4.6 Факторы, определяющие надежность молниезащиты и показатели молниезащиты

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 электромагнитные волны со скоростью, близкой к скорости света, распространяются вдоль линии, доходят до подстанции и могут вызвать опасные перенапряжения и повреждения изоляции электрооборудования.

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. Содержащаяся в них влага конденсируется и за счет выделения скрытой теплоты парообразования поддерживает разность температур и плотностей поднимающегося теплого воздуха и окружающего холодного. Возникает стремительный восходящий поток воздуха. Тепловые грозы чаще бывают летом, во второй половине дня; они обычно кратковременны и охватывают ограниченные районы.

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

Для оценки надежности грозозащиты электрических сетей существенное значение имеет интенсивность грозовой деятельности. Лучше всего ее характеризует средняя продолжительность гроз (в часах в год) в течение "грозового сезона", который в большинстве районов нашей страны длится с апреля по октябрь. 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 считать продолжительность грозы 1¸2 ч. Распределение гроз на земной поверхности весьма неравномерно.

Грозовые явления нарушают нормальное электрическое состояние атмосферы, образуют местные объемные положительные и отрицательные заряды высокой концентрации, электрические поля с напряженностями у поверхности земли до + 30 кВ/м, под облаком — 1000 В/м, на удалении и потенциалом грозовых центров в облаках порядка 100 МВ.

Время существования грозового облака можно схематически разделить на три стадии:

1. кучевая — характеризуется восходящими потоками;

2. зрелости облака — когда имеются многочисленные восходящие и нисходящие потоки воздуха, вызывающие интенсивное разделение зарядов в нескольких центрах облака;

3. рассеивания — 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 оказываются те или другие из них.

Различают три типа грозовых разрядов:

1. линейная молния — имеет вид яркой узкой полосы между облаком и землей, между облаками или между отдельными скоплениями объемных зарядов внутри облака;

2. шаровая молния — имеет вид ярко светящегося подвижного выпуклого относительно устойчивого сгустка плазмы, возникающего и исчезающего по мало изученным в настоящее время причинам;

3. тихие разряды — корона, возникающая на выступающих заземленных предметах вследствие высоких напряженностей 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.

Исследования показали, что молния является пробоем гигантского воздушного промежутка между объемным зарядом облака и землей. Линейная молния в принципе аналогична пробою большого промежутка в резко неоднородном поле при напряжении, близком к минимальному разрядному.

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

N_п.у.м. » n_ч∙ n_s∙ S_p, (4.6.1)

где n_ч — число грозовых часов в году;

n_s » 0,1 — среднее удельное число ударов в течение одного грозового часа на S_p площадь в 1 км²;

S_p — расчетная площадь сооружения, км².

Неоднородность геологической структуры, рельеф пересеченной местности, водные пространства, протяженные металлические устройства в земле и другие причины вызывают избирательную поражаемость и отклонение местного значения от среднего n_s в несколько раз.

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

S_p » S_ф + 3 h_ср(П + 10 h_ср) 10^-6, (4.6.2)

где, S_ф — фактическая площадь сооружения, км²;

h_ср — средняя высота сооружения, м (h_ср £ 30 м);

П — внешний периметр сооружения, м (входящие углы спрямлены).

Для амплитуды и средней крутизны фронта можно воспользоваться также следующими приближенными эмпирическими зависимостями:

lg P (I_м ³ I_м.р.) » (4.6.3)

или P(I_м³I_м.р.)»e^-0,04Iм.р. (4.6.4)

lgP(I_м^'³I_м.р.^')» (4.6.5)

или P(Iм'³Iм.р.')»e-0,08Iм.р.; (4.6.6)

где I_м.р., I_м.^' — расчетная амплитуда (кА) и крутизна фронта (кА / мксек) тока молнии.

В практических расчетах фронт молнии обычно принимается косоугольным, а хвост в большинстве случаев — незатухающим. Для оценки надежности схем грозозащиты в ряде случаев существенное значение имеет корреляционная связь между расчетной амплитудой и крутизной фронта тока молнии. Можно также принимать жесткую связь I_м.р. = t_ф I_м.р.^', причем обычно принимают t_ф = 2 мксек = const. При этом

P (I_м ³ I_м.р.; I_м.^' ³ I_м.р.^' ) = P (I_м ³ I_м.р.). (4.6.7)

Одним из важных условий бесперебойной работы электрических станций и подстанций является обеспечение надежности грозозащиты зданий, сооружений и электрооборудования станций и подстанций. Правильно выполненная молниезащита надежно защищает объект и тем самым значительно повышает его эксплуатационные показатели. В то же время дополнительные затраты на устройство молниезащиты, по сравнению с общими затратами на строительство предприятия, как правило, весьма незначительные (не более 0,5%).

Необходимым условием надежной защиты является хорошее заземление молниеотвода, так как при ударе молнии на молниеотводе с большим сопротивлением заземления создается высокое напряжение, способное вызвать пробой с молниеотвода на защищаемый объект. Сечение проводников токоотводов должно быть выбрано с таким расчетом, чтобы была исключена опасность недопустимых перегревов, так как протекание токов молнии через пораженные сооружения связано с выделением теплоты. При этом ток молнии может вызвать нагревание токопроводящих элементов до температуры плавления или даже испарения:

(4.6.8)

где F — площадь сечения токопроводящего элемента, м²;

k — коэффициент зависящий от материала.

Устанавливают следующие минимальные площади сечения проводников:

медных —1,6 10^-6, м _;

алюминиевых — 25 10^-6, м ;

стальных — 50 10^-6, м .

Для проектирования и расчета молниезащитных мероприятий необходимо знать параметры молний и интенсивность грозовой деятельности в различных районах. К основным параметрам молний относятся амплитуда тока молнии, форма и крутизна фронта импульса тока молнии и скорость развития разряда молнии.

Эффективность защиты подстанции характеризуется средним годовым числом перекрытий изоляции из-за прорывов молнии в зону защиты b₁, обратных перекрытий при ударах в молниеотводы b₂ и перекрытий в результате опасных перенапряжении, возникающих при набегании на подстанцию импульсов по воздушным линиям b₃. Среднее число перекрытий из-за прорывов молнии в зону защиты:

, (4.6.9)

где n_уд — число ударов молнии в подстанцию за 100 грозовых часов;

Р_пр — вероятность прорыва молнии в зону защиты;

Р_пер — вероятность перекрытия изоляции при ударе молнии в провод;

D_r — число грозовых часов в районе расположения подстанции.

Число образования перекрытий изоляции при ударах в молниеотводы:

, (4.6.10)

где Р_обр — вероятность образования перекрытия при ударе в молниеотвод.

Среднее годовое число перекрытий изоляции подстанции из-за набегания на нее опасных импульсов грозовых перенапряжений определяется по формуле: (4.6.11)

где l_зп — длина защищенного подхода;

m — число подходящих к подстанции ВЛ;

h_тр — средняя высота подвеса тросов;

Р_a — вероятность прорыва молнии через тросовую защиту;

h_оп — высота опоры;

Р_тр — вероятность пробоя промежутка трос-провод при ударе в трос в середине пролета.

Показатель грозоупорности подстанции представляет собой число лет ее безаварийной работы:

(4.6.12)

Проектирование системы молниезащиты зданий и сооружений должно проводиться в строгом соответствии с категориями зданий по устройству молниезащиты, а также с учетом интенсивности грозовой деятельности в районе их местонахождения. Улучшение защиты подстанции вентильными разрядниками приводит к уменьшению опасной зоны. Величина b₂ больше, а М меньше для линий на двухцепных опорах, поэтому эффективным способом повышения надежности является улучшение грозозащиты подхода к подстанции, например, снижение сопротивления заземления, подвеска второго троса, использование одноцепных опор. С ростом номинального напряжения показатель грозоупорности подстанции повышается в связи с более высокими характеристиками грозоупорности линий.