Молния и молниезащита - Экспериментальные исследования молниезащиты ВЛ

Экспериментальные исследования молниезащиты воздушных линий электропередачи
Экспериментальные исследования эффективности тросовой молниезащиты линий электропередачи были выполнены на наружном испытательном стенде СПбГПУ [41]. В качестве источника импульсов колебательного напряжения с длиной фронта 3000 мкс использовался каскад испытательных трансформаторов 2250 кВ, 4950 кВ-A. Напряжение подавалось на металлический стержень длиной 3 м, диаметром 50 мм, расположенным над поверхностью бетонной площадки на высоте 10 м. Масштаб моделирования был принят равным 1:20. Схема макета линии приведена на рис. 2.44. Модели проводов и тросов при исследованиях эффективности молниезащиты были заземлены.

Моделировались линии класса 500 кВ (минимальная высота проводов над землей 8 м) и 1150 кВ (минимальная высота проводов над землей 19 м). Остальные размеры варьировались в широких пределах.
Количество опытов при фиксированных параметрах каждой из моделируемых линий составляло от 500 до 1000, а в отдельных случаях (при малой вероятности прорыва молнии через тросовую защиту) увеличивалось до 3000. Результаты экспериментов для моделей линий 500 кВ традиционного исполнения и первой линии 1150 кВ приведены на рис. 2.45.
При угле тросовой защиты меньше 30° вероятность прорыва молнии через тросовую защиту резко уменьшается. При этом для модели линии класса 500 кВ получено достаточно хорошее согласие с эмпирической формулой, обобщающей опыт эксплуатации воздушных линий [42]:
I
Для линий класса 1150 кВ вероятность прорыва тросовой молниезащиты по данным экспериментов оказалась более чем на порядок больше, чем определенная по формуле (2.64), в полном согласии с опытом эксплуатации этой линии в течение 1988-1993 гг. Результаты этих экспериментов подтверждают также выполненный ранее теоретический анализ условий молниезащиты линий разной конструкции (см. п. 2.3).  Такой результат вызван тем обстоятельством, что не только угол тросовой молниезащиты определяет вероятность прорыва молнии через тросовую защиту, но и наводимый лидером молнии заряд на проводах линии. При восьми проводах в фазе линий 1150 кВ наводимый на проводах заряд значительно больше, чем при трех проводах в фазе на линиях 500 кВ.

Рис. 2.44. Схема макета линии при исследованиях эффективности тросовой молниезащиты

Рис. 2.45. Зависимости вероятности прорыва молнии через тросовую защиту линий электропередачи класса 500кВ (1), (3) и 1150 кВ (2, 4) по данным (1, 2) и по данным экспериментальных исследований (х). (3), (4)
Обращает на себя внимание также тот факт, что при больших углах молниезащиты экспериментальные данные для линий 1150 кВ и вычисленные по формуле (2.64) сближаются, тогда как при малых углах расхождения весьма существенны.
Далее были выполнены серии экспериментов при варьировании основных геометрических параметров линий в широких пределах. По результатам выполненных экспериментов подобрана эмпирическая зависимость вероятности прорыва через тросовую защиту линий, отличающаяся от формулы (2.64) учетом заряда на проводах, наводимого при приближении лидера молнии (см. п. 2.3):

(2.65)

где η - число проводов в фазе линии.
Результаты расчетов по этой формуле хорошо согласуются с данными рис. 2.45. Как следует из формулы (2.65) и из данных рис. 2.45, для обеспечения приемлемого уровня грозоупорности линии 1150 кВ необходимо обеспечить угол молниезащиты не более 10°. При угле а=10° вероятность прорыва молнии через тросовую защиту, согласно формуле (2.65), Рпр=1,8·10, что соответствует условиям молниезащиты линий класса 500 кВ (рис. 2.45) и по современным представлениям является приемлемым. При необходимости дальнейшего снижения вероятности прорыва молнии через тросовую защиту необходимо обеспечить дальнейшее уменьшение угла тросовой защиты. Такое уменьшение угла а может быть обеспечено (до определенных пределов) уменьшением междуфазовых расстояний и увеличением расстояний между тросами (если не применять третьего троса непосредственно над средним проводом). При этом, однако, необходимо исключить возможность поражения среднего провода между двумя тросами, что особенно проблематично при треугольном расположении проводов, когда средний провод располагается выше крайних (см. рис. 2.14 и 2.22).  Таблица 2.3

В связи с этим был проведен большой цикл экспериментальных исследований при отрицательных углах молниезащиты, соответствующих положению провода между двумя тросами. Исследования проводились при изменении геометрических параметров модели линии в широких пределах (табл. 2.3).
В табл. 2.3 h„p3 - эквивалентная высота подвески провода (ближайшего к тросам) с учетом провеса провода; ААТ - разность эквивалентных высот тросов и ближайшего к ним провода; Dт - расстояние между тросами по горизонтали.
По результатам выполненных исследований подобрана аппроксимирующая зависимость вероятности прорыва молнии через тросовую защиту при отрицательных углах молниезащиты:
(2.66)
где hпр э - эквивалентная высота подвески верхнего провода с наибольшим отрицательным углом защиты, Δhт - превышение троса над проводом в пролете, Dт - расстояние между двумя тросами по горизонтали, п - количество проводов в фазе. Для линий 1150 кВ с указанными ранее размерами вычисленная по формуле (2.66) зависимость хорошо согласуется с экспериментальными данными. При тех же значениях отрицательных углов молниезащиты, что и положительных, вероятность прорыва молнии через тросовую защиту при отрицательных углах на порядок величин меньше, чем при положительных. Поэтому, как правило, увеличение расстояния между тросами для обеспечения малых положительных углов тросовой молниезащиты крайних фаз линий не приводит к снижению грозоупорности линий вследствие прорыва молнии на средний провод.  

И, следовательно, компактные линии повышенной пропускной способности имеют повышенный уровень грозоупорности, возникающих на оборудовании подстанции вследствие удвоения напряжения в результате отражения от него.  Поэтому энергоемкость второй группы ОПН2 может быть значительно больше, чем первой (см. п. 3.8).