с учётом времени срабатывания
защиты;
• усовершенствовать изоляцию ЭМ;
• вблизи машин подключить не силовые конден-
саторы, а малоиндуктивные импульсные
конденсаторы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гумерова Н.И., Данилин А.Н., Ефимов Б.В.,
Невретдинов Ю.М., Халилов Ф.Х. Анализ
надёжности грозозащиты подстанций. Совре-
менные проблемы. Новости электротехники,
№ 4 (58) и № 5 (59), 2009 г.
а)
д)
г)
в)
б)
Рис. Схемы грозащит
а) схема через токоограничивающий реактор Р (М
Э
= 35 лет);
б) схема через кабельную вставку (М
Э
= 40 лет);
в) схема через кабель и реактор (М
Э
= 40 лет);
г) схема через подход, защищённый тросом (М
Э
= 30 лет);
д) схема через подход, защищённый молниеотводами
(М
Э
= 30 лет).
2.
Гольдштейн В.Г., Подпоркин Г.В., Степа-
нов В.П., Халилов Ф.Х. Электромагнитная
совместимость и разработка мероприятий
по улучшению защиты от перенапряжений
электрооборудования сетей 6—35 кВ. — М,
Энергоатомиздат, 2009 г.
3. Добрынин А.Б., Петров С.П., Таджибаев А.И.,
Халилов Ф.Х. Обеспечение безаварийной
работы электродвигателей при режимных
возмущениях питающей сети. — СПб. Изд.
ПЭИПК, 2000 г.
Оригинал статьи: Защита от грозовых перенапряжений в городских сетях
Городские сети содержат классы напряжения от 6 до 500 кВ, причём в подавляющем большинстве случаев сети 6—35 кВ — кабельного исполнения, а сети 110—500 кВ — воздушного. Однако в ряде случаев такие объекты, как «Водоканал» и «Очистительные станции», питаются по воздушным линиям, а в мегаполисах, например в Санкт-Петербурге, ВЛ 110—330 кВ постепенно переводятся в кабельное исполнение. В названных сетях, несмотря на усовершенствование грозозащиты объектов энергетики, ещё остаётся актуальность грозозащиты линий, подстанций и высоковольтных электрических машин.
