6.1.4. Внутренние и атмосферные перенапряжения. Молниеотводы. Устройство молниезащиты.

В нормальном режиме работы на изоля­цию электроустановок воздействуют напряже­ния, близкие к номинальным. Вместе с тем по различным причинам в электроустановках могут возникать повышения напряжения, опасные для электрической прочности изоля­ции электрооборудования. Такие повышения напряжений называют перенапряже­ниями.

Перенапряжения являются следствием электромагнитных процессов, связанных с из­менением режима работы электрических цепей или с разрядами молнии на землю. Соответст­венно этому различают внутренние (коммута­ционные, резонансные) и атмосферные (внеш­ние) перенапряжения.

Коммутационные перенапряже­ния возникают при нормальных оперативных включениях и отключениях, например при от­ключении трансформатора или линии электро­передачи, а также при аварийных замыка­ниях фазы на землю, коротких замыканиях, обрывах проводов и пр. Коммутационные пе­ренапряжения являются результатом колеба­ний внутренней электромагнитной энергии электрической системы при этих внезапных изменениях схемы. Перенапряжения этого ви­да имеют характер периодических колебаний длительностью от нескольких сотен микросе­кунд до нескольких секунд.

Резонансные перенапряжения развиваются в электрических системах в фор­ме линейного или нелинейного резонанса, ког­да частота собственных колебаний цепи ω₀ близка к частоте ω источника напряжения, либо в форме параметрического резонанса при периодическом изменении одного из парамет­ров сети (например, периодическое изменение индуктивности вращающейся машины). Пере­напряжения этого вида имеют также форму периодических колебаний.

Атмосферные перенапряжения возникают при прямом поражении молнией объектов, расположенных на открытом возду­хе,— линий электропередачи, открытых рас­пределительных устройств, зданий и других сооружений (перенапряжения прямого удара), а также при разряде молнии вблизи электротехнических сооружений — линий элек­тропередачи и др. (индуктированные перенапряжения). Наиболее опасны пе­ренапряжения прямого удара молнии.

Характерной чертой атмосферных перена­пряжений является их кратковременность. Главный разряд молнии длится несколько де­сятков микросекунд, и повышение напряжения носит характер импульса.

Каждому номинальному напряжению со­ответствует свой уровень или класс изоляции, который определяется величина­ми испытательных напряжений, характеризую­щих электрическую прочность изоляции. При­менение неоправданно высоких уровней изо­ляции весьма удорожает электроустановку, а чрезмерное снижение электрической прочности изоляции может привести к тяжелым авариям. Поэтому уровень изоляции для каж­дого напряжения устанавливается в соответ­ствии с характером и величинами воз­можных перенапряжений и характеристиками устройств, применяемых для ограничения пе­ренапряжений.

Внешняя и внутренняя изоляция электро­установок определяется и проверяется испыта­тельными напряжениями промышленной ча­стоты и напряжениями в виде стандартных импульсов, близких по форме к атмосферным перенапряжениям.

Способность изоляции противостоять атмосферным перенапряжениям определяется импульсными испытательными напряжениями, а внутренним перенапряжениям — испыта­тельными напряжениями промышленной ча­стоты.

Для установок до 220 кВ определяющими уровень изоляции являются импульсные испы­тательные напряжения, а для установок с но­минальным напряжением выше 220 кВ — испытательные напряжения промышленной частоты.

Защищают электроустановки от атмосфер­ных перенапряжений молниеотводами, пред­отвращающими прямое поражение молнией защищаемых объектов, и разрядника­ми и ОПН, снижающими величины возникающих в установках перенапряжений до значений, не превышающих испытательные напряжения электрооборудования.

Молниеотвод состоит из металлического молниеприемника, который возвышается над защищаемым объектом и воспринимает удар молнии, и токопроводящего спуска с заземлителем, через которые ток мол­нии отводится в землю.

Пространство вблизи молниеотвода, в пре­делах которого поражение защищаемого объекта маловероятно, называют зоной за­щиты молниеотвода.

Молниеотводы бывают стержневые и тросовые. Стержневые молниеотводы применяют для защиты от прямых уда­ров молнии главным образом открытых распределительных устройств, зданий и других сооружений, а тросовые — глав­ным образом для защиты воздушных ли­ний электропередачи.

С тержневые молниеотводы. Зона защиты одного, стержневого мол­ниеотвода (рис. 6-4) представляет собой конус с сечением в горизонтальной плоскости в виде круга с радиусом r_х на высоте h_x. Зна­чения r_х определяют по формуле

(6-1)

где h_а = h- h_x — превышение молниеотвода (активная высота) над рассматриваемым уровнем; коэффициент р = 1 для молниеотво­дов при h < 30 м, р = 5,5/√h для молниеотводов при h > 30 м.

Рис. 6-4. Зона защиты стержневого молниеотвода. 1 – сечение зоны защиты на высоте h_x; 2 – граница зоны защиты

Для защиты от прямых ударов молнии объектов протяженных и занимающих большую площадь применяют два, три и большее число стержневых молниеотводов.

Зона защиты двух стержневых мол­ниеотводов показана на рис. 6-5, где r_х определяют по формуле (6-1), а b_х — по приближенной формуле (6-2):

(6-2)

Если число молниеотводов больше двух, то внешние части зоны защиты определяют, ру­ководствуясь формулами (6-1) и (6-2), как это показано на рис. 6-6 для четырех мол­ниеотводов

Рис. 6-5. Зона защиты двух стержневых молниеотводов. a – расстояние между молниеотводами; b_x – наименьшая ширина зоны защиты на высоте h_x; R₁ и R₂ – радиусы дуг через точки 1, 2, 3 и 1^', 2^', 3^'.

Если один молниеотвод выше других, то возвышающуюся его часть рассматривают как одиночный молниеотвод.

Рис. 6-6. Зона защиты четырех стержневых молниеотводов. Условия защиты всей площади: при h ≤30 м D≤8h; при h>30 м D≤44h_a/√h.

Поперечное сечение зоны защиты тросового молниеотвода аналогично сечению, изображенному на рис. 6-4, но r_x подсчитывается по формуле