Все статьи...

16.10.2008 Подвесные ОПН как средство повышения надежности работы воздушных линий электропередач (опыт применения).

Данилов Г.А., Зубков А.С. ЗАО «ФЕНИКС-88», Новосибирск,

Боровицкий В.Г., Лошаков Ю.Е. ОАО «Тюменьэнерго»

Повышение надежности эксплуатации воздушных линий электропередач при их грозовых поражениях остается до сих пор одной из важнейших задач электроэнергетики. Актуальность этой проблемы особенно остро ощущается при проектировании и эксплуатации ВЛ высших классов напряжения. Авторы [1] приводят обобщенные сведения по причинам аварийных отключений в сетях ФСК за 1998-2003 г.г. ВЛ 330-500-750 кВ. По их данным количество отключений при грозовых воздействиях составляет не менее 11% от общего числа отключений. При этом данные относятся к линиям оснащенным грозотросами.

Последние 20 лет наряду с подстанционными защитными аппаратами широкое применение находят защитные аппараты, предназначенные для защиты линейной изоляции ВЛ (ОПН-Л).

ОПН-Л были впервые разработаны и начали широко применяться в Японии и США в 80-х годах для защиты ВЛ на напряжения 66 кВ, 77 кВ и 138 кВ [3].

К 1992 году в электрических сетях Японии было установлено 29580 аппаратов: 840 аппаратов на ВЛ 22-33 кВ (2.84 %), 26495 аппаратов на ВЛ 66 — 77 кВ (89.57 %), 1879 на ВЛ 110 — 154 кВ (6.35%) и 366 — на ВЛ 187-500 кВ (1.24 %) [2]. В Японии ежегодно устанавливается около 7000 штук ОПН-Л. Аналогичное происходит и в США и в других странах. Так, более половины из 30 энергокомпаний в США применяют защитные аппараты на линиях 69-230 кВ.

Уже к 1994 году в Японии ОПН-Л были установлены на 22 воздушных линиях класса 500 кВ [3], а на сегодняшний день ОПН-Л уже установлены и на линиях 800 кВ [4].

Прежде всего, широкое применение в Японии ОПН-Л находят для защиты двухцепных ВЛ. Аппараты установлены либо на трех фазах одной цепи (97.07 %), либо на всех шести фазах двух цепей (2.58 %), либо на двух фазах одной цепи (0.35 %), либо на одной из шести фаз (всего два аппарата). Статистический анализ эксплуатации ВЛ, оснащенных подвесными ОПН, показал весьма ощутимое повышение их надежности. На ВЛ, на которых ОПН установлены на каждой фазе, отключений одновременно двух цепей не наблюдалось, в 60% случаев происходили лишь отключения одной цепи. На ВЛ же, не оснащенных подвесными ОПН, в 60% случаев наблюдались двухцепные отключения, в остальных случаях — отключения одной цепи. Однако эти данные относились лишь к началу эксплуатации подвесных ОПН, которая в настоящее время продолжается.

Имеются и другие зарубежные публикации о повышении надежности эксплуатации ВЛ путем установки на них ограничителей. В частности, в [5] и [6] рассматривается конструкция оксидно-цинковых аппаратах, установленных на опорах ВЛ 138 кВ. В настоящее время актуальность этого вопроса подтверждается решением 33 комитета СИГРЭ 1999г [7]. В Бразилии для повышения надежности воздушных линий классов напряжений до 230 кВ, т.е. тех линий, где 50 — 70% всех повреждений происходят по вине грозовых перенапряжений, применяются ОПН-Л. На 2006 г таких аппаратов было установлено более чем 2500 штук [8].

В частности, ОПН-Л устанавливаются на линиях 63-90 кВ Франции, проходящихвблизи мест пребывания людей (парки, игровые площадки) [9]. Защитные аппараты установлены на каждой опоре.

Авторами [10] приведен способ защиты ВЛ 420 кВ длиной 5 км, компактного исполнения (расстояние между фазами 5 м). На ВЛ отсутствуют грозозащитные тросы, сопротивление заземления от 10 Ом до 52 Ом. Применяются ОПН-Л в количестве 23 шт. Защитные аппараты установлены на каждой опоре.

В энергосистеме Румынии на ВЛ 400 кВ, соединяющей подстанции Брасов и Гутинас, общей протяженностью 126 км на безтроссовом участке длиной 2,76 км, проходящем в горной местности, были установлены ОПН-Л в количестве, равном 75% от общего числа гирлянд изоляторов безтроссового участка. Наряду с установкой ОПН-Л на линии установлены стержневые молниеприемники. Расположение фаз горизонтальное. По расчетным данным, оснащение крайних фаз этого участка защитными аппаратами позволит в 10,5 раз уменьшить число перекрытий линейной изоляции в год по сравнению с вариантом, при котором на линии отсутствуют какие либо средства защиты [11].

В большом количестве устанавливаются ОПН-Л в Китае [12] на опорах ВЛ классов 132 кВ и 400 кВ, расположенных преимущественно в холмистой местности.

Относительно мест расстановки ОПН-Л (т.е. на каких опорах устанавливать защитные аппараты), то в основном практикуется установка ОПН-Л на каждой опоре. В общем случае частоту установки рекомендуется определять в зависимости от требуемой надежности защиты.

Из опыта эксплуатации ВЛ 115 кВ в США известно, что те линии, которые оснащены защитными аппаратами (защищены все опоры и все фазы), уже 5 лет эксплуатируются без отключений. Немаловажно отметить, что в результате установки защитных аппаратов лишь на пяти опорах, принадлежащих участку ВЛ, проходящему по вершине холма, отключения линии прекратились, тогда как до применения защитных аппаратов линия отключалась по 4 раза в год [13].

Таблица 1. Эффективность различных способов заземления нейтралей сетей 6-36 кВ.

Как видно из обзора, ОПН-Л находят все большее применение во всем мире и на всех классах напряжения вплоть до 800 кВ. Что касается России, то несмотря на высокое число отключений при грозовых воздействиях (11%) [14] от общего числа отключений в сетях ФСК ВЛ 330-500-750 кВ за 1998-2003 г.г. (при этом данные относятся к линиям оснащенными грозотросами) крупных отечественных проектов до текущего года не было (за исключением линии 400 кВ «Линке — 1,2»).

Воздушная линия 400 кВ «Линке — 1,2» в МЭС «Северо-Запада» России проходит по сухим песчаным и скальным грунтам. До оснащения ВЛ ОПН-Л грозовые перенапряжения приводили к тому, что отключались одновременно две цепи в среднем 1-2 раза в год. Грозозащита этой линии была пересмотрена и модернизирована оснащением аппаратами типа ОПН-Л, которые были установлены на «проблемных» участках линии, вплоть до оснащения всех трех фазах обеих цепей на одной опоре. В течение 4 лет с момента установки ЛР в 2004 г. грозовые отключения на данной линии и повреждения ОПН зафиксированы не были [15].

Выбор мест установки ОПН

Следует отметить, что первостепенными нишами такой защиты являются:

• высокие переходные пролеты через водоемы и другие преграды на рельефе трассы ВЛ;
• места на ВЛ с ослабленной изоляцией;
• двухцепные электропередачи с вертикальной подвеской проводов.

При этом необходимо защитить хотя бы одну цепь участка трассы ВЛ

• места ВЛ, проходящей через районы с локальной повышенной грозопоражаемостью;
• районы с плохо проводящими грунтами и большим сопротивлением заземления опор;
• ВЛ, на которых отсутствуют грозотросы и др.

Анализ целесообразности установки подвесных ОПН на всех фазах защищаемого участка ВЛ следует производить с учетом их грозопоражаемости, грозовой интенсивности, уровня сопротивления заземления опор, ущербов от перекрытий изоляции, требуемого уровня надежности и т.д. А также, при проектировании необходимо оценить влияние на надежность эксплуатации ВЛ ряда факторов, к которым следует отнести:

• пониженный уровень изоляции;
• не соответствие техническим требованиям состояния тросов (их целостность-нерасплетенность);
• влияние деревьев, расположенных вблизи трасы и т.д.

При наличии хотя бы одного из таких факторов приведет к тому, что установка ОПН на опорах может не только не повысить надежность эксплуатации ВЛ, но и сформировать негативное отношение к самой идее такой защиты ВЛ.

Таким образом, можно предложить различные решения по установке ОПН на опорах. Основные же принципы такой установки можно сформулировать следующим образом:

• Для защиты фаз ВЛ от перенапряжений, вызванных ударами молний в опору или в трос вблизи опоры, устанавливается необходимое количество ОПН с малой пропускной способностью;
• Для защиты фаз ВЛ от перенапряжений, вызванных ударами молний в фазные провода, на верхних фазах устанавливаются ОПН с большой пропускной способностью;
• Для экономически целесообразной надежной защиты ВЛ от перенапряжений, вызванных любыми проявлениями грозовой деятельности, на опорах целесообразно устанавливать ОПН, как с большой, так и с малой пропускной способностью;
• Проектирование грозозащиты ВЛ с помощью подвесных ОПН необходимо производить при конкретной привязке к объекту.

Стоит отметить, что существуют два типа аппаратов: без искрового промежутка (ОПН-Л) (см. рис. 1) и ОПН-ЛИ с внешним искровым промежутком (ИП) (см. рис.2-6). Оба типа аппаратов имеют как плюсы, так и минусы (см. таблицу 1).

Рис. 1. ОПН-Л 110 — 500, оснащенные отделителями.

Опыт применения ОПН-Л в ОАО «Тюменьэнерго»

В ОАО «Тюменьэнерго» реализован самый крупный на сегодняшний день отечественный проект по применению ОПН-Л для грозозащиты ВЛ 110 кВ. Общая протяженность линий с применением ОПН составляет около 120 км, количество установленных аппаратов производства ЗАО «Феникс-88» — 1260 штук.

ОАО «Тюменьэнерго» является одной из крупнейших энергосистем России. В состав компании входят 12 электросетевых филиалов, обслуживающих распределительные электрические сети на территории трех субъектов Российской Федерации: Тюменская область, Ханты-Мансийский автономный округ (ХМАО), Ямало-Ненецкий автономный округ (ЯНАО). Общая площадь территории деятельности ОАО «Тюменьэнерго» составляет более 1,4 млн квадратных километров с различными климатическими и геологическими условиями.

Одной из проблем эксплуатации воздушных линий электропередачи (ВЛ) напряжением 110 кВ, находящихся на территории ХМАО и ЯНАО, является низкая грозоупорность ВЛ, связанная с высоким удельным сопротивлением грунтов в указанных регионах. По этой причине в периоды грозовой деятельности при грозовых перенапряжениях имеют место отключения ВЛ, вызванные обратными перекрытиями изоляции линий электропередачи из-за высокого сопротивления в цепи стекания тока молнии в землю. При этом, зачастую отключаются сразу две цепи двухцепных ВЛ. Количество таких отключений, как правило, ежегодно превышает 50% от общего числа грозовых отключений(таблица 2) и сопровождается в большинстве случаев успешным автоматическим повторным включением (УАПВ) линии.

Таблица 2. Сводная таблица грозовых отключений ВЛ-110 кВ в 2007 году. (протяженность ВЛ-110 кВ по цепям)

Необходимо отметить, что основными потребителями ОАО «Тюмень энерго» на территории ХМАО и ЯНАО, на долю которых приходится более 90% от общего потребления, являются крупнейшие нефтегазодобывающие предприятия региона и страны. Любые отключения линий электропередачи, питающих объекты этих потребителей, даже с успешными повторными включениями приводят к значительным сбросам нагрузки из-за нарушений в технологических процессах добычи, транспорта нефти и газа.

Как показывает опыт эксплуатации, предпринимаемые известные меры для повышения грозоупорности воздушных линий электропередачи: доведение сопротивления контуров заземления опор ВЛ до норматива, дифференциальная изоляция не дают желаемых результатов.

Поэтому в 2007 году техническим руководством ОАО «Тюменьэнерго» было принято решение разработать и реализовать пилотный проект установки ОПН с искровым промежутком (линейный разрядник) на опорах одной цепей двухцепной ВЛ для определения эффективности их использования.

Для реализации пилотного проекта были определены наиболее часто отключаемые двухцепные ВЛ-110кВ:

— в Сургутских ЭС (ХМАО) — «Контур-Ай-Пимская 1,2»;

— в Ноябрьских ЭС (ЯНАО) — «Губкинская-Новогодняя 1,2».

В таблице 3 приведены основные параметры рассматриваемых ВЛ.

Таблица 3. Характеристики ВЛ «Контур-Ай-Пимская 1,2», «Губкинская-Новогодняя 1,2»

¹Для ВЛ «Губкинская-Новогодняя 1,2» с отпайкой на ПС «Вынгаяхинская» данные приведены за период 2001 — 2006 г.г., для ВЛ «Контур-Ай-Пимская 1,2» данные приведены за период 2001 — 2007 г.г.

Для повышения грозоупорности ВЛ филиалом ОАО «НТЦ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ» -СНИБНИЭ«были осуществлены проекты реконструкции ВЛ. Согласно которым ОПН, устанавливаемые на опорах, должны стать средством позволяющим повысить грозоупорность ВЛ. Такая мера защиты должна обеспечить следующие показатели грозоупорности ВЛ:

— число двухцепных отключений — не более 0,1/100 км/год;

— число одноцепных отключений — не более 2,0/100 км/год.

Проектной организацией были выдвинуты требования к ОПН, заключающиеся в следующем:

• ОПН-ы должны обеспечить защиту изоляции линии от повреждения при ударе молнии, при этом риск повреждения самих аппаратов должен быть минимальным;
• ОПН-ы должны быть адаптированы для установки и монтажа на опорах ВЛ;
• повреждение ОПН не должноприводить к длительному отключению линии.

Рис. 2. ИП тороидального типа.

При выборе типа аппарата проектной организацией было отдано предпочтение ОПН с искровым промежутком (ОПН-ЛИ).

Помимо этого заказчиком было выдвинуто требование — обеспечить стабильность характеристик искрового промежутка при отклонениях проводов, возникающих в результате ветровых воздействий. Угол отклонения гирлянды изоляторов от вертикали достигает 40 градусов.

Учитывая совокупность всех требований, выдвинутых к ОПН, специалистами ЗАО «Феникс-88» были разработаны аппараты с двумя типами искровых промежутков. Модули ОПН были выполнены на основе серийных модулей ОПН-110 по согласованным ТУ с использованием высококачественных материалов и, прежде всего, варисторов фирмы «EPCOS».

Первый тип аппаратов (ОПН-ЛИр) с внешним искровым промежутком, организованным между электродом в форме рога и проводом, предназначен для установки на поддерживающих опорах. Второй тип аппаратов (ОПН-ЛИт) с внешним искровым промежутком, организованным между электродами тороидального типа, закрепленными на подвесном полимерном изоляторе (см. рис.2), пред назначен для установки на анкерных опорах. Причиной появления второго типа аппаратов стала ненормированность длин шлейфов на анкерных опорах и вызванная этим сложность организации искрового промежутка на таких опорах с требуемыми рабочими характеристиками (см. рис.5,6).

Все конструкции ИП были испытаны во ИЦ ФГУП ВЭИ и в ИЦ высоковольтного электрооборудования Филиала ОАО «НТЦ электроэнергетики СибНИИЭ». На рис. 3, 5(а) приведены фотографии, сделанные в моментп роведения испытаний.

Рис. 3. Испытания ОПН-ЛИр:

а) вертикальное расположение поддерживающей гирлянды;

б) отклонение поддерживающей гирлянды от вертикали на 40 град.

Весной до начала грозосезона 2008 года на ВЛ «Губкинская-Новогодняя 1,2» с отпайкой на ПС «Вынгаяхинская» и на ВЛ «Контур-Ай-Пимская 1,2» было установлено общей сложностью 1260 защитных аппаратов.

Рис. 4. Монтаж ОПН-ЛИр

Рис. 5. ОПН-ЛИт:

а) испытание искрового промежутка;

б) монтаж аппарата

Рис. 6. ОПН-ЛИт на анкерных опорах

Итоги грозосезона 2008 года показывают (таблица 4):

1. Сокращение общего количества отключений ВЛ «Губкинская — Новогодняя 1,2», «Контур -Ай- Пимская 1,2»;

2. Исключение 2-х цепных отключений на ВЛ «Губкинская — Новогодняя 1,2».

3. На ВЛ «Контур — Ай- Пимская 1,2» достигнутый результат ниже чем на ВЛ «Губкинская — Новогодняя 1,2», вследствие того, что линейными разрядниками оснащена лишь половина длины линии, принадлежащая ОАО «Тюменьэнерго». Расследование и анализ отключений ВЛ «Контур — Ай- Пимская 1,2», подтвержденные показаниями фиксирующих приборов и осмотрами ВЛ, однозначно показывают, что короткие замыкания из-за грозовых перенапряжений в грозосезон 2008 года происходили на участках линии, не оснащенных линейными разрядниками.

Таблица 4. Общее число грозовых отключений ВЛ «Губкинская — Новогодняя 1,2», «Контур -Ай- Пимская 1,2» 2006 — 2008 годах. (отношение общего числа отключений к числу двухцепных отключений).

Список использованной литературы

1. A. Schei et. Al.: Application of Metal oxide Surge Arresters to Overhead Lines — Report of Cigre WG 33.11 Task Force 3, 1997.

2. Кawamura T., Nagano  M., Ichihara  M., Ishikawa  K., Mizoguchi  S., Imakoma  T., Shimomura  T. Development of metal — oxide transmission line arrester and it's effectiveness. — CIGRE, 1994 Session. — Rep.33.201.

3. T. Kawamura and others. Experience and effectiveness of application of arresters to overhead transmission lines.- CIGRE, 1998 Session. — Rep.33.301.

4. Y.Musa, A. J. K. Keri, J. A. Halladay: Application of 800-kV dead tank circuit breaker with transmission line surge arrester to control swithing transient overvoltages; IEEE Trans. Power Delivery, Vol. 17, No. 4, pp. 957-962, Oct. 2002.

5. R. E. Koch, I. A. Timoshenko, I, G. Anderson, C. H. Shih. Design of Zinc Oxide Transmission Line Arresters for Application on 138 kV Towers, IEEE Trans on Power App. and Syst, vol. 104, № 10, October 1985, pp. 2675-2680.

6. C. H. Shih, R. M. Hayes, D. K. Nochols, R. E. Koch, I. A. Timoshenko, I. G. Anderson. Application of Special Arresters on 138 kV Lines of Appalachion Power Company. IEEE Trans. on Power App. and Syst, vol. 104, № 10, October 1985, pp 2857-2863.

7. Application of metal oxide surge arresters to overhead lines. Working Group 33.11. Task Force 03. A.SCHEI, Convenor of WG 33.11.-Electra (SIGRE). -1999. — № 186.

8. J.L.DE Franco, A.C.G.Bezerra, A. D. Andrade. Improvement of the transmission lines lightning performance using line arresters: experience of Brazilian utilities. CIGRE paper A3-102, Paris 2006.

9. B. Demailly, L. Tullus, F. Maciela, S. Tartier. Installation of composite surge arrestors on transmission lines. WG 33.203. Task Force 203, 2002.

10. D. Loudon, K. Halsan, U. Jonsson, D. Karlsson. A compact 420 kV line utilizing line surge arresters for areas with low isokeraunic levels. CIGRE paper 22/33/36-08, Paris 1998.

11. S. Gal, E. Kaytar. Improvement of Power Quality and Reliability trough selective installation of line arresters in the Romanian Transmission Network.

12. Steven K. H. Chan. Assessing the Programme to Install Transmission Line Arresters on the CLP Power Network.

13. A. Schnettler, G. Balzer, M. Hudasch, M. Adolfsson. Protection of high voltage equipment by polymer arresters. CIGRE 33-302.1998.

14. Дмитриев В.Л., Дмитриев  М. В. — НИИПТ «Использование подвесных ограничителей перенапряжений для повышения грозоупорности ВЛ» — семинар Электрические сети России-2005.

15. А.С. Гайворонский. Линейные разрядники радикальное средство грозозащиты ВЛ. Новости электротехники -2006-№ 2(38).

Все статьи...