ГЛАВА ПЕРВАЯ
ГРОЗОВЫЕ ВОЛНЫ напряжения на воздушной линии
ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
1. Параметры импульсных волн напряжения в месте удара молнии
Амплитуда и форма импульсных волн напряжения, возникающих на ВЛ при их поражении грозовыми разрядами, различны в зависимости от того, ударила ли молния в провод, в опору, в защитный трос или в заземленный объект вблизи линии. Они зависят также от того, сопровождался удар молнии перекрытием изоляции или нет.
На рис. 2 рассмотрены возможные случаи возникновения импульсных волн напряжения на ВЛ.
По параметрам эти волны могут быть разделены на: а) полные волны напряжения, близкие по форме к волне тока молнии, б) срезанные волны напряжения с большой амплитудой и фронтом, соответствующим фронту тока молнии, в) короткие волны напряжения с большой амплитудой и крутым фронтом и г) индуктированные волны напряжения небольшой амплитуды.
К полным относятся импульсные волны напряжения, возникающие на линиях любого исполнения при ударах молнии в провод без перекрытия изоляции. Амплитуда этих волн ниже импульсного разрядного напряжения изоляции линии. По форме волны близки к волнам тока молнии, эквивалентом которых служит полная импульсная волна 1,2/50 мкс.
При ударе молнии в провод в середину пролета от места удара молнии в обе стороны линии распространяются две одинаковые по форме и амплитуде волны напряжения.
Пусть I — амплитуда тока, ударяющего в хорошо заземленный объект. Тогда, как известно, ток молнии, поражающий линию, будет
(1)
где z0 — волновое сопротивление канала молнии, z — волновое сопротивление линии (система провод—земля) с учетом короны.
При этом амплитуда каждой из импульсных волн напряжения составит
(2)
Рис. 2. Классификация импульсных волн напряжения на ВЛ в месте удар молнии
Когда линия оборудована защитными тросами, при ударе молнии в середину пролета к промежутку провод—трос прикладывается напряжение:
где Кп-т — коэффициент связи провод—трос.
На существующих линиях электропередачи воздушный промежуток между проводом и тросом столь велик, что при любом месте удара молнии в провод перекрытие происходит по гирляндам изоляторов, подвешенных на опорах.
Когда молния ударяет в провод вблизи опоры, возникает волна напряжения, аналогичная волне при ударе молнии в середину пролета. В том и другом случае к гирлянде изоляторов на опоре прикладывается напряжение U0, определяемое выражением (2).
Рис. 3. Срезанная волна напряжения при ударе молнии в провод
При линиях на деревянных опорах с использованием изоляции всей длины деревянных опор и после перекрытия этой изоляции волна напряжения на проводе может быть условно отнесена к полным волнам. Действительно, на таких линиях в первую очередь перекрывается изоляция между проводами и лишь при значительно более высоком уровне напряжения — также и изоляция между проводом и землей.
Волновое сопротивление двух параллельно подвешенных проводов обычно меньше волнового сопротивления одного провода на 30—40%, а волновое сопротивление трех параллельно подвешенных проводов меньше волнового сопротивления одного провода примерно в два раза. После двухфазного или трехфазного перекрытия изоляции линии амплитуда импульсной волны напряжения снижается примерно на 40%. В случаях когда после трехфазного перекрытия амплитуда волны напряжения все еще выше импульсной прочности провода по отношению к земле, происходит перекрытие по деревянным стойкам опор. Тогда параллельно волновому сопротивлению провода подключается достаточно высокое сопротивление длинной дуги (10 м и более) и напряжение на проводе снизится еще на некоторую величину. Если при этом амплитуда импульсной волны все же окажется выше разрядного напряжения линии, то распространяющиеся в обе стороны от поврежденной опоры импульсные волны вызовут перекрытие изоляции на соседних опорах. Процесс продолжится до тех пор, пока амплитуда импульсной волны не снизится до минимального разрядного напряжения линии. Длительность волны напряжения после таких перекрытий существенно не изменится. Поэтому грозовые волны при линиях на деревянных опорах допустимо отнести к полным волнам напряжения.
Таблица 1.
Такой подход, не учитывающий возможности среза импульсных волн в ряде случаев, обеспечивает незаниженную оценку амплитуд импульсных волн напряжения, набегающих с линии на подстанцию.
Срезанные волны напряжения возникают при ударах в провод молнии с относительно большим током, сопровождающихся перекрытием гирлянды изоляторов на опоре. Такие волны характерны для линий на металлических и железобетонных опорах любого исполнения, а также для линий на деревянных опорах, защищенных тросами. Типичная форма срезанной волны напряжения приведена на рис. 3. Максимальное напряжение U0 определяется вольт-секундной характеристикой изоляции линии. При большой крутизне фронта напряжение U0 принимает достаточно большие значения. Но естественно, что, чем выше U0, тем меньше время U0, при котором происходит срез волны.
В табл. 1 приведены 50%-ные импульсные разрядные напряжения гирлянд изоляторов разных классов напряжения при разных
полярностях импульсной волны Uи- и Uи+. В той же таблице указано число изоляторов и их тип в гирляндах разного класса напряжения. Значения U для классов напряжения 35—500 кВ приняты по данным [3]. Для класса 750 кВ 50%-ное импульсное разрядное напряжение определено по кривым. В таблице приведены также значения тока молнии I0, соответствующие амплитудам импульсных волн, равным импульсным разрядным напряжениям отрицательной полярности U-.
Рис. 4. Функция распределения амплитуд токов молнии
1 —средняя кривая СИГРЭ, 1972 г., 2 — доверительные пределы кривой СИГРЭ, 3 — по Руководящим указаниям 1954 г.. СССР
Значения рассчитаны по формуле (2). При этом волновые сопротивления провода z приняты по табл. 1, а волновое сопротивление канала молнии взято равным 600 Ом. По значениям тока молнии I0 определена вероятность Q (I0) появления токов, превышающих I0. При этом использована кривая распределения токов молнии, рекомендованная СИГРЭ (рис. 4) (52). Значения Q (I0) также приведены в табл. 1.
Следует отметить, что при изменении волнового сопротивления канала молнии z0 в пределах от 300 до 3000 Ом значение I0, например, для линии 750 кВ меняется в пределах 15%. При этом изменение Q (I0) составляет не более 6% значения, рассчитанного для z0 = 600 Ом. Возможная погрешность не скажется существенно на результатах приведенных ниже расчетов (см. примеры 3 и 5 § 6 и приложение П3). Из табл. 1 следует, что для классов напряжения до 220 кВ вероятность ударов молнии, не приводящих к перекрытию линейной изоляции, достаточна мала: не превышает 10%.
Рис. 5. Волна напряжения при обратном перекрытии с опоры на провод
С ростом номинального напряжения сети вероятность Q (I0) уменьшается и для сетей 750 кВ и выше большая часть ударов молнии не приводит к перекрытию изоляции линии. Поэтому срезанные волны преобладают на ВЛ классов напряжения до 500 кВ; для ВЛ более высоких классов напряжения доля срезанных волн ниже 50%; эта доля уменьшается по мере роста номинального напряжения сети.
Импульсные волны с крутым фронтом возникают при ударах молнии в опору или в трос с последующим перекрытием с опоры на провод. Обратное перекрытие с опоры на провод чаще всего происходит при ударах молнии в опору или трос вблизи опоры. Обратное перекрытие гирлянды изоляторов на опоре при ударе молнии в трос в середине пролета возможно только при высоком сопротивлении заземления опор, выше примерно 20 Ом. Перекрытие воздушного промежутка трос—провод при ударах молнии в трос в середине пролета маловероятно. Но если такое перекрытие и случается, возникает импульсная волна напряжения с крутым фронтом, мало отличающаяся от волны, возникающей при обратном перекрытии с опоры на провод. Типичная форма такой волны напряжения приведена на рис. 5. Волна напряжения характеризуется крутым фронтом. До перекрытия гирлянды изоляторов на проводе имеется лишь небольшое напряжение, обусловленное электромагнитным полем молнии или индуктированное напряжением на тросе. В момент обратного перекрытия напряжение увеличивается скачком на некоторую величину и затем плавно нарастает до наибольшего значения U0. Рост напряжения связан с ростом тока молнии на фронте волны. После перехода тока молнии через наибольшее значение напряжение на проводе также снижается, вначале достаточно резко, затем медленнее [5]. В настоящей работе длина фронта волны принимается равной 1 мкс, длина волны до полуспада — 6 мкс [5, 26]. Такая малая длина волны объясняется отводом части тока молнии тросами и опорами.
Максимальное напряжение волны определяется значением напряжения, которое устанавливается на проводе после обратного перекрытия с опоры на провод. Это значение подвержено статистическому разбросу. Ее нижний предел близок к 50%-ной импульсной прочности гирлянды изоляторов при положительной полярности волны. Верхний предел обусловлен вольт-секундной характеристикой гирлянды изоляторов при волне 1/6 мкс отрицательной полярности (в обозначении волны числитель—длина фронта, знаменатель— длина волны). Действительно, когда после пробега волны до соседней опоры разность напряжений между проводом и опорой превышает импульсное разрядное напряжение гирлянды изоляторов, происходит перекрытие на соседней опоре, на этот раз с провода на опору, и дальше по линии направляется срезанная волна напряжения. И в этом случае максимальное напряжение волны может достичь больших значений, но с ростом U0 уменьшается время t0, при котором наступает срез волны (рис. 5).
Индуктированные волны напряжения возникают при ударах молнии в заземленные объекты вблизи линии. Длительность этих волн бывает различной. Ввиду небольшой амплитуды и малой энергии волны не представляют опасности для изоляции подстанции и для вентильных разрядников рассматриваемых классов напряжения. По этой причине индуктированные волны в книге не рассматриваются. По той же причине не рассматриваются перенапряжения, возникающие при ударах молнии в заземленные элементы линии (тросы, опоры), не приводящие к перекрытиям на провода линии.
С учетом изложенного грозовые волны напряжения на ВЛ классов напряжения 35 кВ и выше по форме и происхождению можно разделить на три вида:
а) полные волны напряжения, возникающие на ВЛ с деревянными опорами, не защищенными тросами, при разрядах молний любой силы тока и на ВЛ с металлическими (железобетонными) опорами при ударах в провода молний с токами относительно небольшой силы, не приводящих к перекрытию изоляции линии;
б) срезанные волны напряжения, возникающие на ВЛ с металлическими (железобетонными) опорами, не защищенными тросами, а также на В Л с опорами любого типа, защищенными тросами, при ударах в провода ВЛ молний с токами достаточно большой силы, приводящих к перекрытию изоляции линии;
в) короткие волны напряжения с крутым фронтом, возникающие на ВЛ при ударах в опору или трос молний с токами достаточно большой силы, приводящих к обратному перекрытию с опоры на провод.
