52.Индуктированные перенапряжения. Отключения линии при ударе молнии вблизи линии.

Всякое превышение мгновенным значением напряжения на изоляции амплитуды наибольшего рабочего напряжения называется перенапряжением.

Наибольшее рабочее напряжение сети U_нр — это наибольшее длительно допускаемое напряжение, связанное с номинальным напряжением U_н соотношением U_нр = k_нрU_н. Значение коэффициента для сетей различных классов напряжения приведены в таблице 3.1.

В большинстве случаев перенапряжения носят кратковременный характер, поскольку возникают при быстро затухающих переходных процессах или в аварийных режимах, время которых ограничивается действие релейной защиты и автоматики. Различные виды перенапряжений могут иметь длительность от нескольких микросекунд до нескольких часов.

Кратность перенапряжения K–отношение максимального мгновенного напряжения к амплитуде наибольшего рабочего напряжения, является важнейшей характеристикой перенапряжений.

Перенапряжения принято классифицировать исходя из их физической природы, причин и места возникновения.

По своей природе перенапряжения разделяются на внешние и внутренние. Внешние перенапряжения в качестве источника имеют внешние электромагнитные воздействия, основным из которых является грозовая деятельность. Кроме того, в качестве источника внешних перенапряжений может выступать электромагнитный импульс ядерного взрыва. Грозовые перенапряжения возникают в результате прямых ударов молнии (ПУМ) в провода ЛЭП или в заземленные элементы оборудования ЛЭП и подстанций –опоры, грозотросы и т.п. В месте удара молнии наряду с перенапряжением возникают волны напряжения, распространяющиеся по проводам способные, обладая высокой кратностью перенапряжения, достигать удаленных от удара объектов (подстанции, трансформаторы). Устройство линий электропередачи предполагает минимальные потери электроэнергии. Поэтому затухания волн перенапряжений относительно невелики и кратность перенапряжений, приходящих в виде волн на подстанции, может быть значительной.

Наличие канала разряда с током в результате может привести к перенапряжениям, поскольку токи молнии могут достигать сотен килоампер.

Индуктированные перенапряжения менее опасны, чем вызываемые при прямом ударе молнии, поскольку связь проводов с каналом молнии только индуктивная и емкостная, но не гальваническая. В частности, в сетях 220 кВ и выше импульсная электрическая прочность изоляции достаточна для того, чтобы индуктированные перенапряжения не представляли опасности. В то же время индуктированные перенапряжения наиболее опасны для сетей низкого класса напряжений 3–35 кВ, обладающие меньшим уровнем изоляции по сравнению с высоким и сверхвысоким классом.

И ндуктированные перенапряжения, вызываемые ударом молнии в землю вблизи объекта (поз. 4 рис.3.27), передают электрические воздействия электростатической связью между каналом лидера и проводами, а также емкостной и магнитной связью канала разряда с токоведущими элементами линии или подстанции. Для обоих видов воздействия определяющим является расстояние от молнии до объекта и высота последнего.

Аварией воздушной линии следует считать событие ее отключения, первичной причиной которого является попадание молнии в зону ее трассы. При этом наступление этого события носит вероятностный характер и определяется целым рядом следственно зависимых событий, каждое из которых можно также характеризовать собственной вероятностью. Все возможные варианты этих последовательностей показаны на рис. 3.28.

Индуктированные перенапряжения, вызываемые ударом молнии в землю вблизи объекта, передают электрические воздействия электростатической связью между каналом лидера и проводами, а также электромагнитной связью тока канала разряда с токоведущими элементами линии или подстанции (рис.3.33).

Для обоих видов воздействия определяющим является расстояние от молнии до объекта и высота последнего. Эмпирическая формула, связывающая амплитуду индуктированного напряжения, вызываемого совокупность обоих механизмов, с током молнии имеет вид:

где k_э и k_м коэффициенты электростатической и магнитной связи соответственно магнитной, h_ср – средняя с учетом стрелы провеса высот подвеса провода, b‒расстояние от точки удара молнии до оси трассы линии, I_м–ток молнии.

Если, например, воспользоваться данной формулой для оценки индуктированного перенапряжения на линии электропередачи 220 кВ с высотой опор 20 м при ударе молнии на расстоянии 80 м при токе 50 кА получим величину индуктированного перенапряжения около 375 кВ. При наложении на амплитуду фазного напряжения, например равного 140 кВ будем иметь на гирлянде импульс напряжения с амплитудой около 600 кВ.

Число отключений линии вследствие воздействия индуктированных перенапряжений можно рассчитать по формуле

где N_ПУМ число прямых ударов молнии, P_инд – вероятность попадания молнии в землю вблизи объекта, P_lинд – вероятность появления воздействия индуктированных перенапряжений, P_д – вероятность перехода перекрытия в силовую дугу, P_АПВ – вероятность успешного АПВ (Автоматическое повторное включение).

По опытным данным количество индуктированных перенапряжений с амплитудой, превышающей U_инд на 100 км линии за T_ч грозовых часов, оценивается формулой

откуда

где U_имп–импульсная электрическая прочность изоляции линии, h_ср–средняя с учетом стрелы провеса высот подвеса провода.

Поэтому для числа отключений 100 км линии за Тч грозовых часов получаем

На рис. 3.34 построены графики N_инд(U_инд) для трех значений высоты опор. На этой же диаграмме нанесены уровни импульсной электрической прочности изоляции линий различных классов напряжения, из которых видно, что удары молнии в землю, приводящие к индуктированным перенапряжениям, превышающих импульсную прочность изоляции имеют место только для линий 110 кВ и ниже.