Проектирование подстанции 110/6 кВ с решением задачи координации изоляции

Принцип действия и основные характеристики Вентильных Разрядников. Основными элементами вентильного разрядника являются многократный искровой промежуток и соединенный последовательно с ним резистор с нелинейной вольт-амперной характеристикой (рис. 4.3.2). При воздействии на разрядник импульса грозового перенапряжения пробивается искровой промежуток и через разрядник проходит импульсный ток, создающий падение напряжения на сопротивлении разрядника. Благодаря нелинейной вольт-амперной характеристике материала, из которого выполнено сопротивление, это напряжение мало меняется при существенном изменении импульсного тока и незначительно отличается от импульсного пробивного напряжения искрового промежутка разрядника. Одной из основных характеристик разрядника является остающееся напряжение разрядника U/ост, т. е. напряжение при определенном токе (5-14 кА для разных UH0M), который называется током координациu. Импульсное пробивное напряжение искрового промежутка разрядника и близкое к нему напряжение Uост должны быть на 20-25% ниже разрядного напряжения изоляции (координационный интервал).

Рис. 4.3.2 - Вольт-амперные характеристики вентильного разрядника и пути уменьшения остающегося напряжения

После окончания процесса ограничения перенапряжения через разрядник продолжает проходить ток, определяемый рабочим напряжением промышленной частоты. Этот ток (так же, как и у трубчатых разрядников) называется сопровождающим током. Сопротивление нелинейного резистора разрядника резко возрастает при малых по сравнению с перенапряжениями рабочих напряжениях, сопровождающий ток существенно ограничивается, и при переходе тока через нулевое значение дуга в искровом промежутке гаснет. Наибольшее напряжение промышленной частоты на вентильном разряднике, при котором надежно обрывается проходящий через него сопровождающий ток, называется напряжением гашения Uгаш, а соответствующий ток - током гашения Uгаш. Гашение дуги сопровождающего тока должно осуществляться в условиях однофазного замыкания на землю, так как во время одной и той же грозы могут произойти перекрытие изоляции на одной фазе и срабатывание разрядника в двух других фазах. Таким образом, напряжение гашения должно быть равным напряжению на неповрежденных фазах при однофазном замыкании на землю:

Uгаш = k3Uном, (4.2.1)

где k3 - коэффициент, зависящий от способа заземления нейтрали (ниже будет показано, что k3 = 0,8; 1,1 соответственно для установок с заземленной и изолированной нейтралью); £/вом - номинальное линейное напряжение.

Эффективность действия разрядника характеризуется так называемыми защитными отношениями:

k= Uпр~/Uгаш;(4.2.2)

kзащ = Uост/1.43U гаш,(4.2.3)

где Unp - пробивное напряжение искрового промежутка разрядника при 50 Гц.

Основное значение для грозозащитных разрядников имеет снижение k3m, которое может быть достигнуто двумя путями. Первый путь - получение более пологой вольт-амперной характеристики (рис. 16-7, кривая 2) - уже в достаточной мере использован и в настоящее время не открывает реальных перспектив. Второй путь - увеличение тока гашения за счет улучшения дуго-гасящих свойств промежутка - позволяет снизить вольт-амперную характеристику во всем диапазоне токов (кривая 3).

Вентильные разрядники обладают определенной пропускной способностью, т.е. предельной величиной тока, который они могут многократно пропускать без изменения своих электрических характеристик. Пропускная способность разрядника зависит от теплостойкости его нелинейного резистора. До недавнего времени вследствие недостаточной пропускной способности вентильные разрядники отстраивались от внутренних перенапряжений, т.е. имели пробивное напряжение выше возможной величины внутренних перенапряжений и предназначались только для ограничения кратковременных перенапряжений грозового происхождения. Разработка нелинейных резисторов с более высокой пропускной способностью и применение новых принципов гашения дуги сопровождающего тока ^позволяют в настоящее время возложить на разрядники также и функцию ограничения более длительных внутренних перенапряжений. Это обстоятельство открывает перспективу дальнейшего снижения уровней изоляции электрооборудования и повышения его экономической эффективности.

4.4 Замена вентильных разрядников на ОПН

По ГОСТ 16357-70 разрядники РВС относятся к III группе и имеют следующие характеристики:

РВС-110. Uгаш.РВ = 102 кВ,

Uпр.г = 258 кВ,

Uост.г = 367 кВ при Iг = 10 кА.

Согласно ГОСТ 1516.3-96 испытательное напряжение полным грозовым импульсом нормальной изоляции силовых трансформаторов и аппаратов равно Uисп.гп = 460 кВ. Испытательное напряжение полным грозовым импульсом изоляций нейтрали силовых трансформаторов равно Uисп.н.гп = 200 кВ.

Выбор ОПН, включенных на шинах ПС. Напряжение Uнр.опн в соответствие с исходными данными равно:

Uнр.с = 1,1 Uном./√3 = 1,1∙110/√3 = 70 кВ. (4.4.1)

Учет высших гармоник из-за влияния тяговой ПС вычисляется по формуле:

Uнр.с1 = 1,1∙ Uнр.с = 77 кВ (4.4.2)

С учетом коэффициента запаса

Uнр.опн ≥ 1,05∙ Uнр.с1 = 1,05∙77 = 81 кВ (4.4.3)

По табл.1 этому условию соответствует следующие ОПН:

- EXLIM-Q-108: Uнр.опн = 84 кВ (АВВ-УЭТМ);

- ОПН-У/TEL-110/84: Uнр.опн = 84 кВ (TEL);

- Varistar AZG-2, AZG-3, AZG-4; Uнр.опн = 84 кВ (Cooper-ЭЛЗ);

- ОПН-110/88: Uнр.опн = 88 кВ (Феникс).

Проверка по характеристике «напряжение – время» Uв.опн(tв).

По табл.1 берем зависимость Кв.опн(tв) для предварительно нагруженного ОПН (индекс В):

- EXLIM-Q-108: Кв.опн = 1,525 – 0,075lgtв;

- ОПН-У/TEL-110/84: Кв.опн = 1,50 – 0,06lgtв;

- Varistar: Кв.опн = 1,41 – 0,07lgtв;

- ОПН-110/88: Кв.опн = 1,5 – 0,06lgtв;

Из приведенных исходных данных следует, что наибольшему значению Ку3 =1,8 соответствует tу3 = 0,2 с, а наибольшему tу2 = 4,0 с соответствует Ку2 =1,45.

В именованных величинах отрезок времени 0,2 с соответствует напряжению:

Uу3 = Ку3∙Uраб.наиб/√3 = 1,8∙1,15∙110/√3 = 132 кВ. (4.4.4)

Времени 4,0 с соответствует

Uу2 = Ку2∙Uраб.наиб/√3 = 1,45∙1,15∙110/√3 = 106 кВ. (4.4.5)

Расчеты сведены в табл. 4.4.1

Определение Uнр.опн по характеристике «напряжение-время» табл. 4.4.1

Результаты расчетов показывают, что для использования могут быть рекомендованы ограничители EXLIM-Q-108 и ОПН-110/88, у которых паспортные значения Uнр.опн превышают расчетные по характеристике «напряжение-время» значения Uнр.опн.

Взрывобезопасность у выбранных ограничителей обеспечивается, т. к. Iкз = 20 кА меньше для Iвб = 65 кА для EXLIM-Q-108 и равен Iвб = 20 кА для ОПН -100/88.

Длина пути утечки должна соответствовать С-3-2, т.е.

λэ = 2,0 см/кВ

или

lут = λэ∙Uраб.наиб. = 2,0∙127 =254 см. (4.4.6.)

Этому требованию удовлетворяет ограничитель ОПН-П-110/88 (см. табл.4.4.1).

Итак, окончательно для замены РВС-110 используется ограничитель, у которого (см. табл.1) остающиеся напряжения равны;

Uост.г.опн = 260 кВ при Iг = 10 кА

Uост.к.опн = 216 кВ при Iг = 1000 А

Защитный уровень при коммутационных напряжениях.

Должно быть выполнено условие:

tв.доп.к = tв.к[1 - ( tу.к-1/ tв.доп.к-1)] (4.4.7)

с учетом Uост.к. ≤Uдоп.к.

Для оборудования 110 кВ по ГОСТ 1516.3-96 нормируется одноминутное испытательное напряжение:

Uисп.1 = 200 кВ

Оценка испытательного напряжения коммутационным импульсом проводится по Uдоп.к = Uисп.к(1,15 – 1,2).

- для силовых трансформаторов Uисп.к.т = √2∙1,3∙200 = 367 кВ;

- для аппаратов Uисп.к.опн = √2∙1,15∙200 = 324 кВ.

Значения допустимого напряжения равны:

- для силовых трансформаторов Uдоп.к.т = 367/1,2 = 306 кВ;

- для аппаратов Uдоп.к.апп = 324/1,2 = 270 кВ.

Превышения Uдоп.к по отношению к Uост.к.опн составляют:

- для трансформаторов в 306/216 = 1,4 раза

- для аппаратов в 270/216 = 1,25 раза

Отсюда следует, что при коммутационных перенапряжениях ОПН создает дополнительный запас электрической прочности нормальной изоляции, которая при напряжениях 110-220 кВ рассчитана на работу без ограничения коммутационных перенапряжений.

Защитный уровень при грозовых перенапряжениях.

Остающееся напряжение ОПН меньше остающегося напряжения РВС в 367/260 = 1,4 раза. Поэтому возможна установка ОПН в той же ячейке, где располагался РВС, либо допустимо увеличить расстояние от ОПН до защищаемой изоляции. В нашем случае при lзп = 2 км согласно

lопн.из = lрв.из (4.4.8)

расстояния могут быть увеличены до следующих значений.

Подстанция работает в режиме – два трансформатора и две воздушных линии:

lопн.из.т1 = 90 = 194 м (4.4.9)

lопн.из.ап.1 = 200 = 430 м (4.4.10)

Подстанция работает в режиме – два трансформатора и одна воздушная линия.

lопн.из.т2 = 75 = 161 м (4.4.11)

lопн.из.ап.2 = 150 = 322 м (4.4.12)

Получаем увеличение расстояния более чем в два раза.

Заключение. Задача по замене РВС на ОПН для данной ОРУ может быть решена следующим образом. Вместо РВС-110 применяются ОПН типа

ОПН-П-110/88. Их можно установить в те же ячейки, где были установлены РВС-110, что значительно повысит надежность защиты оборудования ОРУ от грозовых перенапряжений. В частности, опасная зона (защищенный подход) на ВЛ может быть существенно сокращена.

4.5 Электрический расчет проходного изолятора на 110 кВ с бумажно-масляной изоляцией

Вводами называются проходные изоляторы на напряжения 35кВ и выше с более сложной внутренней изоляцией. Вводы применяются в качестве проходных изоляторов трансформаторов, выключателей и других аппаратов. Основными характеристиками ввода являются номинальное напряжение, рабочий ток и во многих случаях допустимая механическая нагрузка на токоведущий стержень.

Ввод представляет собой конструкцию с внешней и внутренней изоляцией. К внешней изоляции относятся промежутки в атмосферном воздухе вдоль поверхности изоляционного тела, к внутренней – участки в самом изоляционном теле, а также промежутки вдоль поверхности изоляционного тела, находящиеся внутри корпуса, если последний заполнен газообразным или жидким диэлектриком. Конструкция внутренней изоляции ввода оказывает большое влияние и на характеристики его внешней изоляции. Например, от числа и размеров дополнительных электродов, располагаемых в изоляционном теле для регулирования электрического поля, зависит характер изменения напряженности вдоль поверхности изолятора и, следовательно, разрядные напряжения его внешней изоляции.

Изоляционное тело служит одновременно и креплением токоведущего стержня. Оно воспринимает все механические усилия, которые действуют на стержень. С увеличением номинального напряжения и размеров изоляционного тела резко возрастают механические нагрузки от собственной массы изолятора. Наиболее опасными для вводов являются механические нагрузки, изгибающие его изоляционное тело. Поэтому для крупных изоляторов, имеющих большую массу, ограничивают угол отклонения от вертикали в рабочем положении.

Нагрев ввода обуславливает потери в токоведущем стержне от рабочих токов, а также диэлектрические потери в изоляционном теле. Кроме того, нагрев может происходить и за счет тепловыделений, имеющих место внутри корпуса оборудования. Например, в трансформаторах, реакторах и силовых конденсаторах вводы соприкасаются с нагретым маслом, заполняющим внутренний объем баков. С увеличением рабочего напряжения и радиальных размеров изолятора отвод тепла от токоведущего стержня и из толщи изоляции значительно затрудняется. Поэтому становятся более жесткими и требования в отношении диэлектрических потерь во внутренней изоляции.

Вводы на 110кВ и выше выполняются только заполненными маслом, т.е. с маслобарьерной или бумажно-масляной внутренней изоляцией. Для аппаратов и трансформаторов на напряжения 110кВ и выше в последние годы преимущественное применение получили вводы с бумажно-масляной изоляцией. Конструкция такого ввода на напряжение 110кВ показана на листе. Основной внутренней изоляцией в нём является пропитанный маслом бумажный остов, намотанный на токоведущий стержень.

Благодаря высокой кратковременной и длительной электрической прочности бумажно-масляной изоляции, вводы указанного типа имеют наименьшие радиальные размеры. Основной их недостаток – резкое ухудшение характеристик при увлажнении. В связи с этим к их конструкции предъявляются повышенные требования в отношении герметичности; маслорасширители непременно снабжаются специальными осушителями воздуха.

Расчёт изоляционного остова ввода с бумажно-масляной изоляцией для трансформатора на 110 кВ.

Чтобы пренебречь изменением, напряженность электрического поля в аксиальном направлении считаем, что емкости слоев изоляционного остова одинаковы.

Выдерживаемое напряжение в сухом состоянии UC0=295кВ.

Выдерживаемое напряжение под дождём UМ0=215кВ.

Испытательное напряжение UИС=265кВ.

Расчётное напряжение ввода по 1.55[2]:

кВ

Фазовое расчётное напряжение по 1.56[2]:

кВ

Наименьшую толщину слоя изоляции примем =0,1см. При такой толщине слоя максимальная расчётная напряжённость, вычисляемая по напряжению скользящи скользящих разрядов по 1.75[2]:

кВ/см, где e=3.5 для бумаги пропитанной маслом.

Расчётная напряжённость, вычисляемая по напряжённости неустойчивой ионизации (по условию частичных разрядов) в принятой толщине слоя по 1.66[2]:

кВ/см.

За расчётную принимаем наименьшую из напряжённостей, т.е.Еr.макс.расч.=125кВ/см.

Количество слоёв в изоляционном остове по 1.74[2]:

26.

При таком количестве слоёв длина уступа по масляной части по 1.79[2]:

см,

где коэффициент запаса электрической прочности по отношению к расчетному напряжению m=1.4.

Сумма длин уступов по масляной части остова:

см.

Длину уступа по воздушной части принимаем по 1.84[2]:

см.

см

Принимаем см,

а сумма длин уступов по воздушной части остова:

см,

полная длина уступов:

см.

При условии получения минимального объёма остова длина n-ой заземляемой обкладки по 1.88[2]:

см, где для условия минимума x=4.1.

длина нулевой обкладки остова по 1.89[2]:

см

и параметр:

.

Радиус нулевой обкладки по 1.95[2]:

см,

радиус n-ой обкладки по 1.96[2]:

см.

Результаты расчета остальных слоев сведем в таблицу:

Параметр А будет равен:

а параметр:

Максимальная напряженность в слое x:

кВ/см, где напряжение в слое Uсл=U/n=325/26=12.45кВ/см.

Длина слоя x:

Максимальная расчётная напряжённость получилась равной 125 кВ/см. Максимальная радиальная напряжённость при рабочем напряжении ввода в слое наименьшей толщины равна 28кВ/см, а допустимая напряжённость по напряжённости ионизации составляет 37кВ/см.

Результаты расчета остова даны в таблице.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8