Молния как источник грозовых перенапряжений

Молния представляет собой большую опасность для электрических сетей: линии электропередачи благодаря своей протяженности часто поражаются ударами молнии, что приводит к перекрытиям изоляции и аварийным отключениям линий. Возникающие при этом электромагнитные волны со скоростью, близкой к скорости света, распространяются вдоль линии, доходят до подстанции и могут вызывать опасные перекрытия и повреждения изоляции электрооборудования.

Молнии предшествует процесс разделения и накопления электрических зарядов в грозовых облаках, происходящий в результате возникновения в облаках мощных восходящих воздушных потоков и интенсивной конденсации в них водяных паров. В результате в облаке образуются зоны положительной и отрицательной полярности с различной плотностью зарядов. Если в каком-то месте облака напряженность электрического поля превышает электрическую плотность воздуха, то возникает разряд молнии. Причем 60−70 % разрядов возникает между облаками и внутри облаков и лишь 30−40 % поражают землю.

Как показали исследования в большинстве случаев (до 90 %) молнии бывают отрицательными, т.е. переносят на землю отрицательный заряд. Разряд молнии на землю на начальной стадии, представляет собой относительно медленно движущийся слабо светящийся канал (лидер). Напряженность электрического поля на его головке определяется собственными зарядами лидера и находящимися под облаками скоплениями объемных зарядов. Траектория движения лидера на этой стадии не связана с земными объектами.

Но по мере опускания лидера все большее влияние начинают оказывать скопления зарядов на земле на возвышающихся объектах. Начиная с определенной высоты головки лидера (высота ориентировки), напряженность поля по одному из направлений оказывается наибольшей, и происходит ориентирование лидера на один из наземных объектов. При этом преимущественно поражаются высокие объекты и участки земли с повышенной проводимостью (избирательная поражаемость).

С очень высоких объектов навстречу лидеру развиваются встречные лидеры, наличие которых способствует ориентированию молнии на данный объект.

Избирательная поражаемость лидера используется для молниезащиты линий электропередач (ЛЭП) и подстанций. На подстанции устанавливаются несколько высоких хорошо заземленных молниеотводов, над ЛЭП помещается трос, связанный с землей.

Перекрытие воздушного промежутка между головкой лидера и наземным объектом является переходом от первой (лидерной стадии) к главной стадии разряда молнии (стадии нейтрализации), в которой происходит нейтрализация отрицательного заряда лидера положительными зарядами. При этом через пораженный молнией объект протекает ток, который представляет собой «ток молнии». При отрицательной полярности молнии вслед за главным разрядом обычно наблюдаются повторные разряды по тому же каналу. Повторные разряды вызываются тем, что нейтрализация зарядов канала приводит к разрядам соседних заряженных областей облака. Примерно 50 % ударов молнии содержит не более 2−3 импульсов, но может быть до десяти и более. Причем повторный импульс – импульс тока близок к стандартному с параметрами 1,2/50 мкс. Положительные удары молнии (10 %) бывают, как правило, однократные.

Для расчета грозозащиты ЛЭП и подстанций необходимы следующие параметры молний:

1) интенсивность грозовой деятельности;

2) амплитуда тока молнии;

3) крутизна тока молнии на фронте.

Поясним, зачем нужны амплитуда и крутизна тока молнии. Например, при ударе молнии в молниеотвод на портале (рис.1.1.) напряжение на вершине определяется по формуле

U_B = I_М∙R_З + L_O∙ + M_O∙ , (1.1)

где I_М − ток молнии; − крутизна тока молнии; L_O − индуктивность молниеотводов (удельная индуктивность мкГн/м); M_O − взаимная индуктивность между током молнии и током в молниеотводе

(Мо = 0,2 мкГн/м); R_З - сопротивление заземления молниеотвода

Рис.1.1. Удар молнии в молниеотвод на портале

По данным ЛПИ [5] вероятность возникновения тока больше расчетного (I_МP) можно приближенно оценить по формуле

P(I_М≥I_М.Р.) ≈ е^{(-0,04∙Iм.р.)}.

Вероятность возникновения импульса с крутизной выше расчетной можно оценить по формуле

.

Длительность импульса тока молнии изменяется в относительно узких пределах: от 20 до 80−100 мкс. На основании этих измерений международной электротехнической комиссии МЭК был принят стандартный импульс = 1,2 0,36 мкс и =50 10 мкс. Условно его обозначают символом 1,2/50.

Между амплитудой и крутизной фронта тока молнии имеется слабая корреляционная связь: большим токам соответствует большая крутизна, однако данных пока недостаточно, поэтому принято считать и независимыми случайными величинами, поэтому вероятность молнии с параметрами I_M≥I_MP и определяются как произведение вероятностей:

P(I_М≥I_М.Р; ) = ,

где I_M в кА, I_MP в кА/мкс (расчетные ток и крутизна тока молнии).

Число прямых ударов молнии (N_ПУМ) в наземные объекты можно оценить по данным опыта эксплуатации по формуле

N_ПУМ ≈;n_ч ∙;n_S ∙;S_p,

где n − число грозовых часов в году, n − среднее удельное число ударов в течение одного грозового часа на площадь в 1 км²; S − расчетная площадь сооружения, км².

Интенсивность грозовой деятельности в различных климатических районах различается очень сильно. Число грозовых часов в году определяется на основании многолетних наблюдений метеорологических станций, обобщение которых позволяет составить карты грозовой деятельности, на которые наносятся линии равной продолжительности гроз. В Омской области по этой карте наблюдается 40−60 часов в год.

Другой характеристикой грозовой деятельности является среднее число ударов молнии в 1 км² поверхности земли за 1 грозовой час. Ряд источников приводит значение n =0,067 [6,12] Однако в руководящих указаниях принято значение n =0,06 [9].

Возвышающиеся над поверхностью земли объекты вследствие развития с них встречных лидеров собирают удары молнии с площади, превышающей их территорию. Число ударов молнии в подстанцию длиной А, шириной В и высотой h (размеры в метрах) может быть рассчитано по формуле

N = n_Ч∙n_S∙(A+7h)∙(B+7h)∙10⁻⁶. (1.2)

Число ударов молнии в ЛЭП длиной и высотой h равно

N = n_Ч∙n_S∙7h∙ ∙10⁻³, (1.3)

здесь в километрах, h в метрах.

Из этой формулы видно, что в ЛЭП из-за большой высоты опор будет собирать больше ударов молнии, чем реальная площадь ее. Ведь здесь вместо реальной ширины ЛЭП взята ширина по 3,5h в каждую сторону от оси ЛЭП.