Количественные характеристики разряда молнии

Грозоупорность ВЛ, как правило, рассчитывается только для первого импульса разряда молнии, так как вероятность перекрытия изоляции при воздействии последующих импульсов на порядок и более меньше, чем при воздействии первого импульса. Учет последующих импульсов в оценке грозоупорности оправдан только в некоторых специальных случаях при большой индуктивности опор.

При многократном разряде молнии перенапряжения на изоляции ВЛ возникают как на первом, так и при последующих импульсах тока, однако при обычном времени действия защит и АПВ (не менее 1 с) все возможные при многократном разряде молнии перекрытия линейной изоляции укладываются в интервал одного отключения ВЛ.

Грозозащита ПС должна рассчитываться с обязательным учетом первых и последующих импульсов многократного разряда молнии.

В результате обработки осциллограмм, многократного разряда молнии получены статистические распределения, описанные логарифмически нормальным законом, для следующих параметров первого и последующих импульсов:

1) амплитуда тока I;

2) крутизна тока на фронте: на участке (0,1-0,9) I ‒ A _0,1;

                                                  на участке (0,3-0,9) I   ‒ A _0,3;

                                               максимальная              ‒ A _max;

3) длительность спада импульса тока до значения 0,5 I ‒ τ_n;

4) длительность фронта: на участке (0,1-0,9) I ‒ τ_{ф 0,1};

на участке (0,3-0,9) I ‒ τ_ф0,3.

 

Рис. 6.2. Среднестатистическая форма импульсов многократного разряда молнии

Характеристики логарифмически нормальных распределений параметров разряда молнии для амплитуды тока первых импульсов показаны на рис. 6.2, 6.3.  Приведены три варианта распределений, полученные по результатам полевых исследований в разных странах:

- рекомендация Исследовательского комитета № 33 СИГРЭ - обобщенное распределение по результатам измерений преимущественно на башнях;

- два распределения, обобщающие измерения токов на воздушных линиях, разница высот которых составляет примерно 20 м.

Для расчета грозоупорности ВЛ предпочтительнее использовать распределения токов молнии, полученные по регистрациям на ВЛ. Параметры логарифмически нормального закона в зависимости от высоты опор h_оn выбираются следующим образом:

при h_оn ≤ 20 м              Ī = 20 кА,                            (6.1)

               σ_lgI = 0,39,                                  (6.2)

при h_оn ≥ 20 м              Ī = 20 + 0,32(h_оn ‒ 20) кА,               (6.3)

     σ_lgI = 0,39 ‒ 0,0028 (h_оn ‒ 20).             (6.4)

 

Рис. 6.3. Распределение амплитуды тока первых импульсов многократного разряда молнии: 1 ‒ обобщенное распределение по результатам измерений преимущественно на башнях (рекомендация Исследовательского комитета № 33 СИГРЭ); 2 ‒ по измерениям на ВЛ (h_оn до 45 м); 3 ‒ по измерениям на ВЛ

(h_оn до 20 м)

 

Вероятность амплитуды тока молнии, превышающей I_i, рассчитывается с использованием полученных параметров по формуле:

,         (6.5)

где Ī ‒ значение амплитуды тока молнии, вероятность превышения которой равна 0,5.

Форма фронта импульса тока имеет принципиальное значение в расчетах грозоупорности ВЛ 110 кВ и выше при ударе молнии в опору: в этом случае обратное перекрытие изоляции наиболее вероятно на фронте волны. Фронт импульса, имеющий достаточно сложную форму и непостоянную крутизну, в расчетах заменяется косоугольным с постоянной крутизной с учетом следующих обстоятельств. Обратное перекрытие изоляции при ударе молнии в опору происходит на фронте импульса при достижении значений тока молнии около 30 кА и выше. Для подавляющего большинства импульсов при среднем значении амплитуды тока молнии (20-30) кА этот момент наступает на участке фронта выше 0,5 I, т.е. форма начального участка фронта не имеет существенного значения для расчета грозоупорности ВЛ 110-1150 кВ.

В приближенных расчетах рекомендованных отечественными источниками используются усредненные распределения I_m и I′_m. В этом случае статистические распределения можно аппроксимировать экспоненциальными функциями вида:

P(I_m) =exp(‒0,04I_m,                                   (6.6)

P(I′_m) =exp(‒0,08I′_m),                                (6.7)

где P(I_m), P(I′_m) ‒ вероятность того, что амплитуда (крутизна) при одном ударе молнии превысит заданное значение.

Расчетный импульс должен быть близок к реальному на участке выше 0,5 I. Этому условию удовлетворяет импульс с косоугольным фронтом, проходящим через значение 0,9 I и абсциссу, соответствующую значению 0,3 I (см. рис. 6.2). Параметры логарифмически нормального распределения крутизны тока молнии принятого расчетного импульса оцениваются следующими значениями:

для первого импульса

Ā₁ = 10,8 кА/мкс; σ_lgĀ1 = 0,265,                     (6.8)

для последующих импульсов

Ā₂ = 30,2 кА/мкс; σ_{lg A2} = 0,4.                                 (6.9)

Для этого вида воздействия на основании обработки разрядных характеристик изоляции на нестандартных волнах получены необходимые для расчета и соответствующие типу импульсного воздействия вольт-секундные характеристики изоляции для случаев перекрытия на фронте импульса с τ_ф до 10 мкс.

Связь между амплитудой и крутизной тока молнии характеризующаяся значениями коэффициентов корреляции, рассматривается как слабая и расчет грозозащиты амплитуда и крутизна тока молнии приняты взаимно независимыми.

Скорость распространения главного разряда молнии v зависит от амплитуды тока и изменяется во времени по мере развития канала. Значение v лежит в пределах (0,1-0,5) с, где с ‒ скорость света. При одинаковой амплитуде тока молнии скорость распространения главного разряда последующих импульсов больше, чем первого импульса. С учетом того, что амплитуда последующих импульсов обычно меньше, для всех импульсов многократного разряда принимается одинаковое расчетное значение v = 0,3 с.

Сопротивление канала молнии на стадии главного разряда не остается постоянным, уменьшаясь по мере возрастания протекающего тока. Этот параметр характеризуется некоторым эквивалентным значением z_м и зависит от амплитуды тока молнии (рис. 6.4).

Расчетное значение сопротивления канала молнии влияет на амплитуду тока, протекающего через пораженный объект I_об. Расчет I_об выполняют по следующей формуле:

,                     (6.10)

где I_{R =0}  ‒ амплитуда тока молнии, протекающего через хорошо заземленный объект; z _экв ‒ эквивалентное сопротивление пораженного объекта. Например, при ударе молнии в провод z _экв = z _пр/2.

 

Рис. 6.4. Зависимость эквивалентного сопротивления канала от тока молнии

 

В большинстве расчетных случаев z _м принимается равным бесконечности, при этом I _об = I_{R =0}, что соответствует представлению о канале молнии как источнике заданного тока. Расчет показателей грозоупорности ВЛ при z _м = ∞ дает небольшой запас при расчете числа грозовых отключений от прорывов молнии на провода. Уточнение значения z _м в соответствии с рис. 6.7 следует делать для расчета критического значения тока при ударе молнии в провода ВЛ напряжением 500 кВ и выше, для которых прорывы молнии являются основной причиной грозовых отключений.