Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель доктор технических наук, профессор Абрамович Б. Н. СанктПетербург 199
Скачать 2.67 Mb.
|
Физико-химические свойства и параметры изолированных проводов ВЛИ 6(10) кВ
Удельное индуктивное сопротивление Хо и удельной емкостной проводимости Ьо ВЛИ при частоте 50 Гц определены по формулам [30, 69]: + 0,0157, Ом/км \ <*»т у 7,58-106 0= где: Эср - среднегеометрическое расстояние между проводами; (11ф - номинальный диаметр токопроводящей жилы провода. Для ВЛИ с проводами, расположенными по вершинам равностороннего треугольника, Оср - равно расстоянию между фазами. Для ВЛИ с проводами, расположенными в одной плоскости: где: ЭМф - расстояние между соседними фазными проводами. Х0 = 0Д4418 Уменьшение индуктивного сопротивления по сравнению с ВЛ с неизолированными проводами приводит к некоторому увеличению тока короткого замыкания и уменьшению потери напряжения [46, 50]. Увеличение емкостной проводимости ВЛИ является причиной увеличения тока однофазного замыкания на землю (о.з.з.). Однако, из-за самозатяжки изоляции проводов ВЛИ при обрыве вероятность появления о.з.з. низка . Таблица 1.5. Удельные параметры ВЛИ с проводами "SAX", расположенными на одностоечных опорах по вершинам равностороннего треугольника при расстоянии между фазами 400 мм
Таблица 1.6. Удельные параметры ВЛИ с проводами "SAX", расположенными на одностоечных опорах в одной плоскости при расстоянии между фазами 400 мм
Длительные допустимые температуры нагрева изолированных проводов составляет +80°С, при к.з. допустимая температура нагрева провода - +200°С. Указанные ограничения предъявляют повышенные требования к выбору сечения изолированных проводов по допустимому длительному току и по термической стойкости к токам к.з. Однако соответствующие методики выбора сечения изолированных проводов отсутствуют. Учитывая ограниченную термическую стойкость изолированных проводов выбор их сечения должен производится с учетом действия АПВ и подпитки точки к.з. от электродвигателей напряжением выше 1 кВ. Для защиты В ЛИ должны применяться более точные и надежные, в т.ч. цифровые, реле. Выбор параметров цифровых устройств защиты должен производится по условию несрабатывания защиты после отключения к.з. на предыдущем участке. Должны быть согласованы чувствительности защит последующего и предыдущего участков и обеспечена их требуемая чувствительность в основной зоне и зонах дальнего резервирования, а также рассмотрено согласование селективности действия защиты в сетях 6(10) кВ с учетом действия АПВ и подпитки точки к.з. от синхронных и асинхронных двигателей напряжением свыше 1 кВ [23]. В настоящее время для внедрения в В Л 6(10) кВ рядом отечественных и зарубежных фирм предлагается широкая номенклатура изолированных и неизолированных проводов, электрические и механические параметры которых указываются в соответствии с национальными стандартами производителей. Различия конструкции проводов, приводимых параметров и методов их определения затрудняет их сопоставительный анализ. Поэтому необходимо провести электрические и механические испытания изолированных проводов отечественного и зарубежного производства, установить степень соответствия их основных параметров стандартам РФ и рекомендовать наиболее подходящий тип проводов для условий Северо-Запада России. 1.4. Грозопоражаемость ВЛ 6(10) кВ с изолированными и неизолированными проводами Прямой удар молнии в ВЛ 6(10) кВ явление крайне редкое, т.к. эти ВЛ экранируются лесом , застройкой, трубами, ВЛ 110 кВ и выше. При прямом ударе в провода ВЛ или в опору неизбежны очень серьезные повреждения: пережог провода, повреждение изоляции, элементов опоры и ее заземления. Причина - параметры молнии: амплитуда перенапряжений достигает нескольких миллионов вольт (нескольких тысяч киловольт), а ток молнии - сотен кА. При грозе наиболее вероятно наведенное (индуцированное) перенапряжение на проводах ВЛ при грозовых разрядах на землю вблизи воздушных линий. Разность потенциалов между проводом и траверсой опоры приведет к перекрытию на траверсу. Импульсный наведенный ток при прохождении через сопротивление опор и заземлителя вызывает на элементах опоры очень высокий потенциал, который приведет к обратному перекрытию с опоры на другую фазу. Все это происходит практически мгновенно (мкс), столь сильно ионизируя зону вблизи изоляторов, что неизбежен переход импульсного фазного замыкания в междуфазное. По ионизированному пути импульсного разряда загорится силовая дуга рабочего напряжения линии. При устойчивом горении этой дуги линия будет отключена релейной защитой (через доли секунды). При определенных условиях может не произойти переход импульсного перекрытия в устойчивую дугу короткого замыкания. Основными факторами, определяющими возможность устойчивого горения дуги, являются: соотношение рабочего и безопасного градиентов напряжения вдоль пути перекрытия; скорость восстановления напряжения (это подтверждается экспериментом и опытом эксплуатации В ЛИ). Рабочий градиент напряжения определяется по формуле, кВ/м: где: им - максимальное значение рабочего напряжения, кВ; Ьиз - длина пути перекрытия по изоляции, (изоляция провода, фарфор (стекло) изолятора, воздух), м. Величина рабочего градиента определяет количество энергии, поступающей в силовую дугу из сети. Безопасный градиент напряжения, при котором вероятность перехода импульсного перекрытия в силовую дугу очень мала, устанавливается экспериментальным путем. Величина безопасного градиента зависит от среды, в которой горит дута. Так при горении дуги в воздухе или на поверхности фарфора величина безопасного градиента Еб = 10 кВ/м, а при горении вдоль поверхности древесины Еб = 15-^20 кВ/м. Исследования показали, чем больше отношение Ер/Еб, тем больше вероятность перехода импульсного перекрытия в устойчивую силовую дугу (на линиях с металлическими опорами, где Ер/Еб = 7, отключения происходят часто, на ВЛ 110 кВ с деревянными опорами, где Ер/Еб = 2, отключения наблюдаются значительно реже, В Л 35 кВ с деревянными опорами отключаются чрезвычайно редко, т.к. для них Ер/Еб « 1 ). Для ВЛ 6(10) кВ данных по Ер/Еб нет. При необходимости величина Еб для различных типов опор и изоляторов устанавливается экспериментальным путем. Рассмотрим характер повреждений ВЛ 6(10) кВ с голыми проводами. При импульсном перекрытии (за мкс) импульсная дуга свободно передвигается (гуляет) по проводу (в сторону нагрузки) обжигая провод, зажимы, изоляторы и элементы опор. При горении силовой дуги возможно оплавление металлических деталей, арматуры, пережог проводов в подвесных зажимах, сильные ожоги, растрескивание глазури изоляторов, вплоть до разрушения изоляторов. При грозовых разрядах в землю вблизи ВЛ 6(10) кВ с ИП на проводах возникают индуктированные перенапряжения. Разность потенциалов между проводом и траверсой опоры приведет к пробою изоляции провода и перекрытию с провода на траверсу по пути с наименьшей электрической прочностью (по воздуху, поверхности линейного изолятора, сквозь изолятор). Импульсный наведенный ток при прохождении через сопротивление опоры и заземлителя может вызвать на элементах опоры столь высокий потенциал, который может привести к обратному перекрытию на другую фазу с повреждением изоляции провода. По ионизированному пути импульсного разряда может возникнуть силовая дуга рабочего напряжения. При устойчивом горении этой дуги линия будет отключена релейной защитой. Условия перехода импульсного перекрытия в устойчивую дугу для ВЛ с изолированными проводами вероятно те же, что и в случае с традиционными проводами. Основными факторами, определяющими возможность устойчивого горения дуги, являются соотношения рабочего и безопасного градиентов напряжения вдоль пути перекрытия, а так же скорость восстановления напряжения. При определенных условиях может не произойти перехода импульсного перекрытия в устойчивую дугу короткого замыкания [22, 28, 29, 59, 86, 88, 89,105]. Безопасный градиент напряжения, при котором вероятность перехода импульсного перекрытия в силовую дугу очень мала, устанавливается экспериментальным путем Исследования (для ВЛ 35 кВ и выше) показали, что чем меньше отношение Ер/Еб, тем меньше вероятность перехода импульсного перекрытия в устойчивую силовую дугу. Очевидна эта закономерность и для ВЛИ 6(10) кВ. Рассмотрим характер повреждения В Л 6(10) кВ с изолированными проводами. При импульсном перекрытии дуга прожжет изоляцию провода в месте наименьшей электрической прочности изоляции и произойдет перекрытие (или повреждение фарфорового или стеклянного изолятора ВЛИ, если его электрическая прочность меньше прочности промежутка по строительной высоте изолятора или по длине пути утечки изолятора) изолятора ВЛИ на траверсу ВЛИ. Если опора металлическая или железобетонная, то импульсный ток может создать на элементах опоры напряжение, достаточное для обратного перекрытия с опоры на другую фазу с прожогом изоляции провода. Если опора деревянная, то обратное перекрытие практически невероятно. Возникновение силовой дуги и условия ее устойчивого горения определят характер повреждения ВЛИ. Можно предположить, что при изолированных проводах дуга будет "гореть" локально до срабатывания защиты на отключение, возможно вплоть до повреждения провода, растрескивания изолятора, оплавления или пережога арматуры. В соответствии с [9] грозозащита воздушных линий 6(10) кВ не предусматривается. Известные методики проведения экономических расчетов, выполняемых при проектировании ВЛ 6(10) кВ, никогда раньше, да и сейчас, не предусматривают учет экономического ущерба от недоотпуска электроэнергии потребителям (так называемая упущенная прибыль) из-за отключений, вызванных грозовыми перенапряжениями. Такова была практика подхода к проектированию ВЛ в нашей стране. Однако, в экономически развитых странах недоотпуск электроэнергии потребителю оборачивается убытком энергосистемы. Один из путей уменьшения убытков энергосистем - повышение надежности и обеспечение бесперебойности работы ВЛ. В таких странах, как Финляндия, Швеция, Норвегия, США и Япония грозозащита В Л 6(10) кВ экономически оправдана и выполняется на участках ВЛ или по всей длине в зависимости от требования потребителя к надежности электроснабжения. В России с 1996 г. в соответствии с [10] на ВЛИ 6(10) кВ должны быть установлены устройства защиты проводов от грозовых перенапряжений: в зонах со среднегодовым числом грозовых часов не менее 80 при прохождении ВЛИ по открытой и высокой местности; при прохождении ВЛИ вдоль дорог и спортивных трасс, в местах пересечений с ними; в населенной местности; грозозащита подходов ВЛИ к подстанциям должна выполняться в соответствии с гл.4.2 [9]. Рассмотрим известные системы грозозащиты ВЛ 6(10) кВ с изолированными проводами. В США [99] предложено для грозозащиты В Л с изолированными проводами удалять твердую изоляцию на участке линии вблизи опоры, а на границе изоляции устанавливать массивные зажимы (рис. 1.2). При перенапряжении происходит грозовое перекрытие 6 изолятора 3 на неизолированный участок провода 1. Это перекрытие переходит в силовую дугу 7, которая под действием электродинамических сил перемещается по проводу до тех пор, пока не дойдет до границы изоляции, на которой установлен массивный зажим 5. Далее дуга не перемещается и продолжает гореть, опираясь одним из своих концов на зажим 5, до тех пор пока линия не будет отключена. В случае системы с заземленной нейтралью (как, например, в США) токи к.з. весьма велики и автоматика относительно быстро реагирует на к.з. и отключает поврежденную линию. Однако происходит значительное обгорание зажимов 5, что определяет необходимость их периодической замены. Кроме того, образование силовой дуги приводит к необходимости отключения линии [49]. Удаление твердой изоляции на участке вблизи опоры может являться причиной коррозии элементов ВЛИ, связанных с этим отказов и повышения трудоемкости сооружения ВЛИ. 2 1-провод, 2-изоляция, 3-изолятор, 4-опора, 5-массивный зажим, 6-грозовое перекрытие, 7-дуга. Рис. 1.2. Защита линии от дуговых повреждений при помощи массивных зажимов (Американская система) В Финляндии [7] для грозозащиты используется система, показанная на рис. 1.3. При перенапряжении происходит однофазное перекрытие 6 на землю и образуется дуга 7, которая перемещается по металлической спирали 8, навитой поверх изоляции 2 провода 1. Под действием электродинамических сил дуга 7 переходит на рог 9 и далее перекидывается на расположенный вблизи (на расстоянии, примерно 30^-40 см) рог средней фазы (рис. 1.3 а). Таким образом однофазное к.з. переводится в двухфазное. Дуга двухфазного к.з. горит между рогами 9 до тех пор пока линия не будет отключена, что приводит к а) вид сбоку; б) вид сверху; 1-провод, 2-изоляция, 3-изолятор, 4-опора, 5-прокалывающий зажим, 6- грозовое перекрытие, 7-дуга, 8-спираль, 9-рог. Рис. 1.3 Защита линии от дуговых повреждений при помощи "рогов" (Финская система) значительному обгоранию рогов. Поэтому необходима их периодическая замена. Кроме того двухфазные к.з. создают сильные электродинамические воздействия на обмотки трансформаторов, что приводит к ускоренному износу их изоляции и всего оборудования в целом. Частые коммутации увеличивают также затраты на профилактические ревизии коммутирующего оборудования. В Японии [106] широкое распространение для грозозащиты воздушных линий получили ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН) (рис.1.4). Более 1 млн. штук уже установлено в энергосистемах и 5 млн. штук планируется установить в будущем. I-провод, 2изоляция, 3-изолятор, 4-опора, 6-грозовое перекрытие, ЮОПН. Рис, 1.4 Зашита линии от грозовых перенапряжений при помощи массива ОПН (Японская система) ОПН подключается через искровой промежуток и рассчитан на ток грозового перенапряжения 2,5 кА, поскольку 95 % измеренных в японских распределительных линиях грозовых токов имеют величину менее 1 кА. ОПН эффективно ограничивают индуктированные перенапряжения. Однако в случае относительно редкого события превышения тока грозового перенапряжения сверх расчетного уровня - они повреждаются. Любую систему грозозащиты ВЛ с изолированными проводами, в том числе и ОПН, весьма желательно устанавливать параллельно каждому изолятору. При массовой установке главная проблема ОПН - их высокая цена. Ориентировочно один ОПН 10 кВ стоит 100-г120 долларов США. Учитывая изложенное необходимо разработать новый эффективный метод защиты ВЛИ от грозовых перенапряжений и экономичные технические средства для реализации его, предотвращающие переход искрового перекрытия в силовую дугу путем удлинения пути импульсного грозового перекрытия. Представляется возможным создать конструкцию, обеспечивающую одновременное выполнение функции - изолятора и разрядника. Принцип действия такой конструкции может быть основан на эффекте уменьшения вероятности установления силовой дуги при увеличении длины импульсного грозового перекрытия. За счет спирального ребра на поверхности изолятора может быть создан весьма длинный путь перекрытия изолятора по его поверхности. Вероятность образован™ силовой дуги промышленной частоты в этом случае практически может быть сведена к нулю, и тем самым обеспечена бесперебойная работа электрической сети при грозовых перенапряжениях. 1.5. Цель и задачи диссертационной работы Целью настоящей работы является создания теоретической и методической основы проектирования воздушных линий повышенной надежности напряжением 6(10) кВ с изолированными проводами, обеспечивающими снижение количества и продолжительности перерывов электроснабжения, материалоемкости и эксплуатационных затрат за счет уменьшения междуфазного расстояния, ширины просек и землеоотводов. Для практической реализации поставленной цели было необходимо решить следующие задачи: Провести электрические и механические испытания изолированных проводов отечественного и зарубежного производства, установить степень соответствия их основных параметров стандартам РФ и рекомендовать наиболее подходящий тип проводов для условий Северо-Запада России. Разработать систему выбора изолированных проводов воздушных линий по допустимому длительному току и термической стойкости к току к.з, с учетом действия АПВ и подпитки точки к.з. от электродвигателей напряжением свыше 3 кВ. Разработать методику выбора параметров цифровых устройств защиты воздушных линий с изолированными проводами, в том числе по условиям: несрабатывания защиты после отключения к.з. на предыдущем участке, согласованию чувствительности защит последующего и предыдущего участков. Разработать новый эффективный метод защиты ВЛИ от грозовых перенапряжений и экономичные технические средства для реализации его, предотвращающие переход искрового перекрытия в силовую дугу путем удлинения пути импульсного грозового перекрытия. Разработать специальные длинно-искровые грозозащитные разрядники (ДИГР), исключающие переход искрового разряда в силовую дугу при амплитудных значениях перенапряжений вплоть до 400 кВ и позволяющие снизить практически до нуля вероятность возникновения силовой дуги при грозовых перекрытиях изоляции. Установить величины максимальных пролетов ВЛИ 6(10) кВ исходя из условий минимума максимальных значений габаритного и ветрового пролетов и прочности используемых опор. |