Изоляция и перенапряжения

Типовой расчет

По курсу

«Изоляция и перенапряжения»

Вариант №19.

ЗАЩИТА ОТКРЫТОГО РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА (ОРУ) ПОДСТАНЦИИ.

Исходные данные:

Номинальное напряжение;

измеренное при средней влажности почвы удельное сопротивление грунта в районе расположения ОРУ;

длина пролета линии;

число грозовых часов за год в районе расположения подстанции;

габариты подстанции;

расстояние от разрядника до защи-щаемого объекта;

число воздушных линий электропередачи, подходящих к ОРУ;

эквивалентная ёмкость защищаемого объекта;

Степень загрязнения: 3.

Механическая нагрузка: 120 кН.

Для выполнения условий задания выберем унифицированную железобетонную опору(промежуточная одноцепная на оттяжках) ПБ500-1 (рис. 1).

Рис.1. Унифицированная железобетонная опора ПБ500-1.

Провод АС150/24.

1.  Определить требуемое число и тип изоляторов в гирляндах ЛЭП, подходящих к ОРУ и гирлянд на опорах в ОРУ. Принять, что одна ЛЭП имеет тоже напряжение, что и ОРУ. а остальное на класс ниже.

Нормированная удельная эффективная длина пути утечки для воздушной линии при номинальном напряжении 110-220 кВ и степени загрязнения равной 1:

Для линии с номинальным напряжением равным 150 кВ наибольшее рабочее напряжение равно 172,5 кВ.

Для нормальной работы гирлянды необходимо выполнение условия:

Здесь коэффициент пропорциональности равен:

Коэффициент учитывает высоту расположения изолятора над уровнем моря, и при высоте, меньше 1000 м., принимается равным 1.

Коэффициент учитывает эффективность формы изолятора:

Здесь — геометрическая длина пути утечки одного изолятора, — диаметр изолятора.

Изолятор ПС120-А подходит для нашей конструкции, т. к. может выдержать электромеханическую нагрузку более 80 кН. Его диаметр , а длина утечки .

Коэффициент учитывает конструкцию использования изолятора и для простейшей из них принимается равной 1.

Таким образом:

Следовательно, гирлянда изоляторов будет насчитывать:

.

Рассмотрим работу полученной гирлянды изоляторов под дождем при воздействии внутренних перенапряжений. Для нормальной работы гирлянды в данном режиме необходимо выполнение условия:

- допустимая кратность перенапряжений (зависит от номинального напряжения). Для номинального напряжения равного 150 кВ. .

- расчетная средняя мокроразрядная напряженность..

- строительная высота. Для нашего изолятора .

Это условие выполняется при количестве изоляторов равном 9.

Для линий 110-220 кВ для нормальной работы гирлянды необходимо увеличить число изоляторов на один, следовательно .

Рассчитаем число изоляторов в гирлянде для второй линии, подходящей к подстанции.

Для линии с номинальным напряжением равным 110 кВ наибольшее рабочее напряжение равно 126,5 кВ.

Для нормальной работы гирлянды необходимо выполнение условия:

Следовательно, гирлянда изоляторов будет насчитывать:

.

Рассмотрим работу полученной гирлянды изоляторов под дождем при воздействии внутренних перенапряжений. Для нормальной работы гирлянды в данном режиме необходимо выполнение условия:

Для линий 110-220 кВ для нормальной работы гирлянды необходимо увеличить число изоляторов на один, следовательно .

2.  Определить параметры контура заземления (длину и число вертикаль­ных электродов, шаг сетки), обеспечивающие допустимую величину его стационарного сопротивления заземления.

Рис.2. Схема подстанции (вид сверху).

Площадь подстанции .

Сезонный коэффициент принимаем равным (измерения удельного сопротивления грунта проводились при средней влажности грунта).

Расчетное удельное сопротивление грунта:

Примем шаг горизонтальной сетки , а длину вертикальных стержней . Таким образом, суммарная длина всех полос параллельных земле . Определим коэффициент , который в свою очередь зависит от соотношения , в нашем случае:

.

Рис. 3. Зависимость .

Судя по графику, значению соответствует .

Рассчитаем по эмпирической формуле сопротивление заземлителя (Стационарное сопротивление грунта) подстанции, выполненного (как указывалось выше) в виде сетки.

При данной конфигурации заземлительной сетки условие не выполняется, поэтому необходимо подобрать другие ее параметры.

Анализ формулы показал, что основное значение при расчете стационарного сопротивления играет , следовательно требуемое значение сопротивления заземлителя мы можем получить лишь при увеличении длины вертикальных стержней, но она не должна превышать , а при данном значении мы имеем: , что уже превышает допустимое значение…

3.  Подсчитать импульсное сопротивление контура заземления для пери­ода грозового сезона.

При больших импульсных токах – токах молнии – плотность тока, проходящего через заземляющие электроды, велика, поэтому в земле у поверхности электродов создаются очень высокие напряженности поля , превосходящие пробивные напряженности грунта. Вокруг электродов образуются зоны искрения, увеличивающие их эффективные размеры, и сопротивление заземления уменьшается. Быстрое же нарастание тока молнии на фронте импульса создает падение напряжения на индуктивности протяженного заземлителя, что ограничивает отвод тока с удаленных его частей. При этом сопротивление, наоборот, увеличивается. В результате того или иного фактора (образование зоны искрения, падения напряжения на индуктивности) сопротивление заземлителя при прохождении тока молнии – так называемое импульсное сопротивление - отличается от стационарного сопротивления, измеренного при переменном напряжении и сравнительно небольшом токе.

Рассчитаем импульсное сопротивление заземлителя . Оно зависит от импульсного коэффициента , который, в свою очередь, мы можем получить по приближенной формуле:

- Ток молнии. В нашем расчете принимается равным .

Рис. 4. Значения импульсного коэффициента

для заземлителей в виде сеток.

Зона (1-2) -

Зона (3-4) -

4.  Используя упрощённую расчётную схему замещения подстанции, (разрядник-ОПН, соединительная шина, защищаемый объект - силовой трансформатор), определить длину защитного подхода к подстанции (опасную зону) и определить ожидаемое число повреждений изоляции на подстанции от ударов молнии в ЛЭП на длине защитного подхода.

Рис. 5. Расчетная схема замещения подстанции.

Необходимую длину защищенного подхода к подстанции можно определить по формуле:

- 50%-ное импульсное разрядное напряжение линейной изоляции;

- удлинение фронта под действием импульсной короны;

- критическая крутизна волны, набегающей на подстанцию.

Оценим значение :

Рис. 6. 50%-ные разрядные напряжения гирлянд изоляторов с арматурой

при положительных (1) и отрицательных (2) грозовых импульсах.

(Справа, продолжение прямой отрицательного грозового импульса).

Оценив график представленный на рис. 6 делаем вывод что (рассматриваем отрицательные грозовые импульсы, т. к. примерно в 90% случаев молнии переносят на землю отрицательный заряд).

Удлинение фронта полного импульса под действием импульсной короны можно рассчитать по эмпирической формуле:

- амплитуда полного импульса. Практика проектирования и эксплуатации показала, что в инженерных расчетах допустимо применять следующее равенство , ;

- средняя высота подвеса проводов, ;

- Коэффициент, определяемый числом проводов в расщепленной фазе и, т. к. при в фазе один провод .

- Стрела провеса провода на длине пролета

Значение допустимого напряжения при эксплуатации силовых трансформаторов при рассчитаем с учетом .

Примем скорость распространения грозовой волны равной примерно скорости света .

Примем волновое сопротивление линии равное .

Рис. 7. Схема замещения подстанции

при ближнем ударе молнии.

Выберем для защиты подстанции вентильный разрядник РВС-150.

Рис. 8. Остающееся напряжение, кВ, при импульсе тока

с фронтом 8 мкс с амплитудой, кА.

Пересечение графиков дает значение допустимого напряжения для нашего случая .

Определим критическую крутизну фронта грозовой волны:

Рассчитаем ожидаемое число повреждений изоляции на подстанции от ударов молнии в ЛЭП на длине защитного подхода.

- вероятность прорыва молнии через тросовую защиту;

- высота опоры;

- вероятность перекрытия изоляции при ударе в опору;

- вероятность пробоя промежутка трос – провод при ударе в трос в середине пролета;

- вероятность перекрытия изоляции при ударе молнии в провод;

- длина пролета;

- вероятность образования устойчивой дуги при перекрытии изоляции опоры;

- вероятность образования устойчивой дуги при пробое воздушной изоляции в пролете.

Вероятность прорыва молнии через тросовую защиту определяется по эмпирической формуле:

- угол защиты образованный вертикалью, проходящей через трос, и прямой соединяющей трос с проводом, и характеризующее экранирующее действие тросов (рис. 11);

Рис. 9. Определение защитного угла тросов.

Вероятность перекрытия изоляции при ударе в опору определяется по значению критического тока:

Вероятность пробоя промежутка трос – провод при ударе в трос в середине пролета:

- напряжение между тросом и проводом;

- наименьшее расстояние между тросом и проводом;

Вероятность перекрытия изоляции при ударе молнии в провод определяется по критическому току следующим образом:

вероятность образования устойчивой дуги при перекрытии изоляции опоры:

Вероятность образования устойчивой дуги при пробое воздушной изоляции в пролете:

5.  Расставить на территории ОРУ молниеотводы для защиты электро-оборудования от прямых ударов молнии, определив их минимально необходимое число и высоту.

Защита подстанции от прямых ударов молнии осуществляется с помощью молниеотводов. Молниеотвод представляет собой возвышающееся над защищаемым объектом устройство, через которое ток молнии, минуя защищаемый объект, отводится в землю. Молниеотвод состоит из молние-приемника, непосредственно воспринимающего на себя удар молнии, токоотвода и заземлителя.

(1) (2)

Рис. Сечение зоны защиты стержневого молниеотвода.

(2) - Зона защиты двойного стержневого молниеотвода.

а) сечение вертикальной плоскостью, проходящей

через оси молниеотводов; б) сечение горизонтальной

плоскостью на высоте .

- Максимальная высота защищаемого объекта, и т. к. высота подвеса линий, соответственно выбранной нами опоры, равна примем . Примем высоту молниеотвода равной (обычно выбирают высоту на выше, чем ). Вероятность прорыва молнии через границу зоны не превышает .

Для защиты подстанции целесообразно использовать 5 стержневых молниеотводов, 4 из которых расположены в углах подстанции на расстоянии от каждой из границ, а один в центре подстанции…

Выполним расчет для пары молниеотводов угол-угол.

мы должны вести расчет по следующим формулам:

Выполним расчет для пары молниеотводов угол-центр.

мы должны вести расчет по следующим формулам:

Данная комбинация молниеотводов полностью защищает территорию подстанцию от ударов молнии.

Рис. 11. Расположение молниеотводов на

подстанции и их зоны защиты.

6.  Определить число повреждений в год изоляции электрооборудования ОРУ от прямых ударов молнии в молниеотводы и прорывов молниезащиты.

Среднее число перекрытий изоляции подстанции вследствие прорывов молнии в зону защиты:

- число ударов молнии в подстанцию за 100 грозовых часов;

- вероятность прорыва молнии в зону защиты подстанции;

- вероятность перекрытия изоляции при ударе молнии в провод (см. пункт №4);

- число грозовых часов в районе расположения подстанции.

Возвышающиеся над поверхностью земли объекты вследствие развития с них встречных лидеров собирают удары молнии с площади, превышающей их территорию. Число ударов молнии за 100 грозовых часов в сооружение (в подстанцию) длиной , шириной , высотой (за высоту подстанции примем наивысшее сооружение на ее территории, т. е. молниеотвод):

Вероятность прорыва молнии в зону защиты подстанции мы приняли равной и для данного значения рассчитали грозозащитные молниеотводы (см. пункт №5).

Число обратных перекрытий изоляции при ударах молниеотводы:

- вероятность обратного перекрытия при ударе в молниеотвод. Значение зависит от критического тока, при котором становится возможным обратное перекрытие гирлянд изоляторов на порталах с молниеотводами.

7.  Определить показатель грозоупорности подстанции.

Показатель грозоупорности подстанции - это число лет ее безаварийной работы:

- Среднее годовое число перекрытий изоляции подстанции вследствие набегания на нее опасных импульсов грозовых перенапряжений.

Число лет безаварийной работы подстанции равно 25 лет, следовательно грозоупорность подстанции мала.

8.  Предложить методы повышения грозоупорности подстанции.

Для уменьшения импульсного сопротивления заземления в местах присоединения молниеотводов к заземляющему контуру подстанции устраиваются дополнительные сосредоточенные заземлители в виде вертикальных электродов.

Для подстанций, расположенных в местностях с повышенным удельным сопротивлением грунта, целесообразным решением является установка молниеотводов, имеющих отдельные заземлители, электрически не связанные с заземляющим контуром подстанции. При установке таких молниеотводов должны соблюдаться безопасные расстояния по воздуху и в земле от молниеотводов и их заземлителей до элементов распределительного устройства.

На сопротивление грунта влияет степень уплотнения (плотность взаимного прилегания частиц) оказывает непосредственное влияние на его удельное сопротивление (чем лучше утрамбован грунт, тем меньше его удельное сопротивление), поэтому нужно как можно плотнее утрамбовать грунт. Если же грунт каменистый, (горные подстанции, подстанции расположенные в зоне вечной мерзлоты) для защиты от перекрытий вблизи подстанций на опорах используют разрядники, т. к. не возможно получить необходимое значение статического, а следовательно, и импульсного сопротивления.

Содержание в грунте растворенных веществ (солей, кислот, оснований), также влияет на удельное сопротивление грунта, поэтому с помощью добавок можно добиться уменьшения удельного сопротивления.

Молниеотводы на трансформаторных порталах, как правило, не устанавливаются вследствие низкого импульсного разрядного напряжения вводов низшего напряжения 6-10 кВ. Более того, для уменьшения вероятности повреждения изоляции трансформаторов корпуса их должны заземляться на расстоянии не менее 15 м (вдоль полосы заземлителя) от точек присоединения к заземлителю молниеотводов. При необходимости установки молниеотвода на трансформаторном портале обмотки низшего напряжения следует защищать вентильными разрядниками, включенными непосредственно у вводов 6-10 кВ или на расстоянии не менее 10 м от вводов 35 кВ.

Подстанционные здания и сооружения защищаются путем заземления металлической кровли или, если крыша неметаллическая, посредством сетки размером 5Х5 м2 из стальной проволоки диаметром 8 мм, которая располагается на крыше и присоединяется к заземлителю.