ЛИНИЯ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ С УСТРОЙСТВОМ ЗАЩИТЫ ОТ ГРОЗОВЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ Российский патент 1997 года по МПК H02G7/00 H02H9/06 H01T4/00 

Изобретение относится к высоковольтной технике, а более конкретно к электропередачам с устройствами для защиты от грозовых перенапряжений.

Известные высоковольтные линии электропередач (ЛЭП), как правило, включают в себя силовой провод, закрепленный на опорах посредством изоляторов, а также устройства грозозащиты, т.е. устройства для ограничения перенапряжений, возникающих в линии при попадании в нее молнии. Линия может содержать несколько силовых проводов, например, если линия выполнена многофазной. Опоры выполняются, как правило, заземленными, но встречаются также линии электропередач с незаземленными опорами. Силовой провод, как правило, соединен с питающим кабелем через кабельную разделку.

Особенностью грозозащиты ЛЭП с изолированными проводами является то, что, если не принять специальных мер, при грозовом перенапряжении происходит перекрытие изолятора линии, а затем пробой твердой изоляции провода. С большой вероятностью грозовое перекрытие переходит в дугу промышленной частоты, которая горит в месте пробоя изоляции до тех пор, пока линия не будет отключена. Это может привести к обжигу изоляции провода, изолятора линии, а в случае больших токов короткого замыкания (КЗ) к пережогу провода.

В Финляндии фирмой NOKIA для грозозащиты используется система, состоящая из металлической спирали, навитой на изолированный провод в месте его крепления к изолятору и дуговых рогов, установленных по концам спирали и гальванически соединенных с проводом при помощи прокусывающих зажимов. Такая система устанавливается на каждую фазу трехфазной линии таким образом, чтобы обеспечить искровой разрядный промежуток между дуговыми рогами соседних фаз.

При перенапряжении происходит однофазное перекрытие изолятора на землю и образуется дуга, которая перемещается по металлической спирали, навитой поверх изоляции провода. Под действием электродинамических сил дуга переходит на дуговой рог и далее перекидывается на расположенный вблизи (на расстоянии, примерно 30 40 см) дуговой рог соседней фазы. Таким образом, однофазное КЗ переводится в двухфазное. Дуга двухфазного КЗ горит между дуговыми рогами до тех пор, пока линия не будет отключена, что приводит к значительному обгоранию рогов. Поэтому необходима их периодическая замена. Кроме того, двухфазные КЗ создают сильные электродинамические удары по обмоткам трансформаторов, что приводит к ускоренному износу их изоляции и всего оборудования в целом. Частые коммутации увеличивают также затраты на профилактические ревизии коммутирующего оборудования.

В Японии широкое распространение для грозозащиты воздушных линий получили ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН) [1] ОПН подключается через искровой промежуток и рассчитан на ток грозового перенапряжения 2,5 кА, поскольку 95% измеренных в японских распределительных линиях грозовых токов имеют величину менее 1 кА. ОПН эффективно ограничивают индуктированные перенапряжения, но в случае относительно редкого события превышения тока грозового перенапряжения сверх расчетного уровня они повреждаются.

Любую систему грозозащиты ЛЭП с изолированными проводами, в том числе и ОПН, весьма желательно устанавливать параллельно каждому изолятору. При массовой установке главная проблема ОПН их высокая цена. Ориентировочно один ОПН 10 кВ стоит 100 120 долларов США.

В США предложено для грозозащиты ЛЭП с изолированными проводами удалять твердую изоляцию провода на участке линии вблизи опоры, а на границе изоляции устанавливать массивные зажимы [2] Это устройство является наиболее близким к предлагаемому и принято в качестве прототипа.

В такой линии при перенапряжении происходит грозовое перекрытие изолятора на неизолированный участок провода. Перекрытие переходит в силовую дугу, которая под действием электродинамических сил перемещается по проводу до тех пор, пока не дойдет до границы изоляции, на которой установлен массивный зажим. Далее дуга не перемещается и продолжает гореть, опираясь одним из своих концов на зажим, до тех пор пока линия не будет отключена. В случае системы с заземленной нейтралью (как, например, в США) токи КЗ весьма велики и автоматика относительно быстро реагирует на КЗ и отключает поврежденную линию. Однако при этом происходит значительное обгорание зажимов, что определяет необходимость их периодической замены. Кроме того, образование силовой дуги приводит к необходимости отключения линии.

Все вышеуказанное определяет необходимость поиска новых технических решений, повышающих надежность и экономическую эффективность грозозащитных мер.

Задачей изобретения является создание надежной и обладающей невысокой стоимостью в строительстве и эксплуатации линии электропередачи благодаря повышению надежности и упрощению конструкции средств защиты от грозовых воздействий.

Техническим результатом является повышение надежности и упрощение конструкции средств защиты от грозовых воздействий.

Поставленная задача достигается тем, что в линии электропередачи, включающей по меньшей мере одну опору, по меньшей мере один изолированный силовой провод, по меньшей мере один изолятор указанного силового провода от указанной опоры, крепежный элемент, фиксирующий указанный силовой провод на указанном изоляторе, а также средства защиты изолятора от грозовых перенапряжений, согласно изобретению средства защиты выполнены в виде по меньшей мере одного отверстия в изоляции силового провода, причем отверстие удалено от крепежного элемента на расстояние, определяемое из выражения
0,06 U^0,75 h < l < 0,5 U^0,75 h, (1)
где l расстояние от указанного отверстия до указанного крепежного элемента, м;
h длина пути перекрытия защищаемого изолятора, м;
U номинальное напряжение линии, кВ.

Практически авторами предложен новый способ грозозащиты, основанный на использовании эффекта скользящего разряда по поверхности изолированных проводов. Защита от грозовых перенапряжений в предлагаемой линии электропередачи основана на следующем принципе.

После грозового перекрытия изоляции вероятность установления силовой дуги главным образом зависит от средней напряженности электрического поля, создаваемой рабочим напряжением линии на канале перекрытия.

Физические закономерности, связанные с переходом импульсного перекрытия в силовую дугу, исследовались в разных лабораториях мира. На основе обобщения результатов этих исследований и опыта эксплуатации действующих ЛЭП в России принято нормативное соотношение, позволяющее оценивать вероятность возникновения силовой дуги при грозовых перекрытиях изоляции (Корсунцев А. В. Проект руководящих указаний по защите электрических сетей 3 750 кВ от грозовых и коммутационных перенапряжений. Тр. НИИПТ, с. 21 22, 1975).

P_д (1,59 U_ф/L 6)•10^-2 (1,59E - 6)•10^-2, (2)
где E U_ф/L- средняя напряженность электрического поля вдоль пути перекрытия, кВ/м;
U_ф фазное напряжение линии, кВ;
L длина пути перекрытия, м.

Формула (2) справедлива при E≥10 кВ/м. При E≅7 кВ/м образование силовой дуги практически невозможно
P_д 0 при E≅7 кВ/м. (3)
Как видно из (2), при заданном номинальном напряжении вероятность возникновения дуги приблизительно обратно пропорциональна длине пути перекрытия. Поэтому за счет увеличения L можно снизить P_д и, следовательно, сократить число отключений линий.

На линиях с деревянными опорами, являющимися дополнительными изоляторами, длина пути перекрытия существенно больше, чем на линиях с металлическими или бетонными опорами. Вследствие этого вероятность возникновения дуги для деревянных опор существенно ниже, чем для металлических или бетонных. Опыт эксплуатации показывает, что для металлических опор P_д 0,7 0,85, а для деревянных P_д 0,3 0,5.

Приведенный краткий технический анализ рассматриваемого явления позволяет установить, что улучшение грозозащиты линий электропередачи возможно путем удлинения пути импульсного грозового перекрытия.

Минимальная длина пути перекрытия L_форм, обеспечивающая достаточное повышение надежности защиты, может быть вычислена по формуле
L_форм 0,06 U^0,75, м
где U номинальное напряжение линии, кВ.

В таблице приведены опубликованные в литературе максимальные из используемых в настоящее время длин изоляции l_из.

Как видно из таблицы, длина пути искрового перекрытия, определенная по вышеуказанной формуле, по меньшей мере на 20 70% больше, чем максимальные длины обычной изоляции.

На фиг. 1 изображена схема линии электропередачи с отверстием в изоляции провода; на фиг. 2 схема линии электропередачи с прокалывающим зажимом.

Линия электропередачи (фиг. 1) включает в себя провод 1, покрытый изоляцией 2 и укрепленный на изоляторе 3 с помощью металлической обвязки 4. Изолятор 3 установлен на опоре 5. На расстоянии l от конца металлической обвязки 4 в изоляции 2 провода 1 выполнено отверстие 6. Позицией 7 обозначен канал разряда.

На фиг. 2 показан другой вариант выполнения линии, в которой на расстоянии l от конца металлической обвязки 4 в изоляции 2 провода 1 установлены прокалывающие зажимы 8.

Защита от грозовых перенапряжений работает следующим образом.

При перенапряжении сначала перекрывается изолятор 3, а затем происходит скользящий разряд 7 по поверхности изоляции 2. За счет весьма большой длины разряда грозовое перекрытие не переходит в силовую дугу промышленной частоты и линия продолжает бесперебойную работу без отключения.

Общие длины грозовых перекрытий L l + h, при которых исключается переход импульсного разряда в силовую дугу (E≅7 кВ/м, формулы 2 и 3), составляют
для ЛЭП 6 кВ L 60 см
для ЛЭП 10 кВ L 80 см.

Приведенные в изобретении модификации выполнения линии электропередачи даны лишь для пояснения их устройства и принципов работы. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что возможны отклонения от вышеприведенных примеров выполнения, которые также охватываются формулой изобретения.

Использование: в электропередачах с устройствами для защиты от грозовых перенапряжений. Сущность изобретения: линия электропередачи содержит по меньшей мере одну опору, по меньшей мере один изолированный привод, по меньшей мере один изолятор указанного провода от указанной опоры, крепежный элемент для фиксации силового провода на изоляторе, а также средство защиты изолятора от грозовых перенапряжений, которое выполнено в виде по меньшей мере одного отверстия в изоляции провода, которое удалено от крепежного элемента на определенное расстояние. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Линия электропередачи, включающая по меньшей мере одну опору, по меньшей мере один изолированный провод, по меньшей мере один изолятор указанного провода от указанной опоры, крепежный элемент, фиксирующий указанный силовой провод на указанном изоляторе, а также средства защиты указанного изолятора от грозовых перенапряжений, отличающаяся тем, что указанные средства защиты выполнены в виде по меньшей мере одного отверстия в изоляции провода, причем это отверстие удалено от указанного крепежного элемента на расстояние, определяемое из выражения
0,06 U^{0 , 7 5} h < l < 0,5 U^{0 , 7 5} h,
где l расстояние от указанного отверстия до указанного крепежного элемента, м;
h длина пути перекрытия защищаемого изолятора, м;
U номинальное напряжение линии, кВ. 2. Линия электропередачи по п.1, отличающаяся тем, что в указанном по меньшей мере одном отверстии в изоляции провода установлен прокалывающий зажим.