Нормированная удельная эффективная длина пути утечки

поддерживающих гирлянд ВЛ-6…750 кВ

Следует отметить, что для более загрязненных районов необходимо выбирать изоляторы с большим отношением .

Результаты расчета , округляются в большую сторону, если цифра после запятой больше чем 3. при решении задачи смотреть приложение     ( таблицы  П.1-П.7.).

Задача 2.

Во вращающихся электрических машинах высокого напряжения          (3-24кВ) в месте обмотки из паза статора существует электрическое поле с большим коэффициентом неоднородности. Сталь статора, т.е. заземленный электрод, имеет здесь угол с острой кромкой (точка А, рис. 3.1.) напряженность у которой даже при рабочем напряжении получается настолько высокой, что на поверхности изоляции могут возникнуть скользящие разряды (от точки А), разрушающие изоляцию и резко сокращающие ее срок службы.

Напряженность  вдоль по поверхности изоляции будет изменяться по закону:

                                              ,                                  (4.4)

     где         ; ; ;

   - относительная диэлектрическая проницаемость изоляции.

    Абсолютное значение напряженности будет определяться выражением

            .                            (4.5)

Наибольшая напряженность имеет место при , т.е. в точке А       (рис. 3.1)

                                   .                                  (4.6)

Для того, чтобы сделать электрическое поле на этом участке более однородным, на поверхность изоляции наносят покрытие, удельное сопротивление которого  (на единицу слоя) на 3-4 порядка меньше, удельного сопротивления самой изоляции . Благодаря этому напряженность электрического поля вдоль поверхности изоляции в месте выхода обмотки из паза значительно снижается и разряды в этом месте устраняются, но появляется острая кромка в месте окончания покрытия (точка В на рис. 3.1).

При этом наибольшее значение  при , т.е. в точке А будет

                                .                                (4.7)

Для наибольшей напряженности на участке  т.е. в точке В будет

                                   .                          (4.8)

При принципиальном выборе длины покрытия и его удельного сопротивления, разность потенциалов между токоведущим стержнем и краем покрытия оказывается сниженной на столько, что, несмотря на неоднородность поля в этом месте, разряд на крае покрытия не возникает.

При этом, как правило, и необходимая длина покрытия  определяется с использованием (4.7) и условия  

                  .                         (4.9) 

Действующую длину покрытия  обычно принимают несколько больше расчетной, так как в процессе эксплуатации наблюдается старение покрытия и увеличение . При расчетах, размерности всех величин берутся в системе СИ.

Задача 3.

При решении этой задачи главную изоляцию машины следует рассматривать как двухслойный плоский конденсатор (рис.4.1).

                 Рис.4.1. Эскиз двухслойного плоского конденсатора.

При последовательном соединении емкостей соблюдается равенство

                               ,                                                (4.10)

  где: и - напряжения приложенные к воздушному зазору и твердому диэлектрику, причем

Емкость -того слоя  

                                           ,                                            (4.11)

где: - абсолютная диэлектрическая проницаемость  Ф/м,

   - относительная диэлектрическая проницаемость слоя,

   - толщина слоя,

   S- площадь электродов, при решении задачи принимается .  

Напряженность в воздушном зазоре ,

Допустимая напряженность для воздуха кВ/см. Если напряженность в воздушном зазоре превышает , в зазоре начнутся разряды. С мерами ограничения разрядов можно ознакомиться по [5].

Задача 4.

При решении задач грозозащиты необходимо знать параметры разряда молнии, главными из которых являются амплитуда тока молнии , [кА] и крутизна тока молнии, т.е. скорость нарастания тока  [кА/мкс].

Статистические распределения токов молнии  и крутизна аппроксимируются экспоненциальными функциями

                                     ,                                             (4.13)

                                    ,                                              (4.14)                                                          

где  и  – вероятности того, что соответствующая амплитуда  и крутизна превысят заданное значение. Имеющихся в настоящее время данных недостаточно для установления надежной корреляционной связи между этими величинами, поэтому в расчетах полагают, что  и  статистические, независимые случайные величины. В этом случае вероятность появления молнии с заданными параметрами

                                   .                                 (4.15)

Молниеотвод предназначен для защиты объектов от прямых ударов молнии, он возвышается над защищаемым объектом и принимает на себя удары молнии. Молниеотводы обладают зоной защиты, вероятность попадания разряда молнии в которую мала.

Зоной защиты называется та часть пространства около молниеотвода, в которой число попаданий молнии в защищаемый объект снижается не менее, чем в 20 или 200 раз, т.е. вероятность прорыва молнии в защищаемый объект   не превосходит 0,05 или 0,005 относительно вероятности попадания молнии в случае отсутствия молниеотвода.

Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода (рис.4.2.) представляет собой конус с вершиной, расположенной на высоте h₀  < h, где h – высота молниеотвода. Для вероятности попадания молнии в объект Р_пр = 0,05,    h₀ = 0,92 h, а граница зоны защиты описывается уравнением:

                                     .                                           (4.16)

Для вероятности попадания молнии Р_пр = 0,005, высота h₀ = 0,85 h,   а граница зоны защиты :                                    

                                .                                 (4.17)

При вероятности прорыва молнии Р_пр = 0,05, защищаемый объект поражается молнией в среднем один раз за 20 лет эксплуатации.                                        

При ударе молнии в молниеотвод по нему и его заземлителю протекает ток молнии, который создает на индуктивности токоотвода и на заземлителе молниеотвода падение напряжения. При косоугольной форме фронта, импульсе тока молнии  I_м и крутизне фронта a потенциал в точке молниеотвода, расположенной на расстоянии  от поверхности земли равен:

                                    ,                                       (4.18)

где - импульсное сопротивление заземления молниеотвода, Ом;

  - индуктивность единицы длины токоотвода,  Гн/м.

Защищаемый объект высотой  в зоне защиты должен быть расположен так, чтобы в него не попадал разряд молнии (должен быть вписан в зону защиты), и на него не должны происходить разряды с молниеотвода по воздуху и в земле между заземлителями. Допустимое расстояние вычисляется из выражения:

                                                 .                                                   (4.19)                                   

Рис.4.2. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой до 150 м:

r₀, r₀^' – границы зоны защиты на уровне земли (Р_пр=0,05, Р_пр=0,005);

r_x, r_x^' – то же на высоте h_x.

Задача 5.

На подстанциях защищаемое оборудование и разрядник находятся друг от друга по ошиновке на некотором расстоянии, поэтому напряжение на изоляции оборудования   будет несколько превышать пробивное напряжение  разрядника .

                               ,                  (4.20)                                                             

где - крутизна приходящей волны, кВ/мкс.

  - время пробега волны перенапряжения между разрядником и оборудованием.

  - расстояние по шинам между разрядником и оборудованием.

  - скорость распространения волны, равная скорости света 300м/мкс.

Таким образом, при большой крутизне приходящей волны напряжение на изоляции может превысить импульсную прочность, что недопустимо. Поэтому возникает необходимость ограничения крутизны приходящей волны. Для этой цели используют защищенный подход (часть ВЛ, примыкающая к подстанции).

Известно, что при прямых ударах в провода или при обратных перекрытиях, на ВЛ возникают перенапряжения с очень крутым фронтом (что опасно для изоляции подстанции). Однако, по мере продвижения по линии под действием импульсной короны фронт волны сглаживается. Следовательно, можно ввести понятие критической крутизны  приходящей волны, выше которой напряжение на изоляции превысит допустимое. За допустимое импульсное напряжение можно принять испытательное напряжение полной волны ,

тогда:

                                            .                                       (4.21)

Из сказанного следует, что для изоляции подстанции опасны не все разряды в провода ВЛ, а только те, которые происходят близко от подстанции.

Длину подхода  (км), рассчитывают по формуле

                                    ,                                         (4.22)                                                                        

где - средняя высота подвеса провода (м);

  и - координаты точки пересечения вольт-секундной характеристики линейной изоляции с косоугольной волной, имеющей допустимую крутизну. Координаты точки пересечения определяются графически (рис. 4.3), мкс, МВ. Значения h принимаются для ВЛ  кВ,  м, для ВЛ кВ, м.

Рис. 4.3. Графическое определение параметров U_кр и t_кр.

Вольт секундную характеристику линейной изоляции можно построить, пользуясь зависимостью 

                                  ,                          (4.23)                                                       

    где           ;  ;

  , - импульсные разрядные напряжения изоляции при временах 2 и 10 мкс     соответственно, значения которых даны в табл. 3.2.

С мерами усиления грозозащитного подхода ознакомиться по                   [1, разд. 24.3…24.7].

 Задача 6.

Критерием грозоупорности ВЛ является число отключений линии в год, вследствие разрядов молнии. Расчет грозоупорности линий на деревянных, металлических опорах с тросами и без, имеют свои особенности. Удельное число грозовых отключений для ВЛ без троса в год определяется как:

                                           ,                                   (4.24)

где - удельное число отключений в год при прямых ударах молнии;

  - удельное число отключений в год при индуктированных перенапряжениях.

Короткие замыкания в ВЛ 6-35 кВ, требующие отключения, могут возникать лишь в том случае, если ток молнии превысит величину , при которой возможно двух или трехфазное перекрытие изоляции. Величину  можно определить для ж/б опор по формуле:

                              ,                                       (4.25)

где - импульсное 50% разрядное напряжение фазной изоляции на опоре; 

   - волновое сопротивление провода с учетом импульсной короны;

  - импульсное сопротивление заземления опоры;

    - коэффициент связи между пораженной фазой и соседней фазой.

Для ВЛ на деревянных опорах уровень грозоупорности определяется по выражению:

                                .                                         (4.26)

Удельное число грозовых отключений линий от прямых ударов молнии составит:

                          ,                                        (4.27)

где - число прямых ударов молнии в год при  и  км;

   - средняя высота подвеса верхнего провода, м;

- вероятность двухфазного перекрытия изоляции, где  в кА.

Для деревянных опор , а для металлических или ж/б  для  кВ соответственно.

Данные по импульсной прочности приведены в табл.3.3.

Удельное число отключении ВЛ вследствие индуктированных перенапряжений, находиться по формуле:

                                   ,                                       (4.28)

где - удельное число индуктированных перенапряжений, вызывающих двухфазные перекрытия (при )

                                     ,                               (4.29)

где , кВ

Величина индуктированных перенапряжений, вызывающих двухфазное перекрытие изоляции на ж/б опоре, найдется как

                           .                                 (4.30)

Индуктированные перенапряжения возникает одновременно на всех трех фазах и приблизительно одинаковой амплитуды, что затрудняет пробой междуфазной изоляции до перекрытия с одной из фаз на землю. Перекрытие на землю деревянной опоры практически создает условия для одновременного перекрытия всех трех фаз.

Вероятность установления силовой дуги  может быть вычислена с учетом реального пути перекрытия изоляции.

Вслед за установлением 2-х фазного к.з. действует АПВ, которое ликвидирует последствие грозового перекрытия. Вероятность успешного АПВ ( ) для линий 6-10 кВ по опыту эксплуатации , для линий 35 кВ .

Средняя высота подвеса провода определяется по формуле:

                                 ,                                          (4.31)

где - стрела провеса провода.

На линиях 35 кВ вблизи подстанций и особо ответственных ВЛ-35 кВ на металлических опорах устанавливается грозозащитный трос.

В этом случае удельное число отключений определяется прямыми ударами молнии в опору  и провод  при прорыве тросовой защиты

                                             .                                           (4.32)

Удельное число отключений вследствие прорыва молнии сквозь тросовую защиту находиться по формуле:

,

где ,

   - вероятность прорыва молнией тросовой защиты;

   - защитный угол на опоре (в градусах):

   - высота подвеса троса на опоре, м.

Удельное число отключений  при попадании молнии в опору или в трос вблизи опоры определяется числом ударов в опору

                                                                                   (4.33)

и вероятностью обратного перекрытия двух фаз на опоре с тросом :

                    ,                    (4.34)

где - длина рассеченного пролета, м;

                          ,                                        (4.35)

                                    .                                  (4.36)

Приведенные выше формулы получены в предположении равенства волновых сопротивлений троса и провода и коэффициентов связи между ними.

Число аварийных отключений ВЛ длиною в районе с интенсивностью грозовой деятельности  найдется как

                                 ,                                         (4.37)

если  определено для 100 грозовых часов и  км.

Задача 7.

Решение данной задачи необходимо начать с изучения разделов 42.8-42.12 ПТЭ и 1.2.16, 5.3.48 ПУЭ, в которых нормированы предельно допустимые токи замыкания на землю и требования к ДГР и его настройке. Величина емкостного тока замыкания на землю может быть оценена по формуле:

                                  ,                               (4.38)

где -  1/с – угловая частота;

   - суммарная фазовая емкость линий (воздушных и кабельных) в мкФ;

   - суммарная емкость подстанционного оборудования (при отсутствии достоверных данных может быть принята приближенно  )

Индуктивный ток дугогасящего реактора   должен быть равен емкостному, но в реакторах со ступенчатым регулированием этого добиться невозможно за счет большой разности токов смежных ответвлений, поэтому рекомендуется настройка с перекомпенсацией. При степени компенсации  остаточный ток может быть найден как:

.

Тип ДГР и токи по отпайкам можно найти в [6] или каталоге 03.08.02-64. Смотреть также Приложение 5, табл. П5, П6.

Задача 8.

Выключатели высокого напряжения за счет интенсивного дугогашения могут отключить ток раньше его прохождения через нулевое значение. Это явление называется срезом тока, а мгновенное значение , при котором произошел обрыв тока, называют током среза. Мгновенное значение напряжения в момент среза тока - . Таким образом, в момент обрыва тока в индуктивности запасается энергия, пропорциональная . Под действием этой энергии возникают колебания напряжения. Наиболее опасны перенапряжения при срезах тока в выключателях при отключении заторможенного электродвигателя (процесс неуспешного пуска), так как при этом за счет реакции якоря, энергия обусловленная срезом тока, запасается магнитным полем в немагнитных материалах (воздух), имеющих малые потери.

Расчетная схема представлена на рис. 3.4.

Максимальные перенапряжения оцениваются по формуле:

                                  ,                                           (4.39)

где - , - характеристическое сопротивление заторможенного электродвигателя;

    - сверхпереходная индуктивность машины;

    - эквивалентная емкость коммутируемого присоединения, включая емкость кабеля и двигателя;

      - ток среза;

     - мгновенное значение напряжения на присоединении (двигателе) в момент среза.

Сверхпереходная индуктивность заторможенного электродвигателя может быть определена (при отсутствии заводских данных) по кратности пускового тока

,        из выражения:

                     ,                                       (4.40)

Амплитуда тока отключения находится из соотношения

                   .                          (4.41)

С мерами ограничения перенапряжения, возникающих при срезах тока и выключателе, можно ознакомиться по [5, разд. 26.7, 26.10].

Приложение

П.1. Пояснения терминов (ГОСТ 1516.3-96).

   Класс напряжения электрооборудования – номинальное междуфазное напряжение электрической сети, для работы в которой предназначено электрооборудование.

   Наибольшее рабочее напряжение электрооборудования – наибольшее напряжение частоты 50Гц, неограниченно длительное приложение которого к зажимам разных фаз (полюсов) электрооборудования допустимо по условиям работы его изоляции (табл. П.1.)

   Примечание – наибольшее рабочее напряжение электрооборудования не охватывает допустимые для его изоляции кратковременные (длительностью до 20с) повышения напряжения в аварийных условиях и повышение напряжения частотой 50Гц (длительностью до 8ч), возможные при оперативных коммутациях.

   Электрическая сеть с изолированной нейтралью – сеть, нейтраль которой не имеет соединения с землей, за исключением приборов сигнализации, измерения и защиты, имеющих весьма высокое сопротивление, или сеть, нейтраль которой соединена с землей через дугогасящий реактор, индуктивность которого такова, что при однофазном замыкании на землю ток реакторов в основном компенсирует емкостную составляющую тока замыкания на землю.

Таблица П.1.

Наибольшие рабочие напряжения и расчетные кратности внутренних перенапряжений, принимаемые при выборе изоляции для класса напряжений  кВ

Показатель	Изолированная нейтраль						Эффективно заземленная нейтраль
	3	6	10	15	20	35	110	150	220	330	500	750	1150
Наибольшее рабочее напряжение  кВ	3,6	7,2	12	17,5	23	40,5	126	172	252	363	525	787	1200
Отношение	1,2	1,2	1,2	1,17	1,15	1,16	1,15	1,15	1,15	1,1	1,05	1,05	1,05
Наибольшее рабочее фазное напряжение , кВ	2,1	4,2	6,9	10,1	13,3	23,4	72,7	100	145	210	303	454,4	693
Амплитуда наибольшего рабочего фазного напряжения , кВ	2,94	5,9	9,7	14,3	18,8	33,1	103	141	206	296	429	643	980
Расчетная кратность внутренних перенапряжений	4,5	4,5	4,5	4,0	4,0	3,5	3,0	3,0	3,0	2,7	2,5	2,1	1,8; 1,6

  Электрическая сеть с заземленной нейтралью – сеть, нейтраль которой соединена с землей наглухо или через резистор, или реактор, сопротивление которых достаточно мало, чтобы существенно ограничить колебание переходного процесса и обеспечить значение тока, необходимое для селективной защиты от замыкания на землю.

Примечание – степень заземления нейтрали сети характеризуется наивысшим значением коэффициента замыкания на землю для схем данной сети, возможных в условиях эксплуатации.

Коэффициент замыкания на землю – отношение напряжения на неповрежденной фазе в рассматриваемой точке трехфазной сети (обычно в точке установки электрооборудования) при замыкании на землю одной или двух других фаз к фазному напряжению рабочей частоты, которое установилось бы в данной точке при устранении замыкания.

Примечание – при определении коэффициента замыкания на землю, место замыкания и состояние схемы выбираются такими, которые дают наибольшее значение коэффициента.

Таблица П.2.