Предварительные сведения

Причиной возникновения на подстанции опасных перенапряжений от набегающих волн являются грозовые поражения воздушных линий (ВЛ) электропередачи. При ударе молнии в линию на проводах ВЛ образуется волна напряжения, движущаяся в сторону подстанции. Амплитуда такой волны ограничена импульсной прочностью линейной изоляции.

Приход волны напряжения на подстанцию приводит к возникновению волнового переходного процесса, в результате которого на изоляции электрооборудования могут возникнуть опасные перенапряжения. Поэтому для защиты изоляции оборудования применяются ОПН (ограничители перенапряжений нелинейные), пришедшие на смену вентильным разрядникам (РВ).

Если бы ОПН или РВ располагались в непосредственной близости от защищаемого ими электрооборудования, то напряжение на его изоляции не превышало бы остающегося напряжения защитного аппарата, и защита была бы достаточно надежной. На практике защитные аппараты устанавливают у силовых трансформаторов и автотрансформаторов и, возможно, еще в нескольких местах. Поэтому часть оборудования удалена от защитных аппаратов на расстояния, которые могут достигать нескольких десятков метров и более. Приход волны грозового происхождения с крутым фронтом приводит к возникновению переходного процесса, сопровождающегося высокочастотными колебаниями вокруг остающегося напряжения ОПН или РВ. Амплитуда перенапряжений на оборудовании при этом тем больше, чем больше крутизна набегающей волны и его удаленность от защитного аппарата.

Для понимания механизма формирования перенапряжений, воздействующих на изоляцию электрооборудования, можно рассмотреть две упрощенные схемы замещения подстанции. Первая схема (см.рисунок 1, а) составлена для оборудования, расположенного до защитного аппарата по ходу движения волны, это в первую очередь относится к измерительным трансформаторам напряжения и тока. Вторая схема (см.рисунок 1, б) является типичной для защиты от перенапряжений силового трансформатора.

Рисунок 1 - Упрощенные схемы замещения тупиковой подстанции

На обеих схемах показаны линия электропередачи с волновым сопротивлением Z _л, участки ошиновки суммарной длиной l и ОПН. Набегающая волна представлена стилизованным косоугольным импульсом с длительностью фронта τ _ф и амплитудой U _max = U _50%. Пунктиром обозначено эквивалентное волновое сопротивление отходящих линий Z _экв = Z _л / n, где n – число линий. Электрооборудование подстанции (трансформаторы, выключатели, разъединители) для расчета волновых процессов замещают емкостями (замещение трансформатора емкостью справедливо только для первых микросекунд переходного процесса, пока индуктивности препятствуют прохождению через них импульсных токов).

На рисунке 2 приведены идеализированные осциллограммы напряжений в точках 1 и 2 схемы рисунка 1а. Они построены в предположении, что емкость электрооборудования C = 0, а ОПН имеет идеальную вольтамперную характеристику – при напряжениях меньше U _ост его сопротивление равно бесконечности, а при превышении уровня U _ост становится равным нулю его динамическое сопротивление (напряжение на ОПН при этом неизменно и равно U _ост). В момент времени t = 0 набегающая с линии волна приходит в точку 1 и на оборудовании напряжение u _и начинает линейно возрастать (см. рисунок 2, а). Через время τ = l / v (v можно принять равной скорости света) волна придет в точку 2. До тех пор, пока ОПН находится в непроводящем состоянии, отраженная от него волна будет равна падающей, а напряжение на нем будет нарастать с удвоенной скоростью. Когда оно достигнет уровня U _ост, напряжение на ОПН стабилизируется, а отраженная волна начнет уменьшаться, меняя знак на обратный:

,

где – крутизна фронта набегающей волны.

а) б)

а – в точке 1, б – в точке 2.

Рисунок 2 – Формирование напряжений в схеме в схеме рисунок 1,а при С=0

Отраженная волна вернется в точку 1 в момент времени , накладываясь на напряжение набегающей волны (см. рисунок 2, а). Результирующее напряжение на изоляции электрооборудования оказывается неизменным и равным:

Эта формула справедлива при τ _ф > 2 τ и позволяет сделать оценку максимального напряжения U _и,max на изоляции электрооборудования в точке 1. За пределами фронта набегающей волны напряжение на оборудовании снижается до остающегося значения U _ост.

При учете емкости электрооборудования и действительной вольтамперной характеристики ОПН напряжения оказываются такими, как показано на рисунке 3, а. Преломление волны в точке 1 при учете емкости происходит со сглаживанием фронта. Отраженная от ОПН волна также сглаживается емкостью, и результирующее напряжение на изоляции оборудования изменяется более плавно, чем при отсутствии емкости.

а)	б)
а – для схемы рисунка 1, а; б – для схемы рисунка 1, б. Рисунок 3 – Характерные формы перенапряжений на подстанционном электрооборудовании

Отходящие от подстанции линии снижают уровень перенапряжений. Если отходящая линия удалена от электрооборудования на расстояние l ₁ (см. рисунок 1, а), то в этой точке на схеме замещения следует включить ее волновое сопротивление Z _л. Пройдя расстояние l ₁, набегающая волна отражается от точки включения отходящей линии. Коэффициент отражения при этом отрицательный, а его значение зависит от числа отходящих линий. К оборудованию возвращается отраженная волна, и ее напряжение, накладываясь на напряжение набегающей волны, снижает перенапряжение (так как напряжение отраженной волны отрицательно). Чем дальше от точки 1 расположена отходящая линия, тем позже приходит отраженная от нее волна и тем меньшим оказывается ее влияние.

Проанализируем перенапряжения в точках подстанции, расположенных за ОПН по ходу распространения волны (схема, см. рисунок 1, б). Будем считать, что, когда набегающая волна достигает на ОПН уровня U _ост, он переходит в проводящее состояние, и напряжение на нем перестает изменяться. Поэтому после преломления набегающей волны в точке 1 к емкости электрооборудования распространяется волна с амплитудой U _ост. Если пренебречь емкостью оборудования (С = 0), то волна будет отражаться от точки 2 с коэффициентом отражения β = 1. Возвращаясь в точку 1, волна отражается с β = –1 (так как пренебрегаем сопротивлением ОПН). Процесс последовательных отражений волны от точек 1 и 2 будет периодическим, в результате напряжение в точке 2 будет колебаться вокруг значения U _ост, амплитуда колебаний составит 2 U _ост. Если учесть емкость оборудования и вольтамперную характеристику ограничителя, то напряжение на оборудовании примет форму униполярного колебательного импульса (см. рисунок 3, б).

Подведем итог изучению грозовых перенапряжений в упрощенных схемах (сделанные выводы оказываются также справедливыми для большинства типовых схем). Имеют место следующие закономерности:

– амплитуда импульса грозового перенапряжения на электрооборудовании тем больше, чем дальше расположен защитный аппарат и чем больше крутизна фронта набегающей волны;

– форма импульса грозового перенапряжения на электрооборудовании, расположенном до ОПН, характеризуется коротким пиком, после которого напряжение снижается до значения, близкого к остающемуся напряжению ограничителя (см. рисунок 3, а);

– форма импульса грозового перенапряжения на электрооборудовании, расположенном за ОПН, имеет характер затухающих колебаний, накладывающихся на остающееся напряжения ограничителя (см. рисунок 3, б), т.е. униполярного колебательного импульса с периодом колебаний порядка нескольких микросекунд; огибающая максимумов этих колебаний, как правило, спадает быстрее, чем стандартный грозовой импульс 1,2/50 мкс.

Уровень перенапряжений зависит от параметров ОПН и уменьшается в случае применения ОПН с меньшими остающимися напряжениями.

Расчет грозовых перенапряжений в реальных схемах подстанций осуществляется с помощью численного моделирования. Для исследования на расчетной модели нужно составить схему замещения подстанции, используя план подстанции с обозначением расстояний по ошиновке и соединительным проводам. Электрооборудование следует заменить сосредоточенными емкостями. Значения этих емкостей для основных видов электрооборудования класса напряжения 110 кВ сведены в таблице 1.

Т а б л и ц а 1 - Входные емкости электрооборудования ПС 110 кВ

На рисунке 4 представлена схема ОРУ 110 кВ (треугольник), а на рисунке 5, а – расчетная схема замещения. Цифры в схеме на рисунке 4, а также подчеркнутые цифры на рисунке 5, а указывают расстояния в метрах между аппаратами или узловыми точками, цифры у емкостей – значения емкостей в пикофарадах. Полученная схема может быть исследована непосредственно на расчетной модели, но ее можно упростить для экономии расчетного времени.

Л-1, Л-2– подходящие воздушные линии электропередачи; ТН-1, ТН-2 – трансформаторы напряжения; ТТ-1, ТТ-2, ТТ-3 – трансформаторы тока; Т – силовой трансформатор; В-1, В-2, В-3 – масляные выключатели; Р – разъединители.

Рисунок 4 – Схема ОРУ 110 кВ

а)

б)

а – полная; б – упрощенная

Рисунок 5 – Схема замещения ОРУ 110 кВ, изображенного на рисунке 4,

при отключенном выключателе В-3

Наибольший интерес представляет определение напряжений в точках, наиболее удаленных от защитных аппаратов, – на трансформаторе напряжения, линейном разъединителе и силовом трансформаторе. Поэтому перед преобразованием схемы необходимо наметить точки (узлы), которые должны быть сохранены (именно эти узлы пронумерованы на схеме рисунка 5, а). Затем можно упростить схему, разнеся часть емкостей в намеченные узлы по правилу моментов. Упрощенная схема представлена на рисунке 5, б.

Для оценки надежности защиты подстанционного электрооборудования от набегающих волн необходимо сопоставить расчетные импульсные напряжения, которые могут возникать на изоляции, с ее электрической прочностью. Расчетные напряжения следует определять с учетом ряда случайных факторов – фазы рабочего напряжения в момент прихода набегающей волны и ее формы (амплитуды, длительности фронта и импульса, частоты наложенных колебаний). Форма набегающей волны, в свою очередь, зависит от места грозового поражения ВЛ и параметров тока молнии, также являющихся случайными. Таким образом, строгое определение расчетных напряжений – задача, которая принципиально должна решаться с помощью методов теории вероятностей и математической статистики.