C4-8R 1/8

6. СОВЕТУВАЊЕОхрид, 4 - 6 октомври 2009

Александар Ласков Ристо Ачковски Факултет за електротехника и информациски технологии - Скопје

АНАЛИЗА НА ПРЕНАПОНИТЕ ОД АТМОСФЕРСКО ПОТЕКЛО ВО ПОСТРОЈКАТА 110/X НА ТС ФЕНИ ИНДУСТРИ

КУСА СОДРЖИНА

Во трудот прикажана е постапка за анализа на пренапоните од атмосферско потекло во една постојна 110 kV постројка при упад на пренапонски бран по еден од приклучните водови и определување на должината на нејзината опасна зона. При тоа ќе бидат изложени и два пристапа за определување на должината на штитениот приод на самата постројка. Анализите на атмосферските пренапони се вршени со примена на програмата "BP.xls" (бранови процеси), креирана од еден од авторите на трудов. Програмата решава бранови процеси во разводни постројки, изработена е во VBA и работи под апликацијата Excel. Со неа можно е да се решаваат кола кои содржат водови т.е елементи со распределени параметри но и елементи со концентрирани параметри какви што се: индуктивитетите, капацитетите, отпорниците, одвод-ниците на пренапони и др. и подолго време се користи во наставниот процес на додипломските студии на ФЕИТ – Скопје во рамките на предметот „Техника на висок напон 2“.

Клучни зборови: разводна постројка, атмосферски пренапони, опасна зона, штитен приод

1. ВОВЕД

За правилна заштита на електроенергетските постројки од упадни бранови со атмосфер-ско потекло по приклучните надземни водови најчесто се користи методот на опасна зона. Секој удар на гром на некој од приклучните водови надвор од опасната зона не може да предиз-вика појава на опасен пренапон во постројката, но ударите во неа можат да доведат до тоа. Опасната зона на постројката ни дава информација за тоа колкава треба да биде должината на приодите од надземните водови кои треба да бидат заштитени од директните удари на гром со посебно внимание, т.е. колкава е должината на тнар. „штитени приоди“ на една постројка. Затоа точното определување на заштитната зона на разводните пострoјки е од особено значење за постигнување сигурна и ефикасна заштита на елементите во разводните постројки и трансформаторските станици од упадните бранови со атмосферско потекло по приклучните водови и за постигнување на вистинска координација на изолацијата.

Во трудов прикажана е постапка за анализа пренапоните од атмосферско потекло во раз-водната постројка на ТС 110/X kV/kV Фени Индустри и определување на должината на нејзи-ната опасната зона на два начина: приближен, според препораките на IEC 71-1 и IEC 71-2 и „точен“, со помош на компјутерска програма за анализа на пренапоните од атмосферско потекло "BP.xls", опишана во овој труд.

2. МОДЕЛИРАЊЕ НА ТС ФЕНИ ИНДУСТРИ

За анализа на брановите процеси во една разводна постројка со помош на програмата "BP.xls" потребно е истата да се претстави во својата еквивалентна шема. Елементите во пост-

MAKO CIGRE 2009 C4-8R 2/8

ројката (енергетски трансформатори, прекинувачи, разделувачи, потпорни изолатори, мерни трансформатори и сл.) се претставуваат со своите влезни капацитети. Одводниците на прена-пони се моделираат како варистори со својата нелинеарна карактеристика додека врските во постројката и приклучните водови се моделираат како елементи со распределени параметри (идеални водови), со своите бранови импеданции. Деталите за моделирањето и формирањето на потребната еквивалентата еднополна шема се во целост опишани во [1] … [3]. На тој начин е формирана и потребната еднополна еквивалента шема на анализираната 110 kV постројка во Фени Индустри прикажана на слика 1.

VOP 10510 kA

7.5 m

764 pF

21 m7 m

21

14

7

217 pF6 m

31

26

702 pF

619 pF

7.5 m

2300 pFETR1

21 m7 m

15

8

1

217 pF 6 m

27

22

702 pF

619 pF

907 pF

21 m7 m

10

619 pF

841 pF

21 m7 m

11

619 pF

7.5 m

20

6

217 pF 6 m

30

25

702 pF

764 pF

21 m7 m

13

619 pF7.5 m

ETR 2

21 m7 m

16

9

217 pF 6 m

28

23

702 pF

619 pF

7.5 m21 m

7 m

12

5

217 pF

6 m29

24

702 pF

619 pF

2 3

17

4

18 19

32 33 34 35 36

VOP 10510 kA

VOP 10510 kA

VOP 10510 kA

VOP 10510 kA

7.5 m7.5 m7.5 m7.5 m 7.5 m28.5 m

ДВ полеХЕ Тиквеш

ДВ полеРудник

ДВ полеДуброво 2

ДВ полеРезерва

764 pF

3 m

3 m

3 m

3 m

3 m

1400 pFETR3

1400 pFETR4

1400 pFETR5

1100 pFETR6

2300 pFETR7

Мерно поле

ДВ полеДуброво 1

937 pF

Слика 1 Еквивалентна заменска шема на ВН разводна постројка на Фени Индустри

Како што се гледа од сликата 1 постројката е составена од седум трансформаторски полиња, пет далекуводни полиња (од кои едното е резервно и во моментов не е во функција) и едно спојно поле означени на сл. 1. Сите четири далекуводни полиња се опремени со класични (SiC) вентилни одводници на пренапони од типот VOP 105, 10 kA, производ на Минел-Рипањ. Во трансформаторските полиња од постројката не се инсталирани одводници на пренапони, освен во случајот со трансформаторот ЕТР6, каде што е инсталиран метал-оксиден (МОП) одводник на пренапони со познати карактеристики, приклучен директно на трансформаторот.

3. ЗАПОЗНАВАЊЕ СО ПРОГРАМAТA

Како што беше кажано во воведниот дел пресметките на напоните во јазлите во постројката за време на преодниот процес се вршени со Excel - апликацијата напишана во Visual Basic под име "BP.xls" ([8]). Програмата овозможува решавање на кола кои содржат водови, односно елементи со распределени параметри, но и елементи со концентрирани параметри (индуктивнитети, капацитети, отпорници, одводници на пренапони и сл.) при што целосно се задржува и репродуцира брановиот карактер на процесите. Анализираното коло, притоа, може да има произволна сложеност, произволна топологија и произволен обем (димензија). Програмата прифаќа и постоење на редно врзани индуктивности L, (придушници, реактори) само што во тој случај таквиот индуктивитет ќе треба да се претвори во соодветен

MAKO CIGRE 2009 C4-8R 3/8

„еквивалентен“ вод. Еквивалентниот вод ќе има должина l=c ·Δt (c = 300 m/μs), и карактерис-тична импеданција ZL = L/Δt. Во [1] е дадено комплетно упатство за нејзиното користење.

По стартувањето на програмaтa, податоците за анализираниот систем се сместуваат во првиот работен лист (Sheet 1 од слика 2). Ќелиите од првиот ред содржат коментари кои објаснуваат кој параметар треба да се внесе во соодветната ќелија. Во нив се внесуваат вреднoсти за амплитудата на упадниот бран во kV (келија А1); вредноста за брановата импе-данција на водот по којшто упаѓа бранот, во Ω (келија B1); редниот број (името) на јазолот во кој упаѓа бранот (келија C1); тип (облик на импулсот) (келија D1); времетраење на челото Tc на бранот (келија Е1), во μs; времетраење на грбот TZ (келија F1), во μs; должина на упадниот бран, (келија G1), во μs; временски чекор со кој ќе се вршат пресметките, во μs (келија А2); вкупно времетраење на пресметките, во μs (келија B2) и чекор со кој што ќе се вршат печатење на резултатите (келија C12). Во следните редици од Sheet 1 се формираат три списоци, и тоа:

1. Список на јазли - каде што се внесуваат, редните броеви (имињата) на јазлите од моделот на разводната постројка; вредностите на отпорностите, индуктивитетите и брановите импеданси приклучени за секој јазол соодветно; и опција за печатење на напонот (внесување на знакот „*“).

2. Список на гранки - каде што се внесуваат, редните броеви (имињата) на почетниот и крајниот јазол на секоја гранка; брановата импеданса на гранката; должината на гранката.

3. Список на одводници на пренапони - каде што се внесуваат, редниот број (името) на јазелот во кој што е приклучен одводникот; неговиот напон на реагирање во kV; вредностите на константите α и C од неговата нелинеарна волт-амперна карактеистика со облик U = C·iα.

Во вториот работен лист програмата ги внесува вреднoстите за пресметаните напони, нивните максимални вредности и нивниот облик во текот на временскиот интервал, чија вредност однапред е внесена од корисникот во првиот работен лист. Во третиот работен лист се содржат податоци за обликот на упадниот бран доколку тој се разликува од стандарднните облици и притоа сакаме него посебно да го дефинираме. Се разбира дека на секој работен лист можеме да вметнеме некоја слика, како што е тоа направено со првиот работен лист Sheet1 со сликата од еднополната шена на анализираната разводна постројка.

По внесувањето на потребните податоци, програмата се активира со притискање на коп-чето „START“ а резултатите се добиваат во вториот работен лист Sheet скоро веднаш.

На сликите 2 и 3 прикажан е изгледот на првиот и вториот работен лист на програмата BP.

MAKO CIGRE 2009 C4-8R 4/8

Слика 2 Изглед на првиот работен лист на програмата BP

Слика 3 Изглед на вториот работен лист на програмата BP каде се прикажани резултатите

MAKO CIGRE 2009 C4-8R 5/8

4. ПРЕСМЕТУВАЊЕ НА ДОЛЖИНАТА НА ОПАСНАТА ЗОНА НА ПОСТРОЈКАТА

Современите надземни водови со напон Un > 110 kV, а честопати и водовите со Un = 35 kV се изведуваат со заштитни јажиња. Но без оглед на номиналниот напон, практично сите надземни водови на првите 2÷3 km во приодот кон постројките се изведуваат со заштитно јаже. Директните удари на гром во некој од фазните спроводници кај таквите надземни водови се многу ретки, со веројатност на настанување под 1%. По правило, тие се отсечени [2] и имаат должина од само неколку μs. Како такви тие не претставуваат сериозни извори на опасност. Затоа ќе ги анализираме ударите на гром во надземните водови снабдени со заштитно јаже. Од сите такви удари приближно ½ се директни удари во самите столбови и тие се главните извори на опасни бранови бидејќи тогаш е можно да дојде до тнар. „повратен прескок“ на некој од изолаторите од столбот кон фазниот спроводник. Другата половина се удари во заштитното јаже кон средината од распонот и тие можат да се сметаат за практично безопасни бидејќи во тој случај мала е веројатноста да дојде до прескок од јажето кон некој од фазните спроводници. Затоа во натамошниот дел од текстот ќе ги анализираме само ударите на гром во столб во непосредна близина на некоја постројка, пропратени со повратен прескок на изолацијата.

При удар на гром во столб од надземен вод на местото на ударот се формираат два брана коишто се простираат по фазниот спроводник во спротивни насоки од местото на ударот кон краевите на водот. Обата брана што притоа се формираат имаат бесконечна стрмнина S → ∞ и амплитуда Um приближно еднаква на производот од импулсната отпорност на столбот RS и амплитудата на струјата од громот Im т.е. Um = RS ·Im. Кога е ударот настанат во близина на некоја постројка тогаш едниот од создадените бранови упаѓа во неа и во зависност од неговата амплитуда Um и стрмнина S, тој може да предизвика опасни пренапони кои доведуваат до прес-кок/пробив на некој нејзин елемент. Амплитудата на упадниот бран е ограничена со импулс-ната цврстина на изолацијата на водот U50% додека стрмнината на упадниот бран зависи исклу-чиво од изминатиот пат x од местото на ударот до постројката. За време на простирањето на бранот кон постројката под дејство на импулсната корона на спроводникот тој се деформира во својот челен дел и добива некакво издолжување на челото ΔTf, пропорционално на изминатиот пат X, т.е. ΔTf = k·X·Um. Притоа просечната деформација под дејство на короната е од редот 1 μs за секој изминат km. Според [2] вредноста на константата k за водови со еден спроводник/фаза изнесува 1,5·10−3 μs /(kV·km) односно 1,0·10−3 μs /(kV·km) за водови со два спроводника/фаза.

Упадниот бран во постројката предизвикува во точките оддалечени од заштитните одводници високофреквентни придушени осцилации околу средната вредност која е блиска до преостанатиот напон на одводникот Upr. Амплитдата U на така создадените пренапони, упрос-тено прикажано, зависи од параметрите Um и Tf , односно Ѕ на упадниот бран, но таа зависи и од растројанието d, односно од еквивалентното време на простирање TL од најблискиот одводник до штитениот објект, т.е. од [2]:

2pr LU U ST= + (1)

Затоа упадните бранови со поголема амплитуда и стрмнина создаваат поголеми пренапони од оние кои имаат помала амплитуда и стрмнина.

За упадните бранови создадени при повратните прескоци на столбовите обично се зема дека ги имаат следните параметри Um = U50% и Tf = ΔTf = k·X·Um. За амплитуда на бранот Um = U50% постои некоја стрмнина Skr. односно време на челото Tf.kr = U50%/Skr. на упадниот бран за кои тој создава пренапони еднакви на подносливиот напон на изолацијата во постројката Upodn. На тоа време на челото Tkr. соодветствува изминат пат XP = Tkr/(k·Um) кој што се нарекува опасна зона на постројката. Од самата дефиниција на поимот „опасна зона“ на една постројка произле-гува дека тоа е онаа должина којашто упадниот бран треба да ја помине за тој да стане сосема безопасен за изолацијата на елементите во постројката. Тоа значи дека секој упаден бран созда-ден надвор од опасната зона ќе биде безопасен за самата постројка. Затоа приодните делови кон постројката од надземните водови со должина најмалку XP се штитат со посебно внимание поради што се нарекуваат и штитени приоди. Во штитениот приод на секој надземен вод се применуваат помали заштитни агли на фазните спроводници а заземјувачите од столбовите се изведуваат така што да имаат мали отпорности на распростирање.

MAKO CIGRE 2009 C4-8R 6/8

Поимот опасна зона се придружува кон поимот „далечен удар“ на громот, т.е. удар на громот настанат на доволно растојание од постројката така што ефектите од повеќекратните рефлексии помеѓу местото на ударот и самата постројка стануваат малку влијателни врз голе-мината на пренапоните предизвикани во неа.

Упростена пресметка на должината на опасната зона. Според [2], а во согласност со IEC 71-1 и 71-2, должината на опасната зона (штитениот приод), упростено се пресметува со помош на релацијата (2). Во неа со N е означен бројот на водовите приклучени на постројката, Udoz е дозволениот напон на изолацијата (кој е приближно еднаков на т.н. координационeн поднослив напон Ucw), додека со TL е означено најголемото време на простирање на брановите помеѓу посматраната точка во постројката и најблискиот одводник.

2( )

LP

doz pr

TXN k U U

=⋅ ⋅ −

, (2)

Со формулата (2) во конкретниот случај (N=2; Udoz=550 kV;Upr = 343 kV) се добива XP = 0,49 km.

Детална пресметка на должината на опасната зона. Деталната пресметка на должи-ната на опасната зона ќе биде извршена со примена на програмата „BP.xls“. За таа цел ќе се анализираат пренапоните во постројката при удар на гром во првиот, вториот третиот итн. столб од секој приклучен вод. Со тоа ќе се испита на кои локации директните празнења во столбовите стануваат практично безопасни за постројката и на тој начин ќе се утврди, многу попрецизно, колкава е вистинската должина на опасната зона за секој приклучен надземен вод. Притоа ќе се разгледуваат следните две сценарија: 1) сите водови се вклучени и 2) вклучени се само два вода поради испад на едниот двосистемски далекувод. Второто сценарио е прилично веројатно и се остварува кога поради испад и/или ремонт на некој од водовите ќе биде потребно е да се исклучи и соседниот вод бидејќи приклучните водови на РП Фени се изведени двосис-темски односно се водат по два вода на исти столбови. При анализите ќе се испитаат пренапо-ните во постројката при упад на бранови формирани далеку од постројката (т.н. далечни удари) со амплитуда Um = U50% = 620 kV и стрмнина S = 1000 kV/μs , за обете сценарија.

5. РЕЗУЛТАТИ ОД ПРЕСМЕТКИТЕ НА ПРЕНАПОНИТЕ ВО ТС FENI INDUSTRI

ТС Фени Индустри е по многу работи специфична и различна од обичните дистрибутивни ТС ВН/СН. РП Фени е сместена во кругот на самата топилница каде во висока мера е присутна концентрација на спроводливи прашини од фероникел. Во неа е вграден голем број потпорни изолатори, прекинувачи, разделувачи, мерни трансформатори и 7 енергетски трансформатори, така што сумарниот капацитет на постројката е околу 0,024 μF. Нивното присуство резултира со значајно намалување на амплитудата и особено стрмнината на секој упаден бран. Друга специфика на постројката е поставеноста на одводниците на пренапони на самиот влез на водовите во објектот. При упад на бран со амплитуда поголема од напонот на реагирање на одводниците тие веднаш реагираат а преостанатиот напон се распределува по опремата во РП така што кај енергетските трансформатори не се јавуваат пренапони со високи амплитуди. Поради тоа, како што впрочем и може да се види од резултатите на пресметката, (табела 1) упадните бранови предизвикани од далечните удари не можат воопшто да предизвикаат опасни напони, т.е., како што се вели, оваа постројка за такви бранови поседува особина на самозаштита.

Во табелата 1 се прикажани најголемите вредности на пренапоните во поважните точки од постројката при упад бран од далечен удар со горе наведените параметри Um = 620 kV и S = 1000 kV/μs (односно Tf = 0,62 μs), добиени со помош на програмата “BP.xls”

Табела 1. Напони (kV) во јазлите на енергетските трансформатори при упад на далечен бран

Сценарио U1 U3 U4 U5 U6 U7 U17 1 402 367 362 310 324 315 310 2 422 397 409 400 412 350 316

MAKO CIGRE 2009 C4-8R 7/8

Ако усвоиме дека дозволениот импулсен напон во постројката изнесува Udoz = 550 kV, од добиените резултати може да се заклучи дека далечните удари воопшто не предизвикуваат во постројката опасни пренапони.

Во натамошните анализи ќе ги анализираме пренапоните при блиски удари во првите неколку столбови и на тој начин ќе ја определиме должината на опасната зона на постројката. Заради прегледност на анализите предмет на разгледување ќе бидат само напоните U1 и U7 во јазлите каде што се приклучени двата клучни трансформатора и напоните U35 и U36 кај одводниците на пренапони во јазлите 35 и 36.

Анализите се правени со следните претпоставени вредности: амплитуда на струјата на громот Im = 40 kA за удари во првиот столб и Im = 100 kA за удари во вториот столб; Zg = 300 Ω; растојание до погодениот столб кај којшто настанал повратниот прескок l1=50 m и l2=350 m; импулсна отпорност на заземјувачот од столбот RS =5, 10 и 15 Ω. Резултатите од анализите при удар на гром во првиот и вториот столб се дадени во табелата 2.

Табела 2. Пренапони (kV) при удар во првиот и вториот столб од приклучниот вод

Удар во првиот столб, Im =40 кА, P(I > Im) = 21,6% RS1 U1 U7 U35 U36 15 Ω 628 348 342 310 10 Ω 606 334 342 310 5 Ω 543 319 342 310

Удар во вториот столб, Im =100 кА, P(I > Im) = 1,83% RS1, RS2 U1 U7 U35 U36

15 Ω 647 491 338 363 10 Ω 545 449 334 363 5 Ω 418 414 328 363

На сликата 4 се прикажани напоните во јазлите 1 и 36 каде што се приклучени енергетс-киот трансформатор ЕТР1 и одводникот соодветно и удар на гром во столбот бр. 1 за случаите RS1 = 5 и 10 Ω.

Слика 4. Пренапони кај трансформаторот ЕТР1 при удар на гром во првиот столб за разни вредности на отпорноста на распростирање на заземјувачот на столбот

Од добиените резултати произлегува заклучокот дека ударите на гром во вториот, третиот и останатите подалечни столбови се практично безопасни за постројката и дека за неа единствената опасност се ударите на гром во првиот столб. Затоа доколку за отпорноста RS1 на заземјувачот од првиот столб постигнеме доволно мала вредност веројатноста да дојде до опа-сен пренапон во постројката ќе биде безначајно мала. Во таа смисла, во табелата 3 се прикажа-ни вредностите на минималните амплитуди на струјата на громот кои ќе предизвикаат опасни пренапони во постројката при удар на гром во првиот столб за разни вредности на отпорот RS1.

MAKO CIGRE 2009 C4-8R 8/8

Табела 3. Опасни амплитуди на струјата на громот (kА) при удар во првиот столб

RS1 Im P(I > Im) nud n T = 1/n (Ω) (кА) (%) (удари/год.) (оп. бр./год.) Години 15 32.6 28.68 0,0528 0.0151 66 10 36.6 24.60 0,0528 0.0130 77 5 42.5 19.63 0,0528 0.0104 97 4 43.9 18.60 0,0528 0.0098 102

Во табелата 3 покрај амплитудите на опасните струи прикажани се и процентуалната веројатност P за нивната појава, пресметана според „експоненцијалниот закон“ [1], [2], просеч-ниот годишен број на опасни удари n во првиот столб со појава на опасни прескоци и перио-дичноста на таквата појава T. Се заклучува дека ако како, на пример, за доверливоста на зашти-тата од атмосферски пренапони на постројката според т.н. „перформансен критериум“се усвои n = 0,0104 опасни бранови годишно (т.е. периодичност T = 97 години помеѓу два опасни прена-пона) тогаш заземјувањето на првиот столб треба да има импулсна отпорност RS1 < 5 Ω. Оваа вредност е добиена под претпоставката дека густината на ударите на гром во посматраниот регион изнесува Ng = 4 удари/km2/год. (Td = 40 часови со грмежи годишно) а првиот столб екра-нира површина A1 = 6·HST1·(a1+а2)/4 = 6·25·87,5 = 13125 m2 ≡ 0,01315 km2. На тој начин се доби-ва дека просечниот годишен број удари во првиот столб изнесува nud = 0,0528 удари/год. доде-ка бројот на опасни бранови за постројката при директни празнења во првиот столб ќе биде:

n = P·nud = 19,63·10−2 ·0,0528 = 0,0104 опасни бранови/год.

6. ЗАКЛУЧОК

Главни извори на опасни пренапони од атмосферско потекло во разводните постројки патувачките бранови коишто упаѓаат по некој од приклучнте водови. Во минатото анализите на доверливоста на постројката од атмосферските пренапони базирала на концептот на т.н. „опасна зона“ и нејзиното определување се вршело со апроксимативни аналитички изрази кои во себе содржат голема доза на резерва. Во трудов е прикажан еден таков аналитички израз.

Во денешно време ваквите анализи се прават со помош на готови компјутерски прог-рами. Една таква апликација е програмата "BP.xls", опишана во oвој труд. Таа се применува во наставниот процес по предметот "Техника на висок напон 2" на додипломските студии на фа-култетот за електротехника и информациски технологии во Скопје, но може да се користи и за вакви и слични анализи на доверливоста на постројка со произволна конфигурација и големина.

Примената на оваа програма за анализа на атмосферските пренапони во разводните постројки и оценка на доверливоста на нивната заштита е илустрирана во трудов на конкретна постојна 110 kV постројка на Фени Индустри. Прикажани се и резултатите од таквите анализи.

7. ЛИТЕРАТУРА [1] Ристо Ачковски, „Техника на висок напон 2“, умножени предавања, ФЕИТ- Скопје, 2007 год. [2] Ристо Миновски, „Атмосферски пренапони“, учебник, ЕТФ - Скопје, 2000 год. [3] Александар Ласков, Ристо Ачковски, „Анализа на атмосферските пренапони во разводни пост-

ројки со помош на Matlab/Simulink“, Реферат Р251, прифатен за публикување. VI Советкување на МАКО-СИГРЕ, Охрид, октомври, 2009.

[4] Risto Ačkovski, „Analiza pouzdanosti razvodnih postrojenja od atmosferskih prenapona pomoću računs-kih mašina“, Magistarski rad, ETF- Beograd, 1977 god.

[5] Александар Ласков, „Определување на должината на штитениот приод на ВН РП од упадни атмосферски празнења и мерки за негово намалување“, дипломски труд, ФЕИТ-Скопје, 2008.

[6] Ристо Миновски, „Бранови процеси во разводни постројки “, учебник, ЕТФ - Скопје, 1982 год. [7] IEC 71-1, “Insulation coordination” Part I. “Definitions, principles and rules” 28 Central Office). [8] IEC 71-2, “Insulation coordination: Applicaton guide”, IEC 28. (WG 2) April 1993. [9] (http://pees.etf.ukim.edu.mk/tvn2/index.htm); http://www.feit.ukim.edu.mk/mk/instituti/pees.html .