книги из ГПНТБ / Мельников, Н. А. Проектирование электрической части воздушных линий электропередачи 330-500 кВ

В соответствии с рекомендациями «Правил устройства элек­ троустановок» наибольшие нормативные величины скоростного напора ветра принимаются исходя из их повторяемости 1 раз в 15 лет для линий 500—750 кВ и 1 раз в 10 лет для линий 330 кВ. Учитывая, что последствия короткого замыкания, вызванного перекрытием воздушного промежутка, значительно менее опас­ ны, чем разрушение опоры или повреждение проводов, в настоя­

нормативных величин с учетом их повторяемости не 1 раз в 10— 15 лет, а 1 раз в 5 лет.

Во втором случае при определении минимально допустимых изоляционных расстояний по коммутационным перенапряжениям учитывается, что скорость ветра и перенапряжения являются не­ зависимыми переменными и поэтому может не учитываться ве­ роятность одновременного возникновения перенапряжений с рас­ четной кратностью и наибольших нормативных величин скорост­ ного напора ветра.

Оценка вероятностей совпадения коммутационных перена­ пряжений больших кратностей и различных скоростей ветра по­ казала, что при определении угла отклонения гирлянды расчет­ ная скорость ветра может быть принята равной 0,3 иМакс-

В третьем случае при определении минимально допустимых изоляционных расстояний по грозовым перенапряжениям угол отклонения гирлянды рассчитывается также при скорости ветра 0,3 Имакс, но не менее 10 м/с. Так же как и при коммутационных перенапряжениях, не рассматривается практическая возмож­ ность одновременного появления токов молнии с расчетной ам­ плитудой и расчетной скоростью ветра. Кроме того, в расчетах необходимо учитывать, что очень часто значительная часть трас­ сы линии электропередачи проходит по пересеченной местности, а опоры в каждом пролете часто устанавливаются на разных от­ метках. При этом поддерживающие гирлянды на опорах, нахо­ дящихся на более высоких отметках, будут под действием вет­ ра отклоняться в меньшей степени, чем на опорах, установлен­ ных на равнине. Одновременно гирлянды опор, установленных

впониженных местах, будут отклонены в большей степени.

Всвязи с изложенными обстоятельствами в (7-42) вводится коэффициент 0,75, снижающий вертикальные нагрузки на гир­ лянду от массы провода. Этот поправочный коэффициент позво­ ляет применять один тип опоры для всей среднепересеченной местности при сравнительно небольшом увеличении размеров траверсы.

Проверка выбранных расстояний между фазами по услови­ ям техники безопасности. Выбранное расстояние между фазами должно также обеспечить возможность безопасного подъема на опору для проведения профилактических осмотров гирлянд, ар­ матуры и проводов и производства ремонтных работ без снятия

205

напряжения с линии. Правила техники безопасности разрешают выполнение перечисленных операций на одноцепных и двухцеп­ ных опорах и любом расположении проводов при отсутствии гро­ зовой деятельности и обеспечении нормированных расстояний, гарантирующих безопасность эксплуатационного персонала в случае возникновения на линии коммутационных перенапря­ жений. Поэтому воздушный промежуток «провод — стойка опо­ ры» должен также удовлетворять требованиям подъема на опо­ ру, а промежуток «провод — траверса» — условиям для работы на траверсе. При выборе изоляционных расстояний по технике безопасности считается вероятным совпадение следующих фак­ торов: в момент нахождения на опоре монтера в наиболее небла­ гоприятном отклоненном от стойки положении могут возникнуть коммутационные перенапряжения с расчетной кратностью и ве­ тер со скоростью до 10 м/с. При больших скоростях ветра подъ­ ем на опору не разрешается. Возможное отклонение монтера от стойки во время его подъема на опору принимается рав­ ным 0,8 м.

Таким образом, необходимое для безопасного подъема на опору расстояние 5і от находящихся в вертикальном положении проводов или защитной арматуры до стойки складывается из приведенного в табл. 7-12 минимального допустимого по комму­ тационным перенапряжениям изоляционного расстояния, про­ межутка, учитывающего возможное отклонение от вертикаль­ ного положения тела человека, поднимающегося на опору, и рас­ стояния, на которое приближается провод к стойке опоры под действием ветра со скоростью 10 м/с. Расстояние S 2 между про­ водами и находящимся на опоре монтером или его инструмен­ том, кроме минимально допустимого изоляционного расстояния по коммутационным перенапряжениям, учитывает также воз­ можное в процессе работы приближение к токоведущим частям, которое в зависимости от номинального напряжения линии из­ меняется в диапазоне 0,35—0,9 м. С учетом приведенных выше исходных данных определены приведенные в табл. 7-14 безопас­ ные расстояния от находящихся под напряжением в вертикаль­ ном положении проводов или защитной арматуры линий 330— 750 кВ, требуемые для обеспечения подъема и работы на опоре или на траверсе.

Подъем внутри стойки металлической опоры для осмотра или окраски опор разрешается производить независимо от расстоя­ ния между проводом, находящимся под напряжением, и стойкой опоры. При производстве работ со стойки опоры, траверсы или телескопической вышки без применения устройств, изолирующих человека от земли, монтер не должен касаться изоляторов гир­ лянды, специальных ограждений н приближаться или прибли­ жать свой инструмент к находящимся под напряжением прово­ ду и защитной арматуре на расстояния, менее приведенных в табл. 7-14.

206

Глава восьмая

ЗАЩИТА ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ОТ АТМОСФЕРНЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

8-1 СОДЕРЖАНИЕ ПРОБЛЕМЫ

Параметры тока молнии. В СССР и за границей методом магнитной регистрации было проведено на высоких объ­ ектах более 5 000 регистраций, которые позволили установить вероятность воз­ никновения токов молнии с различной амплитудой. Наиболее часто регистри­ руются токи молнии в пределах до 50 кА. Значительно реже наблюдаются токи в диапазоне 50—100 кА. Амплитудные значения токов молнии, превыша­ ющие 100 кА, регистрировались только в единичных случаях и должны учи­ тываться только тогда, когда необходимо стремиться к полной грозоупорно­ сти защищаемого объекта или когда практически полная грозоупорность обес­ печивается параметрами электропередачи, выбранными из других расчетных условий.

Для оценки грозоупорности необходимо также знать форму и скорость нарастания волны тока при прямом ударе молнии, а также количество пря­ мых ударов в линию электропередачи.

Волна тока имеет форму, показанную на рис. 8-1. Для расчетов грозо­ упорности волна тока может быть принята в виде полукосинусоиды, имею­ щей максимальную крутизну в середине фронта. Практически такие же ре­ зультаты можно получить, пользуясь косоугольной волной с постоянной кру­ тизной. В настоящее время еще не установлена жесткая связь между ампли­ тудным значением тока молнии и крутизной. Амплитудное значение тока мол­ нии / м и крутизна связаны между собой соотношением

(8- 1)

где Тфр— длина фронта волны тока молнии (рис. 8-1); а — крутизна тока,

характеризующая скорость нарастания тока до максимального значения.

По результатам измерений средняя длина фронта тока молнии составля­ ет 2,5 мкс, а длина волны 40 мкс.

Атмосферные перенапряжения на линиях электропередачи. Атмосферные перенапряжения на линиях электропередачи возникают в тех случаях, когда вблизи трассы линии происходит грозовой разряд между облаком и землей или при непосредственном поражении молнией опор, заземленных тросов или проводов. Атмосферные перенапряжения разделяются на индуктированные электромагнитным полем канала молнии и перенапряжения, возникающие в результате прямого удара в линию электропередачи.

208

тельно небольшой скоростью, с уда­ ленных участков проводов линии

электропередачи, всегда имеющих емкостную связь с землей, начинают пере­ мещаться к месту разряда положительные заряды, компенсируемые на про­ воде электрическим полем отрицательных зарядов лидера. С момента начала главного разряда происходит распад электрического поля, созданного заря­ дами лидера, и положительные заряды на проводе перестают быть связанны­ ми и начинают растекаться по обе стороны от места разряда.

В результате этого процесса повышается потенциал провода и на линии возникают перенапряжения, индуктированные электромагнитным полем глав­ ного разряда. Для оценки влияния электромагнитного поля канала молнии на линию электропередачи ниже раздельно рассмотрены электрическая и маг­ нитные составляющие индуктированного напряжения. Следует отметить, что при разряде молнии в землю перенапряжения, индуктируемые на проводах линии электропередачи, как правило, не превышают 300—400 кВ и поэтому для изоляции линий электропередачи сверхвысокого напряжения опасности не представляют. Чем ближе место разряда к проводам линии электропере­ дачи, тем больше индуктированные перенапряжения. Наибольшего значения они достигают при разряде молнии непосредственно в опору, когда канал молнии в максимальной степени приближен к проводам.

Электрическая составляющая индуктированного напряжения определя­ ется потенциалом на линии, создаваемым внешним полем и реакцией линии на воздействие этого поля, состоящем в разделении зарядов на линии и рас­ текании их в разные стороны. Величина электрической составляющей на ли­ нии, не защищенной тросами по всей длине, может быть определена по фор­

где а — крутизна тока молнии; /гпр — высота подвески провода; h o n — высота опоры; V — скорость света; ß — относительная скорость распространения глав­

ного разряда в канале молнии по отношению к скорости света;

На линии электропередачи, защищенной тросом, необходимо учитывать некоторые особенности протекания процесса. В лидерной стадии заряды на заземленных тросах, так же как и на проводах, подтягиваются к месту удара и с момента начала главного разряда растекаются в противоположные сто­ роны. Прохождение тока по тросам приводит к уменьшению электрической составляющей индуктированного напряжения на проводе, которая в этом случае может быть определена по формуле

< м >

где k — коэффициент связи между тросом и проводом (рис. 8-2); Лтр — вы­

сота подвески троса.

209

Рис. 8-2. Определение коэффициента связи между тросом и проводом.

Результаты расчетов показывают, что, например, для линии 330 кВ с опо­ рами портального типа, защищенной вдоль всей длины двумя тросами, элек­ трическая составляющая индуктированного напряжения составляет около 30% суммарной величины напряжения, приложенного к изоляции.

Магнитная составляющая индуктированного напряжения не вызывает пе­ реходного процесса и зависит только от изменения во времени внешнего маг­ нитного поля, вызванного прохождением тока в проводах линии электропере­ дачи или по стойкам опоры.

Магнитная составляющая индуктированного напряжения состоит из двух слагаемых, первая из которых определяется током, проходящим при прямом ударе молнии через опору, а вторая — током в канале молнии. Эти слагаемые имеют одинаковый порядок величин. Магнитная составляющая индуктирован­ ного напряжения может быть представлена в виде суммы

где Lgfi — индуктивность участка опоры, длина которого равна высоте под­

портальными опорами и импульсным сопротивлением заземления 10 Ом со­ ставляет около 30% суммарной величины напряжения, приложенного к изо­ ляции.

Падение напряжения в сопротивлении заземления опоры. В случае прямо­ го удара молнии в заземленную опору линии электропередачи после много­ кратных отражений волны от заземлителей и вершины опоры начинается процесс протекания через опору импульсных токов. Проходящий через опору ток создает падение напряжения в сопротивлении заземления. Это напряже­ ние считается полностью приложенным к изоляции линии электропередачи, так как напряженность электрического поля по мере удаления от места пря­ мого удара резко уменьшается и потенциал на проводе даже в непосредствен­ ной близости от опоры будет близок к нулю. Величина проходящего через опору тока зависит также от волнового сопротивления тросов, через которые часть тока ответвляется в заземлители соседних опор. Падение напряжения в сопротивлении заземления опоры, имеющее, так же как и ток молнии, от­ рицательную полярность, будет равно:

210

Эта величина при импульсном сопротивлении заземления, равном 10 Ом, составляет около 25% всего напряжения, приложенного к изоляции.

Напряжение на проводе, индуктируемое током, протекающим в тросах. Не­ обходимо учитывать, что в результате прямого удара молнии, кроме процес­ сов, описанных выше, по тросам, имеющим непосредственную электрическою связь с опорой, начнет проходить электрический ток, величина которого за­ висит от электродвижущей силы и сопротивления контура «тросы — опора».

Электродвижущая сила, вызывающая прохождение тока в тросах, скла­ дывается из падения напряжения в сопротивлении заземления опоры и маг­ нитной составляющей индуктированного напряжения. В результате прохож­ дения тока по тросу на проводе индуктируется напряжение, зависящее от ве­ личины проходящего тока и коэффициента связи между тросом и проводом:

(8-7)

где

тр "Тр •

Это напряжение будет иметь знак, обратный знаку индуктированных на­ пряжений, так как прохождение тока по тросам в направлении к соседним опорам снижает величину напряжения, приложенного к изоляции линии. Па­ дение напряжения в сопротивлении заземления опор в сочетании с напряже­ ниями, индуктированными электромагнитным полем канала молнии, объеди­ няются в общее понятие перенапряжений прямого удара молнии.

Влияние рабочего напряжения линии электропередачи. Рабочее напряже­ ние на проводах линии изменяется по синусоидальному закону и может в за­ висимости от момента удара иметь различные мгновенные значения. Однако на трехфазной линии в любой момент времени на одной из фаз будет на­ пряжение, совпадающее по знаку с полярностью импульсного разряда мол­ нии. Принимается, что воздействие на изоляцию импульсной волны, наложен­ ной на рабочее напряжение, эквивалентно воздействию импульсной волны с амплитудой, увеличенной на величину рабочего напряжения.

В расчетах грозозащиты рекомендуется принимать среднее за полупериод значение рабочего напряжения 1/Р = 0,675£/Вом. Учет рабочего напряжения имеет практическое значение для установок сверхвысокого напряжения, в ко­ торых рабочее напряжение составляет 7—10% всего напряжения, приложен­ ного к изоляции.

8-2 УРОВНИ ГРОЗОУПОРНОСТИ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ И ЗАЩИТНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ

В момент прямого удара молнии к изоляции линии электро­ передачи приложена разность напряжений на проводе и опоре. В соответствии с описанным выше процессом возникновения ин­ дуктированных перенапряжений электромагнитное поле канала молнии индуктирует на проводе напряжение положительной по­ лярности, а падение напряжения в заземлении опоры, так же как и ток молнии, в большинстве случаев будет иметь отрица­ тельную полярность. Таким образом, напряжение, приложенное к изоляции, будет равно алгебраической сумме напряжений, при­ ложенных к проводу и тросу, и может быть определено из выра­ жения

(8-8)

211

где Umід — сумма электрической н магнитной составляющих ин­ дуктированных перенапряжений.

В тех случаях, когда напряжение, приложенное к изоляции, оказывается больше импульсного 50%-ного разрядного напря­ жения гирлянды, на линии электропередачи происходит грозовое перекрытие. Величина тока молнии, при котором происходит пе­ рекрытие, характеризует защитный уровень линии или уровень грозоупорности.

Линии электропередачи высокого напряжения по технико­ экономическим соображениям специально никогда не рассчиты­ вались на абсолютную грозоупорность. Изоляция линий и меры грозозащиты выбирались таким образом, чтобы без заметного увеличения стоимости линий обеспечить достаточную надеж­ ность эксплуатации.

После непосредственного поражения проводов линии электро­ передачи ток молнии растекается в обе стороны от места пря­ мого удара. Амплитуда волны перенапряжения, воздействующая на изоляцию линии, может быть определена по формуле

(8-9)

где 2К — волновое сопротивление линии с учетом импульсной ко­ роны; / м — амплитуда тока молнии.

При непосредственном поражении проводов перекрытие изо­ ляции линии 330—500 кВ происходит при токах 10—15 кА, ве­ роятность возникновения которых велика. Поэтому в качестве основного средства грозозащиты применяется подвеска зазем­ ленных тросов вдоль всей длины линии электропередачи.

На линиях, защищенных тросом, грозовое перекрытие, как правило, происходит в двух расчетных случаях:

а) после прямого удара молнии в вершину опоры или в тро­ сы вблизи опоры. Перекрытие, называемое обратным, возникает в результате повышения потенциала на опоре;

б) в результате непосредственного поражения молнией про­ водов помимо тросов.

Определение возможности обратного перекрытия при прямом ударе молнии в опору производится путем построения кривой опасных параметров, по которой определяется зона сочетаний амплитуды и крутизны токов молнии, приводящих к перекры­ тию изоляции.

Для того чтобы оценить вероятность перекрытия изоляции линии, необходимо сопоставить изменение во времени напряже­ ния на изоляции по (8-8) с ее вольт-секундной характеристикой, уравнение которой имеет вид:

(8-10)

212

Пересечение вольт-секундной характеристики с кривой напря­ жения, построенной при определенной крутизне тока молнии а и определит время разряда tv\, а следовательно, и амплитуду то­ ка молнии / мі= Оі^рь при которой происходит перекрытие изо­ ляции. На рис. 8-3 схематически изображены кривые изменения напряжения, воздействующего на изоляцию для трех значений крутизны а\, а2, а3, и вольт-секундная характеристика гирлянды изоляторов. Из пересечения этих кривых определяются три зна­ чения времени перекрытия t\, t2, t3. Соответствующие этим вре­ менам значения токов молнии будут:

Таким образом, можно определить все возможные сочетания амплитуды и крутизны тока молнии, которые приводят к пере­ крытию изоляции. Для удобства расчетов следует прежде всего построить кривую

После этого, задаваясь произвольными значениями времени t\, t2, по вольт-секундной характеристике можно определить со­ ответствующие этим временам значения разрядного напряжения І/рь t/ p2 и т. д. Из условия равенства значений напряжения на гирлянде и разности разрядного и среднего рабочего напряже­ ния для разных моментов времени определяем значение кру­ тизны

213

и находим, что в зависимости от значения крутизны разряд про­ изойдет при различных величинах тока молнии

По значениям а* и /мгстроится кривая опасных параметров тока молнии.

Все удары молнии, которые будут изображены точками, на­ ходящимися в области, лежащей справа от кривой опасных па­ раметров, приведут к перекрытию изоляции, в то время как уда­ ры, изображаемые точками, находящимися слева от кривой опасных параметров, оказываются для изоляции безопасными

Защитное действие тросов на линиях электропередачи при­ нято характеризовать показанным на рис. 8-4 углом защиты, образованным вертикалью, проходящей через трос, и линией соединяющей трос с проводом. С уменьшением величины за­ щитного угла улучшается экранирующее действие тросов. Ве­ роятность непосредственного поражения провода зависит не только от величины защитного угла, но и от высоты подвески тросов, т. е. от высоты опор линий электропередачи. Анализ опы­ та эксплуатации показывает, что на линиях электропередачи вы­ сотой до 25—30 м при углах защиты 20—30° количество непо­ средственных поражений провода сравнительно невелико. В то же время при больших углах количество прорывов молнии на провода помимо тросов заметно увеличивается.

На линиях с опорами большей высоты вероятность прорыва существенно возрастает даже при сравнительно небольших за­ щитных углах. Этот вывод подтверждается опытом эксплуата­ ции сооруженных в течение последних лет линий с высокими опорами, на которых количество грозовых перекрытий резко увеличилось. Предполагают, что это явление связано со сниже­ нием отношения высоты ориентировки разряда молнии к высоте проводов и тросов, которые в этом случае попадают в зону ин­ тенсивной ионизации, где молния теряет свои свойства избира­ тельной поражаемости.

В результате анализа опубликованных данных по опыту экс­ плуатации линий электропередачи ПО—500 кВ, а также учета ла­ бораторных исследований рекомендуется следующая эмпири­ ческая формула для расчета количества грозовых отключений, вызванных непосредственным поражением проводов помимо троса:

ры, м.

На основании результатов измерений можно считать, что ам­ плитуда и крутизна фронта волны тока молнии не связаны меж­ ду собой однозначной функциональной зависимостью. В соот­

214