Применение ОПН и ЛР

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
СОДЕРЖАНИЕ
1. Конструкции , область применения ОПН и ЛР
2. Технические решения по грозозащите ВЛ с применением ОПН и ЛР
2.1 Схемы защиты
2.2 Требования к характеристикам ОПН, ЛР
2.3 Способы установки ОПН, ЛР на линии
3. Нормативная база применения ОПН, ЛР
4. Опыт эксплуатации и эффективность применения ОПН, ЛР
2
КОНСТРУКЦИИ ЛИНЕЙНЫХ ОПН И ЛР С ВНЕШНИМ ИСКРОВЫМ ПРОМЕЖУТКОМ
а) ЛР с внешним искровым промежутком
б) линейный ОПН
3
ПРИМЕРЫ УСТАНОВКИ ЛИНЕЙНЫХ ОПН НА ВЛ
ВЛ 400 кВ «Линке - 1,2»
ВЛ 220 (500 кВ) «Центральная - Дагомыс»
4
ПРИМЕР УСТАНОВКИ ЛР С ВНЕШНИМ ИСКРОВЫМ ПРОМЕЖУТКОМ
ВЛ 220 кВ «НГРЭС-Тында», установка ЛР на промежуточной опоре
5
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.).
6
ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ
Грозозащита ВЛ 110-500 кВ, эксплуатируемых без тросов
Обобщенные данные опыта эксплуатации по грозовым отключениям
ВЛ 220-500 кВ, эксплуатируемых без тросов.
Класс
напряжения
220 кВ
330 кВ
220 кВ
330 кВ
500 кВ
Протяженность
Среднегодовая
Число грозовых отключений*
ВЛ: общая, км, продолжительност
в расчете на:
без троса, %
ь гроз, часы
одну ВЛ в год
100 км в год
МЭС Западной Сибири
2,1
1,8
563 (80%)
4-10
(0,5÷4,3)
(0,5-3,9)
МЭС Северо - Запада
0,75
1,8
220 (70%)
8-10
(1,3÷2,2)
(1,1-2,8)
МЭС Юга
61,5 (62%)
140
5,3
8,6
2,8
2,3
1537 (60%)
(0,4÷10,6)
(1,2÷5,5)
40-80
3,6
2,1
504 (25%)
(1,4÷5,2)
(0,4÷8,2)
* - приводится среднее значение числа грозовых отключений и пределы его изменения по нескольким ВЛ (в скобках).
7
ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ
Грозозащита 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.
Класс
напряжения
Длина ВЛ, км
220
1400
Сопротивление ЗУ опор: среднее
значение/ коэффициент вариации,
Ом/%
МЭС Востока
Среднегодовая
продолжительность
гроз, часы
Удельное число грозовых
отключений*, 1/100 км/год
28,5 / 97
50-60
4,5 (1,8÷7,2)
МЭС Сибири
220
714
39,7 / 30
30
4,0 (1,2÷9,3)
1273
16,5 / 60
50-60
2,3 (1,2÷4,5)
50
4,8 (4,5÷5,2)
МЭС Западной Сибири
220
112
31,8 / 35
МЭС Северо – Запада
220
330
442
42,1 / 40
20-25
1,7 (1,2÷2,4)
440
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)
8
ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ГРОЗОЗАЩИТЕ ВЛ С ПРИМЕНЕНИЕМ ОПН, ЛР
Выбор 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 промежутком
Схема 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 ВЛ
Выбор схемы защиты
Характеристики объекта
________________
Требования надежности защиты
________________
Конструктивные параметры ВЛ
Допустимое число отключений
Трасса ВЛ
Риск повреждения ОПН, ЛР
Грозовая активность
Характеристики грозопоражаемости ВЛ
________________
Общее число ударов молнии в линию
Распределение ударов по фазам и длине пролета
Число отключений
Схема защиты:
____________________________
Расстановка ОПН, ЛР по опорам
Расстановка ОПН, ЛР по фазам
ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ГРОЗОЗАЩИТЕ ВЛ
Выбор схемы защиты
Грозозащита ВЛ без тросов – варианты схем расстановки ОПН по фазам
Тип опоры
Одностоечная опора с
треугольным расположением
проводов
Портальная опора
с горизонтальным
расположением проводов
Одностоечная двухцепная опора
с вертикальным расположением
проводов
Схема
защиты
Надежность
>0,999
защиты
Номер
варианта
Т1
>0,95
>0,8
>0,999
>0,85
>0,999
>0,99
>0,9
Т2
Т3
Г1
Г2
В1
В2
В3
- фазный провод без ОПН;
- фазный провод с установленным ОПН.
11
ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ГРОЗОЗАЩИТЕ ВЛ
Выбор схемы защиты
Грозозащита ВЛ без тросов – варианты схем расстановки ОПН по опорам:
• на каждой опоре
• через одну опору
Lз
Lпр

c
 2 x 
Pпер   F  S30 
U P     f уд  x  dx
zx
 c 

0
12
ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ГРОЗОЗАЩИТЕ ВЛ
Выбор схемы защиты
Грозозащита ВЛ без тросов - надежность защиты при установке
ОПН через одну опору
Предельная длина пролета ВЛ
при уровне надежности 0,9:
- ВЛ 110 кВ – 120 м;
- ВЛ 220 кВ – 160 м;
- ВЛ 330 кВ – 190 м;
- ВЛ 500 кВ – 270 м.
13
ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ГРОЗОЗАЩИТЕ
Выбор схемы защиты
Варианты расстановки ЛР по фазам в схемах грозозащиты ВЛ с тросом при больших
сопротивлениях ЗУ опор.
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
- фазный провод без ОПН;
- фазный провод с установленным ЛР.
14
ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ГРОЗОЗАЩИТЕ ВЛ
Выбор схемы защиты
Вероятность обратного перекрытия изоляции ВЛ 220 кВ
в зависимости от сопротивления ЗУ опор для вариантов с частичной защитой фаз
Опора П220-2
Опора ПБ220-3
0,8
0,7
Вероятность перекрытия изоляции
Вероятность перекрытия изоляции
без ЛР
0,6
В2
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
без ЛР
0,7
В2
0,6
В3
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
0,0
0
20
40
60
80
100
Сопротивление ЗУ, Ом
- Т2
120
140
160
0
20
40
60
80
100
Сопротивление ЗУ, Ом
- В2
120
140
160
- В3
15
ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ГРОЗОЗАЩИТЕ ВЛ
Выбор схемы защиты
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);
•
Вероятность обратного
перекрытия, о.е
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.
Номер опоры
16
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.
17
ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ГРОЗОЗАЩИТЕ ВЛ
Выбор удельной энергии ОПН, ЛР
Токовые и энергетические
воздействия на ОПН, ЛР
при ударах молнии
________________
Требования надежности
________________
Допустимый риск повреждения ЛР
Количество воздействий
Параметры импульсов тока молнии
Конструктивные параметры ВЛ
Место удара
Функция распределения энергии,
поглощаемой ЛР
Удельная энергия ОПН, ЛР
Поток отказов ОПН, ЛР
18
ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ГРОЗОЗАЩИТЕ ВЛ
Выбор удельной энергии ОПН, ЛР
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:
N пов р  N уд  Pпов р
Nуд – число ударов молнии в защищаемый участок ВЛ, 1/100 км/год,
Pповр – вероятность повреждения ЛР (ОПН) при ударе молнии:
Pпов р  F W ЛР  WH 
F(WЛР) – функция распределения удельной энергии, поглощаемой ОПН, ЛР;
WН – нормированная удельная энергия, которую может поглощать ОПН, ЛР без риска для повреждения.
19
ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ГРОЗОЗАЩИТЕ ВЛ
Выбор удельной энергии ОПН, ЛР
 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)
20
ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ГРОЗОЗАЩИТЕ
Выбор удельной энергии ОПН, ЛР
Расчетные функции распределения энергии, поглощаемой ОПН и ЛР, для
некоторых типичных условий их применения
Грозозащита ВЛ 110-500 кВ без тросов
Грозозащита ВЛ 110-330 кВ с тросом в районах
с высоким удельным сопротивлением грунта
21
ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ГРОЗОЗАЩИТЕ
Выбор удельной энергии ОПН, ЛР
Наименьшая допустимая удельная энергия ОПН, ЛР при заданном допустимом
потоке отказов - не более 0,1/100 км/год
Грозозащита ВЛ 110-500 кВ без тросов
Грозозащита ВЛ 110-330 кВ с тросом в районах
с высоким удельным сопротивлением грунта
22
ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ГРОЗОЗАЩИТЕ ВЛ
Выбор удельной энергии ОПН, ЛР
Характеристики пропускной способности ОПН, ЛР для типичных
условий их применения
Область
применения
Класс напряжения
220 кВ
Грозозащита ВЛ без
тросов
330 кВ
500 кВ
Грозозащита ВЛ в
районах с высоким
удельным
сопротивлением
грунтов
110; 220 кВ
330 кВ
Среднегодовая
продолжительность
гроз, часы
≤ 10
40÷80
≤ 10
40÷80
40÷80
Характеристики ОПН, ЛР
Класс
Удельная
пропускной
энергия,
способности
кДж/кВ UНР
4
>7,0
5
11,0÷12,5
2
>3,5
4
6,0÷7,0
3
4,0÷5,0
20÷30
2
>2,4
50÷60
2
>3,0
20-50
2
>2,0
23
ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ГРОЗОЗАЩИТЕ ВЛ
Специальные требования к ЛР с внешним искровым промежутком
№ п.п.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Наименование характеристики
Номинальное напряжение сети, кВ
Номинальный разрядный ток ЛР, кА
Класс пропускной способности
Номинальное напряжение ЛР, кВ
Остающееся напряжение при
номинальном разрядном токе, кВ, не
более
Амплитуда грозового импульса тока
пропускной способности (210 мкс), кА
Удельная энергия, поглощаемая ЛР,
кДж/кВ Uнр, не менее
Пятидесятипроцентное разрядное
напряжение грозового импульса
положительной полярности, кВ, не
более
Разрядное напряжение грозового
импульса положительной полярности
при времени до разряда 1 мкс, кВ, не
более
Среднее разрядное напряжение
промышленной частоты в сухом
состоянии и под дождем (при
закороченном ВИП), кВ, не менее
Длина внешнего искрового
промежутка, мм, не менее.
Значение
110
220
330
10
2
75
150
216
180
360
518
9,2
3,5
450
700
1050
950
1550
2200
190
275
400
400
800
1000
24
ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ГРОЗОЗАЩИТЕ ВЛ
Способы установки ОПН на линии
Наиболее распространенный, стандартный способ установки ОПН – подвеска на
проводе с помощью специального зажима
Установка ОПН на
промежуточной опоре
Установка ОПН на анкерной опоре
Установка ОПН на анкерной опоре,
крепление на траверсе
25
ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ГРОЗОЗАЩИТЕ ВЛ
Способы установки ЛР на линии
Наиболее распространенный, стандартный способ установки ЛР – крепление на траверсе
с помощью кронштейна
Варианты установки на анкерно-угловых опорах отличаются по способу организации искрового промежутка
Установка ЛР на
промежуточной опоре
Установка ЛР на анкерной опоре при
больших углах поворота
Установка ЛР на анкерной
опоре
26
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.
27
ОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИ, ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ОПН, ЛР
Сведения 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
110
220
330
400
500
В целом:
110
220
330
500
В целом:
Объем опыта
Срок эксплуатации, лет
эксплуатации,
средний
максимальный
аппаратов × лет
Линейные ОПН
4028 (57,1%)
9502
2,4
5,5
1381 (19,5%)
1587
1,2
3,5
870 (12,3%)
2175
2,5
2,5
115 (1,6%)
1035
9,0
9,0
654 (9,3)
3213
5,0
5,0
7 048 (100%)
17 512
2,5
9,0
ЛР с внешним искровым промежутком
5412 (40%)
14716
2,7
5,0
8119 (60%)
6978
0,9
1,5
–
–
–
–
13 531 (100%)
21 694
1,6
5,0
Количество
ОПН, ЛР, шт.
28
ОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИ, ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ОПН И ЛР
Сравнительные данные по грозовым отключениям ВЛ 110-500 кВ
до и после установки ОПН, ЛР
Наиболее объективную оценку эффективности применения ОПН, ЛР может дать
сравнение числа грозовых отключений ВЛ до и после установки защитных аппаратов
Наименование
ВЛ
ВЛ 110 кВ
«Новогодняя –
Губкинская 1,2»
Длина ВЛ,
км
Период наблюдения
Схема расстановки
после установки
ОПН, ЛР по фазам
ОПН, ЛР
Относительная
длина
защищаемого
участка ВЛ
Удельное число грозовых
отключений, 1/100 км/год
до установки
после установки
ОПН, ЛР
ОПН, ЛР
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
2012-13 г.г.
2 года
67%
5,8
1,3
183,6
2012-13 г.г.
2 года
79%
1 цепь – 6,7
2 цепь – 6,1
1,2 цепь – 5,6
1 цепь – 0,8
2 цепь – 3,8
1,2 цепь – 0,8
97,0
2009-10 г.г.
2 года
82%
11,0÷14,0
0,5 (2,1)*
64,3
2008-11 г.г.
4 года
ВЛ 220 кВ
«Тында-Дипкун»
149,3
ВЛ 220 кВ
«НГРЭС-Тында
1,2»
ВЛ 220 (500) кВ
«Центральная Дагомыс»
* - в скобках указано удельное число отключений с учетом отключений по невыясненным причинам, которые произошли в период
грозового сезона.
29
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.
30
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!
31