Молния и молниезащита - Токи молнии через ОПН2 в конце защищенного подхода к подстанциям

При достижении ОПН2 в конце защищенного подхода к подстанции волна грозового перенапряжения, ограниченная ОПН1 в начале подхода и деформированная коронным разрядом по мере продвижения по защищенному подходу, проходит место подсоединения ОПН2 без искажения (при относительно малом напряжении) и направляется далее к трансформатору через включенные разъединители и выключатель. Отраженная от трансформатора (или от отключенных разъединителей либо выключателей, если разъединители включены) волна без перемены знака удваивает напряжение набегающей волны (без учета емкости трансформатора форма отраженной волны соответствует форме набегающей волны) и при подходе к ОПН2 активизирует его, переводя в проводящее состояние. По мере увеличения напряжения на ОПН2 его сопротивление уменьшается, согласно формуле (3.117), что приводит к уменьшению коэффициента преломления отраженной от оборудования подстанции волны, согласно формуле (3.119), и увеличению коэффициента отражения ее от ОПН2, согласно формуле (3.154), обратно в сторону оборудования подстанции. При этом, согласно формуле (3.119), уменьшается коэффициент преломления для набегающей с пролета волны (см. рис. 3.21).
В результате все большая часть отраженной от оборудования подстанции волны отражается от ОПН2 с переменой знака и направляется снова к оборудованию и все меньшая часть набегающей с пролета волны проходит через ОПН2 в сторону оборудования подстанции, а все большая ее часть отражается от ОПН2 в сторону защищенного подхода.
Результаты численных расчетов по изложенной в п. 3.7 методике (без учета емкости оборудования) приведены на рис. 3.23.
Видно, что в результате отражения волны от оборудования подстанции крутизна импульса напряжения на ОПН2 значительно возрастает, фронт волны сокращается, причем крутизна импульса грозового перенапряжения на ОПН2 сохраняется практически неизменной вплоть до наибольшего остающегося напряжения, практически равного максимальному напряжению набегающей с защищенного подхода волны. При этом фронт импульса тока через ОПН2 практически повторяет фронт набегающей с защищенного подхода волны грозового перенапряжения. Обращают на себя внимание небольшие максимальные токи через ОПН2, практически равные максимальному напряжению набегающей с защищенного подхода волны, отнесенному к волновому сопротивлению пораженного молнией провода линии:
(3.155)
Это вполне объяснимо, поскольку при любом сопротивлении ОПН ток грозовой волны ограничен волновым сопротивлением проводов линии (на защищенном подходе).

Рис. 3.23. Зависимости от времени набегающей на подстанцию 220 кВ (а) и 500 кВ (б) волны грозового перенапряжения (1) после ограничения в начале защищенного подхода ОПН1 и сглаживания фронта волны коронным разрядом при пробеге вдоль защищенного подхода в результате отражения от защищаемого оборудования подстанции и воздействия ОПН2 (2) и ток через ОПН2 (3)

На кривой тока отчетливо видны его колебания, связанные с отражением волн от защищаемого оборудования и ОПН2. На кривой напряжения на ОПН2 эти колебания проявляются значительно слабее из-за ограничивающего влияния ОПН2 в соответствии с его вольтамперной характеристикой (см. формулу (3.114)).
После достижения максимума напряжения на ОПН2 дальнейшее ее изменение практически точно соответствует изменению набегающей с защищенного подхода волны перенапряжения, соответствующей форме волны тока (см. п. 1.4).
Для оборудования подстанций 110 кВ длина фронта грозовой волны отрицательной полярности близка к длине фронта нормированного полного испытательного грозового импульса
Тф норм=1,2 мкс. Однако для подстанций более высокого напряжения реальная длина фронта волны грозового перенапряжения значительно превосходит нормированную испытательную (для подстанций 1800 кВ на порядок величин).
Длительность импульса тока через ОПН2 определяется временем перемещения электронов вдоль стримеров максимальной длины, определяемым длиной канала молнии (см. формулы (1.26), (1.30) и рис. 1.14 и 1.15).
Максимальные токи через ОПН2 на входе линии к подстанции определяются формулой (3.155), где UMMC - остающееся напряжение на ОПН1 (табл. 3.25).
Большие токи через ОПН2 определяются удвоением напряжения при отражении от оборудования подстанций, причем при увеличении расстояния между защищаемым оборудованием и ОПН различие токов через ОПН1 и ОПН2 увеличивается. Как следует из табл. 3.25, токи молнии через ОПН всех классов современных линий (вплоть до 1150 кВ) не превосходят 10 кА. Значительно большие токи через ОПН1 могут протекать только при ударе молнии в первый пролет линии перед защищенным подходом, когда напряжение не ограничено импульсной прочностью изоляции линии. Для того чтобы оценить необходимость учета возможности прорыва молнии через тросовую защиту вблизи защищенного подхода линии к подстанции, вычислим возможное время ожидания одного такого прорыва в пределах 1 км от защищенного подхода при использовании формул (3.92) и (3.93). Среднее число прорывов в год через тросовую защиту на длине линии I км при 30 ч грозовой активности в год:

где hт.э - эквивалентная высота подвески троса в пролете; hт оп - высота подвески троса на опоре; а - угол тросовой защиты, градус; п - число проводов в фазе линии.

Таблица 3.25

Таблица 3.26


Следовательно, среднее время ожидания одного прорыва молнии на длине линии 1 км вблизи защищенного подхода

Результаты вычислений по формуле (3.157) для линий разных классов напряжения и при различных углах тросовой защиты приведены в табл. 3.26.
Для линий 110 и 220 кВ даже при обычно принимаемых углах защиты 20...30° прорыва молнии сквозь тросовую защиту можно ожидать около 1000 лет.  Для линий более высокого напряжения уменьшение угла тросовой защиты (что вполне возможно при использовании линий компактного исполнения [49,51]) время ожидания одного прорыва через тросовую защиту также может быть обеспечено на уровне около 100 лет и более. Поэтому считаться с возможностью увеличения максимальных токов через ОПН, свыше приведенных в табл. 3.25, нецелесообразно ни при выборе параметров ОПН для защиты подстанций, ни при нормировании испытательных воздействий на ОПН. Рекомендованные МЭК и нормированные ГОСТ (53] формы испытательных импульсов большого тока (4/10 мкс) и максимальные значения токов через ОПН (65 и 100 кА) не имеют никакого отношения к реальным условиям работы ОПН в электрических сетях и потому должны быть исключены из норм на испытания ОПН. Также существенно завышены требования МЭК и ГОСТ к пропускной способности ОПН при воздействии грозовых импульсов тока. Как следует из табл. 3.25, номинальный разрядный ток ОПН не должен превышать 10 кА для всех эксплуатируемых в настоящее время электропередач (вплоть до 1150 кВ). Однако реальная длительность импульсов токов молнии значительно превосходит нормируемую для испытаний (см. рис. 1.15), что также необходимо принять во внимание.
В п. 3.1 показано, что из-за рассеяния заряда молнии вокруг проводов под влиянием коронного разряда грозовые перенапряжения распространяются на ограниченные участки линии. Следовательно, волны грозовых перенапряжений набегают на подстанции с ограниченных участков линий. Длина этих участков может быть оценена исходя из следующих соображений. Для оценки параметров защитных аппаратов (ОПН) необходимо принять во внимание волны предельных значений без пробоя изоляции линии. Далее необходимо оценить токи молнии при этих предельных грозовых перенапряжениях для каждого класса напряжения по формуле (3.1) с учетом волновых сопротивлений канала молнии и провода. По току молнии может быть оценена средняя длительность импульса тока молнии согласно данным рис. 1.15, что позволяет оценить заряд лидера молнии по формуле (1.32). Далее необходимо оценить погонный объемный заряд, рассеиваемый стримерным коронным разрядом при распространении волны грозового перенапряжения предельного значения. Частное от деления половины заряда лидера на погонный объемный заряд линии (от места удара молнии волна грозового перенапряжения распространяется в двух направлениях по линии) определяет предельное расстояние от подстанции, откуда может набежать полная волна грозового перенапряжения предельного значения:
(3.158)
Таблица 3.27

Результаты расчетов по указанному алгоритму приведены в табл. 3.27.
Увеличение предельного тока молнии при увеличении класса напряжения линии приводит к увеличению предельной длины участка линии, с которого может набежать на подстанцию полная волна грозового перенапряжения предельной величины.