2. Загальні відомості про грозу та атмосферні перенапруги

Над земною поверхнею весь час рухаються хмари. Під дією струменів теплого повітря, що піднімається від землі, найдрібніші частки, з яких складаються хмари (кристали льоду, краплі води), труться між собою і електризуються. Електричні заряди накопичуються на обкладинках своєрідного конденсатора, в якому одна обкладка (хмара) заряджається негативними зарядами, а друга обкладинка (земля) позитивними зарядами.

Напруженість електричного поля «хмара-земля» становить в середньому 10 кВ/см. На кінцях опор ліній електропередачі, будівель, на вершинах дерев, що перебувають у цьому полі, напруженість поля збільшується.

Повітря – це діелектрик (електрична міцність Е_пр = 20…30 кВ/cм), але коли напруженість електричного поля досягає критичного значення (25…30 кВ/см) відбувається пробій повітря – розряд у вигляді блискавки. Приблизно 50 % лінійних блискавок складається із 3…4 та більше розрядів. Інтервали між розрядами становлять соті і навіть тисячні долі секунди.

Розряд починається з утворення каналу слабого світіння, що рухається поштовхами із швидкістю 100…1000 км/с ступенями довжиною близько 50 м. Ця фаза блискавки називається ступінчатим лідером. Коли лідер досягає землі, то в каналі, що утворився, відбувається основний розряд, який ми бачимо у вигляді блискавки, швидкість основного розряду досягає до 150000 км/c. Така блискавка називається лінійною.

Розряд може відбуватися не лише між хмарою і землею, а й між двома хмарами. Тривалість розряду блискавки становить кілька десятих часток секунди, а іноді може досягати 1…2с. Напруга блискавки може перевищувати 50 МВ, а струм досягати 5…100 кА.

Проте кількість електрики (сумарний заряд) окремої блискавки невелика – 20…100 Кл. Енергії однієї блискавки вистачило б на живлення лампи розжарення потужністю 100 Вт протягом доби. Лінійна блискавка може мати довжину від сотень метрів до 2…3 км, а іноді навіть більше ніж 10 км.

Під час розряду температура каналу досягає 20000С. Повітря при цьому швидко нагрівається і вибухає. Цей процес супроводжується яскравим світінням і громом. Після розряду повітря швидко охолоджується і звужується, тому грім триває і після розряду блискавки.

Залежність U = f(t) розряду блискавки (рисунок 8.2) має форму аперіодичного імпульсу або хвилі перенапруги.

За час t₁ (мікросекунди) напруга швидко зростає до U_max (мільйони В) – амплітуда перенапруги, а потім затухає.

Рисунок 8.2 – Форма імпульсної хвилі перенапруги та її характеристики

Час t₁ (коли напруга блискавки зростає від “0” до амплітудного значення) називається фронтом хвилі (t₁ = 1,2 мкс).

Час t₂ (від початку процесу до зниження напруги до U = 0,5U_max) називається довжиною хвилі (t₂ = 50 мкс).

За грозовою інтенсивністю розрізняють райони із сильною грозовою активністю (понад 40 грозових годин на рік) та райони із слабкою грозовою активністю (менше 40 грозових годин на рік). Україна відноситься до зони із сильною грозовою активністю (60…80 годин на рік).

Розряд блискавки супроводжується електромагнітними, тепловими й механічними впливами на різні об’єкти.

Перенапруга в електроустановках може викликати пошкодження ізоляції і призвести до пошкодження апаратури й аварії. При прямому ударі блискавки в опору електропередачі струм блискавки, що проходить по волокнах дерева, спричиняє миттєве вибухоподібне випарювання вологи в деревині, яке розщеплює деревину. При ударі блискавки в металеві частини може виплавитись метал, а при попаданні блискавки в кам’яні та цегляні будівлі внаслідок дії електростатичних сил споруди можуть зруйнуватись.

При ударі блискавки поряд із проводами ліній електропередачі, електростатичні та електромагнітні поля основного розряду блискавки можуть викликати індуковану напругу в проводах електромережі, ця напруга вища за номінальну, що веде до пошкодження ізоляції.

Імпульси індукованої (наведеної) атмосферної перенапруги дуже швидко (зі швидкістю до 300 000 км/с) поширюються лініями електропередачі, проходячи величезні відстані.

Наближено можна вважати, що при ударі блискавки із струмом І_бл=100 кА на відстані 50 м від лінії, перенапруга на проводах, що знаходяться на відстані 10 м від землі амплітуда перенапруги буде становити 600 кВ.

Електрична стійкість ізоляції залежить від тривалості дії перенапруги. Рівень ізоляції повітряних ліній вищий від рівня ізоляції трансформаторів, електричних машин, тощо. Тому ізоляцію трансформаторів та апаратури підстанцій треба захищати від набігаючих імпульсів перенапруги.

Розглянемо переміщення хвилі перенапруги проводами ЛЕП, яка має тільки індуктивний та ємнісний опір (рисунок 8.3). При цьому хвиля має прямокутну форму (фронт хвилі t₁ = 0, довжина хвилі t₂ = ). В цьому ідеальному випадку швидкість переміщення хвилі проводами без активного опору буде дорівнювати:

, (8.1)

д е L₀, C₀ – питомі значення індуктивності та ємності на 1 км лінії.

Р

исунок 8.3 – Переміщення хвилі перенапруги проводами ЛЕП

Швидкість поширення перенапруги в повітряних лініях близька до 300 000 км/с; в кабельних мережах – 150 000…160 000 км/с.

Хвиля перенапруги, що переміщується проводами, супроводжується такою ж за формою хвилею струму. В кожну мить ці дві хвилі зв`язані між собою значенням хвильового опору:

. (8.2)

; (8.3)

Хвильовий опір Z_хв залежить від матеріалу та перерізу проводів, а також від класу напруги і не залежить від довжини лінії.

Для ПЛ: Z₀ = 400 Ом; для КЛ: Z₀ = 340 Ом;

Я

U₁ I₁

U₁^’ I₁^’

кщо хвиля перенапруги напругою U₁ (рисунок 8.3) переміщується вздовж лінії з хвильовим опором Z_хв1, наближується до точки А, де хвильовий опір Z_хв1 змінюється на Z_хв2, то її називають спадаючою хвилею.

При переході через т. А її електромагнітне поле змінюється. Частина енергії повертається знову до лінії із опором Z_хв1, а частина проникає до лінії із опором Z_хв2. Таким чином спадаюча хвиля поділяється на дві хвилі – заломлену U₁^’’, яка переміщується в тому ж напрямку та відбиту U₁^_, яка переміщується в зворотному напрямку.

Для точки А можна записати:

, (8.4)

. (8.5)

Крім цього, для всіх трьох хвиль вірним є наступне:

; ; ; (8.6)

Знак “–“ у відбитої хвилі вказує на те, що при однаковому напрямку електричного поля відбитої та падаючої хвиль, їх магнітне поле має протилежні знаки, бо вони переміщуються в протилежних напрямках.

. (8.7)

Після підсумовування (8.7) та (8.4) одержимо:

, (8.8)

або , (8.9)

де  - коефіцієнт заломлення.

Підставивши U₁^’’ в рівняння (8.4), матимемо:

(7.10)

де  - коефіцієнт відбиття.

Розглянемо два крайні випадки:

1. Лінія на кінці закорочена, тобто Z_хв2 = 0 ; тоді  = 0;  = 1 і хвиля відбивається повністю, змінюючи при цьому знак. Заломлена хвиля відсутня. Тому нові лінії без напруги закорочують.

2. Лінія на кінці розімкнута, R_хв2 = , тоді  = 2;  = 1, тоді U₁^’’ = 2U₁ – напруга на кінці лінії подвоюється. А так як в кінці лінії може бути встановлено трансформатор, то необхідно враховувати можливість збільшення в 2 рази хвилі перенапруги і забезпечити захист трансформатора.

В лініях із імпульсом звичайної форми і при наявності активного опору та особливо активних втрат енергії на “корону”,  і  будуть нижчими.

Ми розглянули випадок для однієї вузлової точки, в якій міняється хвильовий опір. Якщо таких вузлів багато, то і зміни хвиль перенапруги будуть результуючими.