Расстановка защитных аппаратов

Места установки в распределительном устройстве защитных аппаратов типа РВ и ОПН определены в правилах устройства электроустановок ПУЭ, где в качестве типовой рассматривается схема РУ, приведённая на рис. 25. На этом рисунке условно показано, каким образом различное оборудование распределительного устройства располагается по ходу набегающей с воздушной линии грозовой волны. В расчётах грозовых перенапряжений трансформаторы и другие высоковольтные аппараты заменяются своими входными ёмкостями — на рис. 25 можно видеть ёмкости силового трансформатора (Т) и измерительного трансформатора напряжения (ТН).

Рис. 25. Типовая схема защиты оборудования РУ от ГПН

Учитывая конечную скорость электромагнитных волн при их распространении по проводам ВЛ и ошиновке РУ, грозовые перенапряжения в схеме рис. 3 могут возникать:

— на изоляции Т только в том случае, когда грозовая волна прошла за точку установки ОПН; при этом возникающие на Т перенапряжения напрямую определяются защитными характеристиками ОПН;

— на изоляции ТН даже в том случае, когда грозовая волна ещё не дошла до ОПН, т. е. ОПН не вступил в работу по ограничению перенапряжений; при этом возникающие на ТН перенапряжения определяются в большей степени амплитудой грозовой волны, набегающей с ВЛ (т.е. сопоставимы с импульсной прочностью изоляции ВЛ, которая значительно выше изоляции оборудования РУ), а в меньшей степени — защитными характеристиками ОПН.

В типовых схемах вида рис. 25 ОПН устанавливается в непосредственной близости от силового трансформатора, как наиболее дорогостоящего оборудования, поэтому зачастую имеет место соотношение расстояний L₂ > L₁. Известно, что чем выше расстояние L от ОПН до защищаемого оборудования и чем меньше длительность фронта Т₁ набегающих грозовых волн, тем больше напряжение на оборудовании может превосходить напряжение на ОПН. Разница напряжений на защищаемом оборудовании, расположенным за ОПН по ходу волны, и остающимся напряжением на ОПН можно оценить по формуле.

где, а — крутизна фронта волны ГПН, кВ/мкс, L — расстояние от ОПН до оборудования за защитным аппаратом, м (на рис. 25 это L1), v — скорость распространения волны ГПН по ошиновке подстанции .

Для оценки напряжения на оборудовании, расположенном перед ОПН по ходу волны (на рис. 25 это трансформатор напряжения ТН) можно принять следующие упрощения. Приближённо можно считать, что ОПН ведёт себя как вентиль. При напряжении на ОПН меньше некоторого значения, за которое можно принять остающееся напряжение Uост, сопротивление разрядника бесконечно большое. С точки зрения волны ГПН его как бы и не существует, и волна проходит мимо разрядника. Если напряжение больше Uост, то для волны он представляет собой короткое замыкание (КЗ). Из теории волновых процессов известно, что при отражении волны от точки КЗ фронт волны обращается (знак напряжения меняется), т. е. в момент срабатывания разрядника от ОПН в сторону ТН начинает двигаться отражённая волна с амплитудой — Uост. Время подхода этой волны к ТН (рис.25) будет превышать время срабатывания ОПН на величину. Оценим время между моментом подхода волны ГПН к ОПН до его срабатывания. Собственное время переключения ОПН в проводящее состояние ~ 1 нс, т. е. за это время волна успеет продвинуться на 0,25 м. Этим временем можно пренебречь и считать, что переключение происходит мгновенно. Если крутизна фронта волны а, то за счёт подходящей с ЛЭП волны напряжение будет подниматься по закону.

(2.4).

Время между подходом волны и моментом срабатывания ОПН, казалось бы, можно найти из условия .

Однако, прошедшая мимо ОПН волна отразится от изоляции (силового трансформатора Т на рис.25) без обращения фронта (с тем же знаком) и вернётся к ОПН через время. Если t1 < t, что бывает практически всегда, то напряжение на ОПН будет подниматься по закону.

(2.5).

Момент срабатывания разрядника определится, как и прежде, при равенстве. Тогда время между подходом волны к ОПН и моментом его срабатывания определится.

(2.6).

Напряжение на оборудовании, стоящем по ходу волны до ОПН будет подниматься по (2.4) до тех пор, пока к нему не придёт отражённая от сработавшего ОПН волна. Время подъёма напряжения будет равно 2t2+t0, а само максимальное напряжение до подхода отражённой от ОПН волны с амплитудой определится как.

(2.7).

Если время 2t2+t0 больше времени фронта импульса Т1, то максимальное напряжение ограничивается U50% изоляторов ЛЭП, т. е. .

После подхода отражённой от ОПН волны ГПН напряжение на трансформаторе напряжения (рис.25) установится равным .

Следует отметить, что приведённые выше формулы для оценки напряжений на защищаемом оборудовании получены в оговорённых выше условиях: ОПН переходит из абсолютно непроводящего состояния в абсолютно проводящее мгновенно; отражение от оборудования рассматривается как отражение от разомкнутой линии. Для более точных расчётов следует решать системы дифференциальных уравнений с учётом реальных свойств ОПН и ёмкостей защищаемого оборудования. Тем не менее, оценки по формулам (2.32.7) имеют право на существование и дают несколько завышенные (~10%) значения напряжений.

Таким образом, наибольшим перенапряжениям подвергается не только оборудование, которое по ходу набегающей с ВЛ грозовой волны расположено до ОПН, но и наиболее удалённое от ОПН оборудование. В схеме рис. 25 в качестве такого оборудования выступает ТН.

Разность между допустимым напряжением на защищаемом оборудовании подстанции и остающимся напряжением на ОПН называется интервалом координации изоляции. Характеристики защитных аппаратов и допустимые импульсные напряжения на изоляции связаны соотношением.

(2.8).

где — допустимые импульсные напряжения на изоляции, — остающееся напряжение на ОПН при некоторой величине протекающего через ОПН тока, который называется током координации; - интервал координации определяется по (2.3), где вместо крутизны фронта подставляется максимально допустимая крутизна фронта волны ГПН на входе в подстанцию.

Минимальная длина защищённого подхода может быть определена по формуле.

(2.9).

где в кВ, в кВ/мкс, — в мкс/км (см рис.23).

Удары молнии в ЛЭП за пределами опасной зоны не вызовут недопустимых перенапряжений на защищаемом оборудовании подстанции. Удар молнии в ЛЭП в пределах опасной зоны может повредить оборудование. Число лет безаварийной работы подстанции (М) является одной из основных характеристик грозозащиты. М обратно пропорционно вероятности прихода опасных волн с ЛЭП, присоединённых к подстанции.

Если опасная зона защищена тросовой защитой, то опасные волны возникают в основном при прорыве молнии через тросовую защиту и обратном перекрытии изоляции с опоры на провод, которые были рассмотрены в предыдущем разделе.