12. Молниезащита воздушных линий электропередачи При рассмотрении вопроса молниезащиты воздушных линий (ВЛ) могут быть следующие расчетные варианты (рис. 1): 1. Прямой удар молнии в вершину опоры. 2. Удар в трос. 3. Прорыв промежутка «трос-провод».Рис. 1. Вероятность ударов тока молнии на воздушных линияхДля перекрытия изоляции для всех расчетных случаев необходимо определенное напряжение, ток молнии Iм, волновое сопротивление провода воздушной линии (ВЛ). Вероятность перекрытия Pпер линейной изоляции зависит от Iм, импульсной прочности гирлянд, размеров линии. Число перекрытий линейной изоляции определяется:, где уд – среднее число ударов молний на ВЛ;Pпер – вероятность перекрытия изоляции ВЛ. По пути перекрытия изоляции линий проходит ток промышленной частоты. Это ток короткого замыкания на землю. Длительность тока молнии ≈ 100 мкс значительно меньше полупериода тока промышленной частоты (10000 мкс). Если время горения дуги больше времени срабатывания средств релейной защиты (Р3А), то происходит отключение линий. Если работа АПВ не успешна, то возникает перерыв в электроснабжении потребителей. При расчетах оценивается вероятность перехода импульсного перекрытия в устойчивую дугу при средней напряженности вдоль пути перекрытия:, где l – длина гирлянды. Для длинных воздушных промежутков вероятность возникновения устойчивой дуги определяется по формуле:, где Eср – средняя напряженность, кВ/м (действующее значение). Для воздушных линий (ВЛ) на металлических опорах при номинальных напряжениях 220 кВ принимают = 0,7, а при номинальных 330 кВ и выше – = 1,0. Число отключений 100 км линий в районе со 100 грозовыми частями в году:, где hср – средняя высота подвеса троса (провода); – вероятность возникновения устойчивой дуги;Pпер – вероятность перекрытия изоляции линии. Для ЛЭП напряжением 35 кВ и ниже, работающих с изолированной нейтралью, трос не применяется. Из-за малой электрической прочности изоляции таких линий любой удар молнии в трос приводит к обратному перекрытию с троса на провод. Наиболее эффективным средством для этих линий является оборудование их АПВ и установка ДГК, уменьшающей ток однофазного замыкания на землю и увеличивающей вероятность погасания дуги. Таким образом, возможно использование двух методов, уменьшающих число грозовых отключений ВЛ: 1. Уменьшение вероятности перекрытия изоляции. 2. Уменьшение вероятности перехода импульсного перекрытия в устойчивую дугу тока к.з. Первый метод реализуется подвеской тросовых молниеотводов и созданием малого импульсного сопротивления заземления опор (при этом резко снижаются вероятность поражения молнией фазовых проводов и импульсное напряжение на изоляции при ударе в опоры и трос). Второй метод осуществляется путем удлинения пути перекрытия, что приводит к снижению Еср или использованию ДГК, что увеличивает вероятность самопроизвольного погасания дуги замыкания на землю. По условию надежности электроснабжения, допустимое число отключения ВЛ в год принимается равным:, где Nдоп – допустимое число перерывов электроснабжения в год (Nдоп ≤ 0,1 при отсутствии резервирования; Nдоп ≤ 1,0 при наличии резервирования);βАПВ – коэффициент успешности АПВ (β = 0,8…0,9 для ВЛ-110 кВ и выше на металлических и железобетонных опорах). Необходимо отметить, что частое применение АПВ осложняет работу выключателей, поэтому допускается nоткл.доп = 1…4 в зависимости от типа выключателей.^ 12.1. Грозоупорность ВЛ без тросовПри прямом ударе молнии в провод ток молнии растекается по пораженному проводу в обе стороны (рис. 2), поэтому амплитуда волны перенапряжения на проводе определяется как:,где Zпр – волновое сопротивление провода (≈ 300 Ом),Iм – ток молнии. При коронировании увеличивается емкость провода и, соответственно, уменьшается ^ Z. На ЛЭП с металлическими опорами импульс перенапряжения с амплитудой U воздействует на изоляцию провода на опоре. При Iм = 5…10 кВ создаются перенапряжения, достаточные для перекрытия гирлянды изоляторов. На ЛЭП при Uн 220 кВ часто используются деревянные опоры. Для ориентировочных расчетов дополнительную импульсную прочность деревянной траверсы принимают 100 кВ на 1 м пути разряда по этой траверсе (рис. 2). На линиях с деревянными опорами перекрытие происходит по пути: гирлянда–траверса–гирлянда. Рис. 2. Удар молнии в провод линии на деревянных опорахИмпульс на пораженном проводе индуктирует напряжение на соседнем проводе в соответствии с коэффициентом электромагнитной связи K. Между проводами возникает напряжение: , где ^ К – коэффициент связи между проводами с учетом импульсной короны (К = 0,25…0,4). Вероятность перекрытия линейной изоляции Рпер рассчитывается по критическому значению тока молнии. Критический ток молнии для ВЛ на металлических и железобетонных опорах:; для ВЛ на деревянных опорах: . Малое число отключений ВЛ на деревянных опорах без тросов обеспечивается за счет низкого значения коэффициента перехода импульсного перекрытия в силовую дугу. В случае металлических опор разрядный промежуток уменьшается до длины одной гирлянды, что увеличивает как коэффициент , так и вероятность перекрытия изоляции Pпер. После перекрытия изоляции пораженного провода в путь тока вместо Zпр/2 включается сопротивление заземления опор. На соседних проводах наводится потенциал перекрытие второго провода произойдет, если Iкр U50%/ Rи(1 – К). Вероятность перекрытия тем меньше, чем ниже сопротивление Rи. Поэтому на ВЛ-35 кВ на железобетонных опорах без тросов нужны дополнительные заземлители для уменьшения сопротивления заземления опоры Rи. При ударах вблизи линии возникают также индуцированные перенапряжения:, где Uи.э – электрическая составляющая;Uи.м – магнитная электрическая составляющая. Не только прямой удар молнии, но и индуктированные перенапряжения также опасны для ВЛ-35 кВ (рис. 3). Рис.3. К оценке индуктированных перенапряжений, где Kэ – коэффициент пропорциональности, уменьшающий при возрастании скорости главного разряда и имеющий размерность сопротивления;hср – средняя высота подвеса провода;b – расстояние от провода до точки удара молнии. Изменения магнитного потока при главном разряде приводит к возникновению магнитной составляющей индуктивного перенапряжения в петле опора–гирлянда–провод–земля. Максимальное значение напряжения на гирлянде:, где Kм – коэффициент, возрастающий с увеличением скорости главного разряда. Максимальное значение индуктированного напряжения равно:. Сумма Кэ+ Кэ ≈ 25…36 Ом. Индуцированные перенапряжения могут превышать импульсную прочность линии 35 кВ (U50% = 350 кВ) и линий 110 кВ (U50%= 700 кВ).^ 12.2. Грозоупорность воздушных линий с тросамиГрозовые отключения ВЛ с тросами вызваны следующими причинами: Удар молнии в трос в середине пролёта и перекрытие воздушного промежутка трос–провод. Прорыв молнии через тросовую защиту (т.е. поражение провода). Удар молнии в опору и обратное перекрытие изоляции с опоры на провод.Удар молнии в трос в середине пролета между двумя опорами Если трос хорошо заземлен на опорах, тогда, где Zтр – волновое сопротивление троса. Максимальное напряжение между тросом и проводом:, где α – крутизна тока молнии; l – длина пролета; – скорость распространения разряда; K – коэффициент связи между проводом и тросом. Удар молнии в трос в середине пролета является расчетным случаем для выбора расстояния между тросом и проводом. При ударах молнии в трос возможно перекрытие изоляции на опорах, где прочность изоляции значительно ниже, чем в середине пролета. Обычно расстояние между тросом и проводом по вертикали берется равным 2% длины пролета (l = 400 м, f = 8 м).Удар молнии в вершину опоры Число ударов в опоры определяется формулой:, где nуд – число ударов молнии в линию. Обратное перекрытие линейной изоляции с опоры на провод фазы произойдет если напряжение на изоляторе больше (Uизол > Uимп) разрядного напряжения Потенциал провода имеет три составляющие: рабочее напряжение; напряжение, индуктированное на проводе зарядом лидера (U электростатистической составляющей); напряжение, индуктированное на проводе в результате распространения по тросам импульсов напряжения с амплитудой Uоп. Расчетное значение рабочего напряжения (Uраб) принимается равным среднему значению за полупериод (). Электрическая составляющая индуктивного перенапряжения при ударе в опору может быть приближенно рассчитано по формуле:, где Еср = 10 кВ/см – средняя напряженность электрического поля в промежутке между каналом лидера молнии и опорой перед главным разрядом;^ К – коэффициент электромагнитной связи между проводом и тросом, учитывающий экранирующее действие троса.. Напряжение Uинд имеет полярность, обратную полярности потенциала вершины опоры. Прохождение тока по тросу вызывает появление на проводе напряжения Uоп того же знака, что и потенциал опоры. Эта составляющая уменьшает напряжение на изоляции линии. Таким образом, напряжение на линейной изоляции, равное разности потенциалов вершины опоры и провода, в момент максимума тока молнии определяется как:. Это напряжение сравнивается с напряжением перекрытия гирлянды при предразрядном времени, равном длительности фронта импульса тока молнии τф (рис. 4). Рис.4. Определение времени разряда линейной изоляции при разных крутизнах фронта тока молнии (a1 > a2): 1 – вольт-секундная характеристика изоляции; 2 – напряжения на изоляцииЗначение Uиз зависит от крутизны фронта тока молнии (рис. 5). Рис. 5. Кривая опасных параметровIм = τф. Вероятность перекрытия изоляции при ударе молнии в опору определяется по значению критического тока:, где Rи– импульсное сопротивление заземления опоры;δ – коэффициент, учитывающий число тросов на опоре: Для ВЛ с двумя тросами: δ = 0,15; а для ВЛ с одним тросом: δ = 0,3. При двух тросах доля тока в опоре меньше, чем при одном тросе и критическое значение тока молнии выше. Увеличение высоты опоры и ее индуктивности приводит к росту напряжения на гирлянде изоляторов и к уменьшению критического тока.Вероятность пробоя молнии через тросовую защиту Вероятность пробоя определяется эмпирической зависимостью (рис. 6.) Рис. 6. Определение защитного угла α тросов, где hоп – высота опоры; α – угол защиты тросовым молниеотводом. Более точный расчет P основывается на связи ориентировки молнии на ВЛ с развитием встречных лидеров; при этом прорыв молнии имеет место и в том случае, если встречный лидер развивается от провода. Процесс развития встречных лидеров зависит от напряженности электрического поля между лидером молнии и наземными объектами. На указанный процесс влияют: число и расположение проводов, наличие соседних линий, провисание проводов в пролете, а также рабочее напряжение ВЛ (среднее значение вероятности прорыва для ВЛ-500 кВ равно 0,29%, а для ВЛ-750 кВ – 0,92%).^ 12.3. Удельное число отключений линий с тросамиУдельное число отключений вычисляется в общем случае по формуле:, где hтр – средняя высота подвеса троса;hоп – средняя высота опоры;P – вероятность поражения провода;Pпер – вероятность перекрытия изоляции на опоре при ударе молнии в провод;Pоп – вероятность перекрытия изоляции при ударе в опору;Pтр – вероятность пробоя промежутка трос-провод при ударе в трос в середине пролёта; 1 – вероятность образования устойчивой дуги при перекрытии изоляции опоры; 2 – вероятность образования устойчивой дуги при пробое воздушной изоляции в пролете, l – длина пролета. Двухцепные линии имеют большую высоту опор и отключаются значительно чаще, чем одноцепные линии с горизонтальным расположением проводов. Использование двух тросов на двухцепных опорах позволяет уменьшить число грозовых отключений линий^ 12.4. Эффективность грозозащитыЭффективность защиты оценивается следующей зависимостью:, где 1 – среднее годовое число перекрытий изоляции из-за прорыва молнии в зону защиты; 2 – коэффициент, учитывающий обратные перекрытия изоляции при ударах молнии в молниеотвод; 3 – коэффициент, учитывающий число перекрытий из-за набегающих на подстанцию импульсов по ВЛ., где nуд – число ударов молнии в подстанцию за 100 грозовых часов:.Pпр – вероятность прорыва молнии в зону защиты п/с:Pпр= 0,05…0,005Pпер – вероятность перекрытия изоляции при ударе молнии в провод, определяется по критическому току: Дг – число грозовых часов в районе расположения подстанции., где Pобр – вероятность обратного перекрытия при ударе в молниеотвод. Pобр определяется по Iкр: , l – высота точки крепления гирлянды на портале. где lз.п – длина защитного подхода:, ;K – коэффициент, равный соответственно 1; 1,1; 1,45; 1,55 при числе проводов в фазе соответственно 1; 2; 3; 4 и более;h – средняя высота подвеса провода;Umaz– амплитуда полного импульса;m – число подходов ВЛ к подстанции; – вероятность прорыва молнии через тросовую защиту, где α – угол защиты троса.Pоп – вероятность перекрытия изоляции при ударе опору,Pтр – вероятность пробоя промежутка трос–провод. Следует обратить внимание на то, что в пределах защищенного подхода углы защиты α и сопротивления заземления опор делаются меньше, чем на всей длине линии. Для достижения приемлемых показателей грозоупорности линий для грунтов с различными удельными сопротивлениями нормируются следующие значения сопротивления заземления опор при промышленной частоте тока: , Ом/м 100 100…500 500…1000 более 1000 R, Ом до 10 до 15 до 20 до 30 В импульсном режиме сопротивления сосредоточенных заземлителей получаются несколько меньше из-за искрового эффекта. Расчетные значения М составляют несколько сотен лет, т.е. на порядок превышают расчетные сроки службы электрооборудования.