ИЭ (13.03.02) / Лекции / Текст / Лекция 2_4

Лекция 2_4 Внешние (атмосферные) перенапряжения и грозозащита

Слайд_1

Типичная форма импульса тока в пораженном молнией объекте представлена, на рис. слева. Наиболее часто грозовые облака имеют отрицательный заряд относительно земли, поэтому отрицательные токи молнии на землю преобладают над положительными. Длина разрядного канала молнии достигает 2-3 км, при этом большая часть канала располагается внутри грозового облака. Наибольшее значение амплитуды тока молнии имеет порядок 100 кА, характерное время нарастания тока до амплитуды около 10 мкс. При оценке электромагнитных воздействий молнии важнейшими параметрами являются амплитуда тока и скорость нарастания – отношение амплитуды к времени ее достижения током молнии. Для проведения расчетов с обобщением результатов применяют стандартную форму импульса тока молнии, приведенную на рис. справа.

После описанного здесь первого токового импульса молнии всегда в течение 0.3-0.5 с следуют повторные разряды, отличающиеся меньшими амплитудами, но существенно более короткими фронтами (доли мкс) и длительностью импульса.

Слайд_2

На данном слайде приведены результаты статистических исследований молниевых импульсов тока. В частности из второго рисунка справа легко видно, что примерно половина отрицательных импульсов тока молнии имеют фронт около 10 мкс. В то время как половина повторных импульсов тока молнии того же знака имеют фронт 1 мкс.

На этом же слайде приведена таблица интенсивности грозовой деятельности в ряде территорий РФ. Из приведенных данных видим, что центр и юг европейской части России отличаются наибольшей частотой гроз – числом ударов на 1 кв. км в год

Слайд_3

Здесь приведены приближенные формулы для оценки среднего числа грозовых часов в году и среднего числа грозовых дней в году. Эти значения позволяют оценить соответствующее число прямых ударов молнии в объект

заданной площади. Площадь, входящая в данную расчетную формулуSр - площадь стягивания зависит от конфигурации и высоты объекта. Здесь представлены формулы для оценки площади стягивания для уединенного высотного объекта и для подстанции, оборудованной молниеотводами.

Слайд_4

В случае протяженных объектов, таких как линии электропередачи число прямых ударов молнии прямых ударов рассчитывается на 100 км длины и на 100 грозовых часов. При этом высота объекта оценивается по высоте опор с учетом наличия стрелы провеса проводов.

Для изложения дальнейшего материала нам следует вспомнить элементы теории волновых процессов в линиях, известные из курса ТОЭ.

На рисунке изображена схема преломления волны напряжения, при ее переходе из линии с волновым сопротивлением Z1 в линию с волновым сопротивлением Z2. В точке контакта линий происходит частичное отражение и преломление волны напряжения амплитуды преломленной и отраженной волн даны приведенными формулами. Рассмотрим два предельных случая В первом из них будем предполагать, что первая линия на конце разомкнута. Это означает, что Z2 = бесконечности и из формулы (2) для отраженной волны следует , что ее амплитуда равна амплитуде падающей волны, т.е напряжение на холостом конце линии будучи суммой падающей и отраженной волн, удваивается. Если конец линии, коротко замкнут, отраженная волна противоположна по знаку падающей и имеет ту же амплитуду. Поэтому в этом случае напряжение на конце линии равно. При выполнении практических расчетов волновых процессов с использование стандартных уравнений Кирхгоффа можно использовать схему замещения, которая автоматически учитывает отмеченные здесь особенности. Она представляет собой схему с источником питания удвоенной величины и последовательным соединением волновых сопротивлений линий. Данный способ учета волновых процессов на конце линии называется правилом Петерсена.

Слайд_5.

На данном слайде дана классификация перенапряжений, вызываемых молнией на объектах электроэнергетики. Поскольку нас интересуют, прежде всего, электрические воздействия на изоляцию, то способ передачи такого

воздействия и ложится в основу классификации. При этом непосредственный удар молнии в объект оказывается далеко не единственным механизмом передачи электрического воздействия. В частности удар молнии в заземленный объект вызывает большие токи в контуре заземления, которые, в свою очередь, являются причиной перенапряжений. Перенапряжения, могут быть вызваны и молнией, не попадающей в объект. В этом случае электрическое воздействие передается емкостной и магнитной связью канала молниевого разряда и токоведущих элементов линии или подстанции. Наконец, линии электропередач обеспечивают передачу грозовых волн на большие расстояния, так что перенапряжения на подстанции могут возникнуть в результате грозовой деятельности происходящей в десятках км.

Слайд_6

Прямой удар молнии создает самый тяжелый режим перенапряжений, напряжение при разряде молнии достигает 10 МВ, а ток 100 кА. Поэтому провода линии, особенно вблизи подстанций защищаются с помощью заземленного грозотороса, снижающего вероятность прорыва молнии к проводу. Удар же в грозотрос приводит к перенапряжениям с существенно меньшим уровнем воздействия.

Слайд_7

Удар молнии в заземленный элемент устройства ЛЭП – опору или грозотрос, может привести к обратному перекрытию гирлянд изоляторов. При достаточно большой величине тока молнии его растекания в грунте в условиях высоких значений сопротивления заземления создает на гирлянде напряжение достаточное для ее перекрытия.

Слайд_8

Индуктированные перенапряжения, вызываемые ударом молнии в землю вблизи объекта, передают электрические воздействия электростатической связью между каналом лидера и проводами, а также электромагнитной связью тока канала разряда с токоведущими элементами линии или подстанции. Для обоих видов воздействия определяющим является расстояние от молнии до объекта и высота последнего. В нижней части слайда приведена эмпирическая формула связывающая амплитуду

На данном слайде представлена схема развития грозовой аварии. Следует отметить, что каждое событие, стоящее в цепочке, приводящей к отключению линии, характеризуется конечной вероятностью.

Слайд_12

Рассмотрим расчет числа отключений линии, вызываемых прорывом молнии на фазный провод. Искомое число определяется числом попыток NПУМ и вероятностями событий приводящих к отключению. Оценка вероятности прорыва делается по эмпирическим формулам на основе опытных данных. Здесь одним из главных параметров является угол тросовой защиты – угол отклонения оси грозотроса от оси провода. С увеличение данного угла вероятность прорыва молнии на провод возрастает

Слайд_13

Для расчета вероятности перекрытия гирлянды при ударе молнии в провод вначале оценим величину воздействующего напряжения исходя из представленной на данном слайде схемы замещения, в которой фигурируют волновые сопротивления проводов, отходящих от точки удара молнии и волновое сопротивление канала молнии. При этом волновое сопротивление канала молнии убывает сростом тока молнии, а волновое сопротивление провода определяется не только геометрическими характеристиками, но также зависти от явления коронного разряда, что учитывается с помощью поправочного коэффициента.

Далее используя экспериментальные зависимости вероятности перекрытия для конкретных гирлянд изоляторов, сопоставляя с величиной воздействующего напряжения IМZЭ, находим искомую вероятность. Попутно мы нашли один из ранее определенных параметров качества грозозащиты – грозоупорность критический ток молнии, равный отношению импульсной электрической прочности к эквивалентному сопротивлению параллельного соединения провод-провод-канал молнии

Слайд_14.

Рассмотрим стальные составляющие формулы вероятности отключения линии. Эти значения (вероятность возникновения силовой дуги и

вероятность успешного АПВ) находим, исключительно опираясь на эксплуатационный опыт. Следует обратить внимание, на то, что оценка вероятности зажигания силовой дуги не может быть ниже 0.1

Слайд_15

Аналогичный подход можно применить для расчета числа отключений, вызываемых обратными перекрытиями. Здесь нам потребуется оценить вероятность перекрытия гирлянды падением напряжения на сопротивлении заземления опоры. Схема замещения теперь содержит не три, 4 параллельных ветви за счет добавления ветви, эквивалентирующей опору и сопротивления ее заземления. Вместо волнового сопротивления провода в данном расчете фигурирует волновое сопротивление троса.

Расчеты с применением полученной формулы показывают, что доля тока молнии приходящаяся на ближайшую опору составляет 0.8-0.95. Данная схема замещения справедлива до момента прихода отраженных волн от других мест заземления троса. Для характерных длин пролета время прихода отраженных волн составляет 2-4 мкс. Формула для напряжения, прикладываемого к гирлянде содержит также слагаемое от падения напряжения на индуктивности опоры. Т.е. напряжение зависит и от крутизны грозового импульса.

Слайд_16

Формулу для прикладываемого к гирлянде напряжения можно еще модифицировать путем учета электромагнитной связи канала молнии и токовой петли трос опора. Приближенно коэффициент взаимной индуктивности этой связи можно считать пропорциональным высоте опоры.

Условием перекрытия определяются суммой напряжения вызванного молнией и рабочего напряжения, которая должна превосходить импульсную электрическую прочность гирлянды. Математически это представлено последним неравенством. Причем левая часть этого неравенства может расти как вследствие роста Im, так и Im’, ясно, что в плоскости IM, IM’ существует линия, разграничивающая области выполнение и невыполнения условия перекрытия. Эта линия носит название кривая опасных параметров.

Слайд _17

Приведенный выше анализ выполнен упрощенно. В частности не учитывались следующие факторы: наличие отраженных волн; импульсная корона на проводах и тросах; переменная во времени электромагнитная связь канала молнии с тросом, вызванное изменение длины токового канала молнии в процессе обратного разряда. Однако, качественные выводы, сделанные нами, соответствуют реальности. В качестве главного критерия перекрытия нами была получена кривая опасных волн. Данную зависимость можно аппроксимировать выражением

IМ IМ min IМ A

Здесь два параметра IMmin и А определяются расчетами или экспериментами для двух точек в плоскости IM, IM’. Для этого находят критический ток молнии для двух значений фронта импульса тока молнии 2 и 10 мкс. Полученная таким образом кривая, разделяет две области сочетания параметров тока молнии опасную (красный цвет) и допустимую (зеленый цвет).

Вероятность перекрытия гирлянды равна вероятности сочетания параметров IM, IM’, ложащихся на кривую опасных параметров. Если принять для каждого из параметров нормальный статистический закон распределения (распределение Гаусса), то двойное интегрирование (интегрирование по красной зоне в плоскости IM, IM’) даст приведенное на данном слайде выражение для искомой вероятности

Слайд_18

На этом слайде мы повторили расчетную формулу для оценки максимума индуктированного на проводе напряжения, вызванная емкостной связью канала молнии и провода, возникает в момент нейтрализации заряда лидера (большое значение dq/dt).

Искомой величиной здесь для нас является вероятность перекрытия гирлянды в результате действия индуктированного перенапряжения. По результатам обработки опытных и расчетных данных число индуктированных перенапряжений с амплитудой Uинд дается приведенной формулой. На диаграмме по данной зависимости построены графики N(Uинд) для трех значений высоты опор. На этой же диаграмме нанесены уровни импульсной электрической прочности изоляции линий различных

классов напряжения, из которых видно, что удары молнии в землю приводящие к индуктированным перенапряжения, превышающих импульсную прочность изоляции, имеют место только для линий 110 кВ и ниже.

Слайд_20

Итак, мы описали методику оценки числа отключений линии, вызванных молнией при различных сценариях ее воздействия. Опыт расчетов с применением описанных подходов хорошо согласуется с действительностью.

На слайде представлены статистические данные по числу отключений в год, вызванных грозовой деятельностью в расчете на 100 км длины, для линий различных классов напряжения. Как видно из внутренней диаграммы наибольшее число прямых ударов молнии в провод приходится на линии 330 кВ и выше, соответственно относительно велика доля таких событии в числе отключений. Для линий 220 кВ и ниже наибольший вклад в число отключений вносят удары молнии в вершину опоры. Самыми «многострадальными линиями» являются линии 110 кВ. Причины – габариты и еще не достаточно высокий, как у линии 330 кВ и выше, уровень импульсной электрической прочности изоляции.

Слайд_21

Выше мы проанализировали факторы, увеличивающие электрические воздействия на изоляцию, связанные с грозовой деятельностью, а также конструктивные параметры линий электропередачи, влияющие на величину и вероятность возникновения грозовых перенапряжений. На данном слайде приведены основные технические и организационные мероприятия, позволяющие снизить число отключений линий электропередач в условиях грозовой деятельности.

Слайды_20 и 21

Здесь приведены конструкции опоры башенного типа, отличающаяся высокой грозопоражаемостью и оптимальная опора для линий сверхвысокого напряжения сблагоприятным расположением грозотроса и множественными путями стекания тока молнии в землю.

Слайд_23

Грозотрос может из полезного устройства превратиться в свою противоположность, если в результате коррозии или пережего молнией происходит его обрыв. Тогда он падает на фазные провода создавая металлической КЗ, с неудачным АПВ. На данном слайде приведены случаи, когда целесообразен отказ от применения грозотроса.

Слайды_24_25

Числовые характеристики грозозащиты линий электропередачи различных классов.