Молния и ее воздействия на объекты электроэнергетики

Молния представляет собой достаточно хорошо исследованное явление для того, чтобы оценить ее воздействия. Среднее число ударов молнии в 1 км² поверхности земли за 100 грозовых часов в России принято 6,7. Существуют карты грозовой деятельности, дающие общую продолжительность гроз в часах за год. Эта продолжительность составляет в зависимости от местности на территории России от 10 до 100 грозовых часов.

Число ударов молнии за 100 грозовых часов в объект длиной А, шириной В и высотой Н вычисляется по формуле

n=6,7(A+6H)(B+6H)·10^-6.

В этой формуле А, В, Н следует подставлять в метрах.

Из этой формулы следует, что в элементы станции (здания, открытые распределительные устройства и т.д.) будут происходить удары молнии с периодичностью в несколько лет, удары молнии в линии (или вблизи них) из-за большой протяженности подходящих к станции линий происходят гораздо чаще. Для объектов электроэнергетики необходима молниезащита, целью которой является снижение ущерба, который может быть причинен молнией.

Опасными воздействиями молний являются:

• появление импульсных высоких напряжений на активных сопротивлениях элементов объекта (например, на сопротивлении заземления при протекании по нему тока молнии или его части). Амплитуда этих напряжений определяется произведением сопротивления на максимальный ток;

• появление импульсных высоких напряжений на индуктивности элементов объекта, по которым протекает ток молнии или его часть;

• индуктирование высоких напряжений в контурах, имеющих электромагнитную связь с контуром разрядного тока молнии. Индуктированные напряжения, как и падения напряжения на индуктивностях зависят от крутизны тока молнии;

• нагрев проводников, по которым протекает ток молнии или его часть. Нагрев определяется так называемой удельной энергией — интегралом квадрата тока по времени, который зависит в основном от импульсных составляющих тока;

• термическое действие на объект в месте удара. Это действие зависит от общего заряда, протекшего по каналу молнии, и определяемого постоянной составляющей тока молнии.

Таким образом, опасными параметрами тока молнии являются его максимальное значение крутизна, удельная энергия и заряд.

При ударах молнии в заземленные молниеотводы потенциал заземлителя, спусков, молниеприемников может достигать многих сотен киловольт, что может вызвать сильные электромагнитные возмущения, искрения, пробои изоляции, обратные перекрытия, выносы высокого потенциала по проводам и кабелям на большие расстояния от контуров с током молнии. К сожалению, до настоящего времени не создано общей методики борьбы с этими электромагнитными возмущениями при ударах молнии, нет конкретных нормативных документов, рекомендаций по снижению помех и перенапряжений, возникающих при ударах молнии.

Молния представляет собой разновидность газового разряда при очень большой длине искры. Общая длина канала молнии достигает нескольких километров. Источником молнии является грозовое облако, несущее в себе скопление объемных положительных и отрицательных зарядов. Образование таких объемных зарядов различной полярности в облаке (поляризация облака) связано с конденсацией вследствие охлаждения водяных паров восходящих потоков теплого воздуха на положительных и отрицательных ионах (центрах конденсации) и разделения заряженных капелек влаги в облаке под действием интенсивных восходящих воздушных потоков.

В природе (различают три основных типа грозовых разрядов: линейная молния — имеет вид узкой полосы между облаком и землей, между облаками или между отдельными скоплениями объемных зарядов внутри облака; шаровая молния – ярко светящийся, подвижный, выпуклый, относительно устойчивый сгусток плазмы, возникающий и исчезающий по мало изученным в настоящее время причинам; тихие разряды – корона, возникающая в местах резкой неоднородности напряженности электрического поля на выступающих заземленных предметах в предгрозовой период и во время грозы.

Грозовой разряд развивается по различным путям. Внутриоблачные разряды чаще всего бывают во время гроз, возникающих высоко над землей. В таких условиях молнии легче развиваться от нижней части заряженного облака к верхней или наоборот, чем пройти долгий путь от основания облака, т. е. ближайшей к земле кромке, до земли.

Механизм образования линейной молнии связан с постепенным накоплением разнополярных электрических зарядов на верхней и нижней частях облака и образованием вокруг него электрического поля возрастающей напряженности. Когда градиент потенциала в какой-либо точке облака достигает критического для воздуха значения (около 3·10⁶ В/м), в этом месте возпикает молния, которая начинается лидерной стадией и завершается обратным (главным) разрядом. Главная стадия грозового разряда и является источником МЭМП. Ввиду того, что в облаке образуется несколько изолироватiных друг от щуга скоплений зарядов, молния обычно бывает многократной, т. е. стоит из нескольких единичных разрядов, развивающихся по одному и тому же пути. Срредняя продолжнтельность главного разряда 20... 50 мкс; число повторных разрядов может колебаться от 2 до 10 и более; интервал времени между повторными разрядами 0,001... 0,5 с.

Характеристики молнии. Как показывают измерения. разрядный ток молнии представляет собой импульс с быстрым нарастанием тока от нуля до максимума (фронт волны) и сравнительно медленным спадом (хвост волны). Поскольку на осциллограммах начало волны и момент максимума точно определить трудно, для удобства обработки осциллограмм действительный фронт импульса заменяется эквивалентным косоугольным (рис.). Для этого на линии фронта импульса отмечаются точки с координатами О,3I_max и О,9I_max, и через них проводится прямая линия. Ее пересечение с нулевой линией (точка О условное начало импульса) и горизонтальной прямой, проведенной через точку, определяющую уровень амплитудного значения тока молнии, в выражает длительность фронта импульса [τ_ф - длительность импульса]. τ_и - это время от условного начала до момента, когда ток молнии на кривой спада становится равным половине своей амплитуды. Импульс тока молнии характеризуется отношением τ_ф/τ_и.

Грозовой разряд облака характеризуется следующими усредненными величинами:

заряд грозового облака, К 10 - 100

потенциал облака, В 10⁸ - 10⁹

ток разряда облака, А 10⁴ - 2·10⁵

время разряда, мкс 5 - 100

средняя длина молнии, м 10³ - 7·10³

диаметр канала молнии, м 0,03 - 06

интервал времени между отдельными

разрядами, с 0,001 – 0,5

количество разрядов 1 - 30

При осуществлении мер защиты и определения ЭМО в той или иной области в качестве расчетных могут быть приняты следующие значения основных величин:

амплитуда тока молнии, А 30000

высота облака над землей, м 2000

длина канала молнии, м 4500

число повторных разрядов в течение видимого удара молнии З

длительность фронта имплыа1 мкс 2

ютигельноеть разряда молнии, мкс 50

общая продолжительностъ молнии, с 0,5

число разрядов на 1 км в год 0,1

Наибольшие значения амплитуд в спектре излучения молнии соответствуют частотам 300... 20000 гц.

Воздействие электромагнитного поля молнии на линии электропередачи или сооружения

Данный механизм воздействия имеет особенное значение для распределительных линий низкого и среднего напряжения и гораздо менее важны для линий высокого напряжения, поскольку он сопровождается пробоями изоляции на линиях среднего напряжения, вызванных индуктированными грозовыми перенапряжениями.

Результатом индуктированных перенапряжений является бегущий импульс тока и напряжения, распространяющийся по линии подобно импульсам, вызванным прямыми ударами молнии в ЛЭП.

Амплитуда импульса напрямую зависит от расстояния от места удара молнии в землю до линии. Она возрастает при увеличении высоты линии и заметно уменьшается вследствие экранирования заземленными грозозащитными тросами, если они имеются.

На линиях среднего и низкого напряжения амплитуда бегущего импульса часто превышает напряжение пробоя изоляции, что вызывает ее пробой и срез импульса.

В месте ЛЭП, ближайшем к месту удара молнии, вид фронта импульса подобен результату воздействия прямого удара молнии, в то время как длительность импульса волны заметно меньше и составляет 5 - 10 мкс. Выводы, сделанные по поводу искажения формы импульса импульсной короной и пробоями изоляции, сделанные применительно к прямому попаданию молнии в провода ЛЭП и обратным перекрытиям, одинаково применимы и к данному случаю.

Если сооружение имеет меньшие размеры (длину), чем ЛЭП, то и запасаемая им электромагнитная энергия будет меньше. Возмущение же, переданное от сооружения к оборудованию, присоединенному или расположенному в непосредственной близости от сооружения, будет меньше, чем при прямом воздействии излучения тока молнии. В этом случае сооружение выступает в роли экрана для излучаемого поля.