Линии электропередачи 345 кВ и выше - Линейная изоляция при коммутационных перенапряжениях

ГЛАВА 7
ЛИНЕЙНАЯ ИЗОЛЯЦИЯ ПРИ КОММУТАЦИОННЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯХ
АНДЕРСОН, ЛАФОРЕСТ, ПРИСТ, ЗАФАНЕЛЛА

1. ВВЕДЕНИЕ

Внешняя изоляция системы должна выбираться после тщательного изучения кратковременных перенапряжений и перенапряжений на промышленной частоте. Кратковременные перенапряжения подразделяются на грозовые и коммутационные.
Коммутационные перенапряжения обычно определяют изоляцию на ВЛ, имеющих низкое сопротивление заземления, или в местностях со слабой грозовой деятельностью. Грозовые перенапряжения могут определять выбор изоляции при высоком сопротивлении заземления и высокой грозовой деятельности, а также в сетях, имеющих выключатели с предвключаемыми резисторами, позволяющими ограничить до минимума коммутационные перенапряжения. В большинстве случаев нельзя пренебрегать тем или другим типом переходного процесса.
Изоляция на линиях электропередачи должна быть достаточной, чтобы обеспечить надежную эксплуатацию. Однако решение об обеспечении полного отсутствия пробоев изоляции было бы слишком консервативным и дорогим.
Проблема выбора изоляции по перенапряжениям усложняется из-за большого разнообразия метеорологических условий, в которых может находиться линия, а также из-за статистического разброса пробивного напряжения самой изоляции. Переходные процессы могут произойти при различных метеорологических условиях, которые по-разному влияют на электрическую прочность. Большие импульсы напряжения наблюдаются значительно реже малых и имеют очень малую вероятность возникновения в эксплуатации. Если выбирать изоляцию по способности выдерживать очень большие воздействия, то стоимость ее будет чрезвычайно высокой. Более экономично допустить некоторый риск редких пробоев и использовать АПВ, при котором поверхностные пробои на ВЛ обычно не приводят к разрушениям. Вероятность успешного действия АПВ очень высока. Это позволяет направить усилия на разработку ВЛ, отвечающей принятому значению надежности, а не пытаться обеспечить полное отсутствие поверхностных пробоев.
Один из традиционных методов разработки изоляции состоит в выборе максимального значения импульса и репрезентативной комбинации метеорологических условий с последующей разработкой опоры, рассчитанной на эти условия. Предполагается, что если опора выдержит расчетные условия, то она выдержит и все другие возможные в эксплуатации. Этот метод является наилучшим для предварительных расчетов.
Более совершенные методы выбора изоляции должны содержать детальную оценку относительных частот возникновения всех возможных комбинаций электрических и метеорологических условий, оценку влияния выбора изоляции на общие параметры линии, а также определение мероприятий, которые могут повлиять на снижение числа аварийных отключений. Эти методы обычно требуют применения ЭВМ для детального изучения всей проблемы и, в частности, для более надежной оценки метеорологических условий и данных переходного процесса.
В будущем необходимо шире применять современные методы анализа и выбора линейной изоляции СВН и УВН с применением ЭВМ, ибо только таким путем можно качественно улучшить изучение всех факторов, влияющих на эту проблему.
В этой книге рассматриваются и применяются оба метода. Рекомендуется использовать традиционные методы в предварительных расчетах, а затем, используя полученные результаты, более совершенными методами исследовать влияние их вариации на характеристики линии в целом,

1. ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПОВЕРХНОСТНЫЙ ПРОБОЙ ПРИ КОММУТАЦИОННЫХ
   ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯХ
   Пробивное напряжение линейной изоляции не является постоянным при коммутационных перенапряжениях и определяется статистически. Оно зависит от формы импульса и его максимального значения, а также от соответствующих метеорологических условий. Влияние большинства этих факторов известно; тем не менее целесообразно их коротко рассмотреть.
   Форма импульса коммутационных и грозовых перенапряжений чрезвычайно разнообразна, но так как она оказывает существенное влияние на пробивное напряжение линейной изоляции, то в первую очередь было решено выбрать постоянную форму импульса для последующих испытаний.
   Наиболее часто при имитации коммутационных перенапряжений используется двойной экспоненциальный импульс, который обычно генерируется импульсным генератором. Иногда импульсы с длительностью фронта более 1000 мкс генерируются с помощью трансформатора путем разряда емкости, включенной в низковольтную обмотку. Оба типа импульсов показаны на рис. 7.2.1.
   Форма этих импульсов характеризуется двумя параметрами: длительностью фронта, определяемой временем от начала импульса до момента достижения напряжением максимального значения, и длительностью импульса, определяемой как временной интервал между началом импульса и моментом, когда напряжение импульса спадет до половины максимального значения. Пробивное напряжение изоляции является функцией этих параметров, в особенности длительности фронта.
   Пример влияния длительности фронта на пробивное напряжение промежутков стержень — плоскость показан на рис. 7.2.2, на котором приведены результаты испытаний, полученные в разных лабораториях. Для каждого промежутка существует критическая длительность фронта, при которой пробивное напряжение минимально. Интересно отметить, что пробой обычно происходит после прохождения амплитуды. Поэтому можно заключить, что на пробивное напряжение оказывает влияние также и длительность импульса,

Из практики эксплуатации известно [7.2, 7.3], что длительности фронтов импульсов при коммутационных перенапряжениях лежат в диапазоне 50—2000 мкс и более. Если пики коммутационных перенапряжений снизить, применяя современные выключатели с резисторными вставками и компенсированные линии, то при этом импульсы становятся длиннее и приближаются к половине периода промышленной частоты.

Рис. 7.2.1. Испытательные импульсы напряжения [время до максимума напряжения ТМ = Т\0о—Т0, длительность фронта по МЭК Тф = = 1,67 (Гдо—Гзо), длительность импульса Тп=Т'50—Г0]. а — двойной экспоненциальный импульс; б — импульс, генерируемый трансформатором.
Так, например, в системах УВН, где очень важно осуществлять ограничение коммутационных перенапряжений, длительности фронтов импульсов могут превышать 1000 мкс.
В последнее время было проведено много исследований [7.4—7.6, 7.26] с целью выявления, какая часть импульса в большей степени влияет на пробивное напряжение.
В основном считается, что напряжения импульса, значения которых ниже 70% его максимального значения, не оказывают влияния на поверхностное пробивное напряжение. Далее показано, что область напряжений, значения которых составляют 80—90% максимального значения напряжения, является основной частью импульса, определяющей электрическую прочность изоляции.
Полярность. На пробивное напряжение при коммутационных перенапряжениях оказывает существенное влияние полярность импульса. Это связано с тем, что практические конструкции обычно асимметричны. В большинстве случаев заземленным электродом служат либо земля, либо массивные конструкции, либо их

Рис. 7.2.2. Критическое поверхностное пробивное напряжение для промежутков стержень — плоскость без поправок на погоду в функции времени максимума импульса Тм.
1 — критическое время для максимума.
комбинации. Токоведущие электроды имеют существенно меньшие размеры. Таким образом, электрическое поле в промежутке между электродами очень неоднородно и имеет наибольшую напряженность у токоведущего электрода. Для большинства практических конфигураций пробивное напряжение при импульсе положительной полярности ниже, чем при отрицательной. Это объясняется тем, что в механизме поверхностного пробоя при коммутационных перенапряжениях начальную роль играют стримеры положительной полярности. Влияние полярности существеннее при более неоднородных полях.
Единственным случаем, когда удавалось получить более низкие результаты при отрицательной полярности импульса, были испытания в условиях чрезвычайно сильного дождя, когда большое количество воды стекало каскадом по поверхности изолятора. Хотя такие условия широко приняты при испытаниях с искусственным дождем, в естественных условиях они вряд ли вероятны. Это было подтверждено при испытаниях на открытой установке при естественном дожде, который редко достигал интенсивности более 1 мм/мин, что при искусственном дожде принято обычным. Кроме того, естественный дождь сопровождается ветром, который не позволяет образовываться сплошному стеканию воды по вертикальным поверхностям изоляторов. Таким образом, во всех практических случаях можно пренебречь влиянием импульса отрицательной полярности.
Влияние геометрии промежутка на пробивное напряжение при коммутационных перенапряжениях. На образование и распространение стримеров, вызывающих пробой, в больших промежутках оказывает влияние их геометрия. Если линейный электрод не единообразен, то наличие больших заземленных элементов особенно вредно, так как вызывает снижение пробивного напряжения при коммутационных импульсах положительной полярности. По этой причине размеры опоры могут неблагоприятно влиять на пробивное напряжение линейной изоляции. При том же самом промежутке небольшие и легкие опоры имеют большие пробивные напряжения, чем большие и массивные. Поэтому в Исследовательском центре СВН — УВН были проведены исследования с целью определения поправочных коэффициентов при переходе от одного типа опоры к другому.
Противокоронные экраны и конфигурация пучка проводов в расщепленной фазе также оказывают влияние на пробивное напряжение, иногда понижая его при одновременном снижении уровня радиопомех.
Траектория пробоя главным образом зависит от геометрии токоведущего электрода.
С точки зрения коммутационных перенапряжений расстояние между проводом и землей в середине пролета имеет некоторые особенности. Так, часто наблюдалось, что в больших промежутках между проводом и землей наличие довольно высоких заземленных объектов оказывает малое влияние на электрическую прочность при положительной полярности импульса. Это явление связано с тем, что стример образуется в сильном поле около провода и развивается в сторону слабого поля, т. е. к земле. Если поле около земли слабое, то изменение на пробое не сказывается (отсюда малое влияние проходящих транспортных средств или пешеходов [7.7]). Это очень важно с точки зрения безопасности.
Влияние метеорологических факторов на пробивное напряжение при коммутационных перенапряжениях. С точки зрения коммутационных перенапряжений существенны следующие параметры: относительная плотность воздуха 6, влажность, дождь и ветер. Относительная плотность воздуха и влажность могут изменять пробивное напряжение изолятора. Поэтому необходимо иметь поправочные коэффициенты на каждый из этих факторов.
Дождь снижает пробивное напряжение гирлянд изоляторов при коммутационных перенапряжениях, но практически не влияет на прочность воздушных промежутков. Сильные потоки воды, стекающие каскадом по изоляторам, существенно снижают пробивное напряжение при коммутационном импульсе отрицательной полярности, иногда до значений ниже характерных для положительных импульсов [7.9]. Проводимость воды также играет существенную роль [7.10]. Для больших промежутков на опорах с гирляндами длиной около 10 м влияние дождя минимально [7.11].
Если конструкция гирлянды позволяет ей свободно отклоняться под действием ветра, то на таких опорах следует иметь увеличенные горизонтальные промежутки между фазами или фазой и опорой.
Статистическая флюктуация пробивного напряжения при коммутационных перенапряжениях. В гл. 2 рассматривалась статистическая природа процесса пробоя в газовом диэлектрике. Это особенно характерно для воздействий коммутационных перенапряжений. Даже если все установленные метеорологические и электрические факторы будут учтены, характер случайности останется.
Вариация пробивного напряжения изоляции оказалась такой, что его можно было дать только в вероятностном выражении, несмотря на то, что испытания проводились в явно одинаковых условиях. Пробивное напряжение обычно характеризуется критическим поверхностным пробивным напряжением (U₅₀ ), при котором 50% приложенных импульсов вызывают пробой. Вероятность поверхностного пробоя меняется от изменения напряжения в соответствии с законом распределения Гаусса, который на сетчатке нормальной вероятности представляется прямой линией. Это распределение определяется следующим выражением:
(7.2.1)
где P(V)—вероятность поверхностного пробоя; а — среднеквадратическое отклонение.
Надежное значение среднеквадратического отклонения трудно получить при ограниченном числе случаев приложения напряжения. Его значение зависит от формы импульса, полярности, геометрии и от погодных условий. Для неоднородных промежутков и импульсов, имеющих критическую длительность фронта, оно в среднем составляет 4—5%независимо от уровня напряжения.
Даже еслии а точно определены, их значение
меняется по неизвестным причинам. Так, сравнение результатов испытаний, полученных в разных лабораториях, показывает, что они различны, хотя в обеих лабораториях была достигнута наивысшая точность эксперимента. Различиеносит статистический характер и определяется влиянием различных факторов (известных и неизвестных).Среднеквадратическое отклонение всех возможных(отметим, что это не параметр з, рассмотренный выше), полученное по результатам разных лабораторий, может достичьхотя в настоящее время при современной измерительной технике можно ожидать его снижения до 3%.