книги из ГПНТБ / Техника высоких напряжений учеб. пособие

и на линии) ориентировочно, стремясь обеспечить особенно надежную грозозащиту наиболее ответственных подстанций высших классов напряжения.

б. Защита от прямых ударов молнии

Для защиты подстанций от прямых ударов молнии применяются стержневые п тросовые молниеотводы. Использование молниеотводов было известно еще в древности, научные же принципы современной за­ щиты от прямых ударов молнии были сформулированы в 1750—1753 гг. В. Франклином и М. В. Ломоносовым, которые доказали-электрическую природу молнии. Однако и в настоящее время еще не разработана ме­ тодика расчета зон защиты молниеотводов и вероятности прорыва молнии на защищаемые объекты. Поэтому приходится пользоваться зонами защиты молниеотводов, проверенными экспериментально на лабораторных моделях. Под зоной защиты понимается пространство, в пределах которого сооружения защищены от прямых ударов молнии с достаточной для практики надежностью.

Полевые наблюдения показывают следующие особенности развития канала молнии, существенные для защитного действия молниеотво­ дов:

1)большинство молний имеют отрицательную полярность;

2)для молнии характерна зигзагообразность канала, обусловлен­ ная ступенчатым развитием и случайным направлением развития каж­ дой ступени при низкой средней напряженности поля порядка 10-4 —20 кв/м;

3)наземные предметы начинают влиять на развитие лидера, когда последний опустился до сравнительно небольшой высоты ориенти­ ровки ЮО-т-200 м над поверхностью земли. До этого (средняя длина канала молнии 1-43 км) ступени лидера развиваются в случайных на­ правлениях. С высоты ориентировки стримерная зона лидера (см. §2.10) достигает наземного объекта и дальнейшее развитие разряда получает преимущественное направление;

4)при развитии канала молнии от облака к земле напряженность

поля вблизи защищаемых объектов нарастает сравнительно медлен­ но — за время порядка 0,005-40,02 сек. Эти значения можно получить исходя из средней длины канала молнии (l-ч-З км) и скорости его раз­ вития (100-4200 км/сек). Аналогичные значения можно получить так­ же исходя из данных об интервалах между повторными разрядами мно­ гократных молний, которые находятся в пределах 0,002-4-0,3 сек.

Попытки воспроизвести этот процесс на геометрически подобной модели с отрицательным стержнем-молнией и положительной плоско­ стью с наземными объектами не увенчались успехом. Вследствие не­ достаточного напряжения источника имело место развитие разряда от положительно заряженных наземных объектов вверх к отрицатель­ ному стержню, имитирующему молнию.

Лабораторные исследования зон защиты молниеотводов проводят на геометрически подобных моделях возможно больших размеров при положительном стержне-молнии и при воздействии импульсов с длин­ ным фронтом. На современных установках можно обеспечить длину

369

искрового промежутка /=104-15 м при средней разрядной напряжен­ ности 100 кв/м. В таком промежутке при скорости развития лидера пл = 0,2 мімксек время его развития составит 11ѵл = 5004-750 мксек. Принимая во внимание запаздывание начала развития лидера, мини­ мальная длина фронта импульса должна быть в два-три раза больше, т. е. составлять не менее 10004-1500 мксек. Чрезмерное увеличение длины фронта импульса (свыше 2500 мксек) может привести к тормо­ жению развития лидера, вызванному перемещением объемного заряда ионов в сторону слабого поля и ослаблением поля вблизи электрода, имитирующего молнию.

Такую форму напряжения можно получить от генератора импульс­ ных напряжений с фронтовой емкостью и сопротивлением, от генера­

вероятен ее прорыв на защищаемый объект. Полученные экспериментально в ВЭИ и приведенные в «Руко­ водящих указаниях» зоны защиты молниеотводов выбирались так, чтобы на модели ни один из 1000 разрядов из вышеуказанного положе­ ния «молнии» не попал бы в защищаемый объект.

Несколько близко расположенных молниеотводов взаимно способ­ ствуют усилению защитного действия и образуют «многократный мол­ ниеотвод». Его зона защиты значительно больше суммы зон защиты образующих его одиночных молниеотводов.

Для защиты подстанции от прямых ударов молнии, как правило, применяются такие многократные молниеотводы, расположенные в вершинах квадратов или в шахматном порядке. При этом зона защиты слагается из ряда зон защиты трех или четырех молниеотводов. По­ следние при одинаковых высотах молниеотводов определяются сог­ ласно рис. 14.7. Очертание внешней части зоны защиты (кривая тхо) совпадает с зоной защиты одиночного стержневого молниеотвода, об­ разует поверхность вращения и определяется по формуле

370

высота соответственно молниеотвода и защищаемого объекта, актив­ ная высота молниеотвода; хЛ— поправочный коэффициент для высо­

ствующим кривым, приведенным в «Руководящих указаниях», или по формуле

Образующийся внутренний многоугольник uvwkyz также защищен достаточно надежно, если диаметр окружности

Внастоящее время в ЭНИН, ЛПИ и АзНИИЭ проводятся работы

вцелях получения более достоверных данных о вероятности прорыва молнии путем наблюдения в реальных условиях и исследования на крупномасштабных моделях. Оценку вероятного числа повреждений вследствие прорывов молнии можно получить из соотношения

вероятность тока молнии, равного или большего / пр; / пр= 7/доп/120 — уровень грузоупорности при ударе молнии в провод.

Если защита подстанции от прямых ударов молнии осуществлена в соответствии с рекомендациями РУ и приведенными выше зонами защиты, то ориентировочно, впредь до получения более достоверных данных, можно принять Р пр = 0,001.

в.Защита от перекрытий изоляции при ударах молнии

вмолниеотводы или в заземленные конструкции

При ударе молнии в молниеотвод напряжение на ближайших гирляндах изоляторов или на воздушном промежутке, аналогично (14.26), равно

дг/м = и 0- и „ = Я , / и + ( L 0 + М 0 . J / м + £/ф. м < ^ и м п - ( 1 4 . 3 5 )

Учитывая, что к проводам присоединены большие дополнительные емкости оборудования, составляющие индуктированного напряжения U„m. м и £/инд. т приняты равными нулю.

371

Принимая аналогично формуле (14.24) косоугольный фронт мол­

Основное средство повышения уровня грозоупорности в рассма­ триваемом случае заключается в снижении Ri и L0и в повышении /Уимп. На подстанциях ПО кв и выше с 0,5 ом и с высокой импульсной прочностью гирлянд изоляторов молниеотводы можно устанавливать на конструкциях. Для снижения L0желательно при этом использовать многостоечные поддерживающие конструкции. Для снижения Ri желательно иметь усиленное заземление в местах присоединения кон­ струкций с молниеотводами к заземляющему контуру.

Подстанции 35/6-4-10 кв не имеют глухозаземленной нейтрали, и по нормам сопротивление их заземления прп‘50 гц может доходить до R3 =10 ом. Установка молниеотводов на конструкциях таких подстан­ ций приводит к относительно низкому уровню грозоупорности. В этих случаях желательно устанавливать отдельно стоящие молниеотводы, удаленные от проводов на расстояние SB(в и;), определяемое по эмпи­

Если молниеотвод имеет собственное заземление, то расстояние в земле от него до заземления подстанции также определяется по (14.37) при /г=0. В противном случае он присоединяется к общему контуру заземления, но так, чтобы от него до корпусов аппаратов вдоль зазем­ ляющей полосы было не менее 20 м.

Особую трудность представляет защита от перекрытий изоляции обмоток трансформаторов 6ч-35 кв. В ряде случаев при невозможности установки отдельно стоящих молниеотводов приходится устанавли­ вать их на трансформаторном портале. При этом важно выдержать рас­ стояние вдоль заземляющей полосы от молниеотвода до корпуса тран­ сформатора 40-4-20 м и желательно возможно ближе к трансформатору установить вентильные разрядники и присоединить их к заземлению между молниеотводом и трансформатором. Учитывая, что напряжение перекрытия гирлянды или воздушного промежутка значительно пре­ вышает импульсное напряжение, допустимое для изоляции трансфор­ маторов, вероятное число повреждений вследствие перекрытий

372

г. Защ ита от воли, приходящих по линии

Как видно из рис. 10.9, напряжение в разных точках подстанции можно представить в виде суммы апериодической и колебательной сос­ тавляющих. Апериодическая составляющая определяется остающимся напряжением на рабочих сопротивлениях разрядников РВ и в первом приближении равна ему. Колебательная составляющая возникает вследствие многократных отражений воли в узловых точках подстан­ ции с эквивалентными входными емкостями оборудования, отде­ ленного от разрядника отрезка­ ми линий конечной длины с ин­ дуктивностями проводов. В ре­ зультате суммарные перенапря­ жения на разомкнутом конце длинного ответвления пли в ме­ сте входа линии на подстанцию могут значительно превосходить напряжение на разряднике. Это учитывается при выборе интер­ вала, координации между харак­ теристиками РВ и допустимыми грозовыми перенапряжениями на изоляции трансформаторов, реакторов и другого оборудо­ вания подстанции.

На рис. 14.8,6 показан харак­ тер начального нарастания нап­

ряжения в двух точках: на трансформаторе Т за вентильным разрядни­ ком РВ и на выключателе А перед РВ походу волны (рис. 14.8,а). При этом в предельном случае не учитываются емкости оборудования, дли­ на ответвления Ім~ 0, приходящая волна принимается с косоугольным фронтом (Pci= tg бх. При построении напряжений мт , «р и «в и соответ­ ствующих вольтсекундных характеристик за f=0 для каждой точки принимался момент прихода начала фронта волны в эту точку. При пренебрежении емкостями и до срабатывания разрядника приходящая волна иоі проходит точки 1 я 2 без искажения, в точке 3 отражается от разомкнутого конца с тем же знаком. При этом напряжение на тран­ сформаторе

Uj (t) = 2u2s (t) = 2Atg öj = 2U'01-t = M g 62.

во времени соответственно на t„s и £1э._Разрядник сработает в соот­ ветствии с гарантированной заводом вольтсекундной характеристи-

373

Учитывая, что в. с. х. имеют падающий характер, при /,2= / 23 более опасные перенапряжения возникают в точках, предшествующих раз­

косоугольным фронтом и незатухающим хвостом. Операционное изображение напряжения на трансформаторе і!г с входной емкостью

374

Ст в соответствии с методом стоячих волн (см. § 10.4 г) получим, полагая в формуле (10.69) zL=0, z2=l/pCT . При этом имеем

линии 11ъ, Корни характеристического уравнения определяются из решения

Для его решения можно воспользоваться также приближенной фор­

Воспользовавшись второй теоремой разложения Хевисайда и переходя к оригиналам, получаем после преобразований:

1— Ë ' V ftcosß/i(^—у 2)

«* = pyT'Sin-2- < 1 — коэффи­ 7р ßoTp циент, учитывающий снижение ам­

плитуд колебаний вследствие ограниченной крутизны фронта волны. Наибольшее практическое значение имеет основная гармоника

где А— поправка, учитывающая высшие гармоники.

ö75

напряжения на подстанции. Однако колебания напряжения между многочисленными емкостями аппаратов и точками разветвления на реальной подстанции оказываются более сложными. Для получения надежных количественных соотношений в ЛПИ и ВНИИЭ были про­ ведены детальные исследования на анализаторе ряда конкретных наи­ более типичных схем подстанций 354-750 кв (рис. 14.11). Емкости аппаратов и волновые сопротивления при исследованиях принимались

лучаются подстановкой в (14.48) испытательных напряжений полной

376.

Эти исследования показали, что при типовых случаях перенапря­ жения на силовых трансформаторах имеют форму униполярной ко­ лебательной волны (кривая 3 на рис. 14.9, в). Амплитуды последующих максимумов этой волны затухают, как правило, быстрее, чем спадает напряжение на хвосте полной испытательной волны стандартной фор­ мы (кривая 4 на рис. 14.9, в). Время первого максимума ^ и период собственных колебаний Т приведены в табл. 14.6.

На рис. 14.12, а, показаны кривые опасных волн в координатах

метрами, при которых хотя бы в одной точке подстанции возникало

Надежность защиты подстанции от грозовых перенапряжений тем выше, чем выше располагается и круче идет кривая опасных волн. Ход кривой опасных волн зависит от интервала координации ДU между і/лоп и остающимся напряжением защитных разрядников РВ: Ди = и до„ — U3. С увеличением ДU кривая опасных волн располага­ ется выше. Кроме того, при одинаковых AU кривая опасных воли рас­ полагается тем выше и идет тем круче, чем больше линий отходит от подстанции, так как при этом часть тока грозовой волны ответвляется в отходящие линии, ток через РВ уменьшается, напряжение Ua сни­ жается, и перенапряжения, равные допустимому, возникают при боль­ ших амплитудах проходящих на подстанцию воли.

Количество разрядников и удаление /р защищаемого аппарата от ближайшего к нему разрядника также существенно влияют на кри­ вую опасных волн. Чем ближе расположены разрядники к защищен­ ному электрооборудованию, тем выше и круче идет кривая опасных волн и тем более благоприятны условия грозозащиты. Этот эффект имеет место и с увеличением количества разрядников на подстанции.

В большой мере надежность грозозащиты подстанции зависит и от грозозащиты подхода. Длина подхода, защитные углы тросов и со­ противление -заземления опор должны быть такими, чтобы сделать весьма маловероятным приход на подстанцию волн, относящихся к группе о. в., которые, даже будучи срезанными в точках 1, 2 пли 3 (см. рис. 14.12, б), все же приведут к возникновению на подстанции опасных перенапряжений.

378