ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Томский политехнический университет
УТВЕРЖДАЮ
Зав. кафедрой ЭСВТ
профессор, д-р техн. наук
________В.Я.Ушаков
«___»_________ 2007 г.
АНАЛИЗАТОР ГРОЗОЗАЩИТЫ ПОДСТАНЦИЙ
Методические указания по выполнению лабораторной
работы по курсу «Молниезащита» для студентов специальности 140201
«Высоковольтные электроэнергетика и электротехника»
Томск 2007
УДК 621.311.015.38
Анализатор грозозащиты подстанций: Методические указания по выполнению
лабораторной работы по курсу «Молниезащита» для студентов специальности
140201 «Высоковольтные электроэнергетика и электротехника».-Томск: Изд. ТПУ,
2007.- 14 с.
Составители: доц. каф. ЭСВТ, канд. физ.-мат. наук Ю. И. Кузнецов
ассистент каф. ЭСВТ Е. В. Старцева
Рецензент - ст. н. с., канд. техн. наук В. М. Муратов
Методические указания рассмотрены и рекомендованы к изданию методическим
семинаром кафедры электроэнергетических систем и высоковольтной техники
21 декабря 2006г.
Зав. кафедрой
профессор, д-р техн. наук
В.Я.Ушаков
2
Цель работы - ознакомление с принципом действия анализатора и определение
надежности схем грозозащиты подстанций.
1. Краткие сведения
1.1. Функциональная схема анализатора грозозащиты
подстанций
Выбор схем защиты подстанций от набегающих волн перенапряжений и определение надежности схем грозозащиты при- водит к необходимости исследования переходных процессов на подстанциях.
Одним из наиболее удобных способов анализа перенапряжений является исследование на моделях, в которых аппараты замещены их входными емкостями, отрезки
проводов - ячейками L-C, а типовые разрядники - специальными схемами.
Такие модели называются анализаторами грозозащиты подстанций (АГП). АГП
представляет собой специализированное счетно-решающее устройство, посредством
которого можно исследовать переходные процессы при грозовых перенапряжениях в
сложных схемах подстанций. С помощью АГП можно определить количество защитных разрядников и выбрать места их установки или проверить уже принятую разрядников и координацию их защитных характеристик с импульсным уровнем изоляции
трансформаторов и аппаратов. Особый интерес представляет определение амплитуды
и крутизны опасных для подстанции волн, т.е. волн, вызывающих перекрытие изоляции в какой-либо наиболее уязвимой при данной волне точке подстанции. Совокупность всех опасных волн даёт возможность построить «кривую опасных волн» (КОВ),
которая характеризует грозоупорность подстанции и позволяет определить вероятное
число её грозовых отключений, т.е. критерий надёжности грозозащиты.
Блок-схема анализатора грозозащиты подстанций представлена на рис.1.
Рис.1. Функциональная схема анализатора грозозащиты подстанций
Анализатор состоит из следующих блоков:
1. Генератор волн.
3
2. Модель подстанции.
3. Блок моделей разрядников.
4. Осциллограф.
Генератор волн служит для получения импульсной волны с косоугольным фронтом
и медленным спадом. Амплитуда и крутизна фронта регулируются в широких пределах.
Модель подстанции в анализаторе выполняется в соответствии с условиями подобия электрических схем и содержит набор ячеек LC схемы замещения проводов сборных шин и ответвлений, активные сопротивления для имитации отходящих линий и
магазины емкостей для подбора эквивалентных ёмкостей электрооборудования подстанций (рис.2,а).
Рис.2. Элементы модели подстанции: а)-магазин емкостей; б)-ячейка простого типа;
в)-ячейка усложненного типа
Модель подстанции содержит набор ячеек двух типов: простого и усложнённого(рис.2,б,в). Ячейки простого типа позволяют осуществить две комбинации:
а) нормальная полная ячейка: L=32 мГн, C=2000 пкФ, Wя=
L
=4000 Ом, волновая
C
длина ячейки = LC =8мкс,
б) половинная ячейка: L=16 мГн, C=1000 пкФ, Wя=4000 Ом, волновая длина ячейки
=4мкс.
Ячейки с половинным значением волновой длины позволяют точнее набирать небольшие участки проводов, избегая грубого округления и облегчая моделирование.
Усложненная ячейка имеет те же индуктивности, что и простая, но четыре емкости.
Кроме двух предыдущих комбинаций эта ячейка позволяет осуществить ещё две:
а) L=16мГн, C=4000 пкФ - это ячейка с нормальной волновой длиной =8мкс, но
вдвое меньшим волновым сопротивлением Wя=2000 Ом;
4
б) L=32 мГн, C=8000 пкФ - это ячейка с волновым сопротивлением Wя=2000 Ом и
волновой длиной =16 мкс.
Такие комбинации целесообразно использовать при наборе эквивалентных схем
сложных подстанций с большим числом трансформаторов. В этом случае выгодно
объединять параллельно одинаковые ячейки силовых трансформаторов. При этом эквивалентное волновое сопротивление ответвления уменьшается вдвое, а входные емкости аппаратов удваиваются. При длинных воздушных переходах от трансформаторов к распределительным устройствам удобно пользоваться ячейками с удвоенной
волновой длиной (=16мкс), поскольку уменьшается число ячеек, необходимых для
набора модели эквивалентной схемы подстанции.
Блок моделей разрядников АГП содержит модели вентильных и трубчатых разрядников. При моделировании трубчатого разрядника модель вольт-секундной характеристики подключается к регулируемой модели индуктивности заземляющего спуска
Lоп и сопротивления заземления Rи.
При моделировании вентильного разрядника модель вольт-секундной характеристики подключается к модели вольт-амперной характеристики, выполненной по
принципу кусочно-линейной аппроксимации (Рис.3).
Рис.3. Кусочно-линейная аппроксимация вольт-амперной характеристики РВ
1.2.
Составление эквивалентной схемы замещения подстанции
Падение импульсных волн на подстанцию эквивалентно воздействию на нее напряжений весьма высокой частоты (200-500) кГц. Обмотки силовых трансформаторов и
трансформаторов напряжения в переходных процессах, протекающих с такой частотой, участвуют практически только своими входными емкостями. Шины подстанции и
соединительные провода между ними и оборудованием как в экспериментах, так и в
расчетах учитываются как линии конечной длины с распределенными параметрами.
5
Обычно исследуют развитие грозовых перенапряжений в течение первых 8-10 мкс,
так как к этому времени амплитуда перенапряжений во всех точках подстанции достигает своего максимального значения. Отражениями волн от точек, удаленных от
подстанции на 1,5км (т.е. за временем 10мкс) можно пренебречь. В связи с этим отходящие ЛЭП можно считать бесконечно длинными и учитывать их в эквивалентных
схемах активными сопротивлениями, равными волновому сопротивлению линий.
С учетом сказанного, при анализе грозовых перенапряжений на подстанции электрическая схема подстанции (рис.4,а) может быть заменена эквивалентной схемой замещения (рис.4,б).
Рис.4. а-однолинейная схема подстанции; б- эквивалентная схема замещения
Эквивалентная схема замещения составляется как однофазная. В ней сохраняются
действительные длины соединительных проводов, сборных шин и их волновые сопротивления. В точках подключения трансформаторов и высоковольтных аппаратов в
схеме включаются на землю емкости, равные входным емкостям аппаратов.
Исследование переходных процессов в сложных эквивалентных схемах замещения подстанций затруднено даже при использовании специализированных счетнорешающих устройств типа анализатора грозозащиты подстанций. В связи с этим
были проведены специальные исследования, в результате которых выработаны
правила упрощения эквивалентных схем подстанций:
1.Короткие отрезки соединительных проводов длиной 10-20 м на ответвлениях от
основных узловых точек можно заменять сосредоточенными емкостями, равными их
емкости на землю, т.е. 8 пкФ/м.
6
2.Сосредоточенные емкости, имитирующие короткие ответвления, разъединители,
выключатели и измерительные трансформаторы, можно разносить по правилу моментов между основными узловыми точками эквивалентной схемы (рис.5,а).
3. Если отходящая линия подключена между входным разъединителем линии, по
которой приходит волна, и узлом 2 (см. рис.5,б) или между узлом 2 и силовым трансформатором (точка 3), то шунт эквивалентного сопротивления можно переносить в
точку 2, но нельзя переносить в точку включения эквивалентной емкости трансформатора. Если отходящая линия подключена между точкой 2 и разрядником, шунт нельзя
переносить в точку 2 и лишь в крайнем случае можно перенести в точку включения
разрядника (при этом получается погрешность в сторону запаса).
Рис.5.К правилам упрощения эквивалентных схем замещения подстанций: а)-правило
моментов; б)-подсоединение эквивалентного шунта отходящих линий
4. Допустимо объединять в одну несколько близко расположенных узловых точек,
ответвлений к линиям, трансформаторам или разрядникам. При этом расстояние
между трансформаторами и ближайшим к нему разрядником уменьшать нельзя.
5. Емкости небольшой величины, включенные параллельно вентильному разряяднику, отбрасываются, так как они шунтируются малым сопротивлением разрядника.
Использование изложенных правил позволяет существенно упростить эквивалентные электрические схемы замещения подстанций. Например, полная схема замещения
рис.4,б приводится к упрощенной схеме рис.6.
1.3. Определение масштабов
Для исследования переходных процессов на подстанции необходимо эквивалентную схему замещения подстанции, характеристики вентильных разрядников и падающую волну привести к масштабу модели.
7
Рис.6. Упрощенная эквивалентная схема подстанции
При работе на анализаторе грозозащиты подстанций целесообразно пользоваться
масштабами напряжения в соответствии с табл. 1.
Таблица 1
Класс напряжения, кВ
35
110
220
500
Масштаб
1/2000
1/5000
1/10000
1/20000
Масштаб тока нельзя выбрать произвольно, поскольку он связан с масштабом сопротивлений, а последний зависит от параметров ячеек LC модели подстанции, имеющих волновое сопротивление 4000 Ом.
Масштаб сопротивления равен:
МR=ZЯ/ZП,
ZЯ -волновое сопротивление ячейки модели подстанции;
ZП -волновое сопротивление проводов подстанции.
Если, как обычно для линий 35-220 кВ ZП=ZЛ=400 Ом, то масштаб сопротивления
МR=10.
Масштаб тока равен Мi=MU/MR.
Масштаб времени можно выбрать, исходя из того, что время пробега волны по одной ячейки анализатора составляет
tЯЧ=√LЯЧСЯЧ =8мкс,
а время пробега реальной волны по проводам ошиновки подстанции длиной 1м:
tП=1/с=1/300 мкс.
Если одной ячейкой моделируют участок шин длиной 0 м, то масштаб времени
можно найти по формуле:
Mt 
tШ
2400

t•  0
0
Масштаб емкости:
Mc=Mt/MR
2. Определение кривой опасных параметров
После градуировки осциллографа и настройки моделей разрядников, модели подстанции и генератора волн осциллографируют напряжение во всех узловых точках
подстанции. Анализ показывает, что самой опасной точкой на подстанции является
8
точка подключения трансформатора. Сравнение напряжения в этой точке (кривая 2 на
рис.7) с кривой импульсного уровня изоляции трансформатора (кривая 1) показывает,
что приходящая на подстанцию волна является опасной.
Рис.7. Сравнение напряжения на трансформаторе (2,3) с кривой импульсного уровня изоляции трансформатора (1)
Рис.8. Кривая опасных волн
Увеличивая или уменьшая амплитуду (при той же крутизне), добиваются касания
кривой напряжения с кривой импульсного уровня изоляции (кривая 3 на рис.7). Подключая генератор волн к осциллографу, измеряют полученную амплитуду. Аналогично находятся опасные амплитуды для ряда других крутизн. Таким образом, получается совокупность точек, по которым строится кривая опасных волн (рис.8,а). Она разделяет все множество сочетаний амплитуд и крутизн набегающих на подстанцию волн
на две области: опасную (1) и безопасную (2).
Для импульсных волн с косоугольным фронтом амплитуда U, крутизна фронта U  и
длина фронта ф связаны простой зависимостью U =U/ф, позволяющей перестроить
кривую опасных волн в координатах U; t(кривая abc на рис.8,б). Если на рис. 8,б нане9
сти вольт-секундную характеристику изоляции линии на подходе (кривая dbf), то получается три области возможных параметров U и ф грозовых волн, набегающих на
подстанцию с линии.
О б л а с т ь А. Если набегающая с линии волна целиком располагается в области А
(волна 1 на рис.9), то грозовые перенапряжения на подстанции будут ниже допустимых.
Рис.9. Опасные и безопасные грозовые волны: 1-безопасная волна: 2-опасная волна,
возникающая на проводе на расстоянии х от подстанции: 3-деформированный фронт
волны (2) после пробега расстояния п
О б л а с т ь В. Это область грозовых волн, которые не могут прийти на подстанцию
вследствие срезов при перекрытии изоляции линии на подходе.
О б л а с т ь С. Волны, параметры которых соответствуют этой области, вызывают
на подстанции опасные перенапряжения. Это область опасных волн.
Если на проводе линии электропередачи на расстоянии х от подстанции возникла
грозовая волна (например, волна 2 на рис.9), то двигаясь к подстанции, она будет деформироваться с заметным уменьшением крутизны фронта. По методике, изложенной
в [2], можно рассчитать то расстояние п, которое необходимо пройти этой волне по
линии на подходе, чтобы , придя на подстанцию, волна полностью располагалась в
области А (волна 3 на рис.9), т.е. была бы безопасной.
Для ориентировочного вычисления необходимой длины грозозащитного подхода
может быть использовано следующее выражение:
п 
ct m
4U m
1,15( 1 
 1)
hcр
,
где п-длина подхода, м; Um-амплитуда напряжения волны, МВ; tm-максимально необходимое смещение фронта волны, мкс; с=300 м/мкс - скорость света; hср - средняя
высота подвеса провода, м.
10
3.Определение надежности защиты подстанции от набегающих волн
Основная задача исследования грозозащиты подстанций - оценка надежности защиты электрооборудования подстанции при заданных условиях, в число которых входят:
а)импульсная электрическая прочность изоляции;
б)характеристики защитных разрядников;
в)электрическая схема подстанции, учитывающая взаимное расположение всех аппаратов подстанции и в особенности расстояния между трансформаторами и разрядниками;
г)грозозащита линий на подходах к подстанции;
д)характеристики грозовой деятельности (число ударов молнии в линии на подходах и параметры тока молнии).
Первым шагом при определении надежности защиты подстанции от набегающих
волн является определение расчетным (или экспериментальным) путем кривой опасных параметров. Далее, для расчета вероятности воздействия на изоляцию электрооборудования подстанции опасных грозовых перенапряжений необходимо рассчитать
вероятность прихода на подстанцию с линии грозовых волн с параметрами, соответствующими области опасных волн.
Ожидаемое число лет работы подстанции без возникновения хотя бы одного опасного грозового перенапряжения
M
1

лет,
где  -ожидаемое число случаев возникновения опасных грозовых перенапряжений
в год.
Если длина защищаемого подхода к подстанции lП  lМАКС, где lМАКС - максимальная
длина опасной зоны, то величина  определяется по выражению
 = NlМАКСnЛР + 0,5 lМАКСnЛРП ,
где: N - число ударов молнии в 1 км линии в год,
nЛ -число линий, отходящих от подстанции,
Р -вероятность прорыва молнии на провода мимо тросов,
РП -вероятность перекрытия изоляции линии при прямом ударе молнии в опору.
Первое слагаемое в формуле учитывает число волн, возникающих на проводах на
подходе к подстанции за счет прорывов молнии сквозь тросовую защиту , а второе число волн, возникающих на проводах вследствие обратных перекрытий при прямых
ударах молнии в опору.
Число ударов молнии в линию (на один километр) может быть вычислено по приближенной формуле
N  4  hcp 
n
 10  2 ,
100
где hСР - средняя высота подвеса провода, м ,
n - число грозовых часов в году в районе подстанции.
11
Вероятность прорыва молнии на провода мимо тросов оценивается по формуле
lg P 
 h
90
-4,
где  - защитный угол троса на опоре в градусах,
h - высота опоры, м.
Вероятность перекрытия изоляции на опоре (Роп при прямом ударе молнии в опору
может быть вычислена по методике НИИ ПТ, однако, учитывая сравнительный характер рассматриваемого расчета надежности, целесообразно воспользоваться приближенной формулой
Pоп  е

I0
кр
26
,
где: I0 - грозоупорность линии при ударах молнии в опору.
I0 определяется по формуле
I о.кр 
где
U 50%
,
Rи    hоп
U50% – 50%-ное разрядное напряжение гирлянды изоляторов;
Rи – импульсное сопротивление заземления опоры;
 = 0,15 при 2х тросах;
 = 0,3 при 1ОМ тросе.
2. Порядок работы
1. Ознакомиться с назначением установки и работой всех ее блоков.
2. Для заданной преподавателем схемы подстанции составить эквивалентную схему
замещения, привести ее к масштабу модели.
3. Произвести градуировку осциллографа.
4. Настроить модели разрядников (вольт-секундные и вольт-амперные характеристики) и генератор волн на заданную волну, собрать схему подстанции.
5. Получить кривые U = f(t) для узловых точек подстанции при приходе на нее
определенной волны перенапряжения.
6. Сравнивая полученные данные с вольт-секундной характеристикой изоляции
оборудования, определить наиболее уязвимую точку подстанции.
7. Снять кривую опасных волн.
8. Рассчитать показатель грозоупорности подстанции от набегающих с линии волн.
3.Содержание отчета
1. Привести блок-схему анализатора и краткое описание его работы, электрическую
схему подстанции и эквивалентную схему замещения.
2. Определить масштабы и показать схему, приведенную к модели.
3. С учетом масштабов и чувствительности осциллографа привести вольтсекундные и вольт амперные характеристики разрядников и падающую на подстанцию волну.
12
4. Привести снятые на кальку осциллограммы напряжения в узловых точках подстанции и сравнить их с импульсным уровнем изоляции аппаратов, подключенных в соответствующих точках.
5. Привести кривую опасных параметров и расчет показателя грозоупорности подстанции.
4.Контрольные вопросы
1. Назначение анализатора грозозащиты подстанций
2. Основные блоки анализатора грозозащиты подстанций
3. Назначение и принцип работы генератора волн
4. Как устроена модель вентильного разрядника?
5. Какие элементы схемы РВ моделируют искровой промежуток?
6. Как регулировать пробивное напряжение модели разрядника
7. Каким образом моделируется вольт-амперная характеристика РВ?
8. Каким образом изменяется наклон отрезков прямых, заменяющих реальную ВАХ РВ?
9. Что представляет собой модель подстанции?
10. Какие элементы содержит каждая ячейка модели подстанции?
11. Каково волновое сопротивление модели подстанции и как оно соотносится с реальным волновым сопротивлением ошиновки подстанции?
12. С чего начинается составление схемы замещения подстанции?
13. Как выбрать масштабы времени, емкости?
14. Каким образом замещаются электрические аппараты в модели подстанции?
15. Как можно упростить схему замещения подстанции?
16. Что представляет собой кривая опасных параметров?
17. Охарактеризуйте кривую допустимых импульсных напряжений для изоляции подстанции.
18. Как привести кривую допустимых напряжений к экрану осциллографа ?
19. Методика определения кривой опасных параметров для конкретной подстанции
20.Как рассчитывается длина защитного подхода ЛЭП к подстанции?
21.Как изменится длина защитного подхода, если увеличить разрядное
напряжение гирлянды изоляторов?
Литература
1.Ларионов В.П., Базуткин В.В., Пинталь Ю.С. Техника высоких напряжений, - Энергоатомиздат,1986. – 464 с.
2.Техника высоких напряжений / И.М. Богатенков, Г.М. Иматов, В.Е Кизеветтер и др.
Под ред. Г.С. Кучинского. – СПб.: Изд. ПЭИПК, 1998 .
3.Техника высоких напряжений /Под ред. Д.В. Разевига. - М.: Энергия,1976.-488 с.
13
Анализатор грозозащиты подстанций
Методические указания по выполнению
лабораторной работы
Составители: Юрий Иннокентьевич Кузнецов
Елена Вячеславовна Старцева
Подписано к печати
.
Формат 60х84/16. Бумага писчая №2.
Печать RISO. Усл. печ. л.
. Уч.-изд. л. .
Тираж
экз. Заказ
. Цена свободная.
Издательство ТПУ. 634050, Томск, пр. Ленина, 30.
14