Грозовые перенапряжения на изоляции электрических сетей

Воздушные электрические сети часто поражаются молнией из-за своей большой протяженности. Например, линия длиной всего 50 км при средней высоте подвеса молниезащитного троса (или проводов, если трос отсутствует) 15 м, проходящая по территории с 30 грозовыми часами в году, поражается в среднем 9 раз в год. От подстанции отходят обычно несколько линий, они все вместе подвергаются ударам молнии многие десятки раз за грозовой сезон.

Что касается подстанций, то удары молнии в них происходят очень редко. К примеру, подстанция площадью 100×100 м², защищенная молниеотводами высотой 20 м, в районе с D _г = 30 гр. ч/год поражается в среднем 1 раз за 10 лет. При этом удары, в основном, поражают молниеотводы, так как вероятность прорыва молнии в их зону защиты составляет
0,5–1,0 %.

На линиях электропередачи удары молнии происходят в фазные провода и в опоры, а на линиях с молниезащитными тросами еще и в трос. Наиболее слабым элементом в отношении электрической прочности является изоляция проводов на опорах, прежде всего гирлянды изоляторов.

Оценить напряжение U _пр, возникающее на проводе линии без тросов при ударе в него молнии, можно по формуле

,                                        (4.1)

где z _к – волновое сопротивление провода при его коронировании. Двойкой в знаменателе учитывается растекание тока молнии по проводу в обе
стороны.

При коронировании провода его емкость по отношению к земле увеличивается, поскольку провод при этом бывает окружен слоем ионизированного воздуха, по сути дела увеличивающим его эквивалентный диаметр. Волновое сопротивление провода  соответственно уменьшается. Расчетные (геометрические) значения волновых сопротивлений z и их значения с учетом коронирования z _к приведены в табл. 4.1.

Расчет по (4.1) показывает, что даже при токе молнии 60 кА и волновом сопротивлении 400 Ом на проводе возникает напряжение 12 MB. Металлическая или железобетонная опора заземлена, и это напряжение оказывается приложенным к гирлянде изоляторов. Импульсное разрядное напряжение гирлянд сравнительно невелико. Например, на линиях напряжением 110 кВ оно составляет примерно 700 кВ, поэтому еще на фронте тока молнии произойдет перекрытие гирлянды, т. е. электрический разряд между проводом и опорой по воздуху вдоль гирлянды.

Таблица 4.1

Волновые сопротивления проводов воздушных линий и коэффициенты электромагнитной связи провода и троса (или другого провода )

 

Тип опоры	Материал опоры	U ном, кВ	Число проводов в фазе	Волновое сопротивление, Ом		Коэффициент связи
				z расчетное	z к с учетом короны	K рас-четный	K к с учетом короны
Одностоечная, одноцепная, с тросом	Железобетон	110	1	505	455	0,215	0,240
	»	220	1	475	420	0,200	0,210
Одностоечная, двухцепная, с тросом	Металл	35	1	510	475	0,215	0,240
	Железобетон	110	1	520	470	0,210	0,250
	Металл	220	1	505	455	0,200	0,245
	»	330	2	400	375	0,175	0,215
Портальная,	Дерево	35	1	490	450	0,285	0,310
с двумя тро-	»	100	1	465	420	0,260	0,305
сами, гори-	»	220	1	445	385	0,245	0,300
зонтальное	Металл,	330	2	360	330	0,200	0,245
расположение	железобетон
проводов	То же	500	3	320	305	0,180	0,225

После перекрытия изоляции пораженного молнией провода в путь тока практически вместо волнового сопротивления z _к включается значительно меньшее импульсное сопротивление заземления опоры R _и.Если разряд молнии произошел в провод недалеко от опоры, то через нее проходит почти полный ток молнии (порядка 95 %). Опора и пораженный провод приобретают потенциал, приблизительно равный

,                          (4.2)

где а _м – крутизна фронта тока молнии, кА/мкс; L ₀ – удельная индуктивность опоры, мкГн/м; h _оп – высота опоры, м.

Если I _м = 60 кА, а _м = 30 кА/мкс, L ₀ = 0,6 мкГн/м – для одностоечной металлической опоры (см. табл. 4.2), h _оп = 17,5 м и импульсное сопротивление заземления опоры R _и = 7,5 Ом, то U _пр = U _оп = 765 кВ. При таком напряжении, казалось бы, можно ожидать разряда с опоры на провод другой фазы, так называемого обратного перекрытия гирлянды, и двухфазного короткого замыкания. Однако этого не происходит, так как на соседнем проводе вследствие электромагнитной связи с коэффициентом K _к индуктируется напряжение того же знака, что и на пораженном проводе. Значение напряжения на втором проводе определяется как

,                                           (4.3)

а напряжение, приложенное к гирлянде второго провода, –

.                         (4.4)

В рассматриваемом примере U _пр = 765 кВ, a K _к = 0,24 (табл. 4.1), напряжение второго провода U _пр2 = 765×0,24 = 184 кВ и напряжение на гирлянде U _г2 = 765 (1 – 0,24) = 580 кВ, что меньше ее разрядного напряжения, равного 700 кВ.

Обратное перекрытие гирлянды изоляторов второй фазы может произойти при значениях I _м, а _мили R _и больше принятых в рассмотренном примере.

Заметим, что на двухцепных опорах обратное перекрытие гирлянды изоляторов на другой, параллельной цепи означает короткое замыкание между двумя цепями. Приэтом могут отключиться обе цепи, поэтому такое развитие событий должно быть исключено.

Таблица 4.2

Удельные индуктивности L ₀ опор

Тип опоры	L 0, мкГн/м
Одностоечная, металлическая	0,6
Одностоечная, железобетонная	0,7
Двухстоечная, металлическая, на оттяжках	0,4
Портальная, металлическая	0,5
Двухстоечная, деревянная, с двумя заземляющими токоотводами	0,7
Отдельно стоящая опора для молниеотвода	1,3-1,7

 

Коэффициент электромагнитной связи, в противоположность волновому сопротивлению, при коронировании провода увеличивается. Вследствие возрастания емкости коронирующего провода по отношению к соседнему происходит перераспределение напряжений в системе «пораженный провод – 2-й провод – земля», в результате чего напряжение между проводами снижается.

Рис. 4.1. К оценке индуктированных напряжений

Помимо прямых ударов молнии в линии, вызывающих наибольшие перенапряжения, при ударах молнии вблизи линий на них возникают индуктированные перенапряжения. Заряды лидерного канала молнии связывают на проводе заряды противоположного знака (рис. 4.1). Электрическое поле связанных зарядов уравновешивается полем лидера, поэтому потенциал провода во время лидерной стадии равен нулю (рабочее напряжение относительно мало и 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. Так возникает электрическая составляющая индуктированного напряжения U _иэ. Значение ее прямо пропорционально линейной плотности зарядов sлидерного канала, средней высоте подвеса провода h _cp и обратно пропорционально кратчайшему расстоянию b от провода до точки удара молнии. Учитывая, что , получаем

,                                         (4.5)

где K _э – коэффициент пропорциональности, уменьшающийся при возрастании скорости главного разряда v _г.

Изменение магнитного поля при главном разряде приводит к возникновению магнитной составляющей индуктированного напряжения U _им в петле опора – гирлянда изоляторов – провод – земля. Максимальное значение возникающего на гирлянде напряжения прямо пропорционально току молнии и скорости его нарастания, высоте подвеса провода и обратно пропорционально расстоянию от провода до точки удара молнии:

,                                        (4.6)

где K _м – коэффициент, возрастающий с увеличением скорости главного разряда.

Максимальное значение индуктированного напряжения равно

.                         (4.7)

Коэффициенты K _э и K _м по-разному зависят от скорости главного разряда, и их сумму можно приближенно принять равной 30 Ом. В (4.5)–(4.7) расстояние b должно быть ориентировочно не меньше 3 h _ср или R _эквсогласно (1.12), в противном случае более вероятен удар в линию.

Рис. 4.2. Вероятности индуктированных напряжений, превышающих значение абсциссы. Средняя высота подвеса проводов 10 м

Вероятность возникновения индуктированных перенапряжений P _инд для линий с h _ср = 10 м, полученная по результатам измерений, показана на рис. 4.2. Наибольшее влияние индуктированные перенапряжения при ударах молнии в землю могут оказывать на эксплуатацию линий 6–10 кВ на металлических или железобетонных опорах и незначительное – на работу линий 35 кВ, имеющих разрядное напряжение гирлянд изоляторов порядка 350 кВ.

Индуктированные напряжения возникают также и при ударах молнии в опоры и тросы. Накладываясь на перенапряжения прямого удара, они влияют на значения напряжений, воздействующих на изоляцию линии.

Среднегодовое число отключений воздушных ЛЭП из-за индуктированных перенапряжений существенно меньше аналогичной характеристики при прямых ударах молнии в ЛЭП. Поэтому в расчетах
по молниезащите индуктирован-
ными перенапряжениями обычно пренебрегают.

Уменьшение числа грозовых отключений воздушных ЛЭП достигается двумя основными способами. Первый способ связан с уменьшением вероятности перекрытия изоляции, второй – с уменьшением вероятности перехода импульсного перекрытия в устойчивую дугу тока короткого замыкания. Первый способ реализуется подвеской тросовых молниеотводов и созданием малого импульсного сопротивления заземления опор. При этом, с одной стороны, резко снижается вероятность непосредственного поражения молнией фазных проводов и, с другой стороны, снижается импульсное напряжение на изоляции при ударах в опоры и тросы. Второй способ осуществляется путем удлинения пути перекрытия (использование изоляционных свойств дерева на линиях с деревянными опорами), что приводит к снижению средней рабочей напряженности, или с помощью дугогасящих реакторов в сетях 6–35 кВ, что дает уменьшение тока дуги однофазного замыкания на землю и значительное увеличение вероятности ее самопроизвольного погасания.

Грозоупорность линий на деревянных опорах бывает достаточно высокой, в основном, за счет низкого значения вероятности перехода импульсного перекрытия в устойчивую дугу, а также высокого междуфазного разрядного напряжения. Такие линии обычно не оборудуются грозозащитными тросами.

Линии на металлических и железобетонных опорах, напротив, имеют низкое разрядное напряжение гирлянд и высокую вероятность перехода импульсного перекрытия в устойчивую дугу.Вследствие этого их грозоупорность обычно бывает небольшой. Поэтому линии напряжением 110 кВ и выше на металлических опорах, как правило, защищаются тросовыми молниеотводами. В то же время некоторые из таких линий нецелесообразно защищать тросами. Эти случаи оговорены ниже.

На линиях 6–35 кВ, работающих с изолированной нейтралью, применение грозозащитных тросов нецелесообразно, поскольку вследствие малой электрической прочности изоляции практически любой удар молнии в трос приводит к обратному перекрытию с троса на провод. Поэтому наиболее эффективными мерами, повышающими грозоупорность таких линий, являются оборудование их АПВ и установка дугогасящего реактора.

В последние годы в промышленно развитых странах для линий
6–10 кВ широко стали применяться изолированные провода. Для таких линий при грозовом перенапряжении (в том числе и индуктированном) происходит перекрытие изолятора линии, а затем – пробой твердой изоляции провода. Весьма часто перекрытие переходит в дугу промышленной частоты, которая горит в месте пробоя изоляции до тех пор, пока линия не будет отключена. В случае больших токов КЗ или длительного горения дуги это приводит к пережогу провода, т. е. к серьезной аварии на линии. В аналогичной ситуации у линии с неизолированными проводами пережоги проводов происходят относительно редко, поскольку вследствие электродинамических сил дуга перемещается по оголенному проводу. В Японии, например, для решения указанной проблемы и одновременно для повышения грозоупорности параллельно каждому изолятору на опорах линии устанавливаются ОПН. Однако данный способ защиты довольно дорогой. В России (пока, в основном, в «Ленэнерго») с целью повышения надежности и экономической эффективности грозозащитных мер начали применяться РДИ (см. п. 3.4).

Ниже приводятся методики расчета грозоупорности наиболее распространенных воздушных линий электропередачи.