Авторы: Жиньлианг Хе, Шангианг Гу, Шуиминг Чен, Ронг Зенг, Вейжианг Чен, Китай, члены IEEE
Источник: «Новости электротехники».
К этой категории следует отнести как частичное повышение уровня изоляции защищенного провода, так и увеличение разрядного напряжения штыревых изоляторов ВЛ.
1) Частичное повышение уровня изоляции провода
Поскольку точка пробоя защищенного провода близка к изолятору, то целесообразно увеличить толщину изоляционного слоя провода именно рядом с изолятором (рис. 1). Это позволит сократить число повреждений от ударов молнии [1-3]. Изоляция на отрезке провода, примыкающем к изолятору, увеличена, и поэтому точка пробоя может быть только на концах усиленного изоляционного слоя, т.е. путь разряда удлиняется, что усложняет образование дуги от сопровождающего тока промышленной частоты, и таким образом сокращается число повреждений провода. Рекомендуемая длина усиленного участка составляет 3 м (по 1,5 м в каждую сторону), а толщина усиленного слоя - 9 мм.
2) Увеличение разрядного напряжения изолятора
При увеличении разрядного напряжения изолятора снижается вероятность грозового перекрытия. Таким образом уменьшается количество повреждений защищенных проводов при ударах молний. Изоляционная прочность ВЛ зависит как от прочности изоляторов, так и от прочности изоляционного слоя защищенного провода. Однако из-за дефектов провода прочность защитной оболочки не оказывает заметного влияния на общий уровень изоляции сети. Из табл. 2 (см. "Новости ЭлектроТехники" № 4(52) 2008, стр. 82 - Ред.) видно, что при увеличении разрядного напряжения изолятора до 300 кВ годовое число перекрытий изоляции при индуктированных перенапряжениях на 100 км длины ВЛ может быть сокращено до менее чем 1 раза.
Разрядные характеристики фарфорового изолятора изменить достаточно сложно. Отчасти поэтому в Китае рекомендованы к установке композиционные изоляторы, электрические характеристики которых могут быть легко улучшены за счет увеличения их высоты. Увеличение разрядного напряжения изолятора является очень эффективным способом снижения числа повреждений защищенных проводов и, кроме того, не требует дополнительного периодического обслуживания ВЛ.
3) Каскадная система изоляции
Каскадные системы изоляции нашли применение в Японии [4]. Они позволяют снизить число грозовых отключений ВЛ, повышают эффект от установки ОПН. При реализации каскадной схемы усиливается изоляция основной ВЛ, а изоляционный уровень отпайки, идущей к силовому трансформатору, постепенно ослабляется. Таким образом, разряды оказываются сконцентрированными вблизи от высоковольтного ввода трансформатора, перед которым устанавливается высоковольтный разъединитель совместно с ОПН.
4) Усиленные защищенные провода
Для снижения числа повреждений защищенных проводов их конструкцию модернизируют [5], увеличивая диаметр каждого проводника внутри провода, что улучшает тепловые характеристики в 2,7 раза по сравнению с обычным защищенным проводом. Усиленные защищенные провода обладают повышенной теплоемкостью, имеют благоприятное распределение тепла по всей длине, что позволяет снизить локальный разогрев провода при горении дуги.
В усиленных защищенных проводах изоляционный слой также имеет свои особенности. При горении дуги плавящееся отверстие изоляционного слоя увеличивается, становится возможным перемещение дуги вдоль провода, удлинение участка провода, подвергшегося воздействию дуги. Время плавления улучшенного защищенного провода в 7-14 раз выше, чем у обычного провода с сечением 60 мм2.
Эффект от применения грозозащитного троса для защиты от прямых ударов молнии распределительных ВЛ невысок, однако трос позволяет уменьшать индуктированные перенапряжения на таких линиях. Установка троса достаточно сложна и требует больших затрат, т.е. может применяться лишь в достаточно развитых странах. Использование ОПН позволяет защитить линию от индуктированных перенапряжений, однако следует учитывать возможность повреждения ОПН при прямых ударах молнии и необходимость их своевременной замены для восстановления грозоупорности линии. Несмотря на современные технологии производства ОПН, количество повреждений ОПН достигает 5 %, и поэтому эксплуатационное обслуживание ограничителей перенапряжения, включая замену вышедших из строя и диагностику, будет дорогим.
Использование РДИ является эффективным способом предотвращения дуговых замыканий токами промышленной частоты, но этот способ хорош только для распределительной сети с изолированной нейтралью. Для распределительной сети с заземленной нейтралью длина РДИ будет значительной и стоимость возрастет.
Частичная зачистка изоляционного слоя защищенных проводов имеет свои недостатки. Во-первых, оголенный провод или электрод кабельного зажима с высоким напряжением опасен и сводит к нулю преимущества защищенного провода. Во-вторых, из-за температурного расширения и сжатия, а также из-за изменения стрелы провеса провода под действием силы тяжести изоляционный слой провода может дать усадку, и это приведет к увеличению оголенного участка. В-третьих, нежелательно проникновение дождя во внутреннюю часть изоляционного слоя проводника защищенного провода, поскольку дождь или влага содержат разрушающие компоненты, такие как СаО и СuО, которые в сочетании с напряжением проводника послужат причиной коррозии алюминиевых проводов внутри изоляции.
Таким образом, чтобы устранить проблемы, связанные с частичной зачисткой изоляционного слоя, участок зачистки должен быть как можно меньше. Защищенный провод должен иметь влагонепроницаемый элемент, например, изоляционные колпачки, покрывающие участок защищенного провода, высоковольтные электроды, водонепроницаемые защищенные провода или провода со сплошным сердечником. Хотя при присоединении зажим перемещает точку горения дуги, разряд всё равно проходит по поверхности изолятора к его заземленному основанию, и поэтому для защиты изолятора желательна установка параллельно ему защитного промежутка.
Для преодоления проблем метода частичной зачистки изоляционного слоя, в Китае были разработаны новые защитные средства (рис. 2). Высоковольтный электрод, отделенный от изолятора, соединен с внутренней проводящей алюминиевой жилой защищенного провода через прокалывающий зажим и выводит высокое напряжение, поэтому отпадает необходимость зачищать провод. Импульсный разряд и дуга сопровождающего тока промышленной частоты формируются в искровом промежутке, и поэтому изоляторы не повреждаются дугой.
Высоковольтный электрод покрыт защитным колпачком, и дуга развивается в нижней части изоляционного колпачка.
Примененять метод частичного усиления изоляции сложно технологически, и поэтому он не находит распространения. Метод увеличения разрядного напряжения изолятора легче осуществим при использовании композиционных изоляторов и может быть рекомендован, поскольку недорого стоит, а если строится новая распределительная воздушная линия - вовсе не требует дополнительных затрат. Каскадная изоляционная система для распределительной сети в сочетании с ОПН - это хороший метод снижения числа повреждений на обычной распределительной линии, который подходит для новой распределительной системы с защищенными проводами. При этом уровень изоляции основной сети должен быть увеличен, для того чтобы грозовые перекрытия происходили только в самой слабой точке - вблизи от ОПН. Улучшенный защищенный провод может существенно сократить число повреждений, и стоимость новой распределительной линии не возрастет, но реализация этого метода снизит надежность электроснабжения менее ответственных потребителей. В табл. 1 представлено сопоставление 3-х видов грозозащитных мер, предотвращающих повреждения защищенных проводов. Разумеется, у каждого способа есть свои преимущества и недостатки.
Для предотвращения повреждений защищенных проводов на распределительных Вл вследствие разрядов молнии требуется применение специальных средств и устройств защиты. Все они могут быть разделены на три категории, имеющие свои преимущества и недостатки:
I. установка защитных устройств;
II. Частичная зачистка изоляции проводов;
III. Усиление изоляции.
Функции всех способов защиты от воздействий молний могут быть разделены на два класса:
-блокирующие разряд (категории I и III);
-сопровождающие разряд (категория II, позволяющая перемещать дугу с провода на дополнительный высоковольтный электрод большого размера с целью предотвращения пережога провода).
Литература
1. Morooka Y., Maeda K., Wanebe K. Line breakage prevention capitalizing on creeping discharging characteristics of insulated power wires / 10th Int. Symp. High Voltage Engineering. - Montreal, 1997.
2. Morooka Y., Maeda K., Watanabe K., Nakamoto H., Yokoyama S., Hara M. Insulation cover thickness required for line breakage prevention capitalizing on creeping discharging characteristics of insulated wires / Proc. Int. Conf. Lightning Protection. - Birmingham, 1998. - P. 984-988.
3. Morooka Y. et al. Critical distance for line breakage prevention capitalizing on creeping discharge characteristics of insulated wires / Trans. Inst. Elect. Eng. Jpn. - Dec. 1998, vol. 118-B, no. 12. - P. 1437-1443.
4. The method against high voltage insulated conductor melted // Elect. Cooperative Res. - 1985, vol. 40, no. 6.
5. Chen W. J., Zhao Z. Y., Zhou X. B., Pan B., Chen W. M., Wu C. B. Development of arc-protection hardware with stabs to prevent breakage of 10 kV overhead insulation-covered conductors caused by lightning stroke // Proc. Power System Technology. - Oct. 2005, vol. 29, no. 20. - P. 82-84.