Грозозащита зданий и промышленных сооружений - Атмосферные перенапряжения

2. Атмосферные перенапряжения

Атмосферные перенапряжения возникают в электрических установках при грозовых разрядах. Они делятся на внешние и внутренние. К внешним относятся  индуктированные перенапряжения и перенапряжения прямого удара, К внутренним перенапряжениям относятся перенапряжения, связанные с изменением энергий внутри самой системы.
Индуктированные перенапряжения
Индуктированные перенапряжения на проводах линий электропередач возникают как при ударе молнии в землю вблизи линии, так и при прямом ударе молнии непосредственно в трос или в опору линии. Процесс образования индуктированных перенапряжений сводится к следующему: в облаке вследствие сложных физических явлений в атмосфере происходит разделение и накопление электрических зарядов. В местах с большой напряженностью па нижней границе облака начинается ионизационный процесс, который развивается, так же, как у отрицательной иглы при больших расстояниях. Начальный разряд (лидер) развивается из облака в виде слабо светящегося канала и по мере продвижения вызывает на своем пути усиление электрического поля. Развитие этого разряда происходит не непрерывно, а ступенями с большими или малыми паузами. Скорость распространения начального разряда 2 ∙ 10-7 см/сек. Общая длительность начального разряда от облака до земли 0,01—0,02 сек. В тот момент, когда головка начального разряда достигает земли или соприкасается с головкой встречного разряда, развивающегося снизу вверх, начинается основная фаза молнии — главный разряд. Главный разряд представляет собой процесс нейтрализации зарядов в канале начального разряда и на поверхности земли. Этот процесс распространяется снизу вверх без пауз со скоростью 103 см/секи сопровождается сильным свечением канала молнии. Главный разряд практически завершается по достижении процесса нейтрализации нижней границы облака в течение 100 мксек.Ток в главном разряде (ток молнии) возрастает и за первые 5—10 мксекдостигает своей амплитуды, а затем уменьшается из-за небольшой плотности зарядов в верхних частях канала начального разряда. Накопление одноименных зарядов в грозовом облаке (большей частью отрицательных) и частичное перетекание их в формирующийся канал молнии в ее начальной стадии вызывают вследствие электростатической индукции разделение зарядов и скопление связанных зарядов противоположного знака на поверхности земли, а также и проводах линии электропередач. По мере приближения головки канала молнии к земле и сближения с ней встречного лидера скорости развития процессов сильно возрастают, вызывая сильные изменения электрического поля вблизи земли и частичное освобождение связанных индуцированных зарядов на проводах линии электропередачи и металлических предметах земных объектов.
Электрическое поле у земли резко изменяется, когда начинается процесс нейтрализации зарядов в канале молнии противоположными зарядами, втекающими в канал из земли. В это время на проводах воздушной линии освободившиеся заряды, индуцируя в земле заряды противоположного знака, растекаются в обе стороны воздушной линии в виде импульсных волн и с высокими потенциалами по отношению к земле.
Величину амплитуды волны индуктированных перенапряжений приближенно находят по формуле:
Uинд = ah,
h - средняя высота подвеса провода линии;
а – коэффициент, зависящий   от   величины   тока   молнии;
определяется при токах 100—200 кАпо выражению:
а = 20 +
При наличии заземленных тросов максимальная величина индуктированных перенапряжений находится по формуле:
(Uинд)макс = Uинд (1 – к1к2),
где к1— коэффициент связи;
к2— коэффициент на корону при прямом ударе молнии в вершину опоры.
При ударе молнии в середину пролета к2=1,5. Из выражения видно, что при наличии тросов индуктированные перенапряжения снижаются.

Электрические параметры молнии
Для определения величин атмосферных перенапряжений и выбора защитных мероприятий от них необходимо знать электрические параметры молнии: полярность, величину тока молнии, форму волны тока, крутизну на фронте волны, волновое сопротивление канала молнии. Опытами установлено, что полярность молнии (70—90%)является отрицательной. Волна тока имеет апериодическую форму. Общее количество электричества в одном грозовом разряде составляет не менее 10 К. Вероятность крутизны тока молнии может быть от 30 кА/мксек до 50 кА/мксек. Волновое сопротивление канала молнии при расчетах Zо=300 Ом.

Перенапряжения прямого удара и основы их расчета
Как уже рассматривалось, перенапряжением прямого удара считается напряжение, которое возникает при непосредственном поражении током линии элементов электрической установки (тросы, провода, опоры). Этот вид перенапряжений является наиболее опасным для всех видов изоляций при отсутствии защиты. При прямом ударе в опору и наличии тросов ток молнии распределяется по тросам и опоре. За счет отсоса тока в тросы по опоре будет протекать ток меньшей величины и тем самым снизится потенциал на опоре. Это приведет к снижению напряжения на изоляции линии, т. е. на гирлянде.
Напряжения на опоре и на изоляции можно рассчитать методом многократных отражений и преломлений или с помощью схемы замещения (для данной системы). Зная напряжение на изоляции и ее вольт-секундную характеристику, можно определить защитный уровень линейной изоляции и количество элементов в гирлянде или расстояние между тросом и проводом, пользуясь зависимостями:  п — число элементов в гирлянде, х — расстояние между тросом и проводом.
Метод многократных отражений и преломлений уже приводился ранее. Для удобства пользования методом схемы замещения заменим тросы и опоры эквивалентными индуктивностями, которые определятся по формулам
 ,
Где Zтр – волновое сопротивление троса, Ом;
Zоп – волновое сопротивление опоры, Ом;
L – длина пролета троса, м;
H – высота опоры, м;
V – скорость распространения волны по тросам в опоре, м/сек.
Волновое сопротивление опор Zоп берется из табл.1  Индуктивность троса при одном тросе Lтр=0,67∙ l мкГн; при двух тросах Lтр=0,42∙ lмкГн.                                                                                       
В дальнейшем оно начинает уменьшаться. Если не учитывать отсоса токов в тросы, а это имеет место при Lтр˃˃Lоп, то упрощается схема замещения (рис. 1) и формула для напряжения на опоре:

Зная напряжение на опоре, можно определить напряжение на проводе
,

                                                                        Таблица 1

Где – коэффициент связи, находится по параметрам линии электропередачи;

 - поправочный коэффициент на корону при ударе молнии в вершину опоры; для различных номинальных напряжений может быть принят их таблицы.
Рис.2 упрощенная схема замещения при ударе молнии в вершину опоры

Напряжение на изоляции определяется по формуле:

Рис.3 Определение защитного уровня по упрощенной схеме замещения и при наличии тросов

Построив напряжение на изоляции в зависимости от времени и нанеся вольт-амперную характеристику для изоляции, получим точку пересечения двух характеристик. По точке пересечения находим время tр пробоя или перекрытия изоляции (рис.3). Величина защитного уровня определяется током по формуле:
Iз=a1tр
Для большей наглядности производится построение напряжений в зависимости от времени на изоляции без тросов и с учетом их напряжения на опоре и для Ur3 при условии R3=10 Ом; Lоп=10 мкГн;  Lм=80 мкГн; =0,22; а1=32 кА/мксек

Для Ur при R=10 Ом и а1=32 кА/мксек
Iз=2,5
Для Ur при R=7 Ом и а1=32 кА/мксек
Iз=3,35.
Для Uиз при R3=10 Ом, а1=32 кА/мксек с учетом тросов:
Iз=3,57.
Из полученных результатов видно, что расчет защитного уровня можно вести по упрощенной схеме замещения без учета тросов, но с несколько уменьшенной величиной сопротивления заземления.
Максимальное напряжение на опоре часто определяют по формуле:

Где  - коэффициент откоса тока в тросы;

Приняв z0=300 Ом; zм=200 Ом; R3=10Ом; Iм=125 кА; а1=50 кА/мксек, находим
=1491 кВ.
Если удар молнии происходит в середину пролета, то защитный уровень определится по формуле:

Где  пятидесятипроцентное напряжение.
Допустимое расстояние между тросом и проводом в середине пролета рассчитывается по формуле:

Где Uм-20 l;
Еср=750 кВ/м – пробивной градиент воздуха;
К2=1-1,4.
При более высоких напряжениях кгберется большей величины. При ударе молнии в провод без тросов защитный уровень линии электропередачи находят по ранее указанной формуле, пренебрегая индуктированным напряжением Uимд=0.

Защитные мероприятия, рекомендуемые от атмосферных перенапряжений на линиях передач

Современные линии электропередач имеют большие длины и напряжения 330—500 кВ. В связи с этим они могут находиться в различных климатических условиях: слабая грозовая деятельность, большое удельное сопротивление грунтов, усиленное образование гололеда, повышенная скорость ветра и др.
Наиболее эффективной защитой является подвеска тросов по всей длине линии с металлическими и железобетонными опорами.
Когда линия, защищенная тросом, проходит в районах с сильным образованием гололеда, то это может привести к обрывам и провисанию тросов. Поэтому в таких случаях рекомендуется не применять тросы. Если же будет происходить грозовое перекрытие, то оно может быть ликвидировано АПВ. В районах со слабой грозовой деятельностью тросы можно не ставить, но обязательно нужно иметь автоматическое повторное включение (АПВ). АПВ обеспечивается только воздушными выключателями.
Сооружение линий без тросов допускается в следующих случаях:
а)         на отдельных участках в особо гололедных районах;
б)         в районах со слабой грозовой деятельностью при среднегодовой продолжительности гроз менее 20 ч;
в)         на отдельных участках в районах со скальными плохо проводящими грунтами, где выполнение заземляющих устройств связано с выемкой скальных пород;
г)         при наличии двух или более параллельных цепей и ко
грозовое отключение не может приводить к нарушениям питании
потребителя.
В настоящее время уровень изоляции выбирается, исход расчетной кратности внутренних перенапряжений. С этой I нормированы   мокроразрядные  напряжения линейной изоляции. Сопротивление заземлений опор выбирается в зависимости от удельного сопротивления грунта. Удельное сопротивление грунта от 104 до 10-10* Ом∙см, соответственно этому сопротивлению заземления опор при промышленной частоте берется 10—30 Ом. Для линейной изоляции используются малогабаритные фарфоровые изоляторы типа ПМ-4,5. При новых малогабаритных изоляторах мокроразрядный градиент увеличен, а число элементов в гирлянде сохраняется прежним (в соответствии с расчетом внутренних перенапряжений). Импульсное разрядное напряжение гирлянд уменьшается. Повышения уровня грозоупорности на линиях с напряжением 110— 330 кВ можно достигнуть наиболее экономично за счет снижения сопротивления заземления опор, чем увеличением числа элементов в гирлянде при сопротивлении грунта 3104 Омсм. В этих условиях импульсное сопротивление берут 6—7 Ом. На ответственных линиях применяют два троса.
На линиях с деревянными опорами напряжением 220 кВ троса по всей длине не применяют. Провода располагают горизонтально без тросов. Защитный уровень этих линий составляет 40 кА. Подходы линий 220 кВ на деревянных опорах к подстанциям защищены тросами. На линиях с напряжением 110 кВ эффективно используются подкосы, при наличии дугогасящей катушки. Дуга однофазного замыкания на землю гасится в течение одного —двух периодов. Места на линиях с ослабленной изоляцией защищаются трубчатыми разрядниками. Линии на 35 кВвыполняются обычно на деревянных опорах П-образного типа с расстоянием между проводами 3 м.
Для линий 3—10 кВприменяются одностоечные опоры с применением деревянных траверз.