Грозоупорность линий без тросов

При прямом ударе молнии в провод ток молнии растекается по пораженному проводу в обе стороны, поэтому амплитуда волны перенапряжения на проводе определяется как:

U = I_мZ_пp/2,                                               (6.64)

где Z_пp ‒ волновое сопротивление провода, которое в среднем, с учетом импульсной короны, может быть принято равным 300‒400 Ом. При коронировании увеличивается емкость провода и соответственно уменьшается его волновое сопротивление.

На линии с металлическими опорами импульс перенапряжения с амплитудой U воздействует на изоляцию провода на опоре. При токах молнии порядка 5‒10 кА, т.е. в большинстве грозовых разрядов в линию, создаются перенапряжения, достаточные для перекрытия гирлянды изоляторов.

На линиях с номинальным напряжением до 220 кВ наряду с металлическими и железобетонными используются деревянные опоры.

Древесина обладает изоляционными свойствами, поэтому, например, участок деревянной траверсы между точкой подвеса гирлянды и заземляющим спуском на опорах с тросами может рассматриваться как дополнительная изоляция провода относительно земли. Точно так же участок траверсы между точками закрепления двух гирлянд на опорах без тросов является дополнительной междуфазной изоляцией.

Для ориентировочных расчетов дополнительную импульсную прочность, создаваемую деревянной траверсой, принимают равной 100 кВ на 1 м пути разряда по этой траверсе.

На линиях с деревянными опорами перекрытие прежде всего происходит между проводами по пути гирлянда ‒ траверса ‒ гирлянда. Импульс на пораженном проводе индуктирует напряжение на соседнем проводе в соответствии с коэффициентом электромагнитной связи k. Между проводами возникает напряжение:

,                                       (6.65)

где k ‒ коэффициент связи между проводами с учетом импульсной короны, имеющий значения 0,25‒0,4.

Вероятность перекрытия линейной изоляции Р_пер рассчитывается по критическому значению тока молнии. Критический ток молнии определяется из условий равенства воздействующего напряжения U и импульсного разрядного напряжения изоляции U_50% по формулам:

для ВЛ на металлических и железобетонных опорах

,                                       (6.66)

для ВЛ на деревянных опорах

                                      (6.67)

Малое число отключений линий на деревянных опорах без тросов обеспечивается обычно за счет низкого значения коэффициента η перехода импульсного перекрытия в устойчивую дугу. Очевидно, что в случае металлических опор разрядный промежуток уменьшается до длины одной гирлянды, что вызывает существенное увеличение как коэффициента η, так и вероятности перекрытия изоляции P_пер. Поэтому линии 110 кВ и выше на металлических опорах без тросов в районах со средней или большой интенсивностью грозовой деятельности имели бы недопустимо большое число отключений. Как правило, такие линии защищаются тросовыми молниеотводами по всей длине.

Несколько по-иному обстоит дело с линиями 35 кВ на металлических опорах, работающих в системе с изолированной нейтралью, особенно если в ней применены дугогасящие аппараты. В таких системах однофазные перекрытия изоляции не приводят к отключению линии, так как дуга емкостного тока в большинстве случаев гаснет в результате действия дугогасящей катушки, а коэффициент перехода в силовую дугу η ≈ 0 независимо от значения E_cр. Поэтому отключения линий 35 кВ за счет грозовых поражений могут происходить только в случае двухфазных или трехфазных перекрытий.

В линиях с горизонтальным расположением проводов разряды молнии происходят практически всегда в крайний провод, в линиях с вертикальным расположением ‒ в верхний провод. После перекрытия изоляции пораженного провода в путь тока вместо волнового сопротивления провода Z_пp/2 включается значительно меньшее сопротивление заземления опоры R_и. Если разряд молнии произошел в провод на небольшом расстоянии от опоры, через заземлитель проходит практически полный ток молнии и опора приобретает потенциал, приблизительно равный I_мR_и. На соседнем проводе наводится потенциал kI_мR_и. Перекрытие изоляции второго провода произойдет, если:

                                              (6.68)

Отсюда следует, что вероятность перекрытия Р_пер тем меньше, чем ниже сопротивление R_и (или больше критическое значение тока молнии). Поэтому на линиях 35 кВ на металлических опорах без тросов целесообразно при­менять дополнительные заземлители для уменьшения сопротивления заземления опор.

Очевидно, что наибольшие перенапряжения на линиях без тросов возникают при прямом поражении линии молнией. Тем не менее определенную роль играют и удары молнии вблизи линии. Такие удары приводят к появлению индуктированных перенапряжений. Индуктированные напряжения на фазных проводах имеют электрическую и магнитную составляющие

U_инд= U_и.э+ U_и.м.                                           (6.69)

Заряды лидерного канала молнии связывают на проводе заряды противоположного знака. Электрическое поле связанных зарядов уравновешивается полем лидера, поэтому потенциал провода во время лидерной стадии равен нулю (рабочее напряжение не учитывается). Во время главного разряда заряды лидера нейтрализуются, при этом связанные на проводе заряды освобождаются, что сопровождается повышением потенциала провода и образованием импульсов напряжения, распространяющихся по проводу в обе стороны. При волне, распространяющейся вверх со скоростью υ амплитуда тока определится как:

                                     (6.69.1)

Так возникает электрическая составляющая индуктированного напряжения. Значение ее прямо пропорционально линейной плотности зарядов σ лидерного канала, средней высоте подвеса провода h_cp и обратно пропорционально кратчайшему расстоянию b от про­вода до точки удара молнии.

Рис. 6.14. Интегральная кривая амплитуд индуктированных на линии