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 Iм, крутизной фронта Si = di/dt, длительностью фронта Тф и длительностью импульса Тм. 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: Um = 0.5*IМ*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 Um 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: Um = 0.5*lМ*Z*(1-k); После перекрытия изоляции пораженного провода в путь тока вместо волнового сопротивления провода Z/2 включается значительно меньшее импульсное сопротивление заземления опоры RИ. Если разряд молнии произошел в провод на небольшом расстоянии от опоры, через заземлитель проходит практически полный ток молнии Iм, и опора приобретает потенциал, приблизительно равный IМRИ. На соседнем проводе наводится, потенциал к*Iм*RИ. Отсюда следует, что вероятность перекрытия в этом случае тем меньше, чем ниже сопротивление RИ. 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.
|