Воздействие атмосферного электричества на линейные сооружения

Грозовые разряды возникают в результате сложных процессов, происходящих в атмосфере в присутствии облаков. При определенных условиях в облаке происходит разделение зарядов и оно поляризуется. На стороне, обращенной к земле сосредотачиваются заряды одного знака. В результате, между облаком и землей возникает электрическое поле. Когда напряженность поля достигает критической величины, происходит разряд, называемый молнией.

Ток молнии может изменяться в пределах 10 – 200 кА при длительности разряда 5 – 100 мкс. Может наблюдаться до 30 повторных разрядов.

Грозовые разряды могут оказывать опасные влияния на воздушные и кабельные линии, рельсовые цепи автоблокировки:

разрушать опоры и провода воздушных линий, кабели и устройства, подключенные к ним, создавая опасность для жизни людей, обслу­живающих эти устройства.

Чаще всего молнии поражают наиболее высокие предметы: опо­ры воздушной линии или какое-либо другое сооружение. Могут быть грозовые разряды в землю и рельсы не электрифицированных железнодорожных линий. На электрифицированных участках тяго­вая сеть экранирует рельсы, воспринимая разряды на себя.

В земле ток молнии распространяется в область большей про­водимости. Он может протекать по металлическим защит­ным оболочкам кабелей. Поэтому наиболее часто наблюдается по­вреждение кабелей, проложенных в грунтах с малой проводимо­стью (песчаные, каменистые, вечномерзлые и т.д.). Повреждения ка­белей могут быть разнообразными: расплавление свинцовой оболочки и жил, обра­зование вмятин на оболочке, прогибы кабеля, разрыв ленточной бро­ни, прожог изоляции между жилами и оболочкой, сплавление сердечника кабеля и др.

Кабельные линии. Возможность пробоя изоляции в магистральных кабелях при воздействии ЭМИ молнии и необходимость применения мер защиты проверяется сравнением электрической прочности кабеля и величин импульсных напряжений, наведенных на кабелях, существенно зависящих от удельного сопротивления земли. При длинах гальванически неразделенных участков кабеля и оптического кабеля с металлическими жилами для дистанционного питания более 20 километров наведенные напряжения не зависят от длины кабеля.

Воздействие атмосферного электричества на кабельные линии автоматики и связи снижается применением специальных мероприятий при их строительстве и эксплуатации линий.

Для снижения числа повреждений кабельных линий, трассы для их прокладки выбирают в местах, где вероятность повреждения меньше, например, вдали от отдельно стоящих деревьев. Отводят токи молнии от кабелей укладкой одного или нескольких биметал­лических проводов или стальных тросов на расстоянии не более 1 – 1,5 м от кабеля.

Необходимость грозозащиты подземного кабеля связи определя­ют расчетом по ожидаемому числу повреждений от ударов молнии на 100 км трассы. Ожидаемое число повреждений может быть опре­делено в зависимости от числа грозовых дней в году для каждой местности.

Защитная способность кабелей связи от воздействия грозы, т.е. их грозостойкость, характеризуется параметром добротности, А·км,

Q = U/R,

где U — электрическая прочность кабеля, кВ; R — сопротивление оболочки постоянному току, Ом/км.

Чем больше U и меньше R, тем выше грозостойкость кабеля.

Наибольшей грозостойкостью обладают кабели со сплошной полиэтиленовой изоляцией в алюминиевой оболочке. Такие кабели имеют высокую электриче­скую прочность и малое сопротивление оболочки (высокое экрани­рующее действие).

Принято считать кабели грозостойкими, если их добротность дости­гает 50. При более высокой добротности — порядка 80 и больше — кабель считается полностью защищенным от воздействия грозовых разрядов.

В случае прокладки кабеля вдоль полотна ЭЖД или вдоль ме­таллического трубопровода на расстоянии не более 8 м от них за­щиту от ударов молнии можно не применять независимо от грозо­вой активности и удельного сопротивления грунта. Защиту кабелей от ударов молнии осуществляют с помощью биметаллических или стальных тросов. Тросы прокладывают выше кабеля на глубине, равной половине его залегания, но не менее 0,4 м от поверхности грунта. При защите кабеля двумя тросами они располагаются по обе стороны от кабеля. Так, применение одного стального троса ПС-70 позволяет снизить наводимое напряжение в кабелях на 20% и 15% соответственно для однокабельной и двухкабельной линий.

Воздушные линии. Воздействие грозовых разрядов на воздушные линии разделяется на непосредственное (прямой удар молнии в провода, опоры) и индук­тивное (удар молнии в землю или другое сооружение). При пря­мом ударе молнии в провода волна тока молнии распространяется в обе стороны от места удара. Провода оказываются под очень высо­ким напряжением относительно земли. Однако значение этого на­пряжения будет ограничено электрической прочностью изоляции между проводами и землей, которая обусловлена электрической проч­ностью опор (для деревянных опор 180…200 кВ/м), изоляторов (50…158 кВ в зависимости от типа) и траверс. В результате дейст­вия прямых ударов провода могут расплавиться, деревянные опо­ры расщепиться под действием паров испаряющейся влаги в капил­лярах древесины. Может быть разрушена аппаратура, включенная в цепи, пробита изоляция кабельных вставок и т. д.

Индуктивные явления возникают при ударах молнии в землю, деревья или сооружения, расположенные вблизи воздушных и кабельных линий. В результате на проводах воздушных линий и жилах кабелей индуцируется импульсное напряжение, электромагнитный импульс молнии (ЭМИ).

Индуцированное напряжение U _и (В) на проводах воздушных линий зависит от тока молнии I _м, средней высоты подвеса проводов h _ср и расстояния а от линии до ме­ста разряда молнии:

U _и = I _м h _ср/ a.

Так, при токе молнии 100 кА и а = 10 h _ср напряжение про­вода относительно земли будет равно 300 кВ, что опасно для устройств, включенных в цепи линии.

Молниеотводы, устанавливаются на наиболее ответственных опо­рах: угловых, кабельных, контрольных, ограничивающих пересечение с вы­соковольтными линиями, оконечных и др. Кроме того, молниеотво­дами оборудуют опоры, устанавливаемые взамен разрушенных гро­зовыми ударами, так как наблюдается повторяемость грозовых раз­рядов в одни и те же места. В качестве молниеотвода используют стальной провод диаметром 4—5 мм, прокладываемый вдоль опоры от ее верхней части и закапываемый в землю на глубину 0,7 м. Дли­на закапываемой части провода зависит от проводимости грунта.

Для защиты от перенапряжений воздушных и кабельных линий а также рельсовых цепей применяют и специальные устройства – разрядники и нелинейные выравниватели, более подробно рассмотренные в лекц.18.

Контрольные вопросы

1. От каких факторов зависит степень поражения человека электрическим током, проходящем через его тело?

2. Назовите предельно-допустимые значения тока проходящего через его тело?

3. От каких факторов зависит допустимое напряжение на проводе относительно земли?

4. Какими способами могут быть выполнены расчеты мешающих влияний BJI и тяговых сетей на телефонные каналы низкой частоты?

5. Какое напряжение называют псофометрическим и для какой цели оно используется?

6. Какие меры защиты от опасных и мешающих влияний приме­няют на линиях и сооружениях железнодорожной связи, автоматики и теле­механики?

7. Как оценивается грозостойкость кабеля и от чего она зависит?