Атмосферные перенапряжения.

Источником возникновения атмосферных (грозовых) перенапряжений в электри­ческих системах является грозовой разряд, возникающий при ударе молнии в электрическую установку (перенапряжения прямого уда­ра) или вблизи нее в землю (индуктированные перенапряжения).

При прямом ударе молнии в линию электропередач в месте разряда происходит нейтрализация положительных зарядов, напряжение на пораженном проводе резко возрастает, и в обе стороны от места удара распространяются волны перенапряжений, как пра­вило, отрицательной полярности тока молнии, достигающие электрических подстанций и воз-действующие на изоляцию всех их элементов.

Молния представляет собой источник тока, который в простейшем случае имеет форму апериодическо­го импульса и характеризуется амплитудой I_м, крутизной фрон­та Si = di/dt, длительностью фронта Т_ф и длительностью импульса Т_м. Для токов молнии характерны крутизна фронта до 100 кА/мкс, длительность фронта и самого импульса не более 10 мкс и 100 мкс соответ­ственно. Максимальный ток молнии может достигать 200 кА.

Наиболее часты токи молнии до 50 кА. Токи молнии с амплитудами 50...100 кА наблю­даются редко, а токи свыше 100 кА очень редки и должны учиты­ваться при проектировании только наиболее ответственных элек­трических установок.

Грозовой разряд оказывает на объекты электромагнитные, теп­ловые и механические воздействия. С ним связано электромагнитное поле канала мол­нии, которое индуктирует напряжение на проводах и проводящих конструкциях вблизи места удара. С точки зрения молниезащиты, наибольший интерес представляет анализ волн индуктированных перенапряжений и прямой удар молнии, воздействующих на изоляцию линии элек­тропередачи и электрооборудования подстанций.

При прямом ударе молнии в линию ток растекается по пораженному проводу в обе стороны, и амплитуда перенапряжения определяется по фор­муле:

U_m = 0.5*I_М*Z;

где Z - волновое сопротивление провода, которое определяется высотой подвеса относительно земли h и его радиусом r и в сред­нем может быть принято равным 300 Ом или рассчитано по фор­муле:

Z = 138*lg(2h/r);

На линии с металлическими опорами импульс перенапряже­ния с амплитудой U_m воздействует на изоляцию провода на опо­ре. При токах 5... 10 кА, т.е. в подавляющем большинстве грозо­вых разрядов в линию, создаются перенапряжения (750...1500 кВ), достаточные для перекрытия гирлянды изоляторов.

На линиях с деревянными опорами перекрытие чаще всего про­исходит между проводами по пути «гирлянда - траверса - гир­лянда». Импульс на пораженном проводе индуктирует напряже­ние на соседнем проводе в соответствии с коэффициентом электромагнитной связи k:

U_m = 0.5*l_М*Z*(1-k);

После перекрытия изоляции пораженного провода в путь тока вместо волнового сопротивления провода Z/2 включается значи­тельно меньшее импульсное сопротивление заземления опоры R_И. Если разряд молнии произошел в провод на небольшом расстоя­нии от опоры, через заземлитель проходит практически полный ток молнии I_м, и опора приобретает потенциал, приблизительно равный I_МR_И.

На соседнем проводе наводится, потенциал к*Iм*R_И. Отсюда следует, что вероятность перекрытия в этом случае тем меньше, чем ниже сопротивление R_И. Исходя из требований грозоупорности электрических установок, им-пульсное сопротивление зазем­ления опор не должно превосходить значения 10 Ом.

Наибольшие перенапряжения на линиях возникают при прямом ударе молнии. Тем не менее, определенную роль играют и удары молнии вблизи линии. Такие удары приводят к возникновению индуктированных перенапря-жений на проводах линии.

Электрическая прочность изоляции зависит от формы воздей­ствующего напряжения. Не вдаваясь в подробности, необходимо отметить, что пробивное напряжение изоляции тем выше, чем короче время воздействия напряжения. Распростра-няющийся по линии импульс перенапряжения деформируется и затухает. Ос­новной причиной деформации и затухания являются импульсная корона и сопротивление земли, через которую ток импульса замыкается. На образование импульсной короны расходуется энер­гия фронта импульса. В результате этого происходит удлинение его фронта.

Практически с тепловым эффектом тока молнии следует счи­таться лишь при использовании проводников малого сечения, например, в плавких предохранителях. Однако непосредствен­ное соприкосновение металлов с каналом молнии может пред­ставлять большую опасность, так как его температура может достигать 20...30 тысяч градусов Цельсия и привести к выплавлению металла на глубине нескольких миллиметров.

Механические воздействия молнии на линиях электропередачи проявляются в виде расщепления деревянных стоек и траверс опор. Протекание тока молнии по внутренним волокнам дерева приводит к взрывообразному испарению содержащейся в древе­сине влаги и вырыванию щепы длиной до нескольких метров.

Механическое воздействие тока молнии связано также с элект­ростатическими силами, возникающими между зарядами в диэ­лектрике, остающимися после прохождения тока молнии. Эти воздействия, имеющие ударный характер, приводят к разруше­нию каменных и кирпичных построек, не защищенных молниеот­водами. Очень опасны случаи, когда ток молнии проходит через узкие каналы. При этом возникают значительные разрывающие усилия, способные разрушить канал, например, трубчатый раз­рядник.