- Координация изоляции. У КРУ с элегазовой изоляцией перекрытие в результате загрязнения поверхности почти невозможно, а снижение пробивного напряжения при старении примененного высококачественного изоляционного материала несущественно. Поэтому может быть достигнута очень надежная координация изоляции. Кроме того, координация изоляции и защитные уровни для распределительных устройств с элегазовой изоляцией и обычных различны. На рис. 8 показан принцип координации изоляции для КРУ с элегазовой изоляцией в зависимости от длины волны. Согласно рис. 4 следует ожидать, что минимальное выдерживаемое напряжение будет при отрицательной полярности. При умеренных давлениях газа уровень изоляции почти не зависит от длины волны.
Защита воздушных линий электропередачи от значительных перенапряжений может быть обеспечен а только при воздействиях коммутационных волн положительной полярности. Несмотря на высокий уровень изоляционной прочности воздуха, при волнах отрицательной полярности и атмосферных перенапряжениях положительной полярности необходимо дополнительное защитное устройство (рис. 8).
Рис. 9. Перенапряжения на конце разомкнутой ВЛ, в месте установки разрядника и на открытом конце токопровода, Z1=290 Ом.
1 — набегающая косоугольная волна; 2 — напряжение на ВЛ; 3 — напряжение на разомкнутом конце ВЛ; 4— напряжение на разряднике в точке А, 5 — напряжение на токопроводе с элегазовой изоляцией.
Рис. 8. Принцип координации изоляции.
1 — воздушная изоляция (отрицательный импульс); 2 — элегазовая изоляция (положительный импульс); 3 — элегазовая изоляция (отрицательный импульс); 4— воздушная изоляция (положительный импульс); 5 — защитный уровень разрядника.
Так как на подстанции необходима почти абсолютно надежная защита от повреждений, должны быть установлены соответствующие разрядники с высокой пропускной способностью при импульсном напряжении и с защитным уровнем, более или менее независимым от длины волны, для того, чтобы создать постоянный уровень защиты при самом низком уровне изоляции. Что касается коммутационных перенапряжений, то достаточен один комплект разрядников на РУ.
На подстанциях УВН обычного типа дорогостоящее оборудование, как, например, трансформаторы, которые могут рассматриваться как элементы с сосредоточенными параметрами, должно быть защищено от атмосферных перенапряжений вентильными разрядниками. Разрядник должен быть установлен как можно ближе к защищаемому оборудованию. Открытые воздушные промежутки в РУ обычного типа из-за высокого уровня изоляции последних (рис. 8) не требует специальной защиты от атмосферных перенапряжений.
2.2. Защитная зона вентильных разрядников. Было показано, что у КРУ с элегазовой изоляцией выдерживаемое при импульсах напряжение имеет существенное значение для нормирования уровня изоляции. Поэтому КРУ, включая оборудование, должно быть защищено от атмосферных перенапряжений. Рассчитываются распределение и рост перенапряжений по всему КРУ, вызываемых набегающими с ВЛ волнами атмосферных перенапряжений.
Для простой схемы, показанной на рис. 9, где разрядник установлен в начале линии с разомкнутым кондом, легко может быть рассчитано нарастание перенапряжений. Если считать, что максимальные перенапряжения на конце линий не превысят основного импульсного уровня изоляции и что защитный уровень разрядника при импульсах равен Ulpl, то максимальная защитная зона может быть определена из уравнения (3). Если принять также, что остающееся напряжение не зависит от разрядного тока и равно разрядному напряжению,
(3)
где S — крутизна фронта косоугольной волны; у2 — скорость распространения волны.
Уравнение (3) справедливо, если обе линии, присоединенные в точке А (рис. 9), имеют одинаковое волновое сопротивление (Z, = Z2).
Расчет более сложен, когда волновые сопротивления ВЛ Zt и присоединенной к ней линии с элегазовой изоляцией Z2 не одинаковы. В этом случае должны быть приняты во внимание многократные отражения в точках 1 и 2. Время t (рис. 9), за которое нарастает разрядное напряжение разрядника может быть получено из выражения
(4)
где 6,2 = 2Z2/(Z1 + Z2); 62i = 2Zi/(Zi + Z2) и r2i = (Zi—Z2)/(Zi + Z2) представляют собой коэффициенты отражения и перехода. Тогда максимальная защитная зона
(4а)
Это уравнение решается, если следующее условие выполняется для целого числа:
(46)
В табл. 2 приведены значения защитных зон, вычисленных по уравнениям (3) и (4) для различных типов разомкнутых линий. Сравнивая соответствующие большие защитные зоны и небольшие размеры КРУ, можно ожидать, что для защиты КРУ потребуется лишь небольшое число разрядников.
Присоединение | Волновое сопротивление z„ Ом | Диэлектрическая проницаемость г | Скорость распространения волны м/мке | Защитная зона, а, м |
Токопровод с элегазовой изоляцией | 60 | 1 | 300 | 100 |
Кабель с жидкой или твердой изоляцией | 60 | 4 | 150 | 50 |
Воздушная линия | 290 | 1 | 300 | 75 |
Требуемый уровень изоляции для всей подстанции и размещение разрядников могут быть определены только с помощью ЭВМ. Для рассматриваемого ниже случая была разработана программа для ЭВМ, основанная на методе Холмдаля.
Рис. 10. Остающееся напряжение на разряднике.
Данные, необходимые для расчета, основанного на современных результатах исследований временной группы по УВН Комитета № 23 СИГРЭ для обычных распределительных устройств, приведены в табл. 3.
Емкость изоляторов, выключателей и другого оборудования, за исключением силовых трансформаторов, а также искажение формы блуждающей волны потерями на корону не учитываются.
Таблица 3
Воздушная линия электропередачи | Расщепленная фаза из шести проводов диаметром 3,6 см каждый, диаметр фазы 80 см; волновое сопротивление 280 Ом; допускаемое затухание 1,2 мкс/км [Л. 8] |
Шины распределительного устройства обычного типа | Алюминиевая труба диаметром 25 см; волновое сопротивление 320 Ом; допускаемое затухание 1,2 мкс/км [Л. 8] |
Токопровод КРУ с элегазовой изоляцией | Коаксиальные цилиндры диаметром 33 и 110 см; волновое сопротивление 60 Ом; затухания нет |
Разрядник | Разрядное напряжение 2 200 кВ; остающееся напряжение (см. рис. 10) |
Силовые трансформаторы | Эквивалентная емкость 4 нФ |
На рис. 11 показаны конфигурации цепей исследуемого распределительного устройства исходя из схемы рис. 1. Для получения сопоставимых результатов КРУ с элегазовой изоляцией и РУ обычного типа имеют разрядники только в линейных ячейках. Однако, как правило, в распределительных устройствах обычного типа вблизи трансформаторов устанавливаются дополнительные разрядники. На рис. 12 показано нарастание перенапряжений на силовом трансформаторе при набегании по линии электропередачи, показанной верхней на рис. 11, волны атмосферных перенапряжений с большой амплитудой (5 MB, 1,2/50 мкс). При КРУ с элегазовой изоляцией максимальная величина перенапряжений ниже.
Рис. 11. Конфигурация цепей исследуемого распределительного устройства.
На схеме приведены волновые сопротивления и длины участков. Для КРУ с элегазовой изоляцией волновое сопротивление во всех случаях 60 Ом. а — распределительное устройство обычного типа (рис. 6); б — распределительное устройство с элегазовой изоляцией (рис. 2 и 3).
На рис. 13 показаны максимальные перенапряжения, возникающие в выбранных точках присоединения вдоль пути от линейной ячейки через шины к трансформаторной ячейке. Расчеты были выполнены для различных модификаций схемы. Наибольших перенапряжений в распределительном устройстве обычного типа следует ожидать, если вторая ВЛ отсоединена в точке 19, а разрядник остается присоединенным (кривая 1). Как видно из рис. 13 (кривая 2), в случае присоединения второй ВЛ перенапряжения уменьшаются незначительно.
Из кривых 3 и 4 видно, что перенапряжения в КРУ с элегазовой изоляцией значительно ниже и более равномерны и что на величину перенапряжений влияет присоединение второй линии. Чтобы получить еще более равномерное распределение максимальных перенапряжений и еще меньшие максимальные значения, на шинах в точке 4 может быть установлен третий разрядник. На кривой 5 показаны перенапряжения, возникающие при отсоединении второй линии.
1, 3 — присоединена одна линия; 2, 4 — присоединены две линии; 5 — присоединена одна линия, а на шинах установлен дополнительный разрядник; 6 — РУ обычного типа; 7 КРУ с элегазовой изоляцией; S — узловые точки по рис. 11; 9 — линейная ячейка; 10 - шины; 11 - трансформаторная ячейка.
Рис. 13. Максимальные перенапряжения в узловых точках на пути от линейной ячейки через шины к трансформатору Т4.
Рис. 12. Нарастание перенапряжений на трансформаторе Т4 в КРУ с элегазовой (1) и РУ с обычной (2) изоляцией (рис. 11).
Из рис. 15 видно сравнительно слабое влияние различных конструкций КРУ с элегазовой изоляцией, показанных da рис. 14, на перенапряжения на трансформаторе 4. В устройстве типа С рис. 14 будут возникать наименьшие перенапряжения при принятых параметрах волны атмосферных перенапряжений, набегающей на подстанцию по верхней линии (5 MB, 1,2/50 мкс). При устройстве типа D перенапряжения, создаваемые волной, набегающей по любой линии, одинаковы для всех трансформаторов.
Рис. 14. Различные конструкции КРУ с элегазовой изоляцией. Волновое сопротивление всех участков 60 Ом.
Для выбора наилучшей конструкции, естественно, должны быть выполнены дальнейшие расчеты для различных блуждающих волн. Для выбранных в соответствии с рис. 2 и 3 конструкций можно считать достаточными два комплекта разрядников. Из рис. 15 видно, как сказывается на перенапряжениях изменение конфигурации установки.
Рис. 15. Перенапряжения на трансформаторе Т4 для различных конструкций КРУ с элегазовой изоляцией, показанных на рис. 14.
Перекрытие на ВЛ может срезать волну, первоначально возникшую при коммутационных переключениях или ударе молнии. Для оценки возникающих па подстанциях перенапряжений был сделан расчет, для которого принято, что набегающая полна атмосферных перенапряжений (1,2/50 мкс) срезается, когда она достигает максимума (амплитудное значение 1 MB). На рис. 16 показано распределение и нарастание напряжения на трансформаторе 4 для распределительного устройства обычного типа и КРУ с элегазовой изоляцией (показанных на рис. 11). На рис. 17 показаны перенапряжения, возникающие на разомкнутом конце той же ячейки при отключенном трансформаторе 4. Сравнивая результаты, можно отметить большую крутизну кривой при изменении полярности перенапряжений и значительно большие амплитудные значения при обычном распределительном устройстве, приводящие к более тяжелым воздействиям на оборудование.
Для того чтобы найти максимальные перенапряжения при различных конфигурациях схемы и появлении блуждающих волн, должны быть выполнены более детальные расчеты на ЭВМ.
Рис. 16. Перенапряжения на трансформаторе Т4 (рис. 11) при срезанной косоугольной волне (затухание не учитывается).
1 — обычное РУ; 2 — КРУ с элегазовой изоляцией.
Однако совершенно очевидно, что у КРУ с элегазовой изоляцией появляются сравнительно низкие перенапряжения при воздействии атмосферных перенапряжений. Перенапряжения можно эффективно ограничить установкой лишь нескольких разрядников для защиты всего КРУ и присоединенного оборудования. Преимуществом КРУ с элегазовой изоляцией является достаточная координация изоляции. Значение наивысшего выдерживаемого при атмосферных перенапряжениях напряжения было взято из табл. 1, и защитный уровень разрядников принимался постоянным вне зависимости от продолжительности воздействия напряжения (рис. 8).
Рис. 17. Перенапряжения на разомкнутом конце ячейки трансформатора при срезанной косоугольной волне (затухание не учитывается).
1—2 — как на рис. 16.
Выводы
Положительный опыт, накопленный при эксплуатации КРУ с элегазовой изоляцией для напряжений до 362 кВ, и еще большие преимущества при их применении при сверхвысоких напряжениях делают возможным создание современных электропередач ультравысоких напряжений.
