Грозоупорность воздушных линий, защищенных тросами

Грозовые отключения воздушных линий стросами могут происходить главным образом по следующим причинам: 1) удар молнии в вершину металлической или железобетонной опоры или в трос вблизи опоры с последующим обратным перекрытием изоляции с опоры на провод; 2) прорыв молнии через тросовую защиту (т. е. поражение провода) с последующим перекрытием с провода на ближайшую опору или между фазами; 3) удар молнии в трос в пролете между опорами и перекрытие воздушного промежутка трос–провод.

Расчеты и опыт эксплуатации линий показывают, что вероятность пробоя воздушного промежутка между тросом и проводом при ударе молнии в трос пренебрежимо мала, и с нею можно не считаться, если расстояние трос–провод составляет не менее 2 % длины пролета между опорами линии. Минимальные расстояния между тросом и проводом в середине пролета по вертикали в соответствии с ПУЭ должны быть следующими:

Длина пролета, м	100	150	200	300	400	500	600	700
Расстояние трос - провод, м	2	3,2	4	5,5	7	8,5	10	11,5

Обратное перекрытие линейной изоляции с опоры на провод фазы может произойти, если напряжение на изоляции достигнет ее импульсного разрядного напряжения или превысит его. Вероятность импульсного обратного перекрытия Р _оп гирлянды изоляторов с опоры на провод можно определить аналогично случаю ЛЭП без грозозащитных тросов по (4.16). При более детальных расчетах можно учесть также индуктируемые током молнии напряжения в петле опора – провод – земля и вольт-секундную характеристику гирлянды изоляторов. Однако чаще расчеты проводят по упрощенной методике.

Упрощенно вероятность импульсного перекрытия изоляции при ударе молнии в опору Р _оп можно определить в соответствии с (1.4) по значению тока защитного уровня

,                                   (4.28)

где d = 0,15 для линий с двумя тросами и d = 0,3 для линий с одним тросом.

Очевидно, что при двух тросах доля тока в опоре меньше, чем при одном тросе, и критическое значение тока молнии выше. Увеличение
высоты опоры, а значит, и ее индуктивности, приводит к росту напряже-
ния на гирлянде изоляторов и вследствие этого – к уменьшению критического тока.

Упрощенная методика может быть использована для оценки числа отключений воздушных линий напряжением до 500 кВ при сопротивлениях заземлений опор до 30 Ом.

Вероятность прорыва молнии через тросовую защиту , т. е. поражения фазного провода, принято определять в соответствии с опытом
эксплуатации по эмпирической формуле (2.21). Последние обобщения
опыта эксплуатации позволили также предложить другую формулу для
расчета :

,                       (4.29)

где

.

Здесь a – угол тросовой защиты, градусы; h _тр и h _пр – средние высоты подвеса троса и провода, м;  – превышение троса над проводом, м;  – горизонтальное смещение троса относительно провода, м; r _пр – радиус провода (эквивалентный радиус для расщепленной фазы), м; U _ном – номинальное напряжение линии, действующее значение, МВ.

Таким образом, вероятность перекрытия линейной изоляции Р _пер воздушных линий на металлических и железобетонных опорах с тросами можно оценить по формуле

,                        (4.30)

где P _{пер. пр} – вероятность перекрытия изоляции линии при ударе молнии в провод с учетом вероятности ее прорыва через тросовую защиту;  – доля ударов молнии в опоры (в трос вблизи опор) от общего числа поражений линии, l _п – длина пролета ЛЭП. Величина P _{пер. пр} традиционно находится по формуле

,                                  (4.31)

где P _пр – вероятность перекрытия изоляции линии при ударе молнии в провод, определяемая по критическому току (4.10).

Конструкция формулы (4.31) предполагает, что вероятность прорыва молнии в зону защиты тросового молниеотвода не зависит от тока молнии. В то же время с позиции электрогеометрического метода провод могут поражать только молнии с токами меньше критического значения I _кр (см. подразд. 2.5). Перекрытие изоляции линии при этом возможно при токах молнии, превышающих ток защитного уровня I _зу по (4.28). В результате с учетом (2.7) вероятность перекрытия изоляции линии с тросовой защитой при ударе молнии в провод с точки зрения электрогеометрического метода

.                (4.32)

При I _зу > I _кр перекрытие изоляции произойти не может (поскольку молнии с токами больше критического не могут проникать в зону защиты тросов) и вероятность .

Детального анализа расхождения формул (4.31) и (4.32) и сравнения их с экспериментальными результатами пока не проводилось. Поэтому отдать предпочтение какой-либо из этих формул в настоящее время не представляется возможным.

Удельное число отключений линии n _откл можно определить в соответствии с (4.8) и значением вероятности перехода импульсного перекрытия в устойчивую дугу замыкания h по (4.26) или (4.27) в зависимости от типа линии.

При оптимизации высоты расположения троса, как правило, возникает необходимость учета вероятности перекрытия воздушного промежутка трос – провод. В качестве расчетного случая при этом принимается удар молнии в трос в середине пролета. В расчетах предполагается, что расстояния между тросом и фазными проводами в пролете равны соответствующим расстояниям на опоре. В то же время следует иметь в виду, что у реальных воздушных ЛЭП сечение грозозащитного троса обычно меньше сечения фазных проводов, а его стрела провеса вследствие этого меньше стрелы провеса фазных проводов. В результате расстояния между тросом и фазными проводами в пролете обычно больше, чем на опоре. Это в свою очередь приводит к тому, что действительная вероятность перекрытия воздушного промежутка трос – провод оказывается меньше расчетной, и запас надежности грозоупорности линии повышается.

Рассмотрим удар молнии в трос в середине пролетамежду двумя опорами. Предполагается, что трос хорошо заземлен на опорах,
т. е. R _и << z _тр, где z _тр – волновое сопротивление троса. Обычно
z _тр = 350–400 Ом. Для расчета принимается косоугольная форма фронта импульса тока молнии  (рис. 4.5). При ударе молнии в трос в обе стороны от места удара по тросу начинают распространяться импульсы напряжения. Через интервал времени  (  – длина пролета, v – скорость распространения импульса вдоль троса) эти импульсы возвратятся одновременно к месту удара, отраженные с переменой знака от сопротивлений заземления двух ближайших опор, и будут складываться с основным импульсом молнии.

До прихода отраженных импульсов напряжение на тросе определяется как

.         (4.33)

Рис. 4.5. Типовой импульс напряжения в середине пролета при ударе молнии в трос

При условии  (большинство случаев) после прихода отраженных импульсов в точку удара (пунктирная линия на рис. 4.5) рост напряжения на тросе прекратится. Подставив в (4.33) время , получим максимальное напряжение на тросе для указанного условия

,           (4.34)

которое зависит от крутизны фронта импульса тока молнии и не зависит от его
амплитуды.

Напряжение между тросом и проводом с учетом индуктированного на проводе напряжения аналогично (4.4) равно

.        (4.35)

Если при этом амплитуда тока молнии I _м такова, что , где  – импульсное разрядное напряжение воздушного промежутка
трос – провод, то при величине крутизны фронта импульса a _м, превышающей некоторое критическое значение  (), становится возможным пробой промежутка трос – провод в середине пролета. Найдем , кА/мкс, приравняв напряжение  импульсному разрядному напряжению ,

.                               (4.36)

Здесь  – расстояние между тросом и проводом, м,  – средний разрядный градиент напряжения промежутка трос – провод, кВ/м, (обычно кВ/м); м/мкс – скорость распространения импульса по коронирующему тросу; t – продолжительность импульса на тросе, мкс.

Вид критического импульса напряжения на тросе, при котором еще возможен рассматриваемый вид пробоя, показан на рис. 4.6. Критическое значение амплитуды тока молнии при этом можно определить из соотношения . Поскольку принято считать I _м и а _м независимыми случайными величинами, то вероятность пробоя промежутка трос – провод определяется из выражения

,                             (4.37)

Рис. 4.6. Критический импульс напряжения в середине пролета при ударе молнии в трос

где  и  находятся с помощью распределений (1.4) и (1.5) соответственно.

Как уже отмечалось ранее, удар молнии в трос в середине пролета является расчетным случаем для выбора расстояния между тросом и проводом. Выражение (4.37) связывает характеристики пролета воздушной линии с вероятностью пробоя промежутка трос–провод. Задаваясь определенной вероятностью пробоя, с помощью (4.37) определяют соответствующее значение , а затем с помощью (4.36) – требуемую электрическую прочность промежутка и необходимое расстояние между тросом и проводом.

Удельное число отключений линий с тросами с учетом пробоя промежутка трос – провод обычно вычисляется по формуле

,  (4.38)

где n _вл – удельное число ударов молнии в линию по (1.11) или (1.13),  – вероятность перехода импульсного перекрытия в устойчивую дугу замыкания для гирлянды изоляторов на опоре по (4.27),  – вероятность перехода импульсного перекрытия в устойчивую дугу замыкания для промежутка трос – провод,  – средняя наибольшая рабочая напряженность в промежутке трос – провод, кВ/м,
U _н.р.ф – наибольшее рабочее фазное напряжение, кВ. Несоответствие формулы (4.38) электрогеометрическому методу такое же, как указано выше в (4.31) и (4.32).

При более детальных расчетах иногда учитывают также многокомпонентность молнии, возможность перекрытия гирлянды изоляторов на опоре при ударе молнии в трос и протекании тока троса по опоре и ее заземлителю, форму импульса тока молнии с учетом влияния на нее параметров электрической цепи разряда.