11.8. Импульсное сопротивление заземления открытых распределительных устройств (ору)

Сопротивление заземлителя подстанции в виде сетки, которая состоит из вертикальных электродов, объединенных горизонтальными полосами, рассчитывается по эмпирической формуле:

, (12)

где L – суммарная длина всех горизонтальных заземляющих электродов (полос);

n и l – число и длина вертикальных электродов;

S – площадь, занятая заземлителем;

_рас – удельное сопротивление грунта;

А – коэффициент, определяемый по значению :

	0	0,05	0,1	0,2	0,5
А	0,44	0,40	0,37	0,33	0,26

Ориентировочные значения коэффициента _и для заземлителей в виде сеток приведены на рис. 13. Для протяжных заземлителей (  10 м) импульсный коэффициент можно оценить по приближенной формуле:

(13)

где S – площадь ОРУ, м²;

_р – расчетное значение удельного сопротивления грунта, Омм;

I_м – ток молнии, кА.

Расчетное значение _р определяется:

(14)

где к – коэффициент сезонности (к = 1,2…4,5), зависит от влаги в грунте;

_изм – измеренное значение удельного сопротивления грунта.

Рис. 13. Значения импульсного коэффициента для заземлителей в виде сеток р = 100…600 Омм: зона 1–2 : I_м = 10 кА; зона 3–4: I_м =100 кА

11.9. Условия безопасного прохождения тока молнии по молниеотводу

При прохождении тока молнии по молниеотводу создается падение напряжения на сопротивлении заземлителя молниеотвода и на индуктивности токоотвода. При косоугольной форме фронта тока молнии и крутизне фронта  максимальный потенциал в точке молниеотвода, расположенной на расстоянии l от заземлителя, наступает в момент максимума тока молнии

(15)

где L_o – индуктивность единицы длины токоотвода;

 – крутизна тока молнии.

Для металлических молниеотводов решетчатой конструкции, а также для отдельно проложенных токоотводящих спусков L_o  1,7 мкГн/м.

Значение импульсного сопротивления ОРУ вычисляется по формуле и сравнивается с допустимым значением. В качестве расчетных значений принимают значения тока молнии I_м = 60 кА и  = 30 кА/мкс.

Расстояние по воздуху l_B при расчетных параметрах тока молнии и допустимой напряженности электрического поля в воздухе Е_в = 500 кВ/м определяется по формуле:

. (16)

Расстояние в земле l_з между заземлителем отдельно стоящего молниеотвода и ближайшей к нему точкой защищаемого устройства в земле при допустимой напряженности поля в земле Е_з = 300 кВ/м рассчитывается как:

. (17)

При этом l_B должно быть не менее 5 м, а l_з – не менее 3 м.

На подстанциях при установке молниеотводов на порталах помимо соблюдения безопасных расстояний по воздуху и в земле необходимо согласовать импульсные разрядные напряжения изоляторов и напряжения, возникающие в точках их присоединения к порталу при ударах молнии в молниеотвод.

Другой характеристикой грозовой деятельности является среднее число ударов молнии n_уд в 1 км² поверхности земли за 100 грозовых часов.

Возвышающиеся над поверхности земли объекты вследствие развития с них встречных лидеров собирают удары молнии с площади, превышающей их территорию. Число ударов молнии за 100 грозовых часов в сооружение, например, в подстанцию (рис. 14), длиной А, шириной В и высотой Н (размеры в метрах), может быть рассчитано по формуле:

n = n_уд(А+7Н)(В+7Н)10^-6, где n_уд = 6,7 1/км²

Число ударов молнии в 100 км воздушной линии электропередачи за 100 грозовых часов

n = 6,71006h_ср10^-3  4h_ср,

где h_ср = h_оп –2/3f – средняя высота, м, подвеса троса или при отсутствии тросов – верхнего провода; h_оп – высота опоры; f – стрела провиса троса или провода.

Годовое число ударов молнии в линию длиной l при числе грозовых ударов в году D_г определяется как

n_год = n_удl/100 D_г/100.

Рис. 14. Допустимые расстояния от молниеотвода до защищаемого объекта по воздуху l_B и в земле l_з

Грозовые разряды — молнии вызываются электрическими зарядами, которые в больших количествах накапливаются в облаках. Механизм накопления и разделения положительных и отрицательных зарядов в основном объясняется наличием в грозовых облаках восходящих потоков воздуха. В настоящее время существует много теорий, которые, исходя из наличия восходящих потоков воздуха, по-разному в деталях освещают электризацию облаков, но такой теории, которая удовлетворительно объясняла бы это явление, наблюдаемое в природе, пока нет. Одно из распространенных предположений образования электрических зарядов в облаках исходит из того, что этот физический процесс происходит в постоянном электрическом поле земли, которое обнаружил еще М. В. Ломоносов при проводимых им опытах. Наша планета всегда имеет отрицательный заряд. Напряженность электрического поля вблизи поверхности земли составляет в среднем 100 В/м (поле «ясной погоды»). Она обусловлена зарядами земли и мало зависит от времени года и суток и почти одинакова для любой точки земной поверхности. Воздух, окружающий Землю, имеет свободные заряды, которые движутся по направлению электрического поля Земли. Каждый кубический сантиметр воздуха вблизи земной поверхности содержит около 600 пар положительно и отрицательно заряженных частиц. С удалением от земной поверхности плотность заряженных частиц в воздухе растет. У земли проводимость воздуха мала, но на расстоянии 80 км от земной поверхности она увеличивается в 3 млрд. раз и достигает проводимости пресной воды. Таким образом, Землю с окружающей атмосферой по электрическим свойствам можно представить как шаровой конденсатор колоссальных размеров, обкладками которого являются Земля и проводящий слой воздуха, находящийся на расстоянии 80 км от поверхности Земли. Изолирующей прослойкой между этими обкладками служит мало-проводящий электричество слой воздуха толщиной 80 км. Между обкладками такого конденсатора напряжение составляет около 200 кВ, а ток, проходящий под воздействием этого напряжения, равняется 1,4 кА. Мощность конденсатора составляет около 300 МВт. В электрическом поле этого конденсатора в интервале от I до 8 км от поверхности Земли образуются грозовые облака и совершаются грозовые явления.

Рис. 1. Развитие тепловой грозы

По характеру происхождения грозы разделяются на тепловые и фронтальные. Развитие тепловой грозы показано на рис. 1. В результате нагрева солнцем земной поверхности разогреваются нижние слои воздуха. Теплые массы воздуха расширяются и стремятся подняться вверх. На высоте 2 км и более они попадают в область отрицательных температур. Влага, уносимая этими потоками воздуха, конденсируется и образует грозовые облака, которые состоят из мельчайших водяных электрически заряженных капель. Такие облака образуются в жаркое летнее время, преимущественно во второй половине дня, и занимают сравнительно небольшие пространства.

Рис. 2. Развитие грозы холодного фронта

Фронтальные грозы образуются в тех случаях, когда два потока воздуха с разной температурой движутся навстречу друг другу и соприкасаются своими фронтовыми частями. При этом поток воздуха, имеющий более низкую температуру, стремится опуститься вниз и занимает пространство в непосредственной близости от поверхности земли, а теплые массы воздуха устремляются вверх и образуют завихрения (рис. 2). Достигнув высоты с более низкими температурами, унесенная с поверхности земли влага конденсируется и образует грозовые облака. Фронтальные грозы охватывают широкие площади земной поверхности и движутся со скоростью от 5—6 до 100— 150 км/ч и более. Такие грозы могут возникать в любое время суток. Сконденсировавшаяся влага на высотах с более низкими температурами образует капли разных размеров. Находясь в электрическом поле «конденсатора», капли поляризуются (рис. 3,а): нижние части их имеют положительный заряд, а верхние — отрицательный. Мелкие капли восходящими потоками воздуха уносятся вверх, а крупные, более тяжелые капли падают вниз. При движении вверх поляризованные капли верхней отрицательно заряженной частью встречают на своем пути отрицательные и положительные свободные заряды; первые из них отталкиваются, как имеющие одноименный заряд, а вторые— притягиваются, и капли постепенно становятся положительно заряженными. Те капли, которые движутся вниз, наоборот, притягивают отрицательные заряды и становятся отрицательно заряженными.

 

Рис. 3. Схема разделения зарядов в облаках: а — поляризация дождевых капель; б — электрическое поле облака с разделенными зарядами

Таким образом, происходит разделение зарядов в облаке: в верхних слоях его скапливаются положительные заряды, а в нижних — отрицательные. Так как облако является изолятором, то заряды на некоторое время остаются на своих местах и не нейтрализуются. Электрическое поле облака как более сильное при наложении на поле «ясной погоды» изменяет направление последнего в районе своего расположения (рис. 3,6). Заряды в облаке распределяются неравномерно: в некоторых точках их плотность достигает большого значения, в других, наоборот, она незначительна. Там, где создалось скопление зарядов и образовалось электрическое поле с напряженностью, равной критическому значению (25— 30 кВ/см в зависимости от высоты облака), создаются условия для развития молнии. Разряд молнии в основных чертах подобен длинной искре, возникающей в воздухе между проводящими электродами.