ТЕХНОЛОГИИ ГРОЗОЗАЩИТЫ ВЛ ВЫСШИХ КЛАССОВ НАПРЯЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ОПН И РАЗРЯДНИКОВ С ВНЕШНИМ ИСКРОВЫМ ПРОМЕЖУТКОМ

Авторы: Гайворонский А.С., Заболотников А.П.

Докладчик : Гайворонский Александр Сергеевич

2

1. Конструкции , область применения ОПН и ЛР2. Технические решения по грозозащите ВЛ с применением ОПН и ЛР

2.1 Схемы защиты2.2 Требования к характеристикам ОПН, ЛР2.3 Способы установки ОПН, ЛР на линии

3. Нормативная база применения ОПН, ЛР4. Опыт эксплуатации и эффективность применения ОПН, ЛР

СОДЕРЖАНИЕ

3

КОНСТРУКЦИИ ЛИНЕЙНЫХ ОПН И ЛР С ВНЕШНИМ ИСКРОВЫМ ПРОМЕЖУТКОМ

а) ЛР с внешним искровым промежутком б) линейный ОПН

4

ПРИМЕРЫ УСТАНОВКИ ЛИНЕЙНЫХ ОПН НА ВЛ

ВЛ 400 кВ «Линке - 1,2» ВЛ 220 (500 кВ) «Центральная - Дагомыс»

5

ВЛ 220 кВ «НГРЭС-Тында», установка ЛР на промежуточной опоре

ПРИМЕР УСТАНОВКИ ЛР С ВНЕШНИМ ИСКРОВЫМ ПРОМЕЖУТКОМ

6

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

• Грозозащита ВЛ 110-500 кВ, эксплуатируемых без тросов;

• Грозозащита ВЛ 110-330 кВ в районах с высоким удельным сопротивлением грунтов;

• Защита локальных участков ВЛ, к которым предъявляются повышенные требования надежности (большие переходы, пересечения ВЛ и др.).

7

Класс напряжения

Протяженность ВЛ: общая, км,

без троса, %

Среднегодовая продолжительност

ь гроз, часы

Число грозовых отключений*в расчете на:

одну ВЛ в год 100 км в год

МЭС Западной Сибири

220 кВ 563 (80%) 4-10 2,1(0,5÷4,3)

1,8(0,5-3,9)

МЭС Северо - Запада

330 кВ 220 (70%) 8-10 0,75(1,3÷2,2)

1,8(1,1-2,8)

МЭС Юга220 кВ 61,5 (62%) 140 5,3 8,6

330 кВ 1537 (60%)40-80

2,8(0,4÷10,6)

2,3(1,2÷5,5)

500 кВ 504 (25%) 3,6(1,4÷5,2)

2,1(0,4÷8,2)

Обобщенные данные опыта эксплуатации по грозовым отключениям ВЛ 220-500 кВ, эксплуатируемых без тросов.

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯГрозозащита ВЛ 110-500 кВ, эксплуатируемых без тросов

* - приводится среднее значение числа грозовых отключений и пределы его изменения по нескольким ВЛ (в скобках).

8

Класс напряжения Длина ВЛ, км

Сопротивление ЗУ опор: среднее значение/ коэффициент вариации,

Ом/%

Среднегодовая продолжительность

гроз, часы

Удельное число грозовых отключений*, 1/100 км/год

МЭС Востока

220 1400 28,5 / 97 50-60 4,5 (1,8÷7,2)МЭС Сибири

220714 39,7 / 30 30 4,0 (1,2÷9,3)

1273 16,5 / 60 50-60 2,3 (1,2÷4,5)МЭС Западной Сибири

220 112 31,8 / 35 50 4,8 (4,5÷5,2)МЭС Северо – Запада

220 442 42,1 / 40 20-25 1,7 (1,2÷2,4)

330440 49,3 / 55 15-30 0,97 (0,7÷1,1)

196 27,0 / 58 40-50 0,50 (0,4÷0,6)* - приводится среднее значение числа грозовых отключений и пределы его изменения по нескольким ВЛ (в скобках)

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯГрозозащита ВЛ 110-330 кВ в районах с высоким удельным сопротивлением грунтов

Обобщенные данные опыта эксплуатации по грозовым отключениям ВЛ 220-330 кВ в районах с высоким удельным сопротивлением грунтов.

ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ГРОЗОЗАЩИТЕ ВЛ С ПРИМЕНЕНИЕМ ОПН, ЛРВыбор типа защитного аппарата

Грозозащита ВЛ 110-500 кВ, эксплуатируемых без тросов – предпочтительны линейные ОПН.Главным критерием в пользу выбора линейного ОПН в этом случае является снижение токовых и энергетических воздействий на защитный аппарат при прямых ударах молнии в фазный провод. Линейные ОПН, установленные на соседних опорах (пролетах) ВЛ, работают как «распределенный» защитный аппарат.

Грозозащита ВЛ 110-330 кВ в районах с высоким удельным сопротивлением грунтов – предпочтительны ЛР с внешним искровым промежуткомСхема растекания тока при ударах молнии в трос такова, что эффект «распределенного» защитного аппарата не реализуется. Таким образом, токовые и энергетические воздействия на ОПН и ЛР в данном применении практически одинаковы и поэтому не являются определяющими при выборе типа защитного аппарата. На первый план выходят такие показатели, как: стоимость, надежность работы, удобство монтажа и обслуживания, по которым ЛР с внешним искровым промежутком имеют преимущества по сравнению с ОПН.

ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ГРОЗОЗАЩИТЕ ВЛВыбор схемы защиты

Характеристики объекта________________

Конструктивные параметры ВЛТрасса ВЛГрозовая активность

Схема защиты:____________________________

Расстановка ОПН, ЛР по опорам Расстановка ОПН, ЛР по фазам

Требования надежности защиты________________

Допустимое число отключений

Риск повреждения ОПН, ЛР

Характеристики грозопоражаемости ВЛ________________

Общее число ударов молнии в линиюРаспределение ударов по фазам и длине пролетаЧисло отключений

11

ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ГРОЗОЗАЩИТЕ ВЛ Выбор схемы защиты

Тип опорыОдностоечная опора с

треугольным расположением проводов

Портальная опорас горизонтальным

расположением проводов

Одностоечная двухцепная опора с вертикальным расположением

проводов

Схема защиты

Надежность защиты >0,999 >0,95 >0,8 >0,999 >0,85 >0,999 >0,99 >0,9

Номер варианта Т1 Т2 Т3 Г1 Г2 В1 В2 В3

Грозозащита ВЛ без тросов – варианты схем расстановки ОПН по фазам

- фазный провод без ОПН; - фазный провод с установленным ОПН.

12

Грозозащита ВЛ без тросов – варианты схем расстановки ОПН по опорам:• на каждой опоре• через одну опору

Lз

пр

пер 30 уд0

2L

Pc xP F S U f x dxz x c

ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ГРОЗОЗАЩИТЕ ВЛВыбор схемы защиты

13

Грозозащита ВЛ без тросов - надежность защиты при установке ОПН через одну опору

Предельная длина пролета ВЛпри уровне надежности 0,9:

- ВЛ 110 кВ – 120 м;- ВЛ 220 кВ – 160 м;- ВЛ 330 кВ – 190 м;- ВЛ 500 кВ – 270 м.

ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ГРОЗОЗАЩИТЕ ВЛВыбор схемы защиты

14

Тип опоры Одностоечная опора с треугольным расположением проводов

Одностоечная двухцепная опора с вертикальным расположением проводов

Схема защиты

Надежность защиты >0,999 Сл. слайд >0,999 Цепь с ЛР - 0,999

Цепь без ЛР – Сл. слайд Сл. слайд

Номер варианта Т1 Т2 В1 В2 В3

Варианты расстановки ЛР по фазам в схемах грозозащиты ВЛ с тросом при больших сопротивлениях ЗУ опор.

- фазный провод без ОПН; - фазный провод с установленным ЛР.

ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ГРОЗОЗАЩИТЕВыбор схемы защиты

15

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0 20 40 60 80 100 120 140 160Сопротивление ЗУ, Ом

Веро

ятно

сть

пере

кры

тия

изол

яции

без ЛР

В2

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0 20 40 60 80 100 120 140 160Сопротивление ЗУ, Ом

Веро

ятно

сть

пере

кры

тия

изол

яции

без ЛР

В2

В3

Опора ПБ220-3 Опора П220-2

Вероятность обратного перекрытия изоляции ВЛ 220 кВ в зависимости от сопротивления ЗУ опор для вариантов с частичной защитой фаз

- Т2 - В2 - В3

ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ГРОЗОЗАЩИТЕ ВЛВыбор схемы защиты

16

Грозозащита ВЛ в районах с высоким удельным сопротивлением грунтов – схемы расстановки ЛР по опорам:

• установка ЛР производится на участках ВЛ с наибольшими сопротивлениями ЗУ опор (вероятностью обратного перекрытия изоляции);

• для обеспечения эффективной защиты ЛР должны быть установлены на каждой опоре защищаемого участка ВЛ, а также на ближайших опорах, примыкающих к защищаемому участку (слева и справа), независимо от сопротивления ЗУ этих опор.

ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ГРОЗОЗАЩИТЕ ВЛ Выбор схемы защиты

Номер опоры

Веро

ятно

сть

обр

атно

го

пере

кры

тия,

о.е

17

ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ГРОЗОЗАЩИТЕ ВЛ Требования к характеристикам ОПН, ЛР

Требования к характеристикам линейных ОПН и ЛР должны устанавливаться с учетом особенностей конструкции и условий их применения.

Прежде всего, это касается:• требований к удельной энергоемкости (пропускной способности) ОПН

и ЛР при воздействии грозовых перенапряжений;• специальных требований к ОПН в отношении массы, габаритных

размеров, устройства отделителя;• специальных требований к ЛР в отношении защитной характеристики,

электрической прочности, дугогасящей способности.

18

Токовые и энергетические воздействия на ОПН, ЛР

при ударах молнии________________

Количество воздействийПараметры импульсов тока молнииКонструктивные параметры ВЛМесто удара

Удельная энергия ОПН, ЛР

Требования надежности________________

Допустимый риск повреждения ЛР

Функция распределения энергии, поглощаемой ЛР

Поток отказов ОПН, ЛР

ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ГРОЗОЗАЩИТЕ ВЛВыбор удельной энергии ОПН, ЛР

19

ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ГРОЗОЗАЩИТЕ ВЛ Выбор удельной энергии ОПН, ЛР

поврудповр PNN

HЛРповр WWFP

Показатель надежности – допустимый поток отказов ОПН, ЛР – не более 1/100 км/год

Ожидаемое расчетное число повреждений ОПН, ЛР на 100 км в год, вызванных ударами молнии:

Nуд – число ударов молнии в защищаемый участок ВЛ, 1/100 км/год,Pповр – вероятность повреждения ЛР (ОПН) при ударе молнии:

F(WЛР) – функция распределения удельной энергии, поглощаемой ОПН, ЛР;WН – нормированная удельная энергия, которую может поглощать ОПН, ЛР без риска для повреждения.

20

Модель переноса заряда

Первый удар – импульс тока 2/140 мкс, заряд Q1

Последующие удары – 2 импульса тока 2/140 мкс,заряд Q2 = 0,25×Q1

QΣ = Q1 + 2×Q2

W Σ = W(Q1) + 2×W (Q2)

ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ГРОЗОЗАЩИТЕ ВЛВыбор удельной энергии ОПН, ЛР

21

Грозозащита ВЛ 110-500 кВ без тросов Грозозащита ВЛ 110-330 кВ с тросом в районах с высоким удельным сопротивлением грунта

Расчетные функции распределения энергии, поглощаемой ОПН и ЛР, для некоторых типичных условий их применения

ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ГРОЗОЗАЩИТЕВыбор удельной энергии ОПН, ЛР

22

Наименьшая допустимая удельная энергия ОПН, ЛР при заданном допустимом потоке отказов - не более 0,1/100 км/год

ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ГРОЗОЗАЩИТЕВыбор удельной энергии ОПН, ЛР

Грозозащита ВЛ 110-500 кВ без тросов Грозозащита ВЛ 110-330 кВ с тросом в районах с высоким удельным сопротивлением грунта

23

Область применения Класс напряжения

Среднегодовая продолжительность

гроз, часы

Характеристики ОПН, ЛРКласс

пропускной способности

Удельная энергия,

кДж/кВ UНР

Грозозащита ВЛ без тросов

220 кВ≤ 10 4 >7,0

40÷80 5 11,0÷12,5

330 кВ≤ 10 2 >3,5

40÷80 4 6,0÷7,0500 кВ 40÷80 3 4,0÷5,0

Грозозащита ВЛ в районах с высоким

удельным сопротивлением

грунтов

110; 220 кВ20÷30 2 >2,4

50÷60 2 >3,0

330 кВ 20-50 2 >2,0

ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ГРОЗОЗАЩИТЕ ВЛВыбор удельной энергии ОПН, ЛР

Характеристики пропускной способности ОПН, ЛР для типичных условий их применения

24

ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ГРОЗОЗАЩИТЕ ВЛСпециальные требования к ЛР с внешним искровым промежутком

№ п.п. Наименование характеристики Значение1 Номинальное напряжение сети, кВ 110 220 3302 Номинальный разрядный ток ЛР, кА 103 Класс пропускной способности 24 Номинальное напряжение ЛР, кВ 75 150 216

5Остающееся напряжение при номинальном разрядном токе, кВ, не более 180 360 518

6Амплитуда грозового импульса тока пропускной способности (210 мкс), кА 9,2

7Удельная энергия, поглощаемая ЛР, кДж/кВ Uнр, не менее 3,5

8

Пятидесятипроцентное разрядное напряжение грозового импульса положительной полярности, кВ, не более

450 700 1050

9

Разрядное напряжение грозового импульса положительной полярности при времени до разряда 1 мкс, кВ, не более 950 1550 2200

10

Среднее разрядное напряжение промышленной частоты в сухом состоянии и под дождем (при закороченном ВИП), кВ, не менее

190 275 400

11 Длина внешнего искрового промежутка, мм, не менее. 400 800 1000

25

ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ГРОЗОЗАЩИТЕ ВЛСпособы установки ОПН на линии

Установка ОПН на промежуточной опоре

Установка ОПН на анкерной опореУстановка ОПН на анкерной опоре,

крепление на траверсе

Наиболее распространенный, стандартный способ установки ОПН – подвеска на проводе с помощью специального зажима

26

ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ГРОЗОЗАЩИТЕ ВЛСпособы установки ЛР на линии

Установка ЛР на промежуточной опоре

Установка ЛР на анкерной опоре при больших углах поворота

Установка ЛР на анкерной опоре

Наиболее распространенный, стандартный способ установки ЛР – крепление на траверсес помощью кронштейна

Варианты установки на анкерно-угловых опорах отличаются по способу организации искрового промежутка

27

НОРМАТИВНАЯ БАЗА ПРИМЕНЕНИЯ ОПН И ЛР

Направления совершенствования НТД :

• Корректировка ГОСТ Р 52725 «Ограничители перенапряжений нелинейные для электроустановок переменного тока напряжением от 3 до 750 кВ. Общие технические условия», отраслевых стандартов на ОПН с учетом дополнительных требований, предъявляемых к линейным ОПН.

• Разработка ГОСТ, отраслевого стандарта на ЛР с внешним искровым промежутком.

• Внесение изменений и дополнений в «объем и нормы испытаний электрооборудования» применительно к линейным ОПН и ЛР.

• Корректировка некоторых положений ПУЭ-7 в части «защиты от перенапряжений и заземления» с учетом новых возможностей, которые дает применение ОПН и ЛР для грозозащиты ВЛ.

28

ОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИ, ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ОПН, ЛРСведения об установке ОПН и ЛР в эксплуатации по состоянию на конец 2013 г.

Обобщение опыта эксплуатации на этапе внедрения новых средств грозозащиты представляется крайне важным, позволяя оценить эффективность и перспективы их

дальнейшего применения, правильность принимаемых проектных решений по грозозащите и т.д.

Класс напряжения, кВ КоличествоОПН, ЛР, шт.

Объем опыта эксплуатации,

аппаратов × лет

Срок эксплуатации, лет

средний максимальный

Линейные ОПН110 4028 (57,1%) 9502 2,4 5,5220 1381 (19,5%) 1587 1,2 3,5330 870 (12,3%) 2175 2,5 2,5400 115 (1,6%) 1035 9,0 9,0500 654 (9,3) 3213 5,0 5,0

В целом: 7 048 (100%) 17 512 2,5 9,0ЛР с внешним искровым промежутком

110 5412 (40%) 14716 2,7 5,0220 8119 (60%) 6978 0,9 1,5330 – – - -500 – – - -

В целом: 13 531 (100%) 21 694 1,6 5,0

29

ОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИ, ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ОПН И ЛРСравнительные данные по грозовым отключениям ВЛ 110-500 кВ до и после установки ОПН, ЛР

Наименование ВЛ

Длина ВЛ, км

Период наблюдения после установки

ОПН, ЛР

Схема расстановки ОПН, ЛР по фазам

Относительная длина

защищаемого участка ВЛ

Удельное число грозовых отключений, 1/100 км/год

до установкиОПН, ЛР

после установки ОПН, ЛР

ВЛ 110 кВ «Новогодняя –

Губкинская 1,2»64,3 2008-11 г.г.

4 года 100%1 цепь – 6,3;2 цепь – 6,7;1,2 цепь – 3,8

1 цепь – 0,4;2 цепь – 2,0;1,2 цепь – 0,4

ВЛ 220 кВ «Тында-Дипкун» 149,3 2012-13 г.г.

2 года 67% 5,8 1,3

ВЛ 220 кВ «НГРЭС-Тында

1,2»183,6 2012-13 г.г.

2 года 79%1 цепь – 6,72 цепь – 6,1

1,2 цепь – 5,6

1 цепь – 0,82 цепь – 3,8

1,2 цепь – 0,8

ВЛ 220 (500) кВ «Центральная -

Дагомыс»97,0 2009-10 г.г.

2 года 82% 11,0÷14,0 0,5 (2,1)** - в скобках указано удельное число отключений с учетом отключений по невыясненным причинам, которые произошли в период грозового сезона.

Наиболее объективную оценку эффективности применения ОПН, ЛР может дать сравнение числа грозовых отключений ВЛ до и после установки защитных аппаратов

30

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

•Линейные ОПН и ЛР с внешним искровым промежутком являются эффективным средством грозозащиты ВЛ. Применение линейных ОПН рекомендуется для повышения грозоупорности ВЛ 110-500 кВ, эксплуатируемых без тросов, применение ЛР с внешним искровым промежутком – для повышения грозоупорности ВЛ 110-330 кВ в районах с высоким удельным сопротивлением грунтов.

• В настоящее время разработаны научно-технические основы применения линейных ОПН и ЛР для грозозащиты ВЛ 110-500 кВ. Разработаны отечественные конструкции и налажен серийный выпуск ОПН и ЛР на напряжение 110-500 кВ. Реализован ряд проектов повышения грозоупорности ВЛ 110-500 кВ с применением линейных ОПН и ЛР..

• Первый отечественный опыт применения линейных ОПН и ЛР можно считать успешным: во всех случаях наблюдалось существенное снижение числа грозовых отключений и повышение грозоупорности ВЛ после установки защитных аппаратов; отказы в работе самих ОПН и ЛР по причине их повреждения (пробоя) при грозовых воздействиях зафиксированы не были. Положительный опыт применения линейных ОПН и ЛР позволяет рекомендовать их для дальнейшего внедрения на объектах электрических сетей.

• Дальнейшее внедрение ОПН и ЛР требует совершенствования нормативной базы и организации систематической работы по обобщению опыта их эксплуатации.

31

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!