Возникновение грозового разряда и его характеристики
Причиной возникновения грозовых разрядов является объемный заряд облака, который образуется в атмосфере, а прежде всего в восходящих потоках теплового воздуха при большой влажности [2.18]. Возникновение облаков с пространственным зарядом, а также необходимые для грозового разряда условия и собственно процессы разряда подробно рассмотрены в § 7.8.
При рассмотрении воздействий на изоляцию технических устройств, вызванных молнией, важны прежде всего амплитуда тока, его изменение во времени и направление прохождения.
Примерно 80% молний переносят на землю отрицательный заряд. Такие молнии состоят из основного разряда, который часто сопровождается серией последующих разрядов, проходящих по одному и тому же каналу с интервалом времени между разрядами от 10 до 100 мс. Разряд с положительно заряженного облака обычно однократный, и лишь в редких случаях наблюдается серия разрядов [2.19].
Распределение вероятности наблюдаемых токов молнии дает 50 %-ное значение амплитуды токов, равное примерно 30 кА. Вследствие относительно большого вклада многократных разрядов с отрицательно заряженных облаков в статистику грозовых разрядов 50 %-ная вероятность крутизны тока составляет приблизительно 30 кА/мкс [2.20].
Для оценки поражения линии молнией важно знать частоту появления молний в области, где проложена линия. В метеорологии принято характеризовать грозовую деятельность в определенной области числом грозовых дней в году. В средней части Европы приходится два — четыре удара молнии в год на один квадратный километр поверхности земли [2 18].
Возникновение грозовых перенапряжений
В сетях высокого напряжения непосредственному воздействию тока молнии могут подвергаться только воздушные линии и открытые распределительные устройства. Можно выделить три принципиально различных вида воздействий на изоляцию, вызванных молнией: непосредственный удар молнии в провод, обратное перекрытие изоляции и удар молнии вблизи линии.
2.3.2.1. Удар молнии в провод.
Если удар молнии происходит в провод воздушной линии, то по этому проводу непосредственно проходит ток разряда, который разделяется на две равные части, распространяющиеся от места удара в противоположных направлениях. При достаточно длинных проводах имеет место волновой процесс, причем ток молнии i создает на волновом сопротивлении Z напряжение U=0,5 ίΖ. Волновое сопротивление линий высокого напряжения в зависимости от их исполнения обычно находится в пределах от 250 до 450 Ом, и на линии легко могут возникнуть амплитуды напряжений, равные миллионам вольт.
Особенно опасны волновые процессы, вызванные молнией, для коммутационной аппаратуры и трансформаторов, так как в этих устройствах, являющихся конечными точками линий, вследствие отражений волн возможно дальнейшее повышение напряжений, а их поврежденная изоляция в большинстве случаев не восстанавливается. Поэтому грозовые перенапряжения, возникающие на коммутационной аппаратуре и трансформаторах, должны быть ограничены с помощью разрядников.
Непосредственная защита самих линий электропередачи разрядниками не предусматривается. Если напряжение превышает электрическую прочность линейной изоляции, возникает разряд с последующей дугой КЗ, которое устраняется повторным автоматическим включением линии и не приводит к аварии.
Впрочем, если на линии высокого напряжения предусмотрены грозозащитные заземленные тросы, провода линии находятся в зоне защиты и не должны поражаться прямыми ударами молнии [2.18].
Обратное перекрытие изоляции.
Цель тросовой защиты воздушной линии — предотвращение непосредственных ударов молнии в провода. Удары молнии происходят в тросы или в заземленные опоры. В этих случаях большая часть тока молнии распространяется по тросам, а часть тока отводится в землю через переходные сопротивления заземления опор.
Ток молнии создает напряжения на волновом сопротивлении троса и опор, а также на переходном сопротивлении их заземления. Волновое сопротивление решетчатых опор может быть принято равным 250 Ом.
Однако вследствие небольшой высоты опоры, т. е. малого времени пробега волны, волновое сопротивление опоры оказывает влияние только в течение малого интервала времени. Непосредственно вслед за этим опору можно рассматривать как сосредоточенную индуктивность, на которой практически нет напряжения при спаде импульса. Поэтому в течение нескольких микросекунд напряжение на опоре определяется ее переходным сопротивлением заземления и током молнии. Переходное сопротивление заземления составляет обычно от 5 до 10 Ом [2.21].
Ток молнии определяет потенциалы опор в точках подвески изоляторов и перенапряжения между точками подвески изоляторов и проводами линии, находящимися под рабочим напряжением.
В результате может произойти разряд вдоль изоляции, который по причине, его вызывающей, называется обратным перекрытием изоляции.
При обратных перекрытиях изоляции на проводах возникают импульсы перенапряжения с предельно крутым фронтом, распространяющиеся вдоль линии. Особенно опасны перекрытия вблизи коммутационных аппаратов и трансформаторов вследствие большой крутизны фронта импульсов. Но если они возникают на большом удалении от аппаратов, то длительность фронта возрастает из-за коронного разряда примерно на 0,5— 1 мкс на один километр линии и в конце концов перенапряжения снижаются до неопасного значения.
Удар молнии вблизи линии.
Если при развитии грозового разряда его головка приближается к земле и имеет высокую плотность заряда, то на заземленных предметах (на поверхности земли, проводах линии и защитных тросах) индуктируются заряды. При ударах молнии в землю накопленные на изолированных проводах заряды не могут быть мгновенно нейтрализованы. Так как заряды головки молнии очень быстро нейтрализуются, то индуктированные на проводах заряды оказываются несвязанными; они могут растекаться в виде электромагнитных волн вдоль проводов в обоих направлениях.
Возникающие при этом импульсы имеют такую же форму, как и при непосредственных ударах молнии в линию, но их амплитуда гораздо меньше и обычно не превышает 150 кВ. Поэтому они имеют значение только в сетях низкого и среднего напряжений [2.21].
Перенапряжения при ударах молнии вблизи линий имеют на всех проводах линий воздушных передач одинаковые полярность и временные зависимости, и по этим параметрам их легко отличить от других видов перенапряжений. При каждом ударе молнии вблизи линии возникают индуктированные перенапряжения, которые являются наиболее часто возникающим видом грозовых перенапряжений.
Оценка и характеристики грозовых перенапряжений
В то время как коммутационные перенапряжения непосредственно связаны со значением рабочего напряжения, амплитуда грозовых перенапряжений оказывается зависящей от статистического распределения значений тока молнии, а также от значений волновых сопротивлений линии и сопротивлений заземлений. Эти параметры в малой степени зависят от рабочего напряжения. Следовательно, с увеличением рабочего напряжения грозовые перенапряжения становятся менее опасными. При рабочих напряжениях выше 420 кВ уровень изоляции определяется в основном ее прочностью при коммутационных напряжениях.
Среди различных форм грозовых перенапряжений доминируют отрицательные импульсы с очень малой длительностью фронта, связанные с многократной молнией. Поэтому в специальных нормах для испытаний изоляции грозовыми напряжениями принят импульс с длительностью фронта, равной 1,2 мкс, и временем спада до половины от амплитудного значения 50 мкс [2.15, 2.16]. При этом учитываются также и крутые фронты импульсов напряжения, возникающих при обратных перекрытиях изоляции.
