Защита открытого распределительного устройства (ОРУ) подстанции

Защита открытого распределительного устройства (ОРУ) подстанции

ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра ЭС

Расчетно-графическая работа

Вариант 10

«защита открытого распределительного устройства (ору) подстанции»

Выполнил:

Кальченко В.В.

Проверил:

Деркачев С.В.

Донецк 2016

. ЗАДАНИЕ НА РАСЧЕТ

1.1 Определить требуемое число и тип изоляторов гирлянд на промежуточных опорах ЛЭП, подходящих к ОРУ, и гирлянд на порталах ОРУ. Расчеты выполнить для обоих классов напряжения. Для всех выбранных гирлянд рассчитать импульсные напряжения перекрытия.

.2 Определить параметры контура заземления подстанции (длину и число вертикальных электродов, шаг сетки), обеспечивающие допустимую величину его стационарного заземления.

.3 Построить зависимость импульсного сопротивления контура заземления подстанции от тока молнии.

.4 Рассчитать зависимость максимального напряжения на силовом трансформаторе от крутизны фронта набегающей волны, определить длину опасной зоны и защищенного подхода. Определить ожидаемое число повреждений изоляции оборудования на подстанции (ОРУ-1 и ОРУ-2, рис. 1) от ударов молнии в ЛЭП в пределах защищенного подхода.

.5 Расставить на территории ОРУ молниеотводы для защиты электрооборудования от прямых ударов молнии, определив их минимально необходимое число и высоту.

.6 Определить число повреждений в год изоляции электрооборудования ОРУ от прямых ударов молнии в молниеотводы и прорывов молниезащиты подстанции.

.7 Определить показатель грозоупорности подстанции.

.8 Предложить методы повышения грозоупорности подстанции.

Исходные данные по варианту

Исходные данные зависящие от класса напряжения.

1. Расчет

Исходя из значений механических нагрузок на гирлянды изоляторов и степени загрязнения в районе расположения подстанции и воздушных линий, выбраны изоляторы для соответствующих классов напряжений

ПС210В-750 кВ

ПС160Д-500 кВ

Н - строительная высота изолятора; D -диаметр; Lу - длина пути утечки;

Нормированная удельная эффективная длина пути утечки для воздушной линии при номинальном напряжении 330-7750 кВ и степени загрязнения равной 1:

Рассчитываем наибольшее рабочее напряжение:

Необходимое число изоляторов:

Здесь коэффициент пропорциональности равен:

Коэффициент  учитывает высоту расположения изолятора над уровнем моря, и при высоте, меньше 1000 м., принимается равным 1.

Коэффициент  учитывает эффективность формы изолятора:

Для изолятора ПС 210 В

Для изолятора ПС 160 Д

Коэффициент  учитывает конструкцию использования изолятора и для простейшей из них принимается равной 1.

Таким образом:

Число изоляторов гирлянд на опорах ЛЭП:

nвл1=36 шт; nвл2=25 шт;

Число изоляторов гирлянд на порталах ОРУ:

ОРУ1= nвл1+2=36+2=38шт;

Длина гирлянды изоляторов на опорах ЛЭП:

Длина гирлянды изоляторов на порталах ОРУ

Рассчитываю импульсные напряжения перекрытия:

Определить параметры контура заземления подстанции (длину и число вертикальных электродов, шаг сетки), обеспечивающие допустимую величину его стационарного заземления.

Рис 1.- План подстанции( вид сверху).

Минимальный шаг сетки по сторонам a и b:

na=4.5 м nb=6 м

а длину вертикальных стержней .

Рассчитываем число вертикальных электродов:

Суммарная длина горизонтальных проводников:

Площадь подстанции:

;

Расчетное удельное сопротивление грунта:

Сезонный коэффициент принимаем равным .

Определим коэффициент, который в свою очередь зависит от соотношения , в нашем случае:

.

Рис.2-Зависимость .

Судя по графику, значению  соответствует .

Рассчитаем по эмпирической формуле стационарное сопротивление заземлителя подстанции:

Таким образом, стационарное заземление электростанций и подстанций зависит от его геометрических размеров и удельного сопротивления грунта.

Грунт в сухом состоянии имеет большое сопротивление растеканию тока. При увлажнении грунта имеющиеся в нем соли и кислоты образуют электролиты, которые и определяют в основном его электропроводность. Чем больше влагоемкость грунта, тем больше его электропроводность.

Расчетное сопротивление = 0,64 Ом не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к сопротивлению заземления электростанций и подстанций. Поэтому заземляющее устройство электростанций и подстанций выполняется из большого количества вертикальных и горизонтальных электродов.

При близком расположении электродов друг от друга сопротивление каждого из них повышается, что объясняется взаимным экранированием электродов. Дело в том, что при стекании тока с одиночного электрода вокруг него образуются равномерно расположенные линии тока.

В сложном заземлителе эта равномерность нарушается, потому что линии тока одного электрода вытесняют линии тока соседнего электрода. В результате сопротивление каждого электрода возрастает с уменьшением расстояния между электродами.

Рис.3 - Линии тока в сложном заземлителе при малом расстоянии между электродами.

подстанция заземление контур напряжение

Построить зависимость импульсного сопротивления контура заземления подстанции от тока молнии.

При больших импульсных токах - токах молнии - плотность тока, проходящего через заземляющие электроды, велика, поэтому в земле у поверхности электродов создаются очень высокие напряженности поля , превосходящие пробивные напряженности грунта. Вокруг электродов образуются зоны искрения, увеличивающие их эффективные размеры, и сопротивление заземления уменьшается. Быстрое же нарастание тока молнии на фронте импульса создает падение напряжения на индуктивности протяженного заземлителя, что ограничивает отвод тока с удаленных его частей. При этом сопротивление, наоборот, увеличивается. В результате того или иного фактора (образование зоны искрения, падения напряжения на индуктивности) сопротивление заземлителя при прохождении тока молнии - так называемое импульсное сопротивление  - отличается от стационарного сопротивления, измеренного при переменном напряжении и сравнительно небольшом токе.

Рассчитаем импульсное сопротивление заземлителя . Оно зависит от импульсного коэффициента , который, в свою очередь, мы можем получить по приближенной формуле:

Так как значений тока Iм по условию задано от 10-100 кА, то расчет аи произведем с помощью программы MathCAD, полученные результаты снесем в таблицу.

Таблица 1.3- Результаты расчета Rи.

Строим График зависимости импульсного сопротивления контура заземления подстанции от тока молнии.

Согласно справочнику «Справочник по электрическим установкам высокого напряжения / Под ред. И.А.Баумштейна» выбираем опоры, согласно номинальному напряжению.

Для Uн=750 кВ была выбрана опора типа ПБ750-3.

Промежуточная одноцепная свободностоящая опора ПБ750-3.

Провод: 5хАС 300/39 сечение стали провода Sпр1=40.5 мм2.

Трос: 2хАС70/72 сечение стали троса Sтр1= 72.2 мм2.

Для Uн=500 кВ была выбрана опора типа ПБ500-5Н.

Промежуточная одноцепная свободностоящая опора ПБ500-5Н.

Провод: 3хАС330/43 сечение стали провода Sпр2= 43.1 мм2.

Трос: 2хС70, сечение стали троса Sтр2= 76.4 мм2.

Для расчета максимального значения напряжения на оборудовании (силовом трансформаторе) воспользуемся схемой замещения:

опн - напряжение на ОПН;' и C ' - погонные индуктивность и емкость ошиновки;опн - длина ошиновки между ОПН и силовым трансформатором;

Стр - входная емкость силового трансформатора.

Допустимое напряжение для изоляции силового оборудования подстанции:

Для вычисления остающегося напряжения Uост необходимо воспользоваться следующим выражением:

При расчете погонных параметров L' и C ' ошиновки между ОПН и силовым трансформатором принимаем, что ее волновое сопротивление составляет Z = 400 Ом, а скорость распространения волны по ней u=3*108 м/с.

Погонные индуктивность и емкость ошиновки :

 мкГн/м,

 мкФ/м.

Период колебаний контура:

По рис.3 из методических указаний для разных значений  определяется соответствующее значение .

Крутизна фронта набегающей волны:

.

Максимальное напряжение на силовом трансформаторе:

.

Результаты расчетов крутизны фронта набегающей волны и максимальное напряжение на силовом трансформаторе для различных значений  приведены в таблице:

Строим Графики зависимости максимального напряжения на силовом трансформаторе от крутизны фронта набегающей волны .

Рис.5- Графики зависимости максимального напряжения на силовом трансформаторе от крутизны фронта набегающей волны .

Напряжение на оборудование не должно превышать , тогда

для  отношение ,

для  отношение .

Критическая крутизна фронта набегающей волны:

 кВ/мкс;

 кВ/мкс.

Удлинение фронта под действием импульсной короны (стр.205, [4]):

При кВ число проводов в фазе равно 5, соответственно , при кВ число проводов в фазе равно 3, соответственно  (стр. 271-272, [1]).

Амплитуда полного импульса:

 кВ;

 кВ.

Стрела провеса провода:

 м;

 м.

Средняя высота подвеса провода:

м;

м.

Удлинение фронта под действием импульсной короны:

мкс/км;

мкс/км.

Длина опасной зоны :

 км;

 км.

Длина защищенного подхода:

 км;

 км.

Число перекрытий изоляции подстанции вследствие набегания на нее импульсов грозовых перенапряжений (стр. 281, [1]):

Стрела провеса троса:

м;

м.

Высота подвеса троса:

м;

м.

Определение углов защиты для опоры ПБ750-3:

Для опоры ПБ500-5Н:

 , следовательно .

Вероятность прорыва молнии сквозь тросовую защиту по [3]:

;

Критический ток молнии, при котором произойдет обратное перекрытие гирлянды изоляторов в случае попадания тока молнии в опору:

, где Ом по [3].

На опоре ПБ750-3 количество тросов равно двум, тогда , на опоре ПБ500-5Н количество тросов равно двум, тогда :

 кА;

 кА.

Вероятность перекрытия гирлянды изоляторов при ударе молнии в опору :

подстанция заземление контур напряжение

;

.

Расстояние между тросом и проводом в середине пролета:

Средняя разрядная напряженность длинного воздушного промежутка по :

Критическая крутизна тока молнии при которой произойдет перекрытие промежутка трос-провод:

,

где Ом, ;

 кА/мкс;

 кА/мкс.

Вероятность перекрытия промежутка трос-провод:

;

.

Ожидаемое число повреждений изоляции оборудования на подстанции от ударов молнии в ЛЕП в пределах защищенного подхода:

Расставить на территории ОРУ молниеотводы для защиты электрооборудования от прямых ударов молнии, определив их минимально необходимое число и высоту.

Защита подстанции от прямых ударов молнии осуществляется с помощью молниеотводов. Молниеотвод представляет собой возвышающееся над защищаемым объектом устройство, через которое ток молнии, минуя защищаемый объект, отводится в землю. Молниеотвод состоит из молние-приемника, непосредственно воспринимающего на себя удар молнии, токоотвода и заземлителя.

(1) (2)

Рис. 6. (1) - Сечение зоны защиты стержневого молниеотвода.

(2) - Зона защиты двойного стержневого молниеотвода.

а) сечение вертикальной плоскостью, проходящей через оси молниеотводов; б) сечение горизонтальной плоскостью на высоте .

Высоту вершины молнии-приемника принять равной h = hx + (10-18) м, где hx - высота порталов ОРУ большего класса напряжения Uном1.=30м. h=48м.

Вероятность прорыва молнии через границу зоны не превышает

Для защиты подстанции целесообразно использовать 5 стержневых молниеотводов, 4 из которых расположены в углах подстанции на расстоянии 10м от каждой из границ, а один в центре подстанции.

Выполним расчет для пары молниеотводов угол-угол.

 мы должны вести расчет по следующим формулам:

Выполним расчет для пары молниеотводов угол-центр.

Из полученных значений выбираем наибольшее, для того что бы площадь защищаемой зоны полностью защищалась молниеотводами.

Данная комбинация молниеотводов полностью защищает территорию подстанцию от ударов молнии.

Рис. 7. Расположение молниеотводов на подстанции и их зоны защиты.

Определить число повреждений в год изоляции электрооборудования ОРУ от прямых ударов молнии в молниеотводы и прорывов молниезащиты подстанции.

Число ударов молнии в подстанцию по:

уд/год.

Вероятность прорыва молнии в зону защиты подстанции по:

.

Вероятность перекрытия изоляции при ударе молнии в провод по:

.

Число перекрытий изоляции подстанции вследствие прорывов молнии в зону защиты по:

 шт/год.

Построение кривой опасных параметров.

При расчете кривой опасных параметров использовать импульсную прочность гирлянд изоляторов U50%, подвешенных в ОРУ меньшего класса напряжения Uном2.

Импульсное напряжение перекрытия гирлянды изоляторов на порталах ОРУ 500 кВ по:

.

Импульсное сопротивление контура заземления подстанции, найденное в пункте 3:

Удельная индуктивность опоры по:

мкГн/м.

.

Вероятность того, что ток молнии будет равен или превысит заданное значение по:

.

Вероятность того, что крутизна тока молнии будет равена или превысит заданное значение по:

.

Результаты расчетов крутизны тока молнии при различных значениях тока молнии и вероятностей  и  приведены в таблице:

Вероятность обратного перекрытия гирлянды изоляторов  определяется по рисунку и равняется

Число повреждений изоляции оборудования ОРУ от прямых ударов молнии в молниеотводы по [3]:

 шт/год.

Определить показатель грозоупорности подстанции.

 лет.

Число лет безаварийной работы подстанции равно 5,107 лет, следовательно грозоупорность подстанции мала.

Предложить методы повышения грозоупорности подстанции.

Для уменьшения импульсного сопротивления заземления в местах присоединения молниеотводов к заземляющему контуру подстанции устраиваются дополнительные сосредоточенные заземлители в виде вертикальных электродов.

Для подстанций, расположенных в местностях с повышенным удельным сопротивлением грунта, целесообразным решением является установка молниеотводов, имеющих отдельные заземлители, электрически не связанные с заземляющим контуром подстанции. При установке таких молниеотводов должны соблюдаться безопасные расстояния по воздуху и в земле от молниеотводов и их заземлителей до элементов распределительного устройства.

На сопротивление грунта влияет степень уплотнения (плотность взаимного прилегания частиц) оказывает непосредственное влияние на его удельное сопротивление (чем лучше утрамбован грунт, тем меньше его удельное сопротивление), поэтому нужно как можно плотнее утрамбовать грунт. Если же грунт каменистый, (горные подстанции, подстанции расположенные в зоне вечной мерзлоты) для защиты от перекрытий вблизи подстанций на опорах используют разрядники, т.к. не возможно получить необходимое значение статического, а следовательно, и импульсного сопротивления.

Содержание в грунте растворенных веществ (солей, кислот, оснований), также влияет на удельное сопротивление грунта, поэтому с помощью добавок можно добиться уменьшения удельного сопротивления.

А так же:

снизить стационарное сопротивление опор в пределах опасной зоны путем увеличения площади заземлителя;

уменьшить расстояние между защищаемым оборудованием и ОПН;

уменьшить длину пролета линии.