Надежность воздушных электросетей.

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

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

Представлен опыт применения аппаратов типа ОПН с искровыми промежутками, предназначенных для защиты изоляции двухцепных ВЛ 110 кВ от грозовых перенапряжений. Рассмотрены конструктивные особенности этих защитных аппаратов, приведены статистические данные об отключениях рассматриваемых линий до и после применения защитных аппаратов.

Повышение надёжности эксплуатации ВЛ при их грозовых поражениях остаётся до сих пор одной из важнейших задач электроэнергетики. Эта проблема особенно актуальна при проектировании и эксплуатации ВЛ высших классов напряжения. Так, в протоколе заседания президиума Научно-технической коллегии НП «НТС ЕЭС» № ПК-1/09 по теме: «Проект целевой научно-технической программы по молниезащите линий электропередачи и оборудования подстанций» отмечается, что доля грозовых отключений ВЛ составляет от 20 до 50 % общего их числа. При этом «положение наиболее серьезно в районах с грунтом низкой проводимости (Северо-Запад европейской части России, Западная и Восточная Сибирь)».

В материалах [1] приведены обобщённые сведения причин аварийных отключений ВЛ 330 — 500 — 750 кВ в сетях ФСК за период 1998–2003 гг. По этим данным количество отключений при грозовых воздействиях составляет не менее 11 % общего их числа. Это относится к линиям, оснащённым грозотросами.

На основе указанных сведений участники НТС обозначили главные направления совершенствования молниезащиты электрических сетей высших классов напряжения. При этом особое место было отведено применению нелинейных ОПН в районах с плохо проводящим грунтом и в особо гололёдных районах для молниезащиты ВЛ 220—500 кВ, эксплуатируемых без тросов. Однако в протоколе НТС отмечается, что для использования ОПН необходимо разработать методические указания и проектные решения.

В 2009 г. ЗАО «ФЕНИКС-88» выпустило и внедрило в ОАО «Тюменьэнерго» типовое техническое решение по установке ОПН на различных типах опор ВЛ 110 кВ (осуществлена защита четырёх наиболее часто отключаемых двухцепных ВЛ 110 кВ с их отпайками). За два года до этого филиал ОАО «НТЦ Электроэнергетики» — СибНИИЭ» разработал для ОАО «Тюменьэнерго» пилотный проект «Повышение грозоупорности ВЛ с установкой ОПН на опорах ВЛ». Весной 2009 г. с участием ЗАО «ФЕНИКС-88» в проекте защиты ВЛ 500 кВ Житикара — Ульке (Республика Казахстан) были использованы подвесные ОПН.

Последние 20 лет наряду с подстанционными защитными аппаратами широко применяются устройства для защиты линейной изоляции ВЛ (ОПН-Л). Эти ограничители были впервые разработаны и стали широко применяться в Японии и США в 80-е годы XX века для защиты ВЛ на напряжения 66, 77 и 138 кВ [2]. К 1992 г. в электрических сетях Японии было размещено около 30 тыс. аппаратов: 840 — на ВЛ 22—33 кВ (2,84 %), 26 495 — на ВЛ 66—77 кВ (89,57 %), 1879 — на ВЛ 110—154 кВ (6,35%) и 366 — на ВЛ 187—500 кВ (1,24 %) [3].

Рис. 1. Аппарат ОПН-Л на линии 800 кВ в Японии.

Рис. 1. Аппарат ОПН-Л на линии 800 кВ в Японии.

В этой стране ежегодно устанавливается около 7000 шт. защитных аппаратов ОПН-Л. Аналогичное происходит в США и других странах. Так, более половины из 30 энергокомпаний США применяют защитные аппараты на ВЛ 69—230 кВ. Уже к 1994 г. в Японии аппараты ОПН-Л нашли своё применение на 22 ВЛ 500 кВ [4], а в настоящее время — уже на ВЛ 800 кВ [4] (рис. 1).

В Японии широко используются двухцепные ВЛ, на которых аппараты располагаются по-разному: на трёх фазах одной цепи (97,07 %), на всех шести фазах двух цепей (2,58 %), на двух фазах одной цепи (0,35 %), на одной из шести фаз (всего два аппарата). Статистический анализ эксплуатируемых ВЛ с подвесными ОПН, показал весьма ощутимое повышение их надёжности. На ВЛ с ОПН в каждой фазе отключений одновременно двух цепей не наблюдалось, в 60 % случаев происходили отключения лишь одной цепи. На ВЛ, не оснащённых подвесными ОПН, в 60 % случаев имели место отключения двух цепей, в остальных — одной цепи. Однако эти данные относятся лишь к начальному периоду эксплуатации подвесных ОПН.

Имеются и другие зарубежные публикации о повышении надёжности эксплуатации ВЛ путём использования ОПН. В частности, в материалах [6] и [7] рассматривается конструкция оксидно-цинковых аппаратов, установленных на опорах ВЛ 138 кВ. В настоящее время актуальность этого вопроса подтверждается решением 33 комитета СИГРЭ от 1999г. В Бразилии для повышения надёжности ВЛ классов напряжения до 230 кВ (где 50–70 % всех повреждений происходят из-за грозовых перенапряжений) до 2006 г. было установлено более 2500 аппаратов ОПН-Л [8].

Во Франции ограничители ОПН-Л размещаются на ВЛ 63—90 кВ, проходящих вблизи мест пребывания людей (парков, игровых площадок) [9]. Защитные аппараты имеются на каждой опоре. Воздушная линия электропередачи 400 кВ Линке 1,2 в МЭС Северо-Запада проходит по сухому песчаному и скальному грунту. До оснащения ВЛ защитными аппаратами грозовые перенапряжения приводили к одновременному отключению двух цепей в среднем 1-2 раза в год.

Рис. 2. Аппарат ОПН-Л на линии 400 кВ Линке 1,2 в России.

Рис. 2. Аппарат ОПН-Л на линии 400 кВ Линке 1,2 в России.

Грозозащита этой линии была модернизирована и оснащена аппаратами ОПН-Л, которые установили на «проблемных» участках вплоть до размещения на всех трЁх фазах обеих цепей на одной опоре (рис. 2). В течение четырёх лет с момента установки аппаратов в 2004 г. на данной линии не были зафиксированы ни грозовые отключения, ни повреждения ОПН [10].

В публикации [11] приведён способ защиты ВЛ 420 кВ компактного исполнения (расстояние между фазами 5 м) длиной 5 км. На линии отсутствуют грозозащитные тросы, сопротивление заземления от 10 до 52 Ом. Защитные аппараты ОПН-Л (23 шт.) установлены на каждой опоре.

В энергосистеме Румынии на ВЛ 400 кВ Брасов — Гутинас (общая протяжённость 126 км) на безтроссовом участке длиной 2,76 км, расположенном в горной местности, были установлены аппараты ОПН-Л (их количество составляет 75 % общего числа гирлянд изоляторов на этом участке), а также стержневые молниеприёмники. На этой линии фазы расположены горизонтально. По расчётным данным оснащение крайних фаз указанного участка защитными аппаратами позволит в 10,5 раз уменьшить число перекрытий линейной изоляции в год по сравнению с вариантом без каких-либо средств защиты.

Рис. 3. Аппарат ОПН-Л на линии 400 кВ в Китае на опорах двух видов.

Рис. 3. Аппарат ОПН-Л на линии 400 кВ в Китае на опорах двух видов:

а) анкерной;

б) промежуточной.

Большое число аппаратов ОПН-Л размещено в Китае [12] на каждой опоре ВЛ 132 и 400 кВ (рис. 3), расположенных преимущественно на холмах. В общем случае частоту их расстановки рекомендуется определять в зависимости от требуемой надёжности защиты.

В США за пять лет эксплуатации ВЛ 115 кВ (защищены все опоры и все фазы) не произошло ни одного отключения. Следует отметить также, что вследствие использования защитных аппаратов на пяти опорах, расположенных на вершине холма, отключения ВЛ (проходящей по холмистой местности) прекратились, тогда как без ОПН-Л линия отключалась по 4 раза в год [13]. Таким образом, аппараты ОПН-Л находят всЁ большее применение во всем мире и на всех классах напряжения вплоть до 800 кВ.

Выбор мест установки ОПН

В первую очередь ОПН размещаются:

  • в высоких переходных пролетах через водоЁмы и другие преграды на трассе ВЛ;
  • на ВЛ с ослабленной изоляцией;
  • на двухцепных электропередачах с вертикальной подвеской проводов. При этом необходимо защитить хотя бы одну цепь участка трассы ВЛ;
  • на ВЛ, проходящей по району с локальной повышенной грозопоражаемостью;
  • в районах с плохо проводящим грунтом и большим сопротивлением заземления опор;
  • на ВЛ без грозотросов и пр.

В зависимости от области применения существуют два типа аппаратов: ОПН-Л без искрового промежутка (рис. 4) и ОПН-ЛИ с внешним ИП. Искровой промежуток тороидального типа показан на рис. 5. Так, аппарат ОПН-ЛИ, состоящий из ОПН и последовательно соединённого с ним ИП, предназначен только для защиты ВЛ от грозовых перенапряжений. Наличие ИП позволяет аппарату работать в качестве разрядника, т.е. в нормальном режиме ОПН отделён от провода и не находится под рабочим напряжением. При возникновении грозовых перенапряжений происходит пробой ИП, и ОПН подключается к ВЛ. В таком случае ОПН выполняет две функции — ограничивает перенапряжения и обрывает сопровождающий ток.

Рис. 4.  ОПН-Л 110 - 500, оснащенные отделителями.

Рис. 4. ОПН-Л 110 — 500, оснащенные отделителями.

Рис. 5. ИП тороидального типа.

Рис. 5. ИП тороидального типа.

Аппарат ОПН-Л постоянно находится под рабочим напряжением и, не имея ИП, обладает большей чувствительностью. При оснащении ВЛ такими аппаратами наблюдается эффект распределённого ОПН (сразу несколько аппаратов работают параллельно), что позволяет снизить требования по энергоёмкости к ОПН-Л по сравнению с ОПН-ЛИ.

Повреждённый аппарат ОПН-Л можно выявить при тепловизионном контроле по срабатыванию отделителя (входит в комплект поставки), а ОПН-ЛИ — только по следам повреждения. Стабильность рабочих характеристик аппаратов ОПН-ЛИ зависит от атмосферных условий, ОПН-Л — не зависит. Следует отметить, что на работоспособность аппарата ОПН-ЛИ влияет способ его крепления и форма ИП.

Опыт применения аппаратов ОПН-ЛИ в ОАО «Тюменьэнерго»

В настоящее время в ОАО «Тюменьэнерго» реализованы самые крупные отечественные проекты по использованию ограничителей ОПН-ЛИ для грозозащиты ВЛ 110 кВ. Общая протяжЁнность линий с ОПН составляет около 270 км. Открытое акционерное общество «Тюменьэнерго» — одна из крупнейших энергосистем России, в состав которой входят 12 филиалов электрических сетей, обслуживающих распределительные электрические сети на территории с различными климатическими и геологическими условиями трёх субъектов Российской Федерации: Тюменской области, Ханты-Мансийского автономного округа (ХМАО), Ямало-Ненецкого автономного округа (ЯНАО). Общая площадь, на которой осуществляет свою деятельность энергосистема, составляет более 1,4 млн км2.

Одна из проблем эксплуатации ВЛ 110 кВ, находящихся на территории ХМАО и ЯНАО — низкая грозоупорность линий, связанная с высоким удельным сопротивлением грунта в указанных регионах. По этой причине при грозовых перенапряжениях имеют место отключения ВЛ, вызванные обратными перекрытиями изоляции линий из-за высокого сопротивления в цепи стекания тока молнии в землю. При этом зачастую отключаются сразу две цепи двухцепных ВЛ. Число таких отключений, как правило, ежегодно превышает 50 % общего числа грозовых отключений (табл. 1, сведения за 2007 г.) и сопровождается в большинстве случаев успешным автоматическим повторным включением (УАПВ) линии.

Следует отметить, что основные потребители ОАО «Тюменьэнерго» на территории ХМАО и ЯНАО, на долю которых приходится более 90 % общего потребления электроэнергии — крупнейшие нефтегазодобывающие предприятия региона и страны. Любые отключения линий электропередачи, питающих эти объекты, даже с успешными повторными включениями приводят к значительным сбросам нагрузки из-за нарушения технологических процессов добычи, а также транспортирования нефти и газа.

Опыт эксплуатации показывает, что предпринимаемые известные меры для повышения грозоупорности ВЛ (доведение сопротивления контуров заземления опор ВЛ до норматива и применение дифференциальной изоляции) не дают желаемых результатов. Поэтому в 2007 г. техническим руководством ОАО «Тюменьэнерго» было принято решение разработать и реализовать пилотный проект установки ОПН с ИП (линейный разрядник) на одной цепи двухцепной ВЛ для определения эффективности их использования.

В целях выполнения пилотного проекта были выбраны часто отключаемые двухцепные ВЛ 110 кВ: «Контур-Ай — Пимская 1,2», Сургутские электрические сети (ХМАО) и «Губкинская — Новогодняя 1,2», Ноябрьские электрические сети (ЯНАО). В табл. 2 приведены основные параметры рассматриваемых ВЛ за период 2001 — 2006 гг.

Для повышения грозоупорности ВЛ филиалом ОАО «НТЦ Электроэнергетики» — СибНИИЭ» были осуществлены проекты реконструкции ВЛ, согласно которым ОПН должны стать средством повышения грозоупорности ВЛ. Такая мера защиты позволит обеспечить число двухцепных (одноцепных) отключений — не более 0,1 (2,0) на 100 км в год.

Основные требования, предъявляемые проектными организациями к ОПН: обеспечение защиты изоляции линии в случае удара молнии (при этом риск повреждения самих аппаратов должен быть минимальным), а также адаптация при установке и монтаже на опорах ВЛ. Кроме того, повреждение ОПН не должно приводить к длительному отключению линии. При выборе типа аппарата проектная организация отдала предпочтение ОПН с ИП (ОПН-ЛИ).

Заказчик поставил условие — обеспечить стабильность характеристик ИП при отклонениях проводов под воздействием ветра. Угол отклонения гирлянды изоляторов от вертикали достигает 40 градусов. Учитывая все требования к ОПН, специалистами ЗАО «Феникс-88» разработаны аппараты с двумя типами ИП. Модули ОПН выполнены на основе серийных модулей ОПН 110 кВ по согласованным техническим условиям с использованием варисторов фирмы EPCOS и высококачественных материалов.

Таблица 1.

Регион

Филиал и электрические сети

Протяжённость ВЛ, км

Общее число отключений

Число отключений на двухцепных ВЛ (%)

Удельное число отключений на 100 км

Ханты-Мансийский автономный округ

Когалымские

1564

36

32(89)

2,3

Нижневартовские

2934

25

49(80)

3,2

«Энергокомплекс»

1956

17

10(59)

0,86

Нефтеюганские

2535

17

10(59)

0,67

Уральские

1856

26

14(54)

1,4

Ямало-Ненецкий автономный округ

Ноябрьские

1648

56

33(59)

2,11

Северные

1470

17

4(24)

1,2

Тюменская область

Тюменские

1281

2

-(-)

0,2

Тобольские

1319

6

-(-)

0,45

Ишимские

1863

4

-(-)

0,2

Южные

1010

4

-(-)

0,4

Всего

22368

271

172(63)

1,2


Таблица 2.

Параметр

Двухцепная ВЛ 110 кВ

Губкинская—Новогодняя 1,2 с отпайкой на подстанцию Вынгаяхинская

Контур-Ай — Пимская 1,2

Протяженность ВЛ, км

73,1

46,74

Сопротивление опор, Ом

От нормативного значения и более

Средняя годовая продолжительность гроз, ч

30

40

Среднее число грозовых отключений ВЛ на 100 км в год

8,3

7,1

Число грозовых отключений
по цепям

одной

8

7

второй

9

9

двух одновременно

15

18

Тип опоры (число)

П110-4 (173)

ПБ 110-2 (112)

ПМО 110-3 (25)

П110-2÷4 (66)

У110-2÷8 (23)

У110-2÷8 (21)


Первый аппарат ОПН-ЛИр с внешним ИП, организованным между электродом в форме рога и проводом, размещается на поддерживающих опорах (рис. 6). Второй аппарат ОПН-ЛИт также с внешним ИП (рис. 7), но расположенным между электродами тороидального типа, которые закреплены на подвесном полимерном изоляторе (см. рис. 5), предназначен для установки на анкерных опорах.

Защитный аппарат ОПН-ЛИр

Рис. 6. Защитный аппарат ОПН-ЛИр:
с внешним ИП (слева);
монтаж на поддерживающей опоре (справа)

ОПН-ЛИт на анкерных опорах: испытание и монтаж ОПН-ЛИт на анкерных опорах: размещение

Рис. 7. ОПН-ЛИт на анкерных опорах:

испытание;

монтаж;

размещение.

Причиной появления второго аппарата стала ненормированность длин шлейфов на анкерных опорах и вызванная тем самым сложность организации ИП на таких опорах с требуемыми рабочими характеристиками. Все конструкции ИП были испытаны в ИЦ ФГУП ВЭИ и в ИЦ высоковольтного электрооборудования филиала ОАО «НТЦ электроэнергетики — СибНИИЭ». На рис. 8 показаны фотографии аппарата ОПН-ЛИр, выполненные во время испытаний.

Рис. 8. Испытания ОПН-ЛИр:

Рис. 8. Испытания ОПН-ЛИр:

а) вертикальное расположение поддерживающей гирлянды;

б) отклонение поддерживающей гирлянды от вертикали на 40 град.

Весной 2008 г. (до начала грозового сезона) на ВЛ Губкинская-Новогодняя 1,2 с отпайкой на подстанцию Вынгаяхинская и на ВЛ Контур-Ай — Пимская 1,2 были установлены защитные аппараты ОПН-ЛИ. В это же время ЗАО «ФЕНИКС-88» разработало и внедрило типовое техническое решение по их установке на различных типах опор ВЛ 110 кВ.

Зимой 2009 г. была проведена работа по защите наиболее частот отключаемых двухцепных ВЛ 110 кВ с их отпайками: Лас-Еган — Прогресс 1,2 (общая протяжённость ВЛ с отпайками 62,9 км) в Когалымских электрических сетях (ХМАО) и Холмогорская — Пуль-Яха 1,2 (общая протяжённость ВЛ с отпайками 86,4 км) в Ноябрьских электрических сетях (ЯНАО). В табл. 3 приведены отношения числа отключений одной цепи ВЛ к числу двухцепных отключений ВЛ, оснащенных аппаратами ОПН-ЛИ производства ЗАО «ФЕНИКС-88» за период 2006 — 2009 гг.

Таблица 3.

Наименование ВЛ 110кВ

Отношение числа отключений одной цепи ВЛ к числу двухцепных отключений по годам

2006

2007

2008

2009

Губинская — Новогодняя 1,2

9/5

5/2

1/0*

1/1*

Контур-Ай — Пимская 1,2

14/7

12/6

0/0*

0/0*

Лас-Еганская — Прогресс 1,2

3/3

1/1

3/3

0/0*

Холмогорская — Пуль-Яха

3/3

1/1

2/2

0/0*

* при наличии аппаратов ОПН-ЛИ.

Итак, применение подвесных защитных аппаратов позволяет практически полностью избежать отключений защищённой цепи и одновременного отключения двух цепей, а также существенно сократить общее число отключений двух цепей одновременно.

Список использованной литературы

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

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

3. 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.

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

5. 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.

6. 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.

7. 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.

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

11. 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.

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.





Рейтинг@Mail.ru Яндекс.Метрика