книги из ГПНТБ / Техника высоких напряжений учеб. пособие

Максимальные перенапряжения относительно земли на изоляции

.линии t/lmax в конце двухцепного участка и на контактах выклю­ чателя UBmax при этом могут быть оценены по приближенным фор­ мулам:

где Муд—ударный коэффициент с учетом распределения напряжения

вконце двухцепного участка тивлений (порядка 200 ом).

Более перспективной мерой борьбы с перенапряжениями является принуди­ тельный поджиг разрядника ШР, обеспе­ чивающий шунтирование батареи при любых разрывах электропередачи неза­ висимо от того, достигает ли напряжение на батарее уставки разрядника или

нет. В этом случае начальное напряжение на батарее UCo при всех разрывах электропередачи будет равно нулю, а перенапряжения не •будут отличаться от перенапряжений, возникающих при отключении коротких замыканий в некомпенсированных электропередачах.

§13.7. ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ В НАСТРОЕННЫХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧАХ

б.Физическая картина явления

Вполуволновой и настроенной на полуволну электропередачах возникают специфические перенапряжения при коротких замыканиях на линии или в примыкающих системах, а также при динамических переходах, сопровождающихся качаниями систем, связанных такими

340

электропередачами. Эти перенапряжения обусловлены емкостным эф­ фектом длинных линий, приводящим к условиям, приближающимся к полуволновому резонансу (см. § 12,2 д).

Динамические переходы от одного установившегося режима ра­ боты к другому возникают при внезапном изменении схемы или па­ раметров системы. В электрических системах, связанных полуволно­ вой электропередачей, динамические переходы, как правило, не при­ водят к нарушению устойчивости их параллельной работы. Однако возникающие в процессе качаний перенапряжения могут достигать высоких значений, особенно при больших отклонениях угла б между векторами э. д. с. эквивалентных генераторов систем от значения этого угла в нормальном режиме 6И,

б. Резонансные перенапряжения при коротких замыканиях

Высокие кратности перенапряжений могут возникнуть при корот­ ких замыканиях как на длинной линии, так и в системах, примыкаю­ щих к линии. Например, для схемы, показанной на рис. 13.35, а,

чала короны Un= 1,13 Ui)m). Из рис. 13.35, б

следует, что даже' при учете коронирования проводов перенапряже­ ния (£/П1ах « 3,5 UфЯ!) значительно превышают допустимый для даль­ них электропередач уровень.

Из формулы (13.97) следует, что уменьшение кратности резо­ нансных перенапряжений при внешних коротких замыканиях в сис­ теме (за пределами полуволновой электропередачи) может быть достигнуто путем включения дополнительных реактивностей хр (рис.

341

13.36,а) по концам линии электропередачи, увеличивающих эквивалент­ ную волновую длину электропередачи до точки короткого замыкания:

К = ^ + а 2Э+ а 1з > я _ [ос2э = arctg (а'2э/ ш ) , а"\э = arctg (.Vi3 w)].

Ha рис. 13,36, б приведена зависимость максимальных перенап­ ряжений на линии от величины otp = arctg (д: /до) для электропере­ дачи с параметрами, принятыми для построения кривых рис. 13.35, б,

и аірез=20°, что отвечает резонансным условиям для л; = 0 . Из

и0-составляющих. Поэтому реактивности хр, число, характеристики

иместа расположения разрядников должны быть выбраны так, чтобы перенапряжения были ограничены до безопасной для изоляции вели­ чины при всех возможных резонансных коротких замыканиях.

в. Перенапряжения при качаниях

Распределение напряжения на линии при некотором значении угла 8 между э. д. с. эквивалентных генераторов систем, примыкающих к линии, может быть согласно (10.74) при использовании принципа на­ ложения представлено в виде

342

ГЛАВА ХІУ. ГРОЗОВЫЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ И ГРОЗОЗАЩИТА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ

§14.1. РАЗРЯД МОЛНИИ КАК ИСТОЧНИК ГРОЗОВЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИИ

а. Краткие сведения о грозе

Молнии представляют собой большую опасность для электрических сетей: линии электропередачи благодаря своей протяженности часто поражаются ударами молнии, что приводит к перекрытиям изоляции и аварийным отключениям линий. Возникающие при этом электромаг­ нитные волны со скоростью, близкой к скорости света, распространя­

343

ются вдоль линии, доходят до подстанции и могут вызвать опасные перенапряжения и повреждения изоляции электрооборудования.

По приближенным подсчетам, в земную поверхность ударяет ежесе­ кундно около 100 молний. Удары молнии поражают людей, приносят ущерб народному хозяйству вследствие пожаров и повреждений соору­ жений.

Различают два основных типа гроз: тепловые и фронтальные. Тепловая гроза образуется при неравномерном нагреве воздуха

и поверхности земли в соответствии с условиями рельефа местности. Более теплые и влажные массы воздуха поднимаются вверх. Содер­ жащаяся в них влага конденсируется и за счет выделения скрытой теплоты парообразования поддерживает разность температур и плот­ ностей поднимающегося теплого воздуха и окружающего холодного. Возникает стремительный восходящий поток воздуха. Тепловые грозы чаще бывают летом во второй половине дня; они обычно кратковре­ менны и охватывают ограниченные районы.

Фронтальная гроза образуется при встречном движении и столк­ новении теплых и холодных масс воздуха. На фронте холодной вол­ ны воздуха происходит вытеснение теплого воздуха, который под­ нимается вверх, охлаждается и образует грозовые облака и вихревые движения. Фронтальные грозы также бывают в летние месяцы, но могут охватывать значительную территорию и иметь большую про­ должительность. Поэтому они представляют наибольшую опасность для электрических сетей. Часто встречаются смешанные фронтально­ тепловые грозы.

Для оценки надежности грозозащиты электрических сетей суще­ ственное значение имеет интенсивность грозовой деятельности. Лучше всего ее характеризует средняя продолжительность гроз (в часах в год) в течение «грозового сезона», который в большинстве местностей Советского Союза длится с апреля по октябрь (рис. 14.1). Кроме того, применяется более приближенная характеристика среднего числа грозовых дней в году, в течение которых около данной метеостанции была «близкая гроза», т. е. был слышен гром или видна молния. При этом не учитывается продолжительность гроз. В среднем можно счи­ тать продолжительность грозы 1~2 ч. Распределение гроз на земной поверхности весьма неравномерно. Наиболее частые грозы наблюда­ ются в экваториальных районах: на о. Яве насчитывается 220 грозовых дней в году, в Центральной Африке— 150. В странах умеренного по­ яса грозы бывают реже. Однако и здесь отмечаются отдельные, в част­

Грозовые явления нарушают нормальное электрическое состояние атмосферы, образуют местные объемные положительные и отрицатель­ ные заряды высокой концентрации, электрические поля с напряжен­ ностями у поверхности земли до +30 кв)м под облаком и — 1Ö00 в/м на удалении и с потенциалами грозовых центров в облаках порядка 100 Мв.

344

Время существования грозового облака можно схематически разде­ лить на три стадии: 1) к у ч е в а я — характеризуется восходящими потоками; 2) з р е л о с т и о б л а к а — когда имеются многочисленные восходящие и нисходящие потоки воздуха, вызывающие интенсивное разделение зарядов в нескольких центрах облака; 3) р а с с е и в а н и я— характеризуется преимущественно слабыми нисходящими потоками воздуха.

Для объяснения процесса разделения и накопления электрических зарядов в грозовом облаке предложен ряд теорий. Однако каждая из этих теорий соответствует одним, но противоречит, как правило, другим экспериментальным фактам. По-видимому, действительный процесс развивается под воздействием ряда противоречивых факторов, причем в зависимости от местных условий преобладающими оказыва­ ются те или другие из них.

Различают три основных типа грозовых разрядов: 1) л и н е й н а я м о л н и я — имеет вид яркой узкой полосы между облаком и землей, между облаками или между отдельными скоплениями объемных за­ рядов внутри облака; 2) ш а р о в а я м о л н и я — имеет вид ярко све­ тящегося подвижного выпуклого относительно устойчивого сгустка

на выступающих заземленных предметах вследствие высоких напря­ женностей поля во время грозы.

Линейная молния (в дальнейшем «молния») встречается наиболее часто и может вызвать опасные грозовые перенапряжения. Шаровая молния встречается весьма редко, а тихие разряды вообще опасности для изоляции сетей не представляют и поэтому в курсе ТВН они не рассматриваются.

Исследование физической природы и характеристик молнии осо­ бенно интенсивно стало проводиться начиная с 30-х годов с широким использованием для регистрации кратковременных процессов катод­ ных осциллографов, фотоэлектронных умножителей и камеры Бойса (фотоаппарат с быстрым взаимным перемещением пленки и фотоизобра­ жения). Эти исследования показали, что молния является пробоем гигантского воздушного промежутка между объемным зарядом облака и землей.

Исследования показали, что линейная молния в принципе анало­ гична пробою большого промежутка в резконеоднородном поле (см. §2.10) при напряжении, близком к минимальному разрядному.

Число прямых ударов молнии в наземные объекты можно оценить по данным опыта эксплуатации по формуле

где пч—число грозовых часов в году (см. рис. 14.1); п5 ?^0,1 — среднее удельное число ударов в течение одного грозового часа на площадь в I клг3; 5р— расчетная площадь сооружения, км2.

Неоднородность геологической структуры, рельеф пересеченной местности (особенно в горных условиях), водные пространства, про­ тяженные металлические устройства в земле и другие причины вызы-

345

вают избирательную поражаемость и отклонение местного значения от среднего ris в несколько раз.

Расчетная площадь сооружения с учетом ударов, отвлекаемых на сооружение, возвышающееся над окружающей местностью,

сота сооружения, м (/гср^ 30 м)\ П —внешний периметр сооружения, м (входящие углы спрямлены).

Параметры молнии приведены на рис. 14.2: кривая / м построена по нескольким тысячам измерений при ударах молнии в опоры и

лиженными эмпирическими зависи­ мостями:

установления такой связи. В качестве первого приближения можно

346

Можно также принимать жесткую связь / м. р = тф/ м. р, причем обычно принимают тф = 2 мксек = const. При этом

Р UM^ ^м. р’> ^ /«. р) — Р UM^ ^м. р)-

§ 14.2. ГРОЗОЗАЩИТНЫЕ ЗАЗЕМЛЕНИЯ

Заземление опор, молниеотводов, разрядников и других элементов является необходимым условием эффективной грозозащиты электри­ ческих сетей. Чем меньше сопротивление заземления, тем ниже ве­ личина грозовых перенапряжений, воздействующих на изоляцию.

Величину импульсного сопротивления заземления можно оценить по приближенной формуле

использования k-то заземлителя при импульсном токе; ak— импульс­ ный коэффициент заземлителя k-то типа; Rk—стационарное сопро­ тивление единичного заземлителя k-ro типа при токе 50 гц, вычис­ ляемое по следующим формулам:

1) вертикальный заземлитель (стальная труба, стержень)

пряженностях поля Е3\ I—длина трубы или полосы; h—глубина

ние бетона, покрывающего фундамент (обычно хбяз 1,7).

Грунт представляет собой сложный конгломерат проводящих и слабопроводящих частиц, увлажненных электролитом (вода с при­ месью солей). При малых напряжениях электрического поля удель­ ное сопротивление земли p3=const и имеет место линейная зависимость

Р з і зРз>

где /з— плотность тока в земле.

347

Для протяженных заземлителей (/> 10 м) а ; можно вычислить поприближенной (погрешность не больше 10%) формуле:

й^ со б А ^ со б “Ь ^ стор).

Снижение р,- с увеличением импульсного тока приводит к увеличе­ нию Дстор и уменьшению коэффициента использования. Значения т]г- при импульсных токах определяются экспериментально и приводятся- в справочных таблицах. Например, для четырехлучевой звезды с дли­ ной лучей 10ч-40 м значение г),= 0,65ч-0,75.

Для заземления опор линий и молниеотводов используют арматуру фундаментов. При необходимости дополнительно устраивают за­ земляющий контур, охватывающий стойки опор, применяя верти­ кальные трубчатые (/= 2,5ч-3,0 м, d = 37-ь50 мм) и полосовые- (сталь 40x4 и 20x4 мм) заземлители. В грунтах с высоким удельным сопротивлением применяют лучевые заземлители длиной до 60 м или вертикальные глубинные заземлители, погруженные ниже уровня грунтовых вод (104-20 м).

Заземление подстанций обычно выполняется исходя из требований бе­ зопасности обслуживающего персонала с сопротивлением R3^ 0,5 ом на

подстанции при однофазных замыканиях в сети на землю; в этом слу­ чае R3 не превышает 10 ом. В обоих случаях заземление выполняется в виде контура из горизонтальных оцинкованных полос 40x4 или 20x4 мм, проложенных на глубине 0,54-0,8 м вокруг территории под­ станции, с рядом вертикальных труб или стержней длиной / по 2,5-хЗ м по периметру контура, отстоящих друг от друга на расстоянии d^t ^ (2 -х З )/. Внутри контура в ячейках прокладываются параллельныеполосы, к которым присоединяются заземляющие провода от корпусов аппаратов, нейтралей трансформаторов, разрядников, железнодо­ рожных рельсов, грозозащитных тросов отходящих линий, оболочек, кабелей (силовых, контрольных и связи), и арматура железобетонных фундаментов. Кроме того, на подстанциях с большим током замыка­ ния на землю по соображениям безопасности обслуживающего пер­ сонала для уменьшения напряжения шага и прикосновения на повы­ шенной глубине прокладывают дополнительные полосы (козырьки)

349.