Внешние перенапряжения и молниезащита. (Лекция 2.4)

1.

Внешние перенапряжения и молниезащита
Молния –электрический разряд в атмосфере в промежутках облако-земля, облакооблако
Стандартизированная форма импульса
Типовые параметры молниевых разрядов:
тока молнии
напряжение более 10-1000 Мв
Разрядный ток
10- 100 кА
Средняя длина
2.5 км
T1=10 мкс
Пример реальной осциллограммы
тока молнии
Главные параметры молниевого разряда
I M ток молнии
I M / ф
IM
крутизна тока молнии
T1=350 мкс
Повторные разряды следуют за первым и
отличаются существенно более коротким фронтом
τ ᵙ 0.6 мкс, при вдвое меньшей длительности
импульса . Средняя полная длительность
молниевого разряда 0.3 с
Полярность: отрицательные токи молнии преобладают

2.

Статистические характеристики параметров молниевого разряда
Вероятность максимального значения тока молнии:
1. К.Бергер, 2. Е.Гарбагнатти 3. Аппроксимация
p=exp(-I/60)
Статистические данные о длительности
фронта импульса тока молнии: 1.
Первый импульс отрицательной молнии,
2 – Повторный импульс отрицательной
молнии, 3 – Импульсы положительных
молний
Интенсивность грозовой деятельности
В районе городов
Среднегодовая продолжительность гроз, ч
Плотность ударов молнии в землю, 1/км2 год
n , 1/кв. км год
Анадырь, Верхоянск, Магадан, Мурманск,
Южно- Сахалинск,
0,5
Норильск, Архангельск, Астрахань, Игарка
10-20
1,0
Иркутск, Казань, Калининград, Киров,
Красноярск, С-Петербург, Москва, Ульяновск
20-40
2,0
Волгоград, Н-Новгород, Новосибирск, Псков,
Ростов- на-Дону, Уфа, Чита, Екатеринбург,
Челябинск
40-60
4,0
Брянск, Краснодар, Курск, Орел, Смоленск
60-80
5,5

3.

Приближенные оценки грозовой интенсивности (число ударов молнии на 1
кв. км земной поверхности)
n= (0.06 …0.1)Tч, Tч среднегодовое число грозовых часов
или
n= (0.09 …0.15)Tд, Tд среднегодовое число грозовых дней
Число прямых ударов молнии (ПУМ) в объект за год
Sp- расчетная площадь «стягивания» молнии на объект
N ПУМ nS p
Одиночный сосредоточенный объект высотой h , h<150 м
N ПУМ 10 6 n rэ2 , rэ (3...3.5)h [ м]
Открытые наземные объекты (открытые распределительные устройства - ОРУ)
N ПУМ nS p n l 7h b 7h 10 6
l, b – длина и ширина территории объекта (м)
h – высота молниеотводов или объекта при их отсутствии (м)

4.

Протяженные объекты –линии электропередачи
N *ПУМ - число прямых ударов молнии на 100 км длины и на 100 грозовых часов
N *ПУМ 4...6 hср , hср hоп 2 f / 3, м
Отражение и преломление волн в узловых точках
2. Конец линии замкнут на землю
U A 0 U отр U пад
Z2 0

5.

Классификация молниевых перенапряжений

6.

Прямой удар молнии (ПУМ). Это наиболее опасный вид
перенапряжений: ток в точке удара до 100 кА , напряжение до 10 МВ.
Любая изоляция при таких параметрах будет перекрыта.
Поэтому желательно обеспечить надежную защиту проводов линии и
оборудования подстанций от прямых ударов молнии с помощью
стержневых и тросовых молниеотводов.

7.

Удар молнии в заземленные элементы конструкции приводит к возникновению на них
кратковременных перенапряжений, которые могут вызвать обратные перекрытия с
заземленных элементов на токоведущие. Для защиты от обратных перекрытий
необходимо обеспечить малое сопротивление заземления опор, корпусов электрооборудования и молниеотводов на линиях и подстанциях
Схема обратного перекрытия изоляции при ударе молнии в опору

8.

Индуктированные перенапряжения — результат взаимной магнитной (индуктивной)
и электрической (емкостной) связи канала молнии с токоведущими и заземленными
элементами электрической сети. U U
инд
инд э U инд м
Изменение магнитного поля главного разряда
наводит в контуре опора - провод - ближняя
опора - земля ЭДС, вызывающую магнитную
составляющую индуктированного напряжения
U инд м k мI м
Напряжение на проводе в момент
нейтрализации заряда лидера
U индэ k эI м
hср
b
U инд[ В ] (k м k э) I м
hср
b
Распространяется по проводу в обе
стороны в в виде волны
напряжения
hср
b
30 I м[ A]
hср
b

9.

Задачи грозозащиты линий
Грозозащита линий электропередачи
Защита от
прямых
ударов
молнии
Защита от
обратных
перекрытий
Защита от
перехода
импульсного
перекрытия в
силовую
дугу
Защита от
повреждения
изоляции
Обеспечение
бесперебойности
энергоснабжения
Критерии качества грозозащиты
1. Уровень грозоупорности. Наибольший расчетный ток Iм, возникающий
вследствие прямого удара молнии, не приводящий к перекрытию изоляции
2. Кривая опасных токов молнии. Учет влияния комбинации
параметров молнии Iм и I'м,
3. Показатель надежности грозозащиты. Число лет безаварийной работы τ

10.

Расчетные случаи поражения линии молнией
1) Удар молнии в провод с последующим перекрытием с провода на опору
или между проводами
2) Удар молнии в вершину опоры с последующим перекрытием с опоры на
провод
3) Удар молнии в пролет троса c последующими перекрытием с троса на
провод или землю
4) Удар молнии вблизи линии, сопровождающийся появлением перекрытий
вследствие индуктированных перенапряжений
Суммарное число грозовых отключений в год
n nпр nо nтр nинд

11.

Схема развития грозовых аварий ВЛ
Удар молнии в зоне ВЛ
Удар в землю
вблизи ВЛ
Удар в ВЛ
Pпр
Pинд
Индуктированные
перенапряжения
Удар в провод
1 P1
Перенапряжения безопасные
для изоляции
Pтр
Pо
Удар в опору
Удар в трос
P1
Импульсные перекрытия
изоляции
Pд
1 Pд
Дуга не устанавливается
Устойчивая дуга
Успешное АПВ
Неуспешное АПВ
Грозовое отключение линии
n nпр nо nтр nинд

12.

Число отключений линии при ударе молнии в провод
nпр N ПУМ Pпр Pl пр Pд 1 PАПВ
Вероятность прорыва
тросовой защиты
Вероятность
перекрытия гирлянды
Вероятность зажигания
силовой дуги
Вероятность прорыва молнии проводам сквозь тросовую защиту
(по опытным данным)
1
d hтр 9
Pпр exp
3.2
D
h
h
D
D 1
h
U n[ kВ ]
Q
0.75 пр
100 h
h Q Q0
1 0.1 U n[ кВ ]
Q0 200
Q
U n[ кВ ]
2hпр
ln
rпр
Вероятность
успешного АПВ

13.

Вероятность перекрытия гирлянды при прорыве молнии
Волновое сопротивление канала молнии
Волновое сопротивление провода
Zэ
Грозоупорность
U имп
Z М Zв / 2
Z М Zв / 2
Z M 140 (1 240 / I M [ кА] ), Ом I М -расчетный ток молнии
2hпр
Zв k 60 ln
б, k 0.9 ( учет короны)
rП
Pl P( I М Z э )
I М пр U имп / Z э
-импульсная электрическая
прочность изолирующей
подвески
P(U )
- закон распределения
разрядных напряжений
гирлянды

14.

Вероятность установления силовой дуги
Из опыта эксплуатации
Pд 1.6U раб[ кВ ] / lпер[см] 0.06
if Pд 0.1 P д 0.1
U раб - эффективное значение рабочего
напряжения вдоль пути перекрытия
l пер
- суммарная длина пути
импульсного перекрытия
Вероятность успешного АПВ
Сети 3 … 35 кВ
Сети 110 … 500 кВ
PАПВ = 0.5
PАПВ = 0.7-0.8

15.

Число отключений воздушной линии при обратных перекрытиях с опоры на провод
nо N ПУМ Pоп Pl op Pд (1 PАПВ )
Pоп -вероятность попадания молнии в опору
или трос вблизи опоры
Pоп
4hо
lпр
Pl оп -вероятность обратных перекрытий = вероятность
появления параметров молнии, при которых
напряжения на изоляции превысит импульсную
электрическую прочность
При
ф hо / c
опора замещается индуктивностью
Индуктивность заземлителя
Lо Lо hо , Lо 0.5 0.7 мкГн / м
Lзи Lо
Эффект ответвления тока
в грозотрос
I оп I М , 1
Схема замещения для расчет
тока опоры при ударе молнии
в ее вершину до прихода
отраженных волн!!!!
Z М Rзи || Z тр / 2
Z М || Z тр / 2 || Rзи
Z М Rзи || Z тр / 2 Rзи
Rзи
Обычно
0.8 0.95
lпр 300 600 м
tотр
2lпр
с
2 4 мкс
На фронте импульса t< τ напряжение в вершине опоры
Lо,
U о I М Rзи I М
I М / ф
IМ

16.

С учетом магнитной связи канал разряда молнии – петля: трос-опора
Lо M оМ ,
U о Rиз I М I М
hоп, M оМ
0.2 мкГн / м
M оМ M оМ
Условие обратного перекрытия гирлянды:
Напряжение приложенное к гирлянде изоляторов превышает разрядное
напряжение, зависящее от времени приложения напряжения τ
U о U раб U разр ( )
Lо M оМ U 0
Rиз I М I М
Lо M оМ U разр ( I М , I М
) U раб
Rиз I М I М

17.

Физические факторы, учитываемые при при более строгом анализе процесса удара
молнии в вершину опоры или грозотрос:
-Образование короны на тросе
- Отраженные от соседних опор волны напряжения и тока
-Изменение (рост) во времени длины канала главного (обратного) разряда и его
влияние на электромагнитную связь грозотроса и молнии
A
I М I М min I М
Аппроксимация кривой опасных волн
Две точки для определения параметровA,
I I I I
I М min М 1 М 1 М 2 М 2
1 IМ
2
IМ
I М min
берутся при
ф1 2 мкс , ф2 10 мкс
I I
1I М
2
A М1 : М 2 IМ
1 IМ
2
IМ
Вероятность перекрытия гирлянды при
) 1 abA exp( aIМ min 2 abA)
P1 оп P( I М , I М
a=0.04 1/кА
b=0.08мкс/кА

18.

Отключения при ударе молнии вблизи линии
Индуктированные перенапряжения — результат взаимной магнитной (индуктивной)
и электрической (емкостной) связи канала молнии с токоведущими и заземленными
элементами электрической сети.
U инд U инд э U инд м
Изменение магнитного поля главного разряда
наводит в контуре опора - провод - ближняя
опора - земля ЭДС, вызывающую магнитную
составляющую индуктированного напряжения
U инд м k мI м
Напряжение на проводе в момент
нейтрализации заряда лидера
U индэ k эI м
hср
b
hср
b
Распространяется по проводу в обе
стороны в в виде волны
напряжения
U инд[ В ] (k м k э) I м
hср
b
30 I м[ A]
hср
b

19.

Число отключений от индуктированных перенапряжений
nинд Nинд Pд (1 P АПВ )
По опытным данным полное число случаев появления на линии индуктированных
перенапряжений с превышающих Uинд за T грозовых часов
Nинд
4.68Tч hпр [ м]
U инд
exp U инд / 260
Результат расчета для 100
грозовых часов
Для линий класса 220 кВ
и выше
индуктированные
перенапряжения не
опасны

20.

Расчеты числа отключений по описанным выше методикам согласуются с опытом
эксплуатации

21.

Средства обеспечения надежной грозозащиты воздушных линий
высокого и сверхвысокого напряжения
-подвеска грозозащитных тросов с достаточно малыми углами
защиты
-снижение импульсного сопротивления заземления опор Rз<10-20 Ом
-повышение импульсной электрической прочности изоляции
(диэлектрические опоры и траверсы)
-применение автоматического повторного включения АПВ
Наибольшая поражаемость имеет место на двухцепных ВЛ с
опорами башенного типа

22.

Оптимальная расположение проводов и тросов линий СВН
Оттяжки увеличивают число путей отвода тока молнии,
снижая сопротивление опоры

23.

В каких случаях можно отказаться от применения грозотроса ВЛ 110 кВ?
- слабая интенсивность грозовой деятельности T<20 час/год
- высокое удельное сопротивление грунта, при котором грозотрос
неэффективен и высока вероятность обратного перекрытия
- местность с большими гололедными отложениями на проводах и
тросах – риск обрыва троса
- агрессивная внешняя среда, вызывающая ускоренную коррозию
троса
-горная местность с наличием возвышение местности для приема
молнии
-линии на деревянных опорах вследствие высокой импульсной
прочности их изоляции