Молния как источник грозовых перенапряжений

Молния представляет собой большую опасность для электрических сетей: линии электропередачи благодаря своей протяженности часто поражаются ударами молнии, что приводит к перекрытиям изоляции и аварийным отключениям линий. Возникающие при этом электромагнитные волны со скоростью, близкой к скорости света, распространяются вдоль линии, доходят до подстанции и могут вызывать опасные перекрытия и повреждения изоляции электрооборудования.

Молнии предшествует процесс разделения и накопления электрических зарядов в грозовых облаках, происходящий в результате возникновения в облаках мощных восходящих воздушных потоков и интенсивной конденсации в них водяных паров. В результате в облаке образуются зоны положительной и отрицательной полярности с различной плотностью зарядов. Если в каком-то месте облака напряженность электрического поля превышает электрическую плотность воздуха, то возникает разряд молнии. Причем 60−70 % разрядов возникает между облаками и внутри облаков и лишь 30−40 % поражают землю.

Как показали исследования в большинстве случаев (до 90 %) молнии бывают отрицательными, т.е. переносят на землю отрицательный заряд. Разряд молнии на землю на начальной стадии, представляет собой относительно медленно движущийся слабо светящийся канал (лидер). Напряженность электрического поля на его головке определяется собственными зарядами лидера и находящимися под облаками скоплениями объемных зарядов. Траектория движения лидера на этой стадии не связана с земными объектами.

Но по мере опускания лидера все большее влияние начинают оказывать скопления зарядов на земле на возвышающихся объектах. Начиная с определенной высоты головки лидера (высота ориентировки), напряженность поля по одному из направлений оказывается наибольшей, и происходит ориентирование лидера на один из наземных объектов. При этом преимущественно поражаются высокие объекты и участки земли с повышенной проводимостью (избирательная поражаемость).

С очень высоких объектов навстречу лидеру развиваются встречные лидеры, наличие которых способствует ориентированию молнии на данный объект.

Избирательная поражаемость лидера используется для молниезащиты линий электропередач (ЛЭП) и подстанций. На подстанции устанавливаются несколько высоких хорошо заземленных молниеотводов, над ЛЭП помещается трос, связанный с землей.

Перекрытие воздушного промежутка между головкой лидера и наземным объектом является переходом от первой (лидерной стадии) к главной стадии разряда молнии (стадии нейтрализации), в которой происходит нейтрализация отрицательного заряда лидера положительными зарядами. При этом через пораженный молнией объект протекает ток, который представляет собой «ток молнии». При отрицательной полярности молнии вслед за главным разрядом обычно наблюдаются повторные разряды по тому же каналу. Повторные разряды вызываются тем, что нейтрализация зарядов канала приводит к разрядам соседних заряженных областей облака. Примерно 50 % ударов молнии содержит не более 2−3 импульсов, но может быть до десяти и более. Причем повторный импульс – импульс тока близок к стандартному с параметрами 1,2/50 мкс. Положительные удары молнии (10 %) бывают, как правило, однократные.

Для расчета грозозащиты ЛЭП и подстанций необходимы следующие параметры молний:

1) интенсивность грозовой деятельности;

2) амплитуда тока молнии;

3) крутизна тока молнии на фронте.

Поясним, зачем нужны амплитуда и крутизна тока молнии. Например, при ударе молнии в молниеотвод на портале (рис.1.1.) напряжение на вершине определяется по формуле

U_B = I_М∙R_З + L_O∙ + M_O∙ , (1.1)

где I_М − ток молнии; − крутизна тока молнии; L_O − индуктивность молниеотводов (удельная индуктивность мкГн/м); M_O − взаимная индуктивность между током молнии и током в молниеотводе

(Мо = 0,2 мкГн/м); R_З - сопротивление заземления молниеотвода

Рис.1.1. Удар молнии в молниеотвод на портале

По данным ЛПИ [5] вероятность возникновения тока больше расчетного (I_МP) можно приближенно оценить по формуле

P(I_М≥I_М.Р.) ≈ е^{(-0,04∙Iм.р.)}.

Вероятность возникновения импульса с крутизной выше расчетной можно оценить по формуле

.

Длительность импульса тока молнии изменяется в относительно узких пределах: от 20 до 80−100 мкс. На основании этих измерений международной электротехнической комиссии МЭК был принят стандартный импульс = 1,2 0,36 мкс и =50 10 мкс. Условно его обозначают символом 1,2/50.

Между амплитудой и крутизной фронта тока молнии имеется слабая корреляционная связь: большим токам соответствует большая крутизна, однако данных пока недостаточно, поэтому принято считать и независимыми случайными величинами, поэтому вероятность молнии с параметрами I_M≥I_MP и определяются как произведение вероятностей:

P(I_М≥I_М.Р; ) = ,

где I_M в кА, I_MP в кА/мкс (расчетные ток и крутизна тока молнии).

Число прямых ударов молнии (N_ПУМ) в наземные объекты можно оценить по данным опыта эксплуатации по формуле

N_ПУМ ≈ n_ч ∙ n_S ∙ S_p,

где n − число грозовых часов в году, n − среднее удельное число ударов в течение одного грозового часа на площадь в 1 км²; S − расчетная площадь сооружения, км².

Интенсивность грозовой деятельности в различных климатических районах различается очень сильно. Число грозовых часов в году определяется на основании многолетних наблюдений метеорологических станций, обобщение которых позволяет составить карты грозовой деятельности, на которые наносятся линии равной продолжительности гроз. В Омской области по этой карте наблюдается 40−60 часов в год.

Другой характеристикой грозовой деятельности является среднее число ударов молнии в 1 км² поверхности земли за 1 грозовой час. Ряд источников приводит значение n =0,067 [6,12] Однако в руководящих указаниях принято значение n =0,06 [9].

Возвышающиеся над поверхностью земли объекты вследствие развития с них встречных лидеров собирают удары молнии с площади, превышающей их территорию. Число ударов молнии в подстанцию длиной А, шириной В и высотой h (размеры в метрах) может быть рассчитано по формуле

N = n_Ч∙n_S∙(A+7h)∙(B+7h)∙10⁻⁶. (1.2)

Число ударов молнии в ЛЭП длиной и высотой h равно

N = n_Ч∙n_S∙7h∙ ∙10⁻³, (1.3)

здесь в километрах, h в метрах.

Из этой формулы видно, что в ЛЭП из-за большой высоты опор будет собирать больше ударов молнии, чем реальная площадь ее. Ведь здесь вместо реальной ширины ЛЭП взята ширина по 3,5h в каждую сторону от оси ЛЭП.

1.2.2. Грозозащита воздушных линий

В качестве основных средств грозозащиты ЛЭП используются:

− подвеска заземленных тросов;

− снижение сопротивления заземления опор;

− повышение импульсной прочности линейной изоляции;

− защита отдельных опор и участков с ослабленной изоляцией.

Резервным способом повышения надежности и бесперебойности работы ЛЭП является автоматическое повторное включение (АПВ).

Линии электропередач могут выполняться на металлических, железобетонных и деревянных опорах. От материала опор сильно зависит грозоупорность ЛЭП, а, следовательно, необходимость защиты ЛЭП тросами. На линиях на деревянных опорах трос не применяется, так как они имеют высокую грозоупорность и без тросов.

ЛЭП на металлических опорах с грозозащитными тросами

В ПУЭ [1] записано: “ЛЭП 110–500 кВ с металлическими и железобетонными опорами должны быть защищены от прямых ударов молнии тросами по всей длине.” Вероятность прорыва молнии (Р_ПР) мимо троса можно приближенно оценить по эмпирической формуле [5]

.

Как видно из формулы, с увеличением высоты опоры необходимо уменьшать защитный угол α: так, при h =20 м обычно применяется

α =30°, при h =30–35 м применяется α =25°, при h =50 м − α =20°.

Это обеспечивает вероятность прорыва Р_ПР ≈0,002−0,003. Дальнейшее уменьшение угла может привести к схлестыванию троса и провода во время гололеда в случае пляски проводов.

А теперь оценим грозоупорность таких ЛЭП. Под показателем грозоупорности (надежности) понимают число безаварийных лет n, т.е. обратную величину математического ожидания числа отключений N в год n=1/N. Обычно его относят к 100 км линии и 100 грозовым часам.

При анализе грозоупорности необходимо учитывать 3 расчетных случая (рис. 1.2а):

1) прорыв молнии на провод (минуя трос) с последующим перекрытием изоляции на опоре;

2) удар молнии в вершину опоры с последующим перекрытием между опорой и проводом;

3) удар молнии в середину пролета с последующим перекрытием между тросом и проводом.

а) б)

Рис. 1.2. Расчетные случаи при ударе молнии в ЛЭП:

а) на металлических опорах; б) на деревянных опорах

Число ударов N молнии в ЛЭП распределим между этими тремя крайними случаями следующим образом:

; .

Из всех ударов молнии нас будут интересовать только те, которые будут завершаться перекрытием изоляции, а затем переходом искрового замыкания в дуговое, приводящее к срабатыванию релейной защиты и отключению ЛЭП.

1. При прорыве молнии мимо троса число отключений можно оценить по формуле

,

где N – число ударов молнии в ЛЭП; − вероятность того, что ток молнии превысит уровень грузоупорности данной ЛЭП, то есть приведет к импульсному перекрытию гирлянды; − вероятность прорыва молнии мимо троса; − вероятность перехода искрового замыкания в дуговое ( для ЛЭП 35кВ; для ЛЭП 110 кВ и выше).

2. При ударе молнии в вершину опоры напряжение на вершине можно оценить по формуле (1.1). Напряжение на гирлянде не должно превышать , где − напряжение на проводе с учетом индуцированной волны при ударе молнии. Перекрытие гирлянды будет в случае, когда будет большой ток молнии , либо большая крутизна тока , либо и то и другое одновременно. Более наглядно перекрытие гирлянды оценивается кривой опасных волн (рис. 1.3). Все волны выше кривой приводят к перекрытию гирлянды, а все волны ниже ее – безопасны.

Рис. 1.3. Кривая опасных волн

Число отключений ЛЭП при ударе в вершину опоры равно:

,

где − вероятность, что удар молнии лежит выше кривой опасных волн. Вероятность обычно берут упрощенно [5].

3. Опыт эксплуатации показывает, что вероятность перекрытия в этом случае пренебрежимо мала, так как трос перетягивается, т.е. расстояние в середине пролета между тросом и проводом максимально. Значит .

Однако большинство ЛЭП имеют автоматическое повторное включение (АПВ), т.е. после отключения ЛЭП в бестоковую паузу дуга гаснет и при повторном включении ЛЭП опять нормально работает. Аварийными будут только те случаи, когда дуга загорится вновь:

, ,

где − коэффициент успешности АПВ, значения которого равно =0,75−0,9.

Показатель грузоупорности равен .

Для ЛЭП 110 кВ n=7−15 лет [5], т.е. 1 раз в 7−15 лет на ЛЭП возникает авария, в результате которой, например, происходит разрушение гирлянды и невозможно включить ЛЭП без ремонта.

ЛЭП на деревянных опорах без троса

Линии на деревянных опорах тросами не защищаются, поэтому практически все удары молнии попадают в провода. Из всех ударов молнии нас будут интересовать только те, которые будут завершаться перекрытием изоляции и переходом искрового замыкания в дуговое.

Возможны 3 случая перекрытия (рис.1.2б):

1− перекрытие с провода на землю; 2− перекрытие на ж/б пасынок;

3− перекрытие по гирляндам.

Расчеты и опыт эксплуатации показал, что наиболее вероятным и опасным оказывается перекрытие между проводами по гирляндам и траверсе[5]. Число отключений в этом случае оценивается:

,

где − вероятность того, что ток молнии превысит уровень грузоупорности; − вероятность перехода искрового замыкания в дуговое (на 35 кв = ; на 110 кв = ).

Здесь уровень грозоупорности равен:

где k_m − коэффициент связи между проводами; он учитывает, что при пробегании волны по одному проводу на другом индуцируется волна той же полярности. Показатель грозоупорности для ЛЭП – 35 кВ, например, получается n=14 лет [5].

В СССР и России благодаря дешевизне и сравнительно высокой грозоупорности линии на деревянных опорах получили распространение для напряжений 6, 10 и 35 кВ. Однако на таких линиях наблюдались случаи тяжелого расщепления и поломки опор [5], иногда до 5−6 опор.

Защита ЛЭП искровыми промежутками или трубчатыми

разрядниками

В ПУЭ предусмотрены дополнительные меры по повышению грозоупорности ЛЭП. На некоторых опорах необходимо поставить трубчатые разрядники (при наличии АПВ – допускается установка защитных промежутков):

а) при пересечении ЛЭП между собой и с линиями связи;

б) единичные металлические и железобетонные опоры на ЛЭП с деревянными опорами;

в) высокие переходные опоры через реку, железную дорогу и т.д.

Причем сопротивления заземляющих устройств этих опор не должно превышать: при ; при ,

где − удельное сопротивление грунта.