Молния как источник перенапряжений

     Такие объекты, как открытые распределительные устройства подстанций, располагаются на достаточно большой территории и поэтому защищаются несколькими молниеотводами. В этом случае внешняя часть зоны защиты определяется так же, как и зона защиты двух молниеотводов. Объект высотой h_х, находящийся внутри остроугольного треугольника или прямоугольника, в вершинах которого установлены молниеотводы, защищен в том случае, если диаметр окружности, проходящей через вершины треугольника, в которых установлены молниеотводы, или диагональ прямоугольника, в углах которого находятся молниеотводы, удовлетворяют условию

D ≤ 8p(h-h_x)= 8ph_a.

При произвольном расположении молниеотводов условие  должно быть проверено для каждых трех ближайших друг к другу молниеотводов  в отдельности. При всех условиях высота h_x должна быть меньше фиктивной высоты h_o, определенной для каждой отдельно взятой пары молниеотводов.  

§3. Конструктивное выполнение молниеотводов

     В качестве несущих устройств для  крепления токоведущих частей молниеотводов  там, где это возможно, должны использоваться конструкции самих защищаемых объектов. Например, на подстанциях молниеприемники могут устанавливаться на металлических порталах, предназначенных для подвески ошиновки, а сами порталы могут использоваться в качестве токоотводов, соединяющих молниеприемники с заземлителем.

     Для отдельно стоящих молниеотводов  в качестве несущих элементов  используются железобетонные или деревянные стойки (при высоте до 20 м). Для токоотвода используется металлическая арматура железобетонных стоек, по деревянным стойкам прокладывается специальный токоведущий спуск к заземлителю. При высоте более 20 м применяют стальные решетчатые конструкции. Рекомендуется молниеотводы выполнять в виде свободно стоящих конструкций без растяжек. Сечение токоведущих частей молниеотвода определяется их термической стойкостью  
 
 
 
 

Глава 3. Защита линии электропередачи от молнии

§1. Грозозащита линий  электропередач

     Распределительные устройства могут быть достаточно надежно  защищены от прямых ударов молнии с  помощью молниеотводов. Линии электропередачи с той же степенью надежности защитить невозможно. Волны перенапряжений, возникающие на линиях при ударах молнии, доходят до подстанций и могут представлять опасность для установленного там электрооборудования. Такой же опасности могут подвергаться отдельные места на линии, имеющие ослабленную изоляцию, или особенно ответственные участки (транспозиционные опоры, пролеты пересечения, переходы через транспортные магистрали, населенные пункты, большие реки). В этих случаях наряду с защитой от прямых ударов применяется защита от набегающих волн. Для предупреждения перекрытия или пробоя рассматриваемой изоляционной конструкции параллельно ей следует присоединить искровой промежуток (ИП), вольт-секундная характеристика которого с учетом разброса должна в идеальном случае лежать ниже вольт-секундной характеристики защищаемой изоляции. При соблюдении этого требования набегание импульса вызывает во всех случаях пробой ИП с последующим резким падением («срезом») напряжения на ИП и на изоляции. Вслед за импульсным током через искровой промежуток по ионизированному пути устремляется ток, обусловленный напряжением промышленной частоты, - сопровождающий ток. Если установка работает с заземленной нейтралью или пробой ИП произошел в двух или трех фазах, то дуга сопровождающего тока может не погаснуть и импульсный пробой перейдет в устойчивое короткое замыкание, приводящее к отключению установки. Для того чтобы этого избежать, следует обеспечить гашение дуги сопровождающего тока через ИП.

     Устройства, обеспечивающие не только защиту изоляции от перенапряжений, но и гашение дуги сопровождающего тока в течение короткого времени, меньшего, чем время действия релейной защиты, называются защитными разрядниками в отличие от обычных искровых промежутков, которые получили название защитных промежутков (ПЗ). Существуют два типа разрядников, которые отличаются принципиально различными способами гашения дуги, - трубчатые и вентильные разрядники. В трубчатых разрядниках дуга гаснет за счет интенсивного продольного дутья; в вентильных разрядниках - благодаря уменьшению сопровождающего тока с помощью сопротивления, которое включается последовательно с искровым промежутком. Далее будет показано, что вентильные разрядники, уступая в простоте устройства и дешевизне, трубчатым разрядникам, обеспечивают наиболее надежную защиту изоляции и поэтому применяются в качестве основного аппарата для защиты подстанций от набегающих волн.

     Грозовые  перенапряжения на линиях электропередачи  возникают как при непосредственных поражениях линии грозовыми разрядами (перенапряжения прямого удара молнии), так и при разрядах молнии в землю в окрестности линии (индуктированные перенапряжения). Перенапряжения прямого удара молнии представляют наибольшую опасность, и грозозащита линий должна ориентироваться именно на этот вид перенапряжений.

Ранее было показано, что удар молнии в объект может произойти в тех случаях, когда головка лидерного канала на высоте ориентировки находится в пределах некоторого расстояния от объекта (для стержневого молниеотвода оно равно 3,5h). Для линии электропередачи соответствующее расстояние принимается равным 3h. Таким образом, линия длиной L, км, со средней высотой подвеса h, м, принимает на себя удары с площади, км², S = 2⋅3hL10^-3.

Так как  число ударов на 1 км² на 1 грозовой час равно 0,067, то число поражений линии в год N при п грозовых часах в году равно

N= 0,067n6hL10 ^–3= 0,4nhL 10 ^–3. (5.4)

Линия электропередачи может поражаться ударами молнии с различными максимальными  значениями тока I_м и скоростями его нарастания (крутизнами) а. Перекрытие изоляции линии произойдет только в том случае, если созданное ударом молнии напряжение на ее изоляции превысит импульсную прочность этой изоляции. Так как это происходит не при каждом ударе молнии, число перекрытий изоляции линии в год равно

Nпер=NР_пер, (5.5)

где Р_пер - вероятность перекрытия изоляции при ударе молнии.

     Число грозовых отключений линии может  быть меньше числа перекрытий изоляции. Отключение линии происходит только при переходе импульсного перекрытия изоляции в поддерживаемую рабочим напряжением силовую дугу, время существования которой равно или больше времени действия релейной защиты. Вероятность перехода импульсного перекрытия в силовую дугу зависит от ряда факторов (мощность источника, наличие ветра и т. д.). Однако определяющее значение имеет градиент рабочего напряжения вдоль пути перекрытия (т. е. напряжение на единицу длины дуги). Если этот градиент окажется недостаточным, силовая дуга может вообще не возникнуть и отключения линии не произойдет.  

§2. Применение тросов для  защиты линии электропередачи

     На  линиях с металлическими и железобетонными  опорами применяется тросовая защита. В отсутствие тросов защитный уровень этих линий очень низкий и отключение линий вследствие грозовых поражений происходит очень часто. Многолетний опыт эксплуатации линии на металлических опорах показал, что хорошо заземленные тросы обеспечивают малое удельное число отключений линий. Подвеска тросов незначительно повышает стоимость линии.

     На  линиях 110 кВ и ниже с деревянными опорами подвеска тросов требует применения опор большой длины, что приводит к значительному удорожанию стоимости линии и утяжелению конструкции опор. При этом линии на деревянных опорах без троса обладают удовлетворительными грозозащитными характеристиками, а стоимость их значительно ниже стоимости линий на металлических и железобетонных опорах. Поэтому на линиях с деревянными опорами тросовая защита используется только на участках, примыкающих к подстанциям, где по условиям защиты подстанционной изоляции необходимо предотвратить прямой удар молнии в провода.